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1、永久性路面结构与材料性能,张起森 教授 博士生导师长沙理工大学,长沙理工大学张起森教授博导,主要内容,一、永久性路面设计理念二、永久性路面设计方法三、永久性路面的材料要求四、目前各地永久性路面状况五、总结,长沙理工大学张起森教授博导,一、永久性路面设计理念,长沙理工大学张起森教授博导,定义,perpetual pavement：指只需定期更换路面表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行结构性修复或重建，且使用寿命大于50年的沥青路面。full-depth asphalt pavement（全厚式路面）deep strength asphalt pavement（高强度路面）long-life
2、asphalt pavement（长寿命路面）,长沙理工大学张起森教授博导,设计理念,上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力中间层：抗车辙能力基层：抗疲劳能力 路基：高强、稳定和坚固,长沙理工大学张起森教授博导,设计理念,长沙理工大学张起森教授博导,自下而上进行设计和施工基础（高强、稳定和坚固）稳定将使用期间的季节性变化和体积变化降低到最小下面层加强抗疲劳性能上面层加强抗车辙性能,设计理念,长沙理工大学张起森教授博导,永久性沥青路面在使用过程中，为保持其良好的性能和使用寿命，必须定期检测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、车辙等病害达到预定深度时(即达到磨耗层深度)，就必须采取罩面等措施。对于永久性沥青
3、路面而言，这点非常关键，它保证了将病害限制在表层，且尽可能减小未来罩面的附加厚度（重铺厚度必须尽可能采用原厚度）,长沙理工大学张起森教授博导,要应避免以下现象发生,重复弯曲,导致疲劳开裂,重复 变形,导致车辙,HMA,基层,路基,长沙理工大学张起森教授博导,永久性路面优点,沥青路面寿命可达50年路面平整，噪音低，摩擦系数高成本效益高路面的养护维修仅限于面层沥青面层可再循环减少疲劳开裂和车辙损坏最大限度地减少自然资源的使用采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开裂、车辙和温度开裂,长沙理工大学张起森教授博导,使用时间,总费用,传统路面,永久性路面,经济性能,经济差,长沙理工大学张起森教授博导,二
4、、永久性路面设计方法,长沙理工大学张起森教授博导,设计原理力学方法设计过程类似于其它结构设计方法选择控制点验算控制标准(由下至上设计),永久性路面设计过程,长沙理工大学张起森教授博导,力学设计法,路面模型,材料性能(模量值),路面反应(应变,应力等),转移函数,设计完成,尽量不让沥青层底拉应变65或路基顶压应变 200,长沙理工大学张起森教授博导,1992年Monismith提出力学设计法的流程图,长沙理工大学张起森教授博导,力学性能标准,弯曲拉应变极值 65me(Monismith,Von Quintus,Nunn,Thompson等人研究发现),垂直压应变极值 200me(Monismit
5、h,Nunn等人研究发现),厚 HMA(200mm）,基层(as required),路基,长沙理工大学张起森教授博导,疲劳开裂控制点位置：面层底面控制标准：拉应变200mm,永久性变形控制点位置：路基顶面控制标准：压应变 200,永久性路面设计控制点,路基,力学指标,基层,面层,长沙理工大学张起森教授博导,设计软件软件名称：PerRoad 3.0软件开发：David Timm,NCAT，Auburn大学,设计软件下载URL地址：http:/www.A点击Perpetual Pavement设计软件安装连击 PerRoad,设计软件PerRoad 3.0,长沙理工大学张起森教授博导,建立新文件
6、点击File中SaveSAVE AS 窗口出现，键入文件名,建立新文件,键入文件名,设计软件应用,长沙理工大学张起森教授博导,输入设计参数路面结构材料和季节参数交通参数,交通参数,选择设计参数输入窗口,结构和季节参数,设计软件应用,长沙理工大学张起森教授博导,路面结构材料和季节参数材料性能和变异性模量温度调整性能标准和转换公式：,变异性输入窗口,使用性能选择窗口,模量温度调整窗口,设计软件应用,长沙理工大学张起森教授博导,交通参数(轴载谱)车轴类型轴载分布轴载数增长率,轴载谱输入窗口,车轴类型,轴载数,轴载分布,增长率,设计软件应用,长沙理工大学张起森教授博导,三、永久性路面对结构层设计的要求
7、,长沙理工大学张起森教授博导,设计内容,路基基层中间层面层,长沙理工大学张起森教授博导,材料设计参数,采用理论弹性材料理论设计参数弹性模量E和泊松比,长沙理工大学张起森教授博导,材料参数确定方法,长沙理工大学张起森教授博导,1,2,3,加载前,加载中,加载后-与加载前尺寸同,弹性材料的力学行为,长沙理工大学张起森教授博导,确定E 和,长沙理工大学张起森教授博导,FWD 测试方法,长沙理工大学张起森教授博导,模量反算,传感器,荷载,变形,路面结构,长沙理工大学张起森教授博导,材料参数与路面响应关系,沥青层厚度与车辙率关系沥青层厚度与层底拉应变关系沥青层模量与层底拉应变关系沥青层厚度与路基顶压应变
8、关系统计学设计方法,长沙理工大学张起森教授博导,(资料来源：TRL),沥青层厚度与车辙率关系,长沙理工大学张起森教授博导,沥青含量与车辙关系,沥青含量,沥青含量标准偏差,车辙量为10%（15mm或更大）时的累计轴载作用次数占目标累计轴载作用次数的百分比,长沙理工大学张起森教授博导,沥青层厚度,沥青层底拉应变,沥青层厚度与层底拉应变关系,(资料来源：TRL),长沙理工大学张起森教授博导,沥青层模量,沥青层底拉应变,沥青层模量与层底拉应变关系,(资料来源：TRL),长沙理工大学张起森教授博导,沥青层厚度与路基顶压应变关系,(资料来源：TRL),长沙理工大学张起森教授博导,疲劳寿命与力学响应转换关系
9、,(资料来源：APA),长沙理工大学张起森教授博导,统计学设计方法,或然设计方法(Probabilistic Design)蒙特卡洛模拟法(Monte Carlo Simulation),(资料来源：APA),长沙理工大学张起森教授博导,沥青结合料等级选用,(资料来源：APA),长沙理工大学张起森教授博导,沥青混合料磨耗层,厚度 4075mm受力特点高受力复合区域，是各种损坏最易发生的区域 要求抗车辙、表面开裂，良好的抗滑性能，减少水溅、水漂，降低路面噪音功能 设计寿命 10年,长沙理工大学张起森教授博导,沥青混合料磨耗层,混合料类型考虑选择SMA，Superpave密级配混合料或者OGFC
10、对城市重交通，可选择SMA对中轻交通，可选择Superpave性能检测性能试验（抗水损、抗磨耗、高温车辙等）,长沙理工大学张起森教授博导,沥青混合料中间层,厚度 100175mm受力特点荷载稳定发展和扩散的区域，易发生车辙区域 要求提供传荷和承重性能，应防止车辙，具有良好的稳定、耐久性能。设计寿命 50年以上,长沙理工大学张起森教授博导,沥青混合料中间层,混合料类型考虑选择骨架密实型级配混合料和高温稳定性好的沥青结合料性能检测性能试验（抗水损、高温车辙、耐久性等）,长沙理工大学张起森教授博导,路面厚度减少层底拉应变厚沥青层路面=低应变应变低于疲劳极限=寿命不确定,压应变,拉应变,应变,疲劳寿命
11、,不确定寿命,沥青混合料基层,(资料来源：APA),长沙理工大学张起森教授博导,沥青混合料基层,厚度 75100mm受力特点主要抵抗由于行车荷载反复作用造成的弯拉应力引起的疲劳开裂 要求提供传荷和承重性能，应具有良好的稳定、疲劳性能。设计寿命 50年以上,长沙理工大学张起森教授博导,沥青混合料基层,混合料类型采用富沥青、改性沥青、厚沥青层、耐疲劳材料等方式实现 性能检测性能试验（抗水损、耐久性等）,长沙理工大学张起森教授博导,永久性路面推荐混合料类型汇总表,长沙理工大学张起森教授博导,永久性路面推荐混合料类型汇总表(续),长沙理工大学张起森教授博导,底基层厚度要求,路基顶面底基层厚度要求(资料
12、来源：APA),路基强度要求Illinoi经验：CBR6。或者：路基上铺石灰稳定层或碎石层底基层,路面基础,长沙理工大学张起森教授博导,四、各地永久性路面状况,长沙理工大学张起森教授博导,传统的沥青路面设计寿命为20年。适度增加路面强度及沥青混合料基层厚度的永久性路面，则甚至可以获得50年或50年以上使用寿命。欧洲使用情况简介美国使用情况简介中国山东滨州永久性路面试验路,各地永久性路面状况,长沙理工大学张起森教授博导,欧洲使用情况简介,1977年德国A5高速公路Frankfurter Kreuz采用的结构是37mm浇注沥青砼面层+200mm沥青砼基层+150mm稳定底基层。该高速公路双向日交通
13、量152000辆/d，重载货车比例为1020，使用17年后标准轴载次数为125百万次，到现在仍然使用良好。再如德国汉堡高速公路都承受着非常重的交通量，结构为35mm浇注沥青砼面层+265mm沥青砼基层+150mm级配砂砾+防冻层,长沙理工大学张起森教授博导,欧洲使用情况简介,法国巴黎Peripherique道路双向交通量200000辆/d，重载货车占10，年标准轴次1千万。1993年进行了大修，结构为40mm排水面层+220mm高模量沥青砼基层。再如法国Stered高速，结构为70mm沥青砼+60mm沥青稳定砂砾+100350mm水泥稳定砂砾+150mm砂层,长沙理工大学张起森教授博导,欧洲使
14、用情况简介,意大利的Del Sole高速，结构为30mm中粒式沥青砼+70mm粗粒式沥青砼+150mm沥青碎石+360mm级配砂砾+300400mm砂层奥地利Brenner高速，结构为27mm细粒式沥青砼+30mm中粒式沥青砼+45mm粗粒式沥青砼+140mm沥青碎石（密级配）+160mm沥青碎石（开级配）+300mm防冻层,长沙理工大学张起森教授博导,美国使用情况简介,New JerseyNew Jersey运输部对I-287州际道路的路面损害情况进行调查。该道路1993年年平均日交通量为11.1019万次，货车占22，重货车占9。20年累计当量荷载5000万次。由于是重载交通，因此经常出现
15、停车、慢速行车。1963年修建，原结构为3inHMA面层+7in基层+8in密级配的级配碎石+10in级配砂砾底基层，路基为粉质砂土。,长沙理工大学张起森教授博导,美国使用情况简介,New Jersey使用多年来除了局部进行了小面积的补坑外，没有经过其他维修。调查发现路面维修很少，路表行车道处产生了纵向疲劳开裂，且车辙深度达到25mm以上。但是进一步研究表明这些病害深度都没有发展到路表75mm以下，因此决定冼刨调表明75mm沥青面层，重新加铺100mmHMA。该工程1994年完工，2001年调查时没有发现任何开裂、车辙，预计结构能够使用40年以上。,长沙理工大学张起森教授博导,美国使用情况简介
16、,Iowa20世纪60年代修建的州际道路I-80上的两段道路，被APA授予2002年永久性路面奖，一条在Cedar，另一条在Johnson。该奖授予美国州际高速公路系统上的6个不同路段。Cedar路段修建于1962年，结构为4.5inHMA面层+16inATB，直接放到细粒土上。使用到现在为止分别在1967年、1990年进行了表面修补。,长沙理工大学张起森教授博导,美国使用情况简介,Iowa与Cedar不同的是，Johnson路段路基土是罕有的潮湿，1964年采用了6in土石底基层，结构为3inHMA面层+14inATB，1964年面层进行2in罩面，1968年工程结束，到现在只进行过一些面层
17、修复（与刚通车时相比，现在I-80道路上的交通量已经增长了5倍多）。实践表明，正确的路面结构设计、严格的施工质量控制和适当的维修，沥青路面一定能够使用很长时间。,长沙理工大学张起森教授博导,美国使用情况简介,Washington1999年该州交通运输部（WSDOT）对480km全路段进行了详细调查。该路中有三种路面结构：柔性结构、CTB基层（水泥稳定基层）沥青路面和PCC路面，依次占里程百分比为47、33和20。而且全段被Cascade山脉分成两个不同的气候区，西部为温和海洋性气候，交通量较高；而东部夏热冬寒，部分路段交通量较小（标准轴次37.5万次/年/车道），而有些路段交通量又很高（标准轴
18、次2500万次/年/车道）。,长沙理工大学张起森教授博导,马里兰州路面结构使用状况,马里兰州的巴尔的摩环形公路也是一个很好的例子，日交通量（ADT）是175000辆/日，货车占19。结构为2inSMA19+2.5inHMA基层（大粒径石料）。总厚度为16in（40.6cm），没有发现自下而上的疲劳开裂，4年的观测表明，路面车辙正常，为1/8in。,长沙理工大学张起森教授博导,俄亥俄州柔性路面研究,4条州际公路性能调查结果HMA路面没有修复或重建而使用超过34年“没有大量结构性或排水维修的柔性路面”仅略多于目前HMA路面花费,长沙理工大学张起森教授博导,FHWA 长期路面性能研究数据,GPS-6
19、(FHWA-RD-00-165)数据结论大部分AC 罩面 15 years(修复前)许多 AC罩面 20 years（大破坏前）厚面层意味着少:疲劳开裂横向开裂纵向开裂,长沙理工大学张起森教授博导,表面开裂,过去一般认为沥青路面的开裂是从下到上的开裂，但近几年欧洲和美国加利福尼亚、伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、弗罗里达等州调查发现轮迹带出现自上而下纵向裂缝。弗罗里达大学等对此展开了大量理论和现场调查研究，并取得了一定成果,长沙理工大学张起森教授博导,表面开裂原因,卡车轮胎引起的横向应力过大（导致轮迹带出现自上而下纵向裂缝）温度应力（出现较高的温度应力临界状态时间较短，如冬天一般是晚上出现）铺筑设备
20、（伊利诺伊州运输部门研究人员发现）,表面开裂,TRL,长沙理工大学张起森教授博导,新泽西 I-287表面开裂,长沙理工大学张起森教授博导,150 mm,50 mm,华盛顿沥青路面Top-Down开裂 150 mm,长沙理工大学张起森教授博导,M32,TRL,长沙理工大学张起森教授博导,抗车辙面层车辙出现在沥青上面层Full-Scale TracksMn/ROADWesTrackNCAT加速加载路面试验CalAPTFHWA,长沙理工大学张起森教授博导,中国山东滨州永久性路面试验路,背景：滨州地处黄河尾闾、渤海之滨，是联接京津塘与山东半岛两大经济发达地区的交通枢纽和黄河三角洲开发的重要基地。试验路
21、（离黄河只有几公里）2005年6月开始施工，9月通车。,长沙理工大学张起森教授博导,试验路设计,与美国永久性路面一样应用PerRoad软件进行设计，但该路设计轴载是重载车（平均单轴重超过9吨）。设计控制指标：疲劳：将HMA层底水平拉应变70或125作为破坏临界值车辙：路基顶垂直应变为200,长沙理工大学张起森教授博导,试验路设计,两套材料性能及破坏标准：土基模量48MPa，疲劳破坏临界值是70（较为保守的标准），HMA层设计厚度为508mm土基模量103MPa，疲劳破坏临界值是125，HMA层设计厚度为380mm,长沙理工大学张起森教授博导,试验路路面结构,石灰稳定土,石灰稳定土,石灰稳定土,普通路基,HMA底层用改性沥青,长沙理工大学张起森教授博导,结论,路面的寿命在50年或以上自下而上进行设计与施工，强调各层设计是根据该层的功能选取控制指标、选择材料和确定厚度的高强、稳定和坚固的基础对于永久性路面是必不可少的疲劳寿命待定路表可修复高抗车辙能力可根据不同应用要求调整持久、平坦且行驶安全环境破坏小避免进行昂贵的改造工作,www.AsphaltA,长沙理工大学张起森教授博导,
