1、重交通沥青路面设计施工新理念2022-11-24n一、概述一、概述n二、路面损坏机理二、路面损坏机理 n三、重交通路面设计三、重交通路面设计n四、施工技术要点四、施工技术要点n五、结束语五、结束语主要内容 2022-11-24n第一阶段：总体成功，主要问题是反射裂缝问第一阶段：总体成功，主要问题是反射裂缝问题（题（9696年前）年前）n第二阶段：高速公路逐渐成网，运输量增加，第二阶段：高速公路逐渐成网，运输量增加，压实不足以及重交通，主要问题是压实不足以及重交通，主要问题是“水损坏水损坏”（97970101年）年）n0101年以来，面层混合料普遍采用密实型，使用年以来，面层混合料普遍采用密实型
2、，使用改性沥青和改性沥青和SMASMA，“水损坏水损坏”减少，车辙严重减少，车辙严重2022-11-242022-11-242022-11-242022-11-242022-11-242022-11-242022-11-242022-11-242022-11-242022-11-242022-11-24沥青在表面层内重新分布前后沥青表面层沥青含量沥青含量前后2022-11-24目前的损坏目前的损坏n产生于路面使用初期产生于路面使用初期n与结构的整体抗力无正与结构的整体抗力无正相关性相关性n重载的影响明显重载的影响明显n损坏起于面层，开裂向损坏起于面层，开裂向下传播下传播n雨水具有明显的影响雨水
3、具有明显的影响n发展速度很快发展速度很快传统的损坏传统的损坏n产生于长期使用后产生于长期使用后n与整体抗力关系明显与整体抗力关系明显n雨水的影响明显雨水的影响明显n开裂产生于结构层底部，开裂产生于结构层底部，向上发展向上发展n损坏随累计损坏随累计ESALESAL增加缓增加缓慢增加慢增加n伴随非荷载型损坏伴随非荷载型损坏2022-11-240123450306090120Speed（km/h）Water Height,m33002vP 2022-11-24首次发现的沥青迁移现象沥青含量沿深度分布水 上层中层下层 前 后2022-11-24沥 青 的 迁 移沥 青 的 迁 移2022-11-24动
4、水头翻浆的过程翻浆的过程2022-11-242022-11-242468101214空隙率（%）损坏路段正常路段2022-11-2405101520253035LH25SMA16LK1LK0LH15SUP13变异性与集料最大粒径的关系2022-11-240246810空隙率耐久性强度均匀性粘附性2022-11-24车辆的大型化车辆的大型化超载车辆激增超载车辆激增轮胎花纹轮胎花纹车速快车速快交通量很大交通量很大2022-11-24-80-60-40-200204060800.00.20.40.60.81.01.2接 地 压 力 值（MPa）横 向 轴（m m）-100-80-60-40-2002
5、04060801000.00.20.40.60.81.01.2接 地 压 力 值（MPa）横 向 轴（m m）-100-80-60-40-20020406080 1000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8接 地 压 力 值（MPa）横 向 轴（m m）1050kpa/1900kg 1050kpa/2500kg 1050kpa/6250kg 11.00-20走向花纹轮胎接地压力分布实测走向花纹轮胎接地压力分布实测各花纹条走向压力分布接地面中心点处横断面压力分布0.100.150.200.25-0.10-0.050.000.050.108000012000016000020
6、0000240000280000320000最 大 剪 应力 峰 值（MPa）Y 轴（m）X 轴（m）0.100.150.200.250.30-0.10-0.050.000.050.1080000120000160000200000240000280000320000最 大 剪 应力 峰 值（MPa）Y 轴（m）X 轴（m）d)1050kpa/1900kg半刚性基层e)1050kpa/2500kg半刚性基层f)1050kpa/6250kg半刚性基层0.100.150.200.250.30-0.20-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.2080000120000160
7、000200000240000280000320000360000400000440000最 大 剪 应力 峰 值（MPa）Y 轴（m）X 轴（m）2022-11-2411.00-20横向花纹轮胎接地压力分布实测横向花纹轮胎接地压力分布实测-120-90-60-3003060901200.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8中间线第二 线最 外 缘第三 线接 地 压力 值（MPa）走 向 轴（m m）-120-90-60-3003060901200.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8中间线第二 线最 外 缘 第三 线接 地 压力 值（MPa）走 向 轴
8、（m m）-150-120-90-60-300306090120 1500.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0中间线第二 线最 外 缘第三 线接 地 压力 值（MPa）走 向 轴（m m）810kpa/1900kg 810kpa/2500kg 810kpa/5000kg-80-60-40-200204060800.00.20.40.60.81.0接 地 压 力 值（MPa）横 向 轴（m m）-100-80-60-40-20020406080 1000.00.20.40.60.81.0接 地 压 力 值（MPa）横 向 轴（m m）-100-80-60-40-200
9、20406080 1000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8接 地 压 力 值（MPa）横 向 轴（m m）810kpa/1900kg 810kpa/2500kg 810kpa/5000kg 各花纹块走向压力分布接地面中心点处横断面压力分布2022-11-240.040.080.120.160.20-0.10-0.050.000.050.1080000120000160000200000240000280000最 大 剪 应力 峰 值（Pa）Y 轴（m）X 轴（m）d)700kpa/1788kg新胎半刚性基层f)390kpa/1788kg旧胎半刚性基层0.050.100
10、.150.20-0.10-0.050.000.050.104000080000120000160000200000240000280000320000最 大 剪 应力 峰 值（Pa）Y 轴（m）X 轴（m）2022-11-242022-11-240.00.20.40.60.80.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.5 结 构 a 结 构 b 结 构 c最大弯沉值（mm）单 轮 负 荷增 加量2022-11-240.00.20.40.60.80.300.350.400.450.500.550.600.650.70 结 构 a 结 构 b 结 构 c最大剪 应力峰值（MPa
11、）单轮 负 荷增 加 量2022-11-242022-11-24n力学分析小结n当荷载荷载的非均布效应时，路面结构内力学分布十分复杂n当轻型车辆超载时，即便总轴重小于标准荷载，但对路面的损伤更为严重n对目前的半刚性基层沥青路面，不能简单地认为弯沉小意味者强度高n剪切指标的分析为我们带来了路面考虑的新视角，是我们在传统的路面分析中忽略了的因素。该指标的引入，为从力学的角度进行路面结构组合设计提供了理论指导n剪切破坏可能是重交通沥青路面的主要损坏原因，是联系材料与结构的纽带，是一个好的设计指标2022-11-24n沥青混合料：均匀性，粘附性，空隙率，强度，级配n结构：过刚的基层导致面层剪应力过大n
12、施工：分层过多n排水、防水：设计比较弱n荷载：轮载与胎压超载n新的损坏机理2022-11-242022-11-24图图22 22 成渝高速剪应力成渝高速剪应力等值线图等值线图图图23 23 京津塘高速剪应京津塘高速剪应力等值线图力等值线图2022-11-242022-11-242022-11-242022-11-242022-11-24n模式1：沥青迁移-翻浆模式n模式2：整体强度不足造成的疲劳开裂类n模式3：剪切疲劳造成的车辙或纵向开裂类n模式4：低温开裂类2022-11-24n主要问题主要问题v对路面损坏机理的认识不够全面、不够确切对路面损坏机理的认识不够全面、不够确切v路面使用性能与路面
13、力学分析结果之间缺少明确、定量联系路面使用性能与路面力学分析结果之间缺少明确、定量联系 v设计理论不能为路面结构组合设计提供明确的指导设计理论不能为路面结构组合设计提供明确的指导 v没有考虑环境因素对路面的影响没有考虑环境因素对路面的影响 v材料设计与结构设计是独立进行的，双轨制材料设计与结构设计是独立进行的，双轨制 v不能控制高轮压下的局部损坏不能控制高轮压下的局部损坏,无法进行实质性路面优化无法进行实质性路面优化 2022-11-242022-11-24n从本质上描述路面行为变化的全过程是一个梦从本质上描述路面行为变化的全过程是一个梦想，也是想，也是SHRP-LTPP的目标的目标n工作过程
14、工作过程q积累了北京、广东、山东、浙江、江西、河北、辽宁积累了北京、广东、山东、浙江、江西、河北、辽宁100多多万个数据万个数据 q其中北京的数据积累了其中北京的数据积累了1010年年q上述数据多数是在一般公路上采集的上述数据多数是在一般公路上采集的 q为了验证又采集了为了验证又采集了2020多条高等级公路的路面数据多条高等级公路的路面数据 q除了技术数据，还包括环境数据除了技术数据，还包括环境数据 q这是一个庞大的工程这是一个庞大的工程 2022-11-24PCIYEARS2022-11-24yePCIPCI10PCIALPHA的物理含义的物理含义ALPHABETA的物理含义的物理含义PCI
15、BETABETA-寿命因子，寿命因子，ALPHA-衰变模式因子衰变模式因子0.632PCIo2022-11-24 EsalSfEfBTfEsalSfEfBTf,6543212022-11-24使用年数PCI面层厚度2022-11-24使用年数PCI弯沉2022-11-242022-11-242022-11-24使用年数使用年数服服务务水水平平强面强基强面强基弱基强面弱基强面弱面强基弱面强基临界临界2022-11-24n目前的方法目前的方法qAASHTOAASHTO方法方法qSHELLSHELL方法方法qAIAI方法方法qSUPERPAVESUPERPAVE方法方法q法国方法法国方法q比利时方法
16、比利时方法q澳大利亚方法澳大利亚方法qAASHTO2002AASHTO2002q我国方法我国方法n损坏认识与设计考虑损坏认识与设计考虑q形成于形成于6060、7070、8080、9090年代年代q疲劳开裂、车辙和低温开裂疲劳开裂、车辙和低温开裂是主要损坏形式是主要损坏形式q疲劳开裂首先产生于沥青层疲劳开裂首先产生于沥青层底面，并向上发展底面，并向上发展q路基变形是车辙产生的主要路基变形是车辙产生的主要原因原因q设计指标：设计指标：PSIPSI、l lzr和2022-11-24 2022-11-24n为什么不选择弯沉n弯沉不能很好地表示路面结构的受力状态 n弯沉指标在进行设计时，其标准不一致，即
17、对不同的结构有不同的标准 n弯沉与整体层底面的弯拉应力的独立性较差，不管采用什么参数都难以使其协调，无法使两个指标同时起到控制作用 路面设计指标2022-11-24n为什么应力不合理而应变合理为什么应力不合理而应变合理q沥青层底面的应力不是表征沥青层疲劳的准确指标沥青层底面的应力不是表征沥青层疲劳的准确指标 EEEzrr2022-11-24 连续连续滑动滑动深度（深度（mm）应变应变应力应力应变应变应力应力0-109.98-0.202-138.50-0.272-13.3-76.88-0.188-97.67-0.239-26.7-47.20-0.173-60.74-0.205-40-23.20-
18、0.158-30.04-0.171-7011.73-0.12218.99-0.096-10028.29-0.09149.34-0.026-15036.46-0.05383.160.082-20036.09-0.025118.330.196-25034.70-0.001174.590.3402022-11-242022-11-24n阶段1：输入阶段n输入影响路面设计的所以因素，包括交通、环境、材料、路基土质和施工能力等n阶段2：概念设计阶段n通过剪切分析进行路面结构材料（模量）组合设计，确定各结构层材料选择原则n分析路表水和地下水的影响，决定水的处理措施n确定材料设计参数2022-11-24模量
19、组合分析模量组合分析高模量基层高模量基层低模量基层低模量基层可控制在可控制在 1000-5000MPa1000-5000MPa之间之间 0200040006000800010000120001400016000-10001002003004000.300.350.400.450.500.55剪应力(MPa)应变()基层模量(MPa)压应变弯拉应变剪应力2022-11-24n阶段3：厚度设计阶段n考虑技术经济因素，优化得出合理的厚度组合路面的全寿命分析：分析期内的技术、经济综合优化性能使用年数2022-11-24121416182022242628303234366008001000120014
20、0016001800200022002400260028003000ESAL/日面层厚度2830323436384060080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日基层厚度283032343638404260080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日垫层厚度(c m)2022-11-2412141618202224262860080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日面层厚度(c m)26283032
21、3436384060080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日基层厚度(c m)26283032343638404260080010001200140016001800200022002400260028003000ESAL/日垫层厚度(c m)土基模量25MPa30MPa40MPa80MPa2022-11-242022-11-24n阶段4：材料设计阶段n材料的各类常规试验n表面层材料的抗剪切试验，控制剪切疲劳（车辙、开裂），强度与应力比较n均匀性控制2022-11-24基于性能的厚度设计基于性能的厚度设计确保弯拉应变满足要求确
22、保弯拉应变满足要求不过要保证沥青混合不过要保证沥青混合料满足一定的性能要求料满足一定的性能要求必须据以进行材料疲必须据以进行材料疲劳检验，当不满足要求劳检验，当不满足要求时改进材料设计时改进材料设计当采用新材料时，可当采用新材料时，可以改变结构设计，或延以改变结构设计，或延长路面寿命长路面寿命2022-11-24ffNfN9现场室内疲劳试验结果室内疲劳试验结果2022-11-24 抗剪切强度验算，确抗剪切强度验算，确保路面不产生剪切破坏保路面不产生剪切破坏抗剪切强度储备（安抗剪切强度储备（安全系数）应在全系数）应在1.5以上以上剪应力可采用力学分剪应力可采用力学分析方法计算析方法计算2022-
23、11-24n综合考虑力学分析和试验结果，确定：n压头尺寸：28.5mmn试件尺寸：100mm100mm贯入试验示意图贯入试验示意图2022-11-242022-11-24压密阶段弹性工作阶段破坏阶段彻底破坏阶段弹性拐点破坏拐点损伤点极值点2022-11-24剪应力计算：通过有限元的分析，得出了在压剪应力计算：通过有限元的分析，得出了在压应力为应力为1MPa、=0.35时主应力的计算参数时主应力的计算参数参数类型 泊松比13max所乘系数0.350.7650 0.0872 0.3390 剪应力系数最大贯入应力max2022-11-24C,值计算：值计算：)arcsin(3131uGGuGG)co
24、ssin1(2uC2022-11-242022-11-24303234363840424446485052540.000.020.040.060.080.100.120.140.16C(MPa)C(MPa)()()P=100kNAB2022-11-242022-11-242022-11-24沥青层底面应变与疲劳寿命关系沥青层底面应变与疲劳寿命关系疲劳方程比较0246810-5-4-3-2-1LOG(沥青层底面弯拉应变)LOG(路面寿命)AIshell本研究2022-11-24-4.2-4.0-3.8-3.6-3.4-3.2-3.0-2.8-2.6024681012lgzlgN S SH HE
25、EL LL L5 50 0 S SH HE EL LL L8 85 5 S SH HE EL LL L9 95 5 A AI I 诺诺丁丁汉汉10 诺诺丁丁汉汉20 比比 利利时时 法法国国（重重交交）法法国国 同同济济低低标标 准准 同同济济中中标标 准准 同同济济高高标标 准准路基顶应变与疲劳寿命关系路基顶应变与疲劳寿命关系2022-11-24y=-0.0902x+9.161R2=0.9989y=-0.0981x+9.3526R2=0.80556.66.76.86.977.17.27.32021222324252627282022-11-24设计标准 低标准 中标准 高标准 沥青层底面弯拉
26、应变与疲劳寿命关系 路基顶面压应变与疲劳寿命关系 3.00414.0Nr309.00356.0Nr30.00245.0Nr23.0015.0Nz19.0006.0Nz17.00036.0Nz2022-11-24剪应力剪应力车辙和车辙和开裂控开裂控制制弯拉应弯拉应变，疲变，疲劳开裂劳开裂控制控制)arcsin(3131uGGuGG303234363840424446485052540.000.020.040.060.080.100.120.140.16C(MPa)C(MPa)()()P=100kNAB疲劳寿命比与材料系数的关系y=0.9865Ln(x)+0.5713R2=0.997300.511
27、.522.511.522.533.544.5Kf1压应变压应变26283032343638404260080010001200 1400 1600 1800 2000 2200 24002600 2800 3000ESAL/日垫层厚度(c m)土基模量25MPa30MPa40MPa80MPa2022-11-242022-11-24n集料表面纹理集料表面纹理q对车辙、抗滑有很大的影响对车辙、抗滑有很大的影响q对级配有很大影响对级配有很大影响q新鲜程度新鲜程度2022-11-242022-11-24均匀性控制n设计考虑n运输n摊铺:适当的速度和宽度n温度不均匀05101520253035LH25S
28、MA16LK1LK0LH15SUP13变异性与集料最大粒径的关系2022-11-24沥青混合料均匀性沥青混合料均匀性沥青混合料均匀性指标沥青混合料均匀性指标好好D 0.95较好较好0.95 D 1.15差差1.15 1.352022-11-24摊铺n摊铺厚度n摊铺机的状态n摊铺中的分层n双层摊铺2022-11-242022-11-24n关于压实标准的讨论关于压实标准的讨论q96、97还是还是98？q压实度的计算压实度的计算2022-11-24修建年月路名标准偏差（mm）沪嘉高速公路 2.5JTJ 171-94/981.8/1.2 沈（阳）大（连）1.2京津塘1.0沪宁（江苏段）0.7205博莱
29、高速0.6京沪（泰安段）0.552022-11-242022-11-24考虑条件考虑条件平整度指标平整度指标平整度标准平整度标准 0级级IRI1.1R1.460.78 I级级IRI1.5R1.951.12 II级级IRI2.0R2.571.55 III级级IRI2.35R3.01.852022-11-24 路面施工平整度分层控制标准路面施工平整度分层控制标准 考虑因素考虑因素指标指标最终最终中面层中面层下面层下面层基层基层 0 级级IRI1.11.301.954.23R1.461.712.515.310.780.951.513.47 I 级级IRI1.51.872.656.75R1.952.4
30、13.378.401.121.442.115.63 II 级级IRI2.02.593.559.93R2.573.294.4712.301.552.062.888.36 III 级级IRI2.353.094.1712.14R3.03.915.2315.011.852.493.4110.252022-11-24q弯沉检测即应限高值，也应限低值弯沉检测即应限高值，也应限低值q目前的弯沉修正系数不适用于分层验收目前的弯沉修正系数不适用于分层验收 ，只适用于最终的验收，只适用于最终的验收q建议采用如下修正公式：建议采用如下修正公式：19.027.0075.0)()()(35.11hpEdlFsb2022
31、-11-24结束语v目前路面损坏的原因是多方面的，不同于传统的轻交通路面。对于路面损坏的机理缺少深入全面的认识；结构设计单纯依靠力学设计方法，设计指标选取不当；对结构层、尤其是沥青层功能的考虑不够明确；对重交通的特点考虑不够；许多试验参数不适用于重交通道路。目前的路面设计理论和方法只是以前轻交通路面设计理论和方法的简单外延，与重交通路面的要求尚有较大距离。2022-11-24结束语结束语v材料的来源复杂、变异性大、质量无法控制，造成成品材料的均匀性很差；强调就地取材、迁就现实；集料开采设备比较原始；没有及时的质量监测体系，施工过程中对气候的影响重视程度不够。v虽然我们拥有现代化的生产工具，但由
32、于没有工业化、现代化的思想和措施，难以在规模建设的条件下从根本上保证工程的质量。2022-11-24v考虑重交通的特点进行路面设计是解决路面问题的根考虑重交通的特点进行路面设计是解决路面问题的根 本出路。路面技术已经演变为一项本出路。路面技术已经演变为一项十分复杂十分复杂的技术，的技术，不采用整体性的解决方案难以解决问题。不采用整体性的解决方案难以解决问题。v这里给出了一个这里给出了一个5 5阶段路面分析设计系统。这是一个基阶段路面分析设计系统。这是一个基 于性能的全寿命分析系统，综合考虑了不同因素的影于性能的全寿命分析系统，综合考虑了不同因素的影 响，能够得出优化的经济技术方案。响，能够得出
33、优化的经济技术方案。2022-11-24v将剪切应力作为路面结构的主要力学特征之一，可以将剪切应力作为路面结构的主要力学特征之一，可以解决结构组合设计问题，终于将结构设计、材料设计和解决结构组合设计问题，终于将结构设计、材料设计和原材料质量控制溶为一体。原材料质量控制溶为一体。v结构行为方程覆盖了目前国内外主要的路面设计核心结构行为方程覆盖了目前国内外主要的路面设计核心方程，统一了路面分析理论，完成了一个综合，解释了方程，统一了路面分析理论，完成了一个综合，解释了不同分析设计标准的差异与内在的一致性。不同分析设计标准的差异与内在的一致性。2022-11-24v施工技术本身并不复杂，但要控制好施
34、工质量，施工技术本身并不复杂，但要控制好施工质量，需要对路面有完整的理解，需要对路面有完整的理解，其理解的深度至少其理解的深度至少 应与设计人员一致应与设计人员一致。v施工环节很多，每一个环节都应该满足要求。施工环节很多，每一个环节都应该满足要求。v检测指标只是质量控制的一部分。检测指标只是质量控制的一部分。2022-11-24v建立真正适合重交通特点的设计施工技术刻不容缓。可建立真正适合重交通特点的设计施工技术刻不容缓。可 以在统一的重交通路面设计框架下，允许地方标准和经以在统一的重交通路面设计框架下，允许地方标准和经 验的应用。验的应用。v改革工程管理机制，增强设计施工各方的工程责任是提改革工程管理机制，增强设计施工各方的工程责任是提 高工程质量、促进技术进步的长效措施。高工程质量、促进技术进步的长效措施。2022-11-242022-11-24
