沥青路面加铺层设计和施工技术研究.docx

沥青路面加铺层设计和施工技术研究报告简本1研究背景随着我国社会主义市场经济的迅速发展，交通的日益重型化及交通量的大幅度增长，加之设计、施工、养护、使用等多种综合因素的影响，加速了路面的损坏，目前国内很多高等级路面正处于维修、待修状态。采用沥青面层作为原有路面的加铺层是一种非常典型的补强方法。对于沥青路面，上面加铺沥青层施工方便且能显著改善路面使用性能；对于水泥路面，这种形式的路面结构能吸收两种材料的优点，原有水泥路面可以提供稳定、坚实的基层，沥青加铺层可以提供摩阻系数高、平整度好的表面层，大大改善了路面的使用性能。然而，国内外对原有沥青路面和水泥路面加铺改造仍处于研究、试验阶段，至今仍没有一个效果非常令人满意，施工工艺可行且具有明显社会经济效益的防治措施和成熟的理论、设计方法。由于这一问题的复杂性和各地交通、气候及筑路条件的差异，在所取得的研究成果之间缺乏共同的认识，给设计和施工部门的具体操作带来了极大的困难。因此，本课题研究在广泛收集并分析国内外原有沥青路面和水泥路面加铺沥青混凝土层有关资料的基础上，以铺筑的试验路为应用研究对象，结合我国尤其是西部具体情况，针对在原有路面上加铺沥青层后的路面状况，运用新技术、新材料，对用沥青加铺层改造旧沥青路面和水泥路面的方法和理论作进一步的研究，探索旧路面加铺沥青层的工作机理，提出符合国情、切实可行的改造措施与施工技术指南，对今后高等级公路加铺沥青层设计与施工具有重要的借鉴和指导意义。2研究工作概况西部交通建设科技项目“沥青路面加铺层设计与施工技术研究”课题（项目编号：2005 318 812 13）自2005年正式立项以来，由主持单位长安大学以及参加单位吉林省交通科学研究所、陕西高速机械化工程有限公司组成的项目组根据可行性研究报告和合同规定的研究内容和要求，组织召开了研究大纲专家评审会，并根据专家评审意见，制订了详细、切实可行的研究大纲及进度计划，初步确定了课题配套工程及现场试验观测路段。随后，项目组组织研究人员并联系合作单位，按计划全面开展研究工作。同时，在2006年在研究过程中，项目组采取资料调查整理、现场测试、室内试验与理论分析相结合的方式，在收集查阅大量国内外相关文献资料的基础上，以我国部分高等级公路为主体，以实际工程为依托，经过3年多的研究，对典型水泥混凝土路面及沥青混凝土路面进行了大量的现场检测、评价、典型加铺层结构试验段及室内外对比试验和理论分析研究，从而开展了 “原有水泥混凝土路面检测、评价与处治”、“原有沥青混凝土路面检测、评价与处治”、“沥青加铺层结构工作状态”、“沥青加铺层材料组成研究”、“原有水泥路面加铺沥青层设计方法与软件”、“原有沥青路面加铺沥青层设计方法与软件”、“沥青加铺层施工技术指南”、“试验路铺筑与验证”、“沥青加铺层相关设备仪器开发”等多项专题研究工作，并得到一批有价值且可供工程应用参考的研究成果和建议，为我国沥青路面加铺层的设计与施工提供了科学合理的依据。3研究成果特点（1）创新性：该项目采用多项新技术、新工艺、新材料和新设备，具有很强的创新性，在关键技术脱空判断方法、自补偿式板底灌浆材料、路面使用性能评价方法、加铺层结构层间工作状态及夹层的最佳位置、加铺层材料及技术要求、层间处治材料及技术标准、层间专用设备及施工方法、加铺层典型结构、加铺层设计方法与施工技术等方面均有创新。（2）系统性：综合技术含量较高。不但考虑了路面加铺结构本身的合理性和使用年限，同时采用的一系列技术，从评价、处治、周边环境、防水、设计、施工措施等系统地为路面加铺结构提供了支持条件。（3）成熟性：研究成果成功应用于吉林外环试验路、G104徐州机场试验路及陕西4条高等级公路，通过近2年的通车检验，推荐的典型结构没有出现传统沥青加铺层的早期病害。（4）经济性：应用在工程建设项目上，显著地减少了养护费用，间接产生的长期经济效益和社会效益是非常巨大的。4主要研究成果4.1原有水泥混凝土路面检测、评价与处治（1）首次提出了基于板中、板边弯沉差及唧泥高度为一体的板底脱空判别方法与标准，有效解决了目前准确判别板底脱空的难题。静弯沉检测动弯沉检测 动静弯沉值脱空判别标准 （单位：0.01mm）脱空程度板边中点与板中弯沉差板角与板中弯沉差静弯沉标准uB动弯沉标准uF静弯沉标准uB动弯沉标准uF轻度脱空102025152536中度脱空20305102535612重度脱空30103512 轻度唧泥 中度唧泥 重度唧泥唧泥高度与脱空程度判别标准 （单位：cm）脱空程度轻度中等严重唧泥高度10103030（2）建立了基于探地雷达的板底脱空检测与评价方法。通过广泛调研国外路用探地雷达标准，并研究选定道路检测雷达测试参数：天线的中心频率、分辨率、时窗、采样率、相邻扫描点间距，推荐出板底脱空雷达检测型号。 吉林外环路雷达检测现场（3）在已有研究的基础上，改进了旧水泥混凝土路面使用性能检测与评价方法。（4）对旧水泥混凝土路面表面处理与效果评价、水泥混凝土路面破碎工艺、混凝土旧板再生、板底脱空处治以及路面加铺层间处治方法与标准进行了系统的研究。针对水泥混凝土板轻度脱空、中度脱空和重度脱空三种情况，分别提出了不同配合比的压浆材料。 兰派五边形冲击破碎20遍效果图 MHB破碎效果图 再生集料性能对比指标再生石灰岩再生花岗岩中下面层粗集料规范值压碎值（）20.424.628密度(g/cm)2.7022.6882.5吸水率()3.04.33.0细集料含泥量（）7.53.0单枪贴铺油毡双枪贴铺油毡在应力吸收层上铺设玻纤格栅层间格栅铺设效果粘层油的喷洒应力吸收层施工4.2原有沥青混凝土路面检测、评价与处治（1）在现有指标和评价方法的基础上, 针对高等级公路路面的要求，改进了沥青路面使用性能单项评价指标和标准。（2）针对现有综合评价方法不足，从实测数据的处理出发，首次建立了基于区间数逼近法的路面使用性能综合评价方法，并使用该方法对陕西省西临高速公路代表路段的路面使用性能进行了评价，验证了其有效性和实用性。系统分析和总结路段划分方法，考虑道路属性变异，建立了基于累积差分法的路段均匀划分方法。 （3）提出了混合遗传神经网络预估方法，建立了路面破损状况预估模型。（4）针对施工中铣刨厚度较难控制的问题，首次提出通过旧路表面弯沉控制旧路铣刨厚度，并确定了基于弯沉控制的旧路铣刨设计准则，为铣刨厚度的确定及加铺层的设计提供了依据。（5）对沥青路面常见病害进行了优化，提出了相应的处治标准和方法，最后对沥青路面再生处治技术进行了优化。泡沫沥青再生施工4.3沥青加铺层结构工作状态（1）旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构工作状态对荷载不同作用位置及层间不同接触情况下沥青加铺层的受力状况进行了深入的计算分析，得到了沥青加铺层应力分布规律，为深入进行沥青加铺层荷载应力研究奠定了理论基础。全面系统研究了在荷载作用下轴载及沥青加铺层、应力吸收层和基层厚度与模量变化对沥青加铺层受力状况的影响，得出了沥青加铺层层底荷载应力的变化规律，提出了应力吸收层厚度的合适范围，为荷载作用下沥青加铺层和应力吸收层设计提供了力学依据。通过对不同层间接触情况下沥青加铺层的温度变形及应力与复合式路面温度场进行创新性理论研究，得到了沥青加铺层最大温度应力位置及范围与复合式路面温度场变化规律，为深入进行沥青加铺层温度应力研究奠定了理论基础。全面系统分析了在温度作用下沥青加铺层、应力吸收层的厚度和模量变化对沥青加铺层应力水平与反射裂缝的影响，得出了沥青加铺层层底温度应力的变化规律，为温度作用下沥青加铺层和应力吸收层设计提供了力学依据。全面系统分析研究了在荷载与温度荷载耦合作用下沥青加铺层、应力吸收层的厚度和模量变化对沥青加铺层应力水平的影响，得出了沥青加铺层层底耦合应力的变化规律，为耦合作用下沥青加铺层和应力吸收层设计提供了力学依据。全面系统研究了层间工作状态。建立了力学模型，并计算了层间最大压应力和剪应力，得出了最大应力值的变化规律。建立了荷载等效法力学模型，分别计算了I型和II型裂缝不同长度时的应力强度因子，提出了应力强度因子范围，为深入进行沥青加铺层间工作状态研究奠定了力学基础。（2）旧沥青混凝土路面沥青加铺层结构工作状态系统研究了荷载作用下沥青加铺层内力随结构参数的变化规律，重点对旧路横向开裂及设置层间材料等几种加铺层结构进行了荷载内力分析。进行了温度场的理论分析与数值计算，推导了不考虑旧路开裂的温度应力计算公式，研究得出了旧路横向开裂宽度、深度及设置不同层间材料等几种结构对加铺层结构温度应力的影响规律。对层间抗压、抗剪及层间温度场状况进行了系统研究，确定了层间工作状态。 加铺层与旧路层间剪应力数值范围水平摩擦系数f00.20.30.5层间剪应力m0.0630.1680.0670.1990.0690.2140.0730.245 不同加铺层厚度的层间压应力范围 加铺层厚度(cm)4681012141618层间压应力(MPa)0.6570.7850.5200.6900.4080.5880.3250.4920.2620.4110.2150.3460.1780.2940.1520.252针对以往夹层设计比较模糊的问题，通过分析夹层设置位置对加铺层结构应力应变及路面性能的影响，首次系统地从夹层提高沥青加铺层结构抗开裂能力、延长疲劳寿命及提高抗剪切性能三个不同功能考虑，确定了沥青加铺层结构夹层合理位置。a)按中标准现场疲劳方程预估b)按高标准现场疲劳方程预估 加铺层结构疲劳寿命随不同夹层位置变化的曲线图4.4沥青加铺层材料组成研究（1）全面分析了层间材料的相关规范及工程实践，综合力学计算结果、室内试验结论及现场应用提出了贴缝油毡的临界宽度。提出并开发出了用于层间直接拉伸试验的水平台架。（2）首次提出了采用车辙仪进行加铺层结构抗反射裂缝疲劳试验设备的试验方法，并对复合式结构进行了弯拉型和剪切型的疲劳试验。（3）首次对不同格栅层位加筋沥青混合料的抗车辙性能进行了室内试验与粘弹性有限元力学计算对比分析，为沥青层结构设计提供了依据。层间抗裂用APP改性沥青油毡技术指标序号检 测 项 目性 能 要 求KKK1外 观表面无明显压痕，宽度要求一致，层间不准有夹裂现象，上表面用细石屑或细砂。2总厚度(mm)343胎体聚酯长丝无纺布4可溶物含量（g/m2）3mm21004mm29005不透水性能保持30min不透水的压力/Mpa0.70.50.36耐热度（受热2h时无滑动、无流淌及无滴落）/（）1601501407拉力（N/50mm）纵向800横向8008最大拉力（断裂）时延伸率(%)纵向40横向409低温柔度（-20，弯曲试验 r=15mm，3s弯曲180）无裂纹10粘结性能(MPa)601.0151.511高温抗剪/Mpa（60，速度10mm/min，垂直压力0.1MPa）0.112低温抗裂（-20）抗拉强度/MPa8.0延伸率/%3013撕裂强度(N/50mm)纵向400横向35014抗老化值 （经测试不透水时间）/h300015抗硌破及渗水试验（130/2h，500g重锤300mm高度冲击后，500mm水柱16h）无硌破，渗水系数1ml/min16接缝变形能力，循环无破坏次数10000注：参照公路工程质量检验评定标准(JTGF80/1-2004)，8.12.1；黑体为抗裂重要指标。有限元网格模型 格栅加筋不同层位的车辙试验（4）通过对不同格栅位置的沥青混凝土强度进行试验，研究格栅层位对加筋沥青混凝土强度性能的影响，并首次引入无量纲的韧性指数对劈裂强度试验进行评价。 （5）首次提出了高粘结撒布式应力吸收层，并系统研究了其材料组成。（6）系统研究了SMA-5作为应力吸收层的功能及性能要求，从沥青胶结料、石料和矿粉、纤维以及集料的级配等方面分别进行了试验研究，设计了SMA-5用作应力吸收层时的配合比。（7）深入研究了AC-5沥青砂应用作为层间应力吸收层时的配合比设计过程，提出了在马歇尔配合比设计结论的基础上，应根据稳定度和流值的变化适当增加沥青用量0.5%-0.6%。（8）系统研究了SMA-13，AC-13C及AC-16F在加铺结构中的设计材料组成，确定其作为加铺面层时厚度宜取69cm。并提出了一些具体技术要求。4.5原有水泥路面加铺沥青层设计方法与软件（1）系统分析了旧水泥路面沥青加铺层层间破坏状态，在此基础上提出以加铺层层底弯拉应力以及剪切应力为设计加铺层的控制指标。（2）建立了对旧水泥路面无破损与结构评价体系，提出了旧水泥路面疲劳寿命预估模型和方法，并系统分析了加铺层设计模式。（3）在对现行公路工程结构可靠度设计标准和大量实际加铺路面结构和材料使用状况进行分析研究基础上，首次提出了基于反射裂缝和目标可靠度的加铺层结构设计方法。（4）开发了加铺层设计软件，为加铺层的设计提供参考和依据。4.6原有沥青路面加铺沥青层设计方法与软件（1）提出基于剩余寿命改进的加铺层结构设计方法，在加铺层补强设计时，建议采用剩余寿命对旧路实测弯沉反算的当量回弹模量进行修正，使其能够充分体现旧路有效结构能力。（2）完善了旧沥青混凝土路面加铺层结构设计指标，建议加铺层结构设计时，考虑加铺层最大竖向剪切应力及加铺层与旧路之间的层间剪切应力，并确定了竖向剪切及层间剪切疲劳轴载换算系数。（3）提出了加铺层典型结构，首次建立了基于DEA加铺层结构优化模型，该方法不仅确定最优结构方案，还可进一步确定较差决策方案无效原因，发现进一步提高的可能性，从而弥补了以往优化方法的不足。（4）开发了加铺层设计软件，为加铺层的设计提供方便。该软件不仅能够进行加铺层结构厚度设计，同时还可进行原有沥青路面铣刨厚度设计及加铺层结构优化。4.7沥青加铺层施工技术指南根据徐州G104国道机场路、吉林外环高速公路和陕西省西宝高速、西户高速、西潼高速以及绛帐-法门寺二级旅游路等依托工程施工，结合交通部颁布的公路沥青路面施工技术规范 (JTG F402004)的规定，吸取国内外成熟经验，提出了旧水泥混凝土路面和旧沥青混凝土路面沥青加铺层施工技术指南，对补充和完善我国相关规范标准具有十分重要工程价值和实用意义。4.8沥青加铺层相关设备仪器开发（1）首次开发了油毡贴铺机，并成功的将油毡贴铺机应用于工程实际，得到相应的数据，验证了其可靠性。 加挂油毡 油毡贴铺机行进 机械贴铺油毡效果 人工贴铺油毡质量隐患（2）针对室内足尺试验台试验费用昂贵及体积大、不易搬运的缺点，研发了更加方便、实用的层间水平拉伸试验台架，并成功的采用其进行试验，得到相关数据，验证了其可靠性。（3）研究开发了糙化打毛机，并成功的应用于工程实际，得到相应的打毛效果，验证了糙化打毛机的可靠性，具有推广价值。 图a 打毛机全貌 图b 打毛主机 图c 打毛机工作 图d 打毛效果糙化打毛机开发（4）首次提出了基于普通车辙仪改进的加铺层疲劳模拟对比试验方法，解决了水泥混凝士板沥青加铺层弯拉型和剪切型反射裂缝扩展过程的检测问题。 基于普通车辙仪改进的加铺层疲劳模拟对比试验5主要创新点（1）首次提出了集板边、板角动静弯沉差与唧泥为一体的脱空判断方法。（2）针对水泥混凝土板轻度、中度和重度三种脱空情况分别提出了相应配合比的自补偿式板底灌浆材料。（3）针对现有综合评价方法不足，从实测数据的处理出发，首次建立了基于区间数逼近法的路面使用性能综合评价方法。（4）针对沥青路面施工中铣刨厚度较难控制的问题，首次提出通过旧路表面弯沉控制旧路铣刨厚度，并确定了基于弯沉控制的旧路铣刨设计准则。（5）全面研究了不同荷载作用位置的旧水泥路面加铺层结构受力状况，并确定了层间工作状态。（6）首次提出了旧沥青路面加铺层结构夹层的最佳位置，并确定了旧路与加铺层层间的抗压、抗剪及温度场工作状态。（7）首次提出了沥青加铺层APP油毡防裂贴铺的技术标准；对不同类型的层间处治材料进行了研究，首次提出并研究了“两油一料”式的高粘结撒布式应力吸收层。（8）首次开发了层间专用油毡贴铺机；首次提出了基于车辙仪改进的加铺层结构疲劳试验方法；开发出了实用的层间水平拉伸试验台架。（9）提出基于使用寿命和反射裂缝的旧水泥路面加铺沥青层设计方法；建立了基于剩余寿命改进的旧沥青路面加铺层设计方法。（10）编制了沥青加铺层施工技术指南。