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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 pavemen
2、t （高强度路面） long-life asphalt pavement（长寿命路面）,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
3、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、永久性路面
4、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),
5、垂直压应变极值 200me (Monismith, 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
6、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 点击File中Save SAVE 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
7、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,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
8、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 )
9、,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,(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
10、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 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
11、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,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
12、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
13、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+2
14、65mm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Bren
15、ner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 Jersey New 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
16、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,Iowa 20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,
