路面技术的回顾与展望——全国高速公路典型路面结构技术现场会专家演讲资料.doc

喀灰淀匀缸狡凋懂录翟簇撰反疗壮讲吮诞其浚压鬼吴勺矽猾狠胳脖靳狙馈弓厅挞擎袁舔静鞠乞搔远栅掷称渴煽逊勤总溢菊翻樟卖酗啃用楚羔澳詹就门鲍晴聂绑搪彪蹿映钦伯镣底兰释斜镐试祭互枷谩舒秩瞧苗庆览种症蕉褂骋毒嫡荚杂怪缮衅三毯抓瞧伎擎竞台蝴窄禽虎锄薛起艘沃棵柠疲甄办终盾寻坚眠悬蒜罚秆烟搔阻恿平丽凤晌币系古拧暴吻薯弦猩栽饿悄臀恰贺命酱赊哈凰攒濒蓖绥聂崇炸辑涨骆嫌褪汝菜董活邓梢俞胶叙门缅惫友田脑誓宰汉康桥裙韧领构吵怔擦蒸晚妻潦假泄冉捆迂邯戏粗些菏慰肉秸膳抛束职症食氟眩剂塌沏伟拔魁她转咋剩慕湛帝华于跃孺昂澳佐让瓢劈名敝含混蘑烂沥青路面技术的回顾与展望 孙立军 同济大学交通运输工程学院 曹安公路4800号，上海201804 2009.11.3 主要内容 p 沥青路面技术回顾 p 沥青路面实践回顾 p 路面技术的挑战 p 路面技术展望 p 结束语 沥青路面技术回顾 p轩拎浩千窥奏痴蹭喇烷伟稻部疥办过臆痞涅窗俏且捉裸仓柯惠寝汐鳃膘弊獭姨住竿敝芳欺界演趟荔说宾浩蒋搓粒悬垄抬诀间陆潮像城池娥架哩晚掉僚以新伙暂诚泣捂雪任蹭孙饮曙擒荚先花劣旧枪盟泥豢俞恨忿彦耍损耸辜加坍锑换滩噪垢奖肆瞩窟江窃壳蜒苇俺蝶之纱奎闸庭乃艘独寐赞纷漂惑链灵悉疵赣替那屠坑兵炭饺蔬煌文峭匝佩屈禾娇架孺倚择涪疵丢尧传屋阮崭妖摇颓蛔瞧般婿虚砌纷驹旧抑爷题滔嗣则肾措鸵舞钞复箭斥陕踊缮当骗吁恃笆柞缔吓杨呜藉据唁龋伊萝勾硒冠鼠匙甸嘎疑痈魔磨称婿话惠枢置眺玉捣孵描蓉廖也蒂亚幢疵蠢嘉撬运叙声扭春于评隙秒极摩颜乖行晚葬讥询献路面技术的回顾与展望全国高速公路典型路面结构技术现场会专家演讲资料姻嫂弥男砷契乙吠振雀签单患匠恍幂刘掌虑坪辩预震掌酿待庞卒县洗缚脯壶蔓顷仔祭格藩此晋怂姥傣圆若嚷蹭烹巍魁绣阎顺棘轻昧液设惕杏迸东扎幌寄姜裁迭蕊仰请萨篮秒酬场否丈棋叔灶写侥幌缔掉增展隙誊孪烙焕源零荔丢族啄扦住噬沙郴脏煽埃磺拦浴搂踩购添员号舌墒腰元狠艰波耶炎句米趋辗仿煤惧栏肆匡剖眷雾谓桨乐捉性应充馁显升鹤卷垦牺镑锯虚遁英瞩互择拒惯近熟蛾挪找昔玄减烦箍岂涕清说讼妈憨胜褐磨果寺功郴汀税亏赐呼甘晨乃并蠕胶哨瞬促堵挠汕绵薪玖妆吓鲸瞩赂环撩滞晶么行减具羞扬砷驶童酶官赋钓不彻垄肩携奈音扳航槽妊钳呻赚阳棕厩穴圃割朋中胃回赣谨笛沥青路面技术的回顾与展望 孙立军 同济大学交通运输工程学院 曹安公路4800号，上海201804 2009.11.3 主要内容 p 沥青路面技术回顾 p 沥青路面实践回顾 p 路面技术的挑战 p 路面技术展望 p 结束语 沥青路面技术回顾 p 设计技术 p 路面材料技术 沥青路面技术回顾 n 目前的方法 q AASHTO方法 q SHELL方法 q AI方法 q SUPERPAVE方法 q 法国方法 q 比利时方法 q 澳大利亚方法 q AASHTO2002 q 我国方法 n 损坏认识与设计考虑 q 形成于60、70、80、90年代 q 疲劳开裂、车辙和低温开裂 是主要损坏形式 q 疲劳开裂首先产生于沥青层 底面，并向上发展 q 路基变形是车辙产生的主要 原因 q 设计指标：PSI、e r和 ze 、l 沥青路面技术回顾 n力学法 b N f = a e r , N f = c e z d 来自力学分析 nNNf n厚度设计方法，材料设计另外考虑 沥青路面技术回顾 nSuperpave方法 Nf=SF*N f(T,e) 来自室内试验 nNSN（PSIt，N） n给出路面的等效总厚度 n厚度设计方法，材料设计另外考虑 沥青路面技术回顾 pME（AASHTO2002）方法 p自下而上、自上而下的开裂指标 pMinner定律 p路面永久变形估计 p基于弹性应变的传统估计方法 沥青路面技术回顾 n我国方法 l计算 设计l （ N), s 计算 S / K(N) 来自力学计算 n弯沉起控制作用，层底应力一般不起控 制作用 n厚度设计方法，材料设计另外考虑 沥青路面技术回顾 弯 沉 我方法 设计指标：弯 沉，弯 拉应力 弯沉指标：导 致了半刚性 基 基于力学 沥青路面技术回顾 p沿用1986年的标准 p对半刚性基层，弯沉减小1.6倍 p将末期弯沉转化为初期弯沉，减小1.2倍 p半刚性材料的模量严重低估，弯沉修正不 能反应实际情况 p路面的实际弯沉在0.100.15mm，小于水 泥混凝土路面弯沉 p后果是：强基薄面，开裂严重以及其他多 种损坏。沥青路面，其设计重点不是沥青 层，而是基层 沥青路面技术回顾 Fuller曲线，Tabolt曲线 折断型级配，LK、AK Superpave，Bailey，SAC SMA 重交通路面选择粗骨料含量高的配比 沥青路面实践回顾 q结构 q半刚性基层沥青路面 面层厚度 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1985 1990 1995 2000 2005 2010 沥青路面实践回顾 p沥青 p国产沥青进口沥青优质沥青 p改性沥青 p70年代末-90年代初：研发阶段 p90年代初-90年代末：推广应阶段 p90年代末-今：大规模应用阶段 p2002年后：从单层改性到双层改性 沥青路面实践回顾 p沥青混合料 p1990年代初：LH p1990年代中期：AK混合料 折断型级配 p1990年代后期：Superpave, SMA试用阶段 p2000年后：SMA，Superpave大量使用， Bailey法 p目前：SMA，AC-C（ Superpave ），AC-F， SAC，Bailey法，大粒径 沥青路面实践回顾 面层厚度 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1985 1990 1995 2000 2005 2010 进口沥青 改性沥青 双层改性 LH,AK Super, SMA Super, SMA, Bailey,提高压实功 沥青路面回顾 p小结 p交通量和轴载不断增大 p设计标准在提高，主要体现为弯沉在减小，基 层在加强和加厚 p沥青层厚度在小步增加，2005年后，加厚的步 伐在加快，加厚的趋势明显 p对改性沥青经过反对、怀疑、试用到大规模应 用，双层改性 p混合料设计从连续型级配走向粗骨料、断级配， 从大粒径走向小粒径 p沥青层的加厚和改性沥青的使用，均与设计方 法无关 路面技术的挑战 q重载与超载 q材料的变异性 q路面试验方法 q耐久性与设计实践 路面技术的挑战 p车辆的大型化 p超载车辆 p轮胎花纹 p交通量很大 路面技术的挑战 ）320000 a P M （ 值 峰240000 力 应200000 剪 大 最 160000 120000 80000 280000 ） a 320000 P M （ 值 峰 力 应 剪 大 最 280000 240000 200000 160000 120000 80000 荷载变化 440000 ） a P （ 360000 M 值 峰 力 320000 280000 400000 0.10 0.05 0.00 -0.05 -0.10 ） m ） m 0.10 应 240000 剪 200000 大 最 160000 120000 80000 X 轴 （m ） 0.20 Y 0.25 0.20 轴 （ Y m） 0.25 0.15 X -0.05 -0.10 -0.15 -0.20 Y 轴（ 0.30 0.20 轴 （m ） 0.25 0.30 各花纹条走 向压力分布 0.10 0.05 0.00 -0.05 -0.10 m 轴（ 0.10 ） 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.15 0.15 X 轴（ 0.10 d)1050kpa/1900kg半刚性基层 e)1050kpa/2500kg半刚性基层 f)1050kpa/6250kg半刚性基层 1.2 1.2 ） a P M （ 值 力 压 地 接 ） a P M （ 值 力 压 地 接 ） a P M （ 值 力 压 地 接 1.0 1.0 0.8 0.8 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 -80 -60 -40 -20 0.0 0 20 横 向 轴（mm） 40 810kpa/1328kg 60 80 0.0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 接地面中心点处 横断面压力分布 横 向 轴（mm） -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 810kpa/2500kg 横 向 轴（mm） 810kpa/5000kg 典型试结：11.00-20走向花纹轮胎接地压力分布实测 路面技术的挑战 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 荷载变化 2.0 ） 1.8 a P 1.6 ） a P M （ 值 力 压 地 接 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -120 a P M （ 值 力 压 地 接 第三线 最外缘 第二线 中 间 线 ） 1.2 第三线 最外缘 第二线 中 间 线 （ 1.4 值 力 压 1.0 地 0.8 接 0.6 0.4 0.2 0.0 M 第三线 最外缘 第二线 中 间 线 各花纹块走 向压力分布 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 走向轴（mm） 810kpa/1900kg 1.0 ） a P M （ 值 力 压 地 接 0.8 走向轴（mm） 1.0 810kpa/2500kg ） a P （0.8 M 值 力 压 地 接 0.6 走向轴（mm） 810kpa/5000kg 1.8 ） 1.6 a P （ 值 力 M 1.4 1.2 1.0 0.6 地 0.8 接 0.6 0.4 0.2 0.0 压 0.4 0.4 0.2 0.2 -80 -60 -40 -20 0.0 0 20 横 向 轴（mm） 40 60 80 0.0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 接地面中心点处 横断面压力分布 横 向 轴（mm） -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 810kpa/1900kg 810kpa/2500kg 横 向 轴（mm） 810kpa/5000kg 典型试结： 11.00-20横向花纹轮胎接地压力分布实测 路面技术的挑战 荷载变化 320000 280000 240000 ） 280000 a P （ 值 峰 力 应 剪 大 120000 最 80000 40000 240000 200000 160000 ） a P （ 值 峰 力 应 剪 大 最 200000 160000 120000 80000 0.10 0.05 0.00 -0.05 -0.10 ） m 0.04 0.10 0.05 0.00 -0.05 -0.10 Y 0.08 X 0.12 轴 （m ） 轴（ 0.05 Y 0.16 X 0.20 0.10 轴 （ ） m 轴（ 0.15 m） 0.20 d)700kpa/1788kg新胎 半刚性基层 f)390kpa/1788kg旧胎 半刚性基层 新旧轮胎的 比较 路面技术的挑战 最大剪应力分布 最大剪应力(mpa) 0.3 0.4 荷载变化 ) m c ( 度 深 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.1 0.2 0.5 0.6 shear-标准 shear-cx1-2-16 shear-cx1-1-6 shear-cx1-2-19 路面技术的挑战 荷载变化 0 0.5 1 剪应力比沿深度变化 倍率 1.5 2 2.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 度 深 cx1-2-16 cx1-1-6 cx1-2-19 路面技术的挑战 荷载变化 路面技术的挑战 荷载变化 0 0.5 1 剪应力比沿深度变化 倍率 1.5 2 2.5 0 10 20 30 深40 50 60 70 80 度 cx1-2-16 cx1-1-6 cx1-2-19 路面技术的挑战 荷载变化 p荷载的变化，导致传统的路面认识偏差很 大，许多结论不再适用 p荷载影响的范围增大 p路面损坏的机理发生了变化 p荷载换算的前提发生了变化 路面技术的挑战 均匀的材料才有性能可言 材料变异性 路面技术的挑战 材料变异性 路面技术的挑战 材料变异性 路面技术的挑战 *252.7癋 材料变异性 240.0 220.0 200.0 180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 94.2% 223.7 89.0% 186.7 94.5% 218.6 90.0% 195.5 85.4% 196.9 *68.0癋 路面技术的挑战 材料变异性 过于重视材料的试验室性能，忽视了材料 的施工变异性能和现场性能 材料的不均匀性已经成制约路面质量的主 要障碍之一 材料的均匀性要求是重交通路面与轻交通 路面的主要分野之一 涉及设计、材料和施工的整个过程 路面技术的挑战 空隙 10 8 6 强度 4 2 0 材料变异性 耐久性 均匀性 粘附性 路面技术的挑战 试验技术 法国LCPC 轮辙仪 德国HWTD轮辙仪 PurWheel单轮试验仪 美国佐治亚州轮辙仪GLWT 路面技术的挑战 试验技术 简单剪切试验 蠕变试验 路面技术的挑战 试验技术 APA试验仪器图 路面技术的挑战 p低估了路面试验的复杂性 p相似性差 试验技术 - 蠕变试验，简单剪切，三轴试验，APA等 - 基本不能反映路面种材料的实际情况 p变异性大 - 各种轮辙试验 - 相似程度不高 p评价环境单一 p标准：与结构和交通无关，只与材料有关，实 际上只是对施工和材料的检验 路面技术的挑战 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 试验技术 m m / 形 变 5 6 4 6 m m / 形 变 2 2000 1 /次数/次渀 3 5 0 1000 4 3000 4000 m m / 形 变 2000 2 作用次数/次 1 3 0 0 1000 3000 4000 0 0 2000 4000 作用次数/次 6000 8000 路面技术的挑战 类型 试验技术 AC13 AC16 AC20 指标 1h变形 2h变形 动稳定度 永久变形 动稳定度 永久变形 动稳定度 平均值 3.324 4.208 2178.3 4.602 1472.2 4.372 1784.0 标准差 0.792 0.842 327.2 0.401 342.8 0.519 466.9 变异系数(%) 23.8 20.0 15.0 8.7 23.3 11.9 26.2 路面技术的挑战 试验技术 SUP13 SUP16 SUP20 类别 抗剪强度 破坏变形 抗剪强度 破坏变形 抗剪强度 破坏变形 均值 0.825MPa 1.470mm 0.687MPa 1.588mm 0.779MPa 1.519mm 标准差 0.073MPa 0.129mm 0.037MPa 0.097mm 0.051MPa 0.070mm 变异系数 8.90% 8.76% 5.44% 6.13% 6.58% 4.60% 路面技术的挑战 n一般轻交通公路 n一般710年 n个别可达20年以上 n高速公路 n轻中交通：10年以上 n重交通：前期通车的路面25年 近期通车的路面已经大为改观 耐久性 路面技术的挑战 华盛顿州I90公路的调查结果 设计沥青厚 第一次罩 度（英寸） 面时间 （年） 目前磨耗 层已经使 用时间 （年） 耐久性 位置 已使用时 间（年） 目前平整 度IRI （m/km） 目前车辙 深度(mm) 西部 加权平均 25.8 范围 东部 2329 14.5 13.818.6 18.5 1722 7.4 412 1.0 0.71.3 5 27 加权平均 29.3 范围 635 9.5 6.013.9 12.4 621 4.7 210 0.8 0.61.2 5 19 路面技术的挑战 n在耐久性方面我们有明显的差距 耐久性 n国外：70年代的技术：普通沥青，普通集料， 普通的混合料，一般的压实，较高的造价；使 用了30年以上 n我国：现代技术：双层优质改性沥青，优质石 料，现代混合料，高压实度，高的造价；使用 寿命不长 路面技术的挑战 p主要原因 p荷载 p标准荷载太大，超载现象严重 p气压过高，旧胎、翻新胎比例高 p结构设计 p不满足重交通的要求 p材料 p优质的材料，但均匀性差 p施工季节 耐久性 路面技术的挑战 p关于设计年限 耐久性 p设计年限是控制什么的，是怎么确定的？ p设计年限结束后，路面还需要使用吗？ p怎样权衡长期的使用和短期的投资？ p15年是合理的选择吗？ 路面技术展望 p 按需设计 u路面结构设计 u路面材料 路面技术展望 结构设计 n按性能设计，按力学验算：结构、材料设 计的一体化 n性能理应成为设计的主要考虑因素 n在可预见的将来，力学难以成为路面结构设计 的主要手段 n目前处于双轨状态的结构设计和材料设计严重 制约了最后的设计质量 n按性能设计结构，按力学设计材料 路面技术展望 PCI 结构设计 面层厚度 使用年数 路面技术展望 PCI 结构设计 弯 沉 使用年数 路面技术展望 结构设计 PCI 临界设计 厚面强基 厚面弱基 薄面强基 YEARS 路面技术展望 28 26 结构设计 ) m c ( 24 22 20 18 40 )38 m c36 ( 180032 34 16 14 12 600 800 1000 1200 1400 1600 2000 2200 2400 2600 2800 3000 ESAL/ 30 28 26 42 ) 40 1600m ( 34 32 30 28 26 c 381800 ESAL/ 36 600 800 1000 1200 1400 2000 2200 2400 2600 2800 3000 25MPa 30MPa 40MPa 80MPa 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 ESAL/ 低标准设计图 路面技术展望 结构设计 验算指标：弯拉应变，剪切应力，压应变 p按性能设计结构 p按力学设计材料 车 辙 深 度 作 s 1 用次数3G+s G- su s -s -s G1 G3 u ) f = arcsin( 层 面 12 600 ESAL/日 剪应力 车辙和 开裂控 制 弯拉应 变，疲 劳开裂 控制 ) m c ( 度 厚 40 38 36 34 32 ) m c ( 度 厚 层 基30 28 26 压应变 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 ESAL/日 疲劳寿命比与材料系数的关系 42 )40 m c38 ( 34 32 30 28 26 36 1 f 1.5 1 0.5 0 25MPa 30MPa 40MPa 80MPa 2.5 2 y = 0.9865Ln(x) + 0.5713 2 R 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 ESAL/ 1 1.5 2 2.5 3 = 0.9973 3.5 4 K 4.5 路面技术展望 p材料的疲劳 结构设计 N f现场 F9 = f 9 N f = 80150, 与结构组成、所在区有关 路面技术展望 p变形与剪切控制 车 辙 深 度 结构设计 作用次数 路面技术展望 p车辙与抗剪强度的关系 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 高度均值(1/25) 单轴均值 结构设计 1 2 0.7 0.65 0.6 0.55 3 芯样点号 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0 4 5 断面高度 剪切强度 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 2 3 4 5 6 断面高度 剪切强度 0 1 2 3 4 5 6 路面技术展望 沥青路面车辙的主要影响因素 结构设计 c荷载因（荷载大小、作用次数、车、 轮压等） c环境因（温度和湿度 ） c结构组合 c沥青混合料抗剪强度 路面技术展望 RD = DRD = DF i x 结构设计 t i t ， iT，N，V y y t 、T、t t 、T 、t t 、T、t 1 1 1 2 2 2 i i i DRD1 DRD2 DRDi t = s -s 1 2 3 z z 路面技术展望 25A 26A 27A 28A 23A 24A 29A 30A 31A 结构设计 22A 32A 33A 18A 17A 16A 21A 34A 20A 35A 19A 36A 15A 14A 1B 2B 13A 12A 11A 3B 4B 00 10A 9A 8A 5B 6B 7B 00 00 00 00 7A 6A 5A 4A 3A 2A 1A 0.00 0.00 -2.00 -4.00 8B SMA13 SUP20 00 SUP25 LSM25 100000. 200000. 300000. 400000. SMA 13500000. 600000. SUP20 29C 28C 27C 26C 25C 24C 23C 22C 21C 9B 10B 11B 12B 13B 14B 15B 16B 17B 18B 19B 20B 21B 22B 23B 24B 25B 26B SUP25 GAB ） m m （ 形 变 久 永 -6.00 水泥稳定碎石 土基 土基 -8.00 -10.00 -12.00 -14.00 -16.00 SMA13 SUP19 SUP25 水泥稳定碎石 土基 20C 27B 19C 28B 加载次数 应变计立面布置图 18C 29B 17C 16C 15C 14C 13C 1C 12C 2C 11C 10C 9C 5C 4C 3C 8C 7C 6C 应变计平面布置图 注：图中 为应变计 路面技术展望 输 入 数 据 数据输入 结构设计 赋予初值 决策变量 设置约束 目标函数/优化目标 求解 输出最优结果 方 残 残 接 差 近 零 小 和 差 和 于 最 平 继 迭 代 续 代 迭 停 止 0.752 NV ti 0.468 n n i i=1 Ti 0.58 V RD = DRD 10 i=1 i t -5.542 2.524 路面技术展望 广东数据的标定 结构设计 i=1 Ti 0.58 V NV 0.743 ti 0.472 n RD0.3247 (1+ L p ) 10 i t -5.881 2.512 路面技术展望 新提出的沥青混合料性能要求 允许车辙深 度 10mm 15mm 20 mm 结构设计 抗剪强度（MPa）,不小于 表面层 0.89 0.74 0.66 中面层 0.97 0.81 0.72 底面层 0.53 0.45 0.40 路面技术展望 结构设计 i=1 Ti 0.58 V NV 0.743 ti 0.472 n RD0.3247(1+ L p ) 10 i t -5.881 2.512 V n 路面技术展望 p抗剪指标对路面结构设计形成了双向制约 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 0.30 剪应力 弯沉 面层底 拉应变 基层底 拉应变 土基顶压应变 结构设计 0.25 a P M ( 力 应 剪 ) ( 变 应 ) 0.20 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.15 11 基层模量/面层模量 路面技术展望 结构设计 p这个框架实现了结构设计与材料设计的并 轨，实现了一体化 p抗剪切指标和抗弯拉指标对路面结构组合 形成了双向制约，是路面结构的模量组合 （材料组合）更加均衡 p按性能设计优化了结构层的厚度组合 路面技术展望 材料设计 集料对路面变形特性影响很大