天津市典型路面结构研究开题报告

天津市市政公路管理局科技项目
开题报告书
编号：
项目名称天津市典型路面结构研究
承担单位（盖章）天津市高速公路集团有限公司
天津市市政工程研究院
天津市市政工程设计研究院
项目负责人
起止日期2013.07—2014.12
天津市市政公路管理局
二零一三年六月二十日
填报说明
一、报告书以A4纸书写，以提供的封面、封底进行装订。

二、本申报书一式二份，由第一承担单位报局科技处一份。

三、报告书主要内容：
1、研究的目的和意义，国内外研究概况及水平。

2、研究的主要内容（技术创新点、重点解决的关键技术问题，要达
到的技术指标、预期成果应用情况、效益情况等）
3、采取的研究方法、技术路线
4、进度计划
5、本课题已具备的条件（已具备的研究工作基础、设备情况、专业
人员情况、经费来源情况等）
6、直接参加研究人员情况（姓名、工作单位、年龄、专业、职称等）
7、经费计划（总额、自筹、申请补助额及用款计划明细）
8、其它
1 研究的目的和意义，国内外研究概况及水平
1.1 研究的目的和意义
中国改革开放以来的30多年，是其公路历史上发展速度最快、规模最大、最具活力的时期，天津地区的公路覆盖面积和通达深度均得到前所未有的提高。

高速公路的建设有力地带动了沿线地区的经济发展，改善了人们的出行条件，同时加速物流发展，给国民经济带来了巨大的经济效益和社会效益。

但是由于经济的飞跃发展，道路交通也出现了“飞跃”，超载、重载、大流量渠化交通等现象越来越普遍，使得目前的沥青路面设计规范跟不上形势的发展；同时我国幅员辽阔，各地区气候状况、筑路材料、施工技术、经济条件等因素都不一样，光靠设计规范很满足各地的实际要求，比如推荐的材料参数取值区间过宽，很容易造成隐患或浪费。

因此，迫切需要一种新的道路设计方法来适应天津的软基条件、交通荷载和气候环境。

天津地处近海软土地区，淤泥层较深，地基强度差，土体固结时间长，由此造成工后沉降大，路面沉陷，加上地下水位较高，路基处于潮湿、过湿状态，承载能力低。

面层在这样的路基条件下承受荷载极易造成沉陷、开裂。

目前，天津地区很多修建在软土地基上的高速公路并没有针对软基的特性进行设计，大部分仍采用了常规的半刚性基层结构形式。

但目前的使用实践表明，半刚性基层沥青路面不能很好适应软土地基的不均匀沉降，产生了较严重的早期破坏现象，如不均匀沉降过大引起路面结构的破损、横向不均匀沉降过大引起路面排水不畅、纵向不均匀沉降引起桥头跳车现象等。

这种现象表明，对于软基存在的不均匀沉降问题，半刚性基层沥青路面结构不能很好地将不均匀沉降产生的附加应力消散，
如果产生沉降缝，将直接加剧沥青路面的早期破坏，影响路面的行驶质量。

因此，有必要探索新型的路面结构形式来适应天津地区的软基条件。

在我国，重载交通则通常以车辆的超限超载为特点，主要指道路上车辆轴重超过了道路所规定限值，对路面的一次性破坏加大。

重载交通产生的道路路面损坏频率和程度往往比较大，对道路的安全运营带来比较严重的隐患。

天津地区的道路交通调查显示，该区域超载情况普遍，平均超载车辆达全部重车的35％以上，最大超载为额定荷载的200％左右，平均超载为额定荷载的50％~70％，满载货车的载重量一般都要超过额定荷载的100％~200％。

最大单轴高达31t，超限率达210％；最大双联后轴56.62 t，超限率达215％；最大三联后轴78.64 t，超限率达257％。

因此，如何应对如此严重的交通荷载对该地区的路面结构提出了严峻的考验。

通过对天津地区的高速公路沥青路面路况调查和病害成因分析发现，该地区的道路普遍存在水损坏现象。

沥青路面水损坏不仅会导致松散、坑槽和唧浆等表面损坏，还可以降低路面耐久性而诱发其它病害，甚至可以迅速导致路面结构的整体性破坏，危害极大。

当半刚性基层沥青路面的沥青层厚度较薄时，沥青路面的水破坏往往是自下而上发展的。

这种类型水破坏的基本过程是：①表面的水从裂缝和空隙较大的裂隙中进入路面，当沥青路面存在薄弱环节，水在这些地方容易进入路面内部，并很快进入到基层表面；②由于半刚性基层过分致密，不能迅速将水排除时，水滞留在沥青层和基层界面上；③在汽车荷载的作用下，下面层沥青混合料的粗集料对基层造成损伤，并形成灰浆，如果基层表面存在薄弱环节，遇水很快就成为灰浆；④灰浆从上下连通的空隙中被荷载挤出，成为唧浆；⑤与此同时，沥青层和基层的界面条件恶化，很快转变为滑动的界面条件，沥青层底部承受很大的拉应力，反复荷载的疲劳作用同时发生并发生拉应力超过极限而开裂；⑥下面层公称最大粒径较大，离析也比较严重，并存在一些空隙较大的部位，
水在空隙中承受很大的高速汽车荷载的抽吸作用，孔隙率较大的下面层将很快出现沥青从集料表面剥离，沥青膜逐渐被水乳化而丧失，集料松散。

这种情况逐渐向上发展，最后顶破表面，成为坑槽。

如何调整路面结构，增强基层的透水能力，避免层间积水，是减免沥青路面水损坏的有效途径。

通过分析考察天津地区的筑路材料、施工技术、交通状况、气候状况及土基条件等实际情况，针对路面结构中实际应用的新型路面材料提出设计参数的取值范围，同时通过调查分析天津地区现有沥青路面的病害情况和借鉴国内外使用状况良好的沥青路面来提出适合天津地区的沥青路面结构组合，推荐出适应天津地区软基条件、交通荷载和气候环境的沥青路面典型结构，是此次课题研究的着眼点和落脚点，对推动天津地区的道路建设具有重要意义。

1.2 国内外研究概况及水平
1.2.1 国外研究现状
国外的沥青路面典型结构都是在试验路监测的基础上进行大量的长期使用性能观测和路面力学分析中得出的，选取典型结构的变量最多两个。

法国、德国、比利时、奥地利、日本和美国等国家都有典型结构，法国和比利时的典型结构有交通量等级和土基模量两个变量，德国的典型结构有交通量和抗冻路面厚度两个变量，奥地利的典型结构只考虑交通量一个变量，同时规定了土基的回弹模量必须大于35MPa，当累计当量轴次(100KN)超过107次时，要进行独立设计。

针对不同等级的公路，交通量一般分为4个等级，最多的是5级(如奥地利)。

德国、法国以日平均交通量区分，例如法国交通量最大的一级Tl以载重500KN以上的货车计，一个车道上开放交通第一年的日交通量为750~2000辆，第二级T2的初始日交通量为300~750辆。

当交通量大于Tl时，规定在某些情况下可增加相同土基等级Tl结构的路面厚度，但应保证优质材料的选择和施工质量。

1．法国沥青路面典型结构
1977年法国的半刚性路面分为组合式结构(加沥青碎石基层GB)、复合式结构(全半刚性基层)以及倒装式结构(设碎石过渡层)，其中级配碎石过渡层的厚度均为12cm。

由表 1.1可见对大交通量Tl的组合式结构沥青路面的沥青层厚度最大为29cm，复合式基层沥青路面的沥青层为14cm，倒装式结构沥青路面的沥青层厚度最大为18cm。

法国的Tl和T2交通等级交通量相当于我国高等级公路的交通量。

表1.1 1977年法国沥青路面典型结构
附注：a、交通等级T1指（750~2000），T2指（300~750），T3指（150~300），T4指（50~150），括号内的数值指一个车道上的日交通量，以载重5t以上的车计；b、BB——沥青混凝土，
BBL——底面层（连接层）沥青混凝土，GC——水泥级配集料，GRH——级配碎石过渡层，GB——沥青碎石；c、PF1，PF2，PF3指土的种类和土基的潮湿状态，PF1相当于一般的土基；d、表中数字单位为cm。

2．奥地利沥青路面典型结构
奥地利的沥青路面典型结构分为柔性基层沥青路面和半刚性基层沥青路面两类，路面结构设计只考虑交通量一个变量，针对不同等级公路的交通量一般分为4个等级。

同时规定了土基的回弹模量必须大于35MPa。

当累计标准轴次(100KN)超过107次，要进行单独设计，设计年限20年。

奥地利沥青路面典型结构如表1.2所示。

表1.2 奥地利沥青路面典型结构
3．德国沥青路面典型结构
德国沥青路面结构以柔性材料为主，沥青层较厚。

在1986年制定的典型结构表1.3中，明确不允许用半刚性材料作路面结构的基层，沥青面层厚度一般采用22~26cm。

由于半刚性材料不可避免地会产生开裂，所以在高速公路上，即使交通量较低也不采用半刚性材料。

全厚式路面或厚沥青层下铺筑粒料底基层的柔性路面结构成为高速公路的主要结构。

2001年3月德国新颁布的标准规定，结构组合设计与路基土的性质、地区划分、水文地质及线路位置等因素有关。

以高速公路为例，当路基土为F2和F3类土时，沥青路面结构层组合设计共分为7类。

其中面层基本相似，不同的只是面层以下结构层的类型和厚度，所有结构层
都铺筑在具有模量120MPa的路基上，否则路基需要加固。

表1.3 1986年德国沥青路面典型结构（路基土为F2，F3类土）
E表示层底最小模量，单位MN/m2 。

附注：表中
min
4．美国沥青路面结构形式
美国的沥青路面结构形式中，使用最多的是全厚式、沥青层下铺筑粒料层的柔性路面结构。

半刚性基层沥青路面在20世纪50、60年代曾经是美国沥青路面结构主要类型，但从70年代后，半刚性材料使用越来越少，即使使用半刚性材料也趋向于作底基层，且主要用于底基层。

美国的路面结构形式按基层、底基层类型大致可分为7类，如表1.4所示。

表1.4 DataPave3 版的LTTP数据密级配沥青混凝土路面数据统计情况（美国）
其中当交通量不大时，在较厚的粒料基层上铺筑沥青层是最主要的结构形式，沥青层厚度小于18cm的相对较薄的工程中，有264个是粒料基层，其比例占全部292个工程的90％。

在交通量较大的中、重交通道路上采用全厚式、沥青碎石基层下铺筑粒料底基层的沥青路面是最主要形式。

美国采用半刚性材料基层和底基层的工程很少，只占3．5％，在采用水泥稳定集料作基层的27个工程中，沥青层厚度<18cm的有15个工程，厚度18~30cm的有10个工程。

2l世纪初美国沥青路面联盟APA联合各单位进行永久性路面研究，典型结构是全厚式沥青路面，基本上否定了在重载交通高速公路上使用半刚性材料作基层的路面结构，其设计理念对美国沥青路面结构发展产生了深远影响。

5.日本
日本国高速公路沥青路面的典型结构如表1.5所示。

表1.5日本高速公路沥青路面结构
通过总结，国外公路的路面结构有以下特点：
(1)较多采用结合料稳定粒料(包括各种细粒土和中粒土)，其中稳定细粒土(如水泥土、石灰土等)只能用作底基层，有的国家只用作路基改善层。

法国和西班牙在重交通的高速公路上要求路面底基层需用结合料处治粒料。

(2)使用最广泛的结合料是沥青和水泥，石灰用得较少。

此外，还使用当地
的低活性慢凝材料和工业废渣，如粉煤灰、粒状矿渣。

(3)有些国家用沥青稳定碎石作基层的上层，而且用沥青作结合料的结构层的总厚度(面层+基层的上层)常大于20cm。

1.2.2 国内研究现状
我国从八十年代开始开展了路面结构优化设计方法的研究，提高高等级公路合理结构和合理厚度，这是路面典型结构设计的雏形。

到八十年代末，我国一些省市相继开始了典型结构的研究，如湖南的道路研究学者在国内首次提出了较为系统的在不同交通量和不同土基强度下的半刚性沥青路面典型结构组合，同时运用可靠度理论对所推荐的路面典型结构进行了结构可靠性的评价。

“八五”期间，总结了“七五”攻关项目《高等级公路半刚性基层沥青路面结构设计和抗滑表层的研究》成果，肯定了稳定粒料类半刚性基层的性能并在此基础上进行了《高等级公路半刚性基层沥青路面典型结构的研究》，该项目提出了现有高等级公路半刚性基层沥青路面的设计原则、设计方法和相应的典型结构。

目前全国很多地区都进行了或正在进行典型结构的研究，取得了一定的成果，并使得路面典型结构的研究越来越深入和完善，其中《辽宁省沥青路面典型结构研究》对辽宁省沥青气候适用性进行了分析，提出了以沥青路面使用性能为依据的辽宁气候分区，并提出了轴载换算季节修正系数的计算公式；《甘肃黄土地区高等级公路沥青路面典型结构研究》利用计算机编程语言Visual basic 6.0编制了相应的程序AGA-LQ，改进了路面结构优化遗传算法；《高速公路长寿命路面典型结构技术研究》在典型结构设计中提出了路面寿命预估模型，使路面结构设计更加合理；《秦皇岛市区沥青路面典型结构研究》进行了路基路面设计参数的敏感性分析，它对研究典型结构的设计参数(结构层厚度、材料模量和层间接触条件等)有重要意义。

综上所述，我国的公路沥青路面典型结构研究虽然取得了一定的成绩，但由于传统观念的束缚和地方政策的影响，在一些公路设计上过于保守。

我国的设计
单位在进行公路沥青路面结构设计时一般是先确定沥青层的厚度，然后再通过计算确定基层或底基层厚度，这使得我国高速公路沥青路面结构不管是在炎热干旱的西北，寒冷潮湿的东北，还是在高温多雨的沿海，都采用了类似的路面结构型式，如表2.1 所示是我国部分高速公路的典型路面结构。

表2.1 我国典型高速公路沥青路面结构
我国地域广阔，各地气候、地质、水文等自然条件以及交通量情况有着较大的差别，对于沥青路面使用特性的要求也千差万别。

从过去的文献资料看，交通部公路科学研究院在柔性基层等新型路面结构的研究方面做了一些有益的探索，东南大学也曾经对设置级配碎石中间层的倒装结构进行过研究。

但从总体上来说，我国对级配碎石柔性基层沥青路面、设置级配碎石层的复合式沥青路面的研究还很缺乏。

因此，深入开展研究级配碎石柔性基层沥青路面、设置级配碎石层的复合式沥青路面对丰富天津市沥青路面的结构类型，提高天津地区的高速公路建设质量意义重大。

2 研究的主要内容（技术创新点、重点解决的关键技术问题，要达到的技术指标、预期成果应用情况、效益情况等）
2.1 主要内容
(一)国内外及天津地区高速公路沥青路面路况调查分析
本章对国内外及天津地区沥青路面作深入的调查，主要调查内容包括：沥青路面的结构类型；结构层材料的种类及使用情况；路面病害的种类及所占比例、病害的成因及防治措施和施工情况等，为推荐天津地区沥青路面典型结构提供指导和借鉴。

(二)天津地区高速公路使用期路基模量衰减规律研究
不同时期不同季节地下水位的变化直接影响到土基的干湿类型，进而影响到路基的回弹模量，地下水位较高的软基地区路基模量在使用期内是不断变化的。

本章通过试验研究、现场检测和理论计算分析对使用期路基模量的衰减规律进行研究。

2.1 天津地区地下水位、土质情况及土基干湿类型
2.2 使用期路基模量衰减规律研究
2.2.1 不同处理方式下软基模量衰减规律研究
2.2.2 不同地下水位和土质情况下软基模量衰减规律研究
2.3 路基模量衰减对路面结构使用性能的影响分析
2.4 路面设计阶段考虑路基模量衰减的可行性分析
(三)天津地区新型路用材料性能与设计参数研究
设计的新材料必然有其与原设计材料不同的力学参数，不能够只看到新材料的综合功能（比如抗车辙、抗水破坏、抗裂等）进行层位替换，而忽略它深层次的对路面结构耐久性的贡献。

本章重点就天津地区实际应用的新型路用材料的路用性能和力学参数进行试验研究，并根据试验结果推荐材料设计参数。

3.1 基于GTM法设计的沥青混合料性能与设计参数研究
3.1.1 原材料性能检验
3.1.2 基于GTM法设计的沥青混合料性能研究
3.1.3 GTM法设计的沥青混合料设计参数研究
3.2 高模量沥青混合料性能与设计参数研究
3.2.1 原材料性能检验
3.2.2 高模量沥青混合料性能研究
3.2.3 高模量沥青混合料设计参数研究
3.3 掺加温拌剂的沥青混合料性能与设计参数研究
3.3.1 原材料性能检验
3.3.2 常温与高温状态下掺加温拌剂的沥青混合料性能对比研究
3.3.3 常温与高温状态下掺加温拌剂的沥青混合料设计参数研究
3.4 振动成型纤维改性级配碎石材料性能与设计参数研究
3.4.1 原材料性能检验
3.4.2 振动成型纤维改性级配碎石材料性能研究
3.4.3 振动成型纤维改性级配碎石材料设计参数研究
3.5 振动成型水泥稳定碎石基层及底基层设计参数研究
3.5.1 原材料性能检测
3.5.2 振动成型水泥稳定碎石材料性能研究
3.5.3 振动成型水泥稳定碎石材料设计参数研究
3.6 考虑施工变异性的新型路用材料设计参数研究
3.6.1 压实度变异性对新型路用材料设计参数的影响
3.6.2 材料变异性对新型路用材料设计参数的影响
（四）以弯沉为指标的级配碎石柔性基层沥青路面设计方法研究
针对级配碎石柔性基层沥青路面结构在实际施工过程中出现的弯沉偏大问题，通过采取现场调查、回归分析、力学计算及工程实例相结合的方法对柔性基层沥青路面结构的弯沉设计指标体系进行研究。

4.1 现有级配碎石柔性基层沥青路面弯沉检测数据分析
4.2 路面基层类型系数Ab值标定
4.3 考虑非线性的不同结构组合的弯沉值验算
（五）路面结构力学响应计算分析
在对各种沥青路面设计方法和可靠度理论深入研究基础上，编制基于有限元和蒙特卡罗模拟的可靠度计算设计程序分析不同路面结构的力学响应，并对各设计参数进行敏感性分析。

5.1 重载作用下路面结构层的力学响应
（1）路表弯沉分析
（2）弯拉应力分析
（3）弯拉应变分析
（4）剪应力分析
（5）竖向压应变分析
（6）力学响应综合评价
5.2 动载作用下路面结构层的力学响应
（1）路表弯沉分析
（2）弯拉应力分析
（3）弯拉应变分析
（4）剪应力分析
（5）竖向压应变分析
（6）力学响应综合评价
5.3 路面设计参数的敏感性分析
5.3.1 面层参数对设计指标的影响
5.3.2 基层参数对设计指标的影响
5.3.3 土基强度对设计指标的影响
5.3.4 敏感性分析综合评价
5.4 路面结构合理厚度的确定
(六）沥青路面实时监控系统在试验路工程中的应用研究
沥青混合料拌合与压实质量在线实时监控，可以有效避免事后检测导致大量不合格产品应用，造成路面质量不稳定的现象。

本章拟通过实时监控系统实现沥青混合料拌和与压实过程中的实时数据采集，分析、计划、控制和决策，提高沥青混合料机械化施工与质量控制水平，确保试验路的路面修筑质量。

6.1 热拌沥青混合料质量实时监控系统的应用研究
6.2 沥青路面压实质量实时监控系统的应用研究
(七）沥青混合料转运车及振荡压路机在试验路工程中的应用研究
沥青路面的施工技术的发展对保证工程质量具有重要意义。

使用沥青混合料转运车可以有效地降低沥青混合料材料离析、温度离析和提高沥青路面的平整度。

振荡压实技术应用于桥面沥青面层铺装压实上，不会损坏桥梁结构，有利于快速达到压实度，保证桥面平整度。

因此，在试验路工程中尝试采用这两种施工技术，以期提高路面建设质量。

7.1 沥青混合料转运车的应用研究
7.2 振荡压路机在桥面压实中的应用研究
（八）试验路现场检测与路面力学响应测试分析
由于材料和结构设计参数主要来源于室内试验，结构的力学响应主要来源于理论计算，缺少荷载作用下路面结构内“真实”力学响应的数据，缺少理论计算结果与实际结果之间的偏差分析。

鉴于此，本项目将结合试验路工程，在对不同路面结构设计进行研究的基础上，埋设传感器测量元件，对路面结构内部在荷载和环境因素作用下的力学响应进行监测，为路面结构设计提供基础数据，并验证理论计算结果。

8.1 试验路段的现场检测
8.1.1 贝克曼梁测定路基路面弯沉
8.1.2 FWD测定路基路面弯沉
8.1.3 承载板测定各层顶面回弹模量
8.2 路面力学响应测试分析
8.2.1 路基顶面压力盒布置与现场数据采集
8.2.2 级配碎石层顶面压力盒布置与现场数据采集
8.2.3 路基温湿度传感器布置与数据采集
8.2.4 半刚性基层传感器布置与数据采集
8.2.5 沥青面层应变传感器布置与数据采集
8.2.6 沥青面层温度传感器布置与数据采集
（九）基于全寿命周期的不同路面结构经济分析
对半刚性基层沥青路面、组合式基层沥青路面、级配碎石柔性基层沥青路面三种路面结构参照建设初期的成本、性能预测规律和养护维修费用，进行全寿命周期的经济分析。

9.1 级配碎石柔性基层沥青路面经济分析
9.2 半刚性基层沥青路面经济分析
9.3 组合式基层沥青路面经济分析
（十）天津地区沥青路面典型结构确定
在路基模量和材料设计参数研究的基础上，通过路面结构组合设计、路面结构力学响应计算、全寿命周期的经济分析，推荐天津地区高速公路沥青路面典型结构，并通过试验路现场检测与路面力学响应测试进行验证。

2.2 关键技术
（1）天津地区高速公路使用期路基模量衰减规律研究；
（2）天津地区新型路用材料性能与设计参数研究；
（3）以弯沉为指标的级配碎石柔性基层沥青路面设计方法研究；
（4）不同路面结构的力学响应计算分析；
（5）沥青路面实时监控系统在试验路工程中的应用研究；
（6）沥青混合料转运车和振荡压路机在试验路工程中的应用研究；
（7）不同路面结构的力学响应测试分析。

2.3 预期达到目标、技术特点
（1）提出天津地区高速公路使用期路基模量衰减规律；
（2）对天津地区新型路用材料的性能进行试验研究，并提出设计参数；（3）提出以弯沉为指标的级配碎石柔性基层沥青路面设计方法；。