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1、加铺层设计,周玉民 同济大学 2011.12.4 上海,JTG D40-2011公路水泥混凝土路面设计规范宣讲,1、旧路面检测与评价 2、旧路面处治 3、加铺层厚度设计 4、防治反射裂缝措施,提纲,旧路面弯沉检测（板角、板边、板中、接缝两侧） 旧路面评价 接缝传荷能力评价 板下脱空评定 旧路面状况 断板率 接缝错台量,1 旧路面检测与评价,1.1 旧路面弯沉检测,旧路面板弯沉脱空测点位置示意图,1.2 旧路面评价,表 旧水泥混凝土路面接缝传荷能力分级标准,旧水泥混凝土路面接缝传荷能力分级标准,旧水泥混凝土路面板下脱空评价 接缝两侧弯沉差 板角与板中弯沉比 板边与板中弯沉比,1.3 旧路面状况,
2、表 旧水泥混凝土路面损坏状况分级标准,旧水泥混凝土路面状况评价包括断板率、平均错台量,2 旧路面处治,直接加铺 破碎板置换 清缝、补封 板底灌浆 错台磨平 表面清理 旧路面碎石化,2.1 直接加铺,通过破碎板置换、清缝、补封、板底灌浆、错台磨平和表面清理等措施处治旧水泥混凝土路面板，然后在其上加铺沥青面层的改建方法。 优点：旧混凝土路面充分利用 缺点：反射裂缝,2.1-1 板底灌浆,板底灌浆材料 板底灌浆工艺 板底灌浆效果,2.1-1.1 板底灌浆材料,水玻璃 水泥基灌浆材料 复合灌浆材料（如，乳化沥青水泥基复合材料）,2.1-1.2 板底灌浆孔布设,灌浆孔位置的布设,2.1-1.3 板底灌浆
3、步骤,(1) 灌浆板的调查、标识、记录 (2) 灌浆孔的布设与钻孔 (3) 灌浆材料浆体的制备 (4) 监控仪器的架设 (5) 施工人员配备 (6) 灌浆设备 (7) 灌浆及灌浆压力控制 (8) 灌浆顺序和二次灌浆 (9) 养生 (10) 弯沉检测,2.1-1.4 板底灌浆流程,2.1-1.5 板底灌浆效果,取决于板底灌浆采用的材料 水玻璃，差 水泥基灌浆材料，较好 水泥基复合灌浆材料，较好 灌浆工艺 灌浆孔布置 压力控制 灌浆的均匀性 养生,2.2 旧路面碎石化,打碎压稳 打裂压稳 碎石化,当旧水泥混凝土面层损坏状况严重时，宜选用打裂压稳方案或碎石化方案处治旧混凝土路面，根据公路等级和交通状
4、况，将处治后的旧路面用做改建路面的基层或底基层。 打裂压稳改建方案，打裂后应使75%以上的旧混凝土板产生不规则开裂，相邻裂缝形成的块状面积为0.40.6m2；碎石化改建方案，破碎后应使75%以上的旧混凝土板破碎成最大尺寸小于400mm的颗粒。,2.2-1.1 打碎压稳,多锤头破碎机（Multiple Head Breaker，以下简称MHB机）属“打碎压稳”类机械，是轮胎自行式设备，其后部有2排重锤，锤重454545kg，前后每对重锤有一套单独的液压提升系统为动力，在破碎旧水泥混凝土路面时，重锤按一定规律下落，每重锤下落时可产生1.3811.1 kJ的冲击能量。,MHB机,共振式破碎机属“打碎
5、压稳”类机械，其工作原理是由凸轮转动产生的偏心力在机械与水泥混凝土路面接触处产生高频低幅的振动，这种高频低幅振动能量大部分由水泥混凝土板吸收，从而造成水泥混凝土的解体碎裂。美国Resonant Machins, Inc.公司生产的共振式破碎机PB4，见下图。,2.2-1.2 打碎压稳,2.2-2 打裂压稳,目前水泥混凝土路面重建中，“打裂压稳”是采用最多的旧水泥混凝土路面处理方式，其代表性机械为冲击压路机。,冲击压路机,2.2-3 碎石化,路面铣刨机为矿山机械，用于露天矿的挖掘，近几年才用于旧路面的重建之中。我国拟引进的美国Trencor公司的RoadMiner系列的路面铣刨机，一次最大铣刨宽
6、度为4.1m，最大铣刨深度为1.5m，可用大面积的水泥混凝土、沥青混凝土路面结构层的重建，铣刨速度视用户的集料粒径要求决定,路面铣刨机,表 不同碎石化方式的适用性排序表,2.2-4 不同碎石化方式适用性,不同碎石化方式适用性排序,3 加铺层厚度设计,补足厚度缺额的设计 经验-力学法设计,3.1 补足厚度缺额的设计,美国陆军工程师部队（COE）方法 依据强化试验路的观测和分析结果，于20世纪50年代中期提出了旧水泥混凝土路面加铺沥青层的经验厚度hov的设计公式，COE在试验期间观测到，沥青加铺层下的混凝土板在荷载作用下逐渐开裂，并继续发展到碎裂成0.460.65m2的小块，随后路表弯沉随荷载作用
7、而急剧增长，并在地基内出现剪切破坏。,美国AASHTO 方法,A为混凝土路面和沥青面层的当量转换系数，是混凝土路面板厚度缺额的函数。,A2.2233+0.00153(hdhef)20.0604(hdhef)。,3.2 经验-力学法设计,AASHTO 2002 De Bondt 方法 Robert L. Lytton方法 Molenaar方法 Sousa方法,3.2.1 经验-力学法设计,2002年的AASHTO铺面设计指南（2002 AASHTO Pavement Design Guide）中的加铺层设计修改为基于力学经验法的设计方法。,3.2.2 经验-力学法设计,De Bondt的加筋沥青
8、加铺层设计是在野外测量、室内测试、理论发展和数学模拟的基础上形成的。 其设计思路为：应用有限元方法，采用断裂力学理论处理加筋沥青加铺层问题，设计模型考虑裂缝/接缝间断的存在，能预测交通荷载、温度下降和不均匀的土壤运动的影响；裂缝在加铺层中的扩展；道路结构的层间滑动；加铺层底加筋的作用。 De Bondt等人用截面单元模型模拟旧路面结构的裂缝/接缝行为，裂缝/接缝的界面剪切劲度Dtt必须来自野外记录的裂缝的相对运动，其值代表特定环境（速率和温度）的接裂缝的性能。 通过大量研究发现，FWD是目前测量裂缝相对（竖向）运动最合适的工具。De Bondt等人的设计方法，能够评估各类加铺层的寿命，所需数据
9、可以通过实地评估和以材料为主的试验得到。,3.2.3 经验-力学法设计,Robert L. Lytton于1989年基于对弹性地基梁模型的断裂分析，提出了沥青加铺层在交通荷载作用下I型和II型裂缝应力强度因子的计算式，以及温度荷载作用下I型应力强度因子的计算式，建立了加筋材料受力模型，引入加筋对沥青加铺层开裂的影响。在此基础上，结合Paris疲劳断裂公式，提出沥青加铺层（含加筋）的厚度设计方法。 在设计用土工织物加筋沥青加铺层时，必须选择加铺层厚度d0，织物或格栅承受的最大拉力，条形织物宽度和所用粘层油的数量。由于这些参数选择相互影响，可以通过迭代过程进行加铺层优化设计 。,3.2.4 经验-
10、力学法设计,Molenaar等人于1996年提出一种等效层模型，即将开裂层以下部分结构层（含路基）、开裂层所含结构层及其加铺层分别等效为一种材料，确定其当量模量，然后按双层体系（地基、开裂层）进行结构分析，根据Paris公式提出加铺层设计方法。等效层的模型可分为两种情况，如下图所示。,等效层模型,3.2.5 经验-力学法设计,我们方法极限状态方程：,4 防治反射裂缝措施,设置夹层 软夹层 土工织物 土工格栅 金属网格 设置碎石缓解层 增加沥青加铺层厚度 提高沥青混凝土的抗裂性能,4.1 设置夹层,设置夹层 夹层材料主要有应力消散（吸收）夹层、土工织物和格栅等几类。其中，应力消散（吸收）夹层包括
11、橡胶沥青、防裂贴和SAMI等；土工织物夹层包括聚丙烯或聚酯织物和聚乙烯、聚丙烯或聚酯无纺织物；格栅包括聚丙烯或聚酯土工格栅、玻璃格栅和金属格栅。,在旧混凝土板上设置一层高弹性低劲度的橡胶沥青软夹层，可降低混凝土板与沥青加铺层之间的粘附阻力，使二者易于蠕动滑移，从而减少温度下降引起的反射裂缝；同时，由于隔开了接缝（裂缝）端部，它也可以降低沥青加铺层底面的荷载应力。无纺织物夹层的主要作用与橡胶沥青应力吸附夹层相似，而织物由于模量稍高，可对沥青加铺层起少量加筋作用。土工格栅的临界应力和应变与织物相近。金属格栅的刚度很大，而刚度大的夹层对于降低沥青加铺层内因温度下降而引起的应力和应变的作用不如软夹层，
12、对于降低荷载产生的应力和应变的作用则远大于软夹层。采用复合式夹层（下层为应力吸收层，上层为金属格栅），虽然可以像软夹层那样减少温度引起的反射裂缝，但仍保留了软夹层不能降低加铺层荷载应力的缺点。,4.2 碎石缓解层,碎石缓解层 由于碎石缓解层本身的特性（散粒体），可有效防治反射裂缝。 容许板伸缩变形 容许板翘曲变形 接缝不向上扩展,4.3 增加沥青加铺层厚度,增加沥青加铺层厚度 一方面可以减少旧水泥混凝土路面的温度变化，降低沥青加铺层的拉应力； 另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉差，减少沥青加铺层的剪切应力。 同时，对于较厚的沥青加铺层来说，裂缝由加铺层底部扩展到顶面需要经历较长的距离，也即可以延长其使用寿命。 美国沥青协会（AI）的研究认为，增加沥青加铺层的厚度可以降低弯沉量，每增厚1cm密级配沥青混凝土约降低2%的弯沉量，最高可降低弯沉量达4%5%。当需降低的弯沉量过大时，采用增厚沥青加铺层的方式是不经济的，需要考虑采取其它措施。由于道路净空的限制，有时依靠增加沥青加铺层厚度来延缓反射裂缝的方法并不可行。,4.4 提升沥青混合料抗裂性能,提升沥青混合料的性能 主要是对沥青进行改性，或进行加筋处理，如在沥青混合料中掺加改性剂、纤维，或植入玻璃格栅、土工格栅、金属格栅等，以提高其强度，增强其抗弯拉和剪切疲劳的能力。,
