PPT精品文档---永久性路面与结构材料性能

永久性路面与结构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perpetualpavement：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-depthasphaltpavement（全厚式路面）•deepstrengthasphaltpavement（高强度路面）•long-lifeasphaltpavement（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最大拉应变路面基础100~180mm高模量抗车辙材料(根据需要定)柔性抗疲劳材料75~100mm40~75mm高质量SMA、OGFC或Superpave}100~150mm高压力区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)输入材料性能参数路面分析模型路面应力和应变路面变换方程路面使用寿命拉应变标准压应变标准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)转移函数路面寿命是否满足?设计完成尽量不让沥青层底拉应变65με或路基顶压应变200με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ESAL作用下弯曲拉应变极值65me(Monismith,VonQuintus,Nunn,Thompson等人研究发现)垂直压应变极值200me(Monismith,Nunn等人研究发现)厚HMA(200mm）基层(asrequired)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65µe厚度要求：200mm•永久性变形控制点位置：路基顶面控制标准：压应变200µe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：PerRoad3.0软件开发：DavidTimm,NCAT，Auburn大学•设计软件下载URL地址：•设计软件安装连击PerRoad设计软件PerRoad3.0长沙理工大学张起森教授博导•建立新文件点击File中SaveSAVEAS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211kfkNe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μ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123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DDD/2slDlel=Dl/let=DD/DE=s/em=el/et确定E和μ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Figure7.DeflectionBasin.PavementStructureDeflectionDeflectionSensorsLoad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沥青层厚度(mm)车辙率(mm/msa)01002003004000.11101001000(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模量E1h1拉应变(et)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模量E1h1拉应变(et)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E1E2E3h1h2压应变(ev)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etev(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材料厚度f材料性能f轴重f蒙特卡洛随机取样力学模型路面力学响应f%低于极限%高于极限或然设计方法(ProbabilisticDesign)–蒙特卡洛模拟法(MonteCarloSimulation)(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低温性能较面层降一级100-175mm联结层高性能PG结合料高质量HMA或OGFC40-75mm表面层高温性能同上低温性能较面层降一级柔性抗疲劳材料75-100mmHMA基层高温性能根据气候和深度确定高模量抗车辙HMA路面基础温度(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40－75mm•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100－175mm•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75－100mm•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05101520250123456789CBR加铺层厚度要求/英寸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FrankfurterKreuz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10％～20％，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+100～350mm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DelSole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+300～400mm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•NewJersey•NewJersey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教授博导美国使用情况简介•NewJersey•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Joh