公路路面新结构及建设维护成套技术研究

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1、公路路面新结构及建设、维护成套 技术研究与示范工程重庆交通学院 重庆北方高速公路有限公司 重庆市公路局 重庆交通科研设计院2006年3月1日公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程重庆市重大科技专项项目公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程概 述立项背景 研究内容 水泥混凝土路面的破坏过程分析 设置隔离层的新型水泥混凝土路面结构及其设计与施工方法 柔性纤维混凝土路面材料与路面结构性能 路面脱空检测的“瞬态冲击法”方法 基于层间状况的道路承载力评估与道路的维护与改造公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程第一部分水泥混凝土路面破坏过程分析与 设置隔离层的水泥混凝土路面新

2、结构研究公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程一、水泥混凝土路面的层间破坏过程分析 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程1 “过渡层”的发现及其对路面破坏的影响 路面理想模型层间光滑接触承认面层与基层分离 面层与基层在接触面附近各自保持完好承认面层与基层的层间无破坏 Surface courseBase courseE1, 1, 1E2, 2, 2公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程Surface courseBase courseE1, 1, 1E2, 2, 2Transition layer “过渡层”的发现

3、及层间初始状况“过渡层” 及其力学特点 “过渡层” 力学特点力学性质随厚度变化 面层与基层的层间初始状况“过渡层” 的形成水泥浆进入基层 面层、过渡层、基层连为一体 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 “过渡层”的分离破坏与过渡层的薄弱性质“过渡层” 的分离破坏 “过渡层”的薄弱性质Surface courseBase courseE1, 1, 1E2, 2, 2Surface courseE1, 1, 1公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 “过渡层” 与层间界面 Surface courseBase courseE1, 1, 1E2, 2, 2界面“强连接”界面“

4、弱连接” 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 “过渡层” 对面层材料性能的影响 传统强度理论与断裂力学对过 渡层对路面破坏影响的看法根 本不同 前者认为过渡层的影响很 小或没有影响 后者认为，过渡层一旦破 坏，则过渡层中的裂纹必然扩 展并穿过过渡层而进入混凝土 面层，引起混凝土面层在低应 力水平下的破坏。 严重损伤的过渡层附着在 面层底面，不仅影响面层的静 力强度，而且会显著降低其疲 劳强度或寿命。Surface courseE1, 1, 1公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 “过渡层” 对面层结构性能的影响 过渡层对面层材料性能的影响固然显著但过渡层对面层结构性能

5、的影响却是根本性的公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程2 三种基本破坏形式的揭示及其对路面破坏的影响公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 传统水泥混凝土路面的力学建模弹性地基板理论认为：路面板与地基在接触界面附近各 自保持完好，路面板与弹性地基保持光滑接触，板与地基 沿接触面法向的位移相等、应力相等，但沿切向可以有相 对滑动，且切向剪力忽略不计光滑接触面层与基层相互分离，但在分离界面上始 终保持接触，不出现任何竖向空隙或脱离，面层与基层各 自在界面附近保持完好。Surface courseBase courseE1, 1, 1E2, 2, 2公路路面新结构及建设、维护成

6、套技术研究与示范工程对层间建模的思考路面力学模型路面理论的基础路面设计的出发点层间初始状况：连为一体层间计算模型：光滑接触（分离、接触、紧密）建模依据？公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式的首次提出 面层与基层分开 （第一种破坏）基层断开 （第二种破坏）层间界面水平裂纹侵入基层 （第三种破坏）公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式发生的必然性及其力学机理 三种基本破坏形式发生的变形协调机理 三种基本破坏形式发生的应力强度机理 三种基本破坏形式发生的温度作用机理公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式发生的变形协

7、调机理公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式发生的均匀温降机理连结于刚性地基上的路面板连结于弹性地基上的路面板反证法公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程三种基本破坏形式不可避免必然会发生公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式所揭示的路面实际层间状况 面层、过渡层、基层之层间关系的明确揭示 理想光滑接触条件难以满足非均匀脱空的产生与的路面破坏 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式所揭示的路面实际层间状况 层间的材料破坏层间破碎层的出现及其对路面破坏的综合影响 面层Base courseE2, 2,

8、2基层松散破碎层公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 结构层整体性的丧失弹性平台地基模型的提出 三种基本破坏形式所揭示的路面实际层间状况公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式的发展演变 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式揭示的路面典型破坏 基于基本破坏形式的路面板端脱空机理 基于基本破坏形式的路面错台机理 不连续地基与路面板的破坏 面层与基层开裂的相互影响公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程3 过渡层与三种基本破坏形式之间的关系 面层与基层层间连接的形成三种基本破坏形式发生的必要条件 “过渡层”与“三种基本破坏

9、形式”之间的因果关系 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式的验证 国内外对三种基本破坏形式的文献报道公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 刘伏路的调查公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 云门连接线的调查公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程4 路面的破坏与道路结构层的整体性公路路面新结构及建设

10、、维护成套技术研究与示范工程 三种基本破坏形式对路基的影响 路基道路结构层的基础 三种基本破坏形式引起的路基破坏 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 路面的破坏与基层的合理结构形式 “强基薄面”力学上最合理的路面结构形式 “强基”有两层含意，一是路基强，二是基层强。 “薄面”是一个相对的概念，“薄面”不应单纯地强调面层的绝对厚度“薄”。 我们的实验表明：路基弱面层破坏，基层弱面层破坏。 路面的破坏与基层的合理结构形式 若能避免或减弱三种基本破坏形式的影响，半刚性基层是较佳的结构形式 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 路面结构的破坏与路面材料的特性 强度、变形与路面

11、的破坏控制参量 强度、变形的概念及强度定义的局限性 材料的脆性对层间支承要求更高设计极限弯沉设计极限弯沉PP面层可以下沉的 最大位移P2P2P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 水泥混凝土路面的两大致命缺点面层材料的脆性和结构层整体性的丧失 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程5 温度和荷载翘曲复合应力的提出与面层强度设计 T2T1T2T1tR公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程6 路面破坏过程分析与路面设计新思想的提出公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 水泥混凝土路面实际层间状况与理想模型的差异 过渡

12、层造成的实际层间状况与理想模型之间的差异 层间非均匀脱空状况与理想接触条件的显著不符 松散层使路面层间状况恶化，显著偏离理想模型 面层割缝断面基层的开裂与理想模型之间的差异 基层整体性的丧失未在理想模型中得到反映 实际层间分离破坏造成的材料特性、层间结构差异从总体上与理想模型不符 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 基于破坏过程分析的水泥混凝土路面设计新思想 从本质上讲，路面的破坏是层间结构相互作用引起的层间破坏造成的，路面 的破坏不是因为理想模型有问题，而是因为实际层间支承状况与理想模型不一 致 从认识论看，理想模型本身并没有问题，问题出在实际层间结构远 远偏离理想模型； 从方

13、法论看，要保证路面的设计可靠性，应该使实际路面实际结构 尽可能回归理想模型。公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程路面设计应遵循的思想：从源头上找出消除过渡层、避免三种基本破坏形式产生的方法，保证实际层间状态与现有理想模型一致找准问题 消除差异 简化问题 继承传统公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程二、 设置隔离层的水泥混凝土路面结构及其性能 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程1 设置隔离层的水泥混凝土路面结构 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 路面层间建模的核心接触界面 回归理想模型的关键消除层间过渡层 公路路面新结构及建设、维护成套技术研

14、究与示范工程 设置隔离层的水泥混凝土路面结构 面层Base courseE2, 2, 2基层隔离层 隔离层的设置与传统力学模型的回归 隔离层的设置与层间破坏的消除 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 隔离层材料的选材及与封油层、土工布的区别 隔离层材料的选材需满足三个条件：（1）隔离层必须是在基层表面形成后加铺上去的、不与基层表面粘结的薄膜类产品（2）隔离层必须能够完全隔断水泥砂浆进入基层（3）隔离层必须足够薄，仅起分离界面的作用凡是满足上述三个条件的薄膜、卷才、织物均可作为隔离层 隔离层与封油层的区别 隔离层与土工布的区别 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程2 隔

15、离层、过渡层表面特性与面层混凝土的材料性能公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程水泥混凝土试件水泥混凝土试件水泥混凝土试件塑料薄膜石灰粉煤灰基层石灰粉煤灰基层 标准试模公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 第一次疲劳实验b max min 公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 第二次疲劳实验公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 第三次疲劳实验公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程3.3 设置隔离层路面结构的试验研究公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程 试验目的第一种基本破坏形式发生前后承载力对比；第二种基本破坏形式的实验验证；第三种基本破坏形式对路面板承载力的影响；层间非均匀支承对路面板承载力的影响；路基非均匀沉降对路面板承载力的影响；过渡层对路面结构破坏的影响；设置隔离层的路面结构与普通混凝土路面结构的承载力对比；不同隔离层路面结构性能对比以及隔离层选材；不同基层形式对路面结构性能的影响；土基质量对路面结构性能的影响；为计算分析提供实测数据。公路路面新结构及建设、维护成套技术研究与示范工程