重交通路面设计施工新理念

动水压力
2020/7/22
沥青的迁移
动水压力
动水头
2020/7/22
翻浆的过程
动水压力
2020/7/22
翻浆与沉陷
沥青混合料的质量
14 12 10
8 6 4 2
2020/7/22
空隙率（%）
损坏路段 正常路段
空隙率与损坏
沥青混合料的质量
35
30
25
20
15
10
5
0
LH25
SMA16
LK1
LK0
0.66
0.64
0.62
0.60
0.58
0.56
0.54
0.52
0.50
0.48
0.46
0.44
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
半刚 性 基 层模 量 (MPa)
0.38 0.37 0.36 0.35 0.34 0.33 0.32 0.31 0.30 0.29 0.28 0.27 0.26 0.25 0.24 0.23 0.22
280000
240000
200000
160000
120000
80000 0.10
40000 0.05
0.05 0.00
0.10
-0.05
X 轴 （ m ） 0.15
-0.10
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
2020/7/22
后
沥青在表面层内重新分布前后
2020/7/22
重交通道路路面损坏特征
目前的损坏 产生于路面使用初期
与结构的整体抗力无正 相关性
重载的影响明显
损坏起于面层，开裂向 下传播
雨水具有明显的影响 发展速度很快
传统的损坏 产生于长期使用后 与整体抗力关系明显 雨水的影响明显 开裂产生于结构层底部，
1.8
1.8
第 三线
1.6
1.6 第 三 线
1.4 1.2 1.0 0.8
1.4
第 三线
最外缘
1.2
第 二线
1.0
中 间线
0.8
最外缘
第 二线 中 间线
1.4
最外缘
1.2
1.0 第 二 线 0.8 中 间 线
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.4
0.2
0.2
0.2
各花纹块走 向压力分布
0.0 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120
2020/7/22
二、损坏机理
沥青混合料：均匀性，粘附性，空隙率， 强度，级配
结构：过刚的基层导致面层剪应力过大 施工：分层过多 排水、防水：设计比较弱 荷载：轮载与胎压超载 新的损坏机理
2020/7/22
二、损坏机理
自上而下的开裂过程
2020/7/22
二、损坏机理
图22 成渝高速剪应力 等值线图
z y
x
图 6 有限元模型示意图
应力分析
最大弯沉 值 （ mm）
1.5
结 构a
1.4
结 构b
1.3
结 构c
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
单 轮 负荷 增 加 量
基于弯沉、弯拉的判断：a>b>c
2020/7/22
应力分析
最大剪 应 力峰值 （ MPa）
-0.5
均 匀 分布 凹型分 布 凸型 分 布
0.0
0.5
1.0
1.5
面 层模 量 增 减 百 分 比
2020/7/22
最大剪 应 力峰值 (MPa)
均 匀 分布
凹 型 分布
0.41
0.40
凸 性 分布
0.39
0.38
0.37 0.36
0.35
0.34
0.33
0.32
0.31 0.30 0.29
0.28
当轻型车辆超载时，即便总轴重小于标准荷载，但 对路面的损伤更为严重
对目前的半刚性基层沥青路面，不能简单地认为弯 沉小意味者强度高
剪切指标的分析为我们带来了路面考虑的新视角， 是我们在传统的路面分析中忽略了的因素。该指标 的引入，为从力学的角度进行路面结构组合设计提 供了理论指导
剪切破坏可能是重交通沥青路面的主要损坏原因， 是联系材料与结构的纽带，是一个好的设计指标
3
6
9
实测值
12
15
5:00 19:00
11:00 23:00
13:00
2020/7/22
车辙产生于10cm 深度以内
二、损坏机理
模式1：沥青迁移-翻浆模式 模式2：整体强度不足造成的疲劳开裂类 模式3：剪切疲劳造成的车辙或纵向开裂类 模式4：低温开裂类
2020/7/22
主要问题
主要问题
e)1050kpa/2500kg半刚性 基1 .2 层
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
横 向 轴 （mm）
1050kpa/2500kg
接
地 压 力 值 （M P a ）
f)1050kpa/6250kg半刚 性基层
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
320000
280000
240000
200000
160000
120000
80000
0.10
0.15
X
轴
0.20 （m）
0.25
0.10 0.05 0.00 -0.05
-0.10
（ M P a ）
地压 力 值
d)1050kpa/1900kg半刚性 1.2 基层
1 .0
0 .8
0 .6
0 .4
0 .2
0 .0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
0.0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
横 向 轴 （mm）
810kpa/2500kg
0.2
0.0 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
810k横 p向 a轴/（5m0m ）00kg
典型测试结果： 11.00-20横向花纹轮胎接地压力分布实测
E=30Mpa μ=0.4
图 4 计算用路面结构 b
2020/7/22
沥青混凝土 h=150mm E=1200Mpa μ=0.35
水泥稳定碎石 h=450mm E=1300Mpa μ=0.35
二 灰 土 h=150mm E=100Mpa μ=0.35
土
基
E=15Mpa μ=0.45
图 5 计算用路面结构 c
土
基
E=35Mpa μ=0.4
图 3 计算用路面结构 a 中粒式沥青混凝土 h=50mm E=1200Mpa μ=0.35
粗粒式沥青混凝土 h=70mm E=1000Mpa μ=0.35
水泥稳定碎石 h=200mm E=1200Mpa μ=0.2
二灰土
h=250mm E=500Mpa μ=0.2
土
基
应力分析
中粒式沥青混凝土 h=40mm E=1200Mpa μ=0.35
粗粒式沥青混凝土 h=60mm E=1000Mpa μ=0.35
沥 青 碎 石 h=70mm E=700Mpa μ=0.35
水泥稳定碎石 h=250mm E=1400Mpa μ=0.2
二灰土
h=270mm E=800Mpa μ=0.2
0.70
结 构a
0.65
结 构b
0.60
结 构c
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35
0.30
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
单 轮 负荷 增 加 量
基于剪切应力的判断：b>c>a
2020/7/22
应力分析
最大弯沉 值 (mm)
0.80
0.78
0.76
结 构Ⅰ
0.74
结 构Ⅱ
0.72
0.70
0.68
440000
400000
360000
320000
280000
240000
200000
160000
120000
0.20
80000
0.15 0.10
Y 轴 （m）
0.05
0.10
0.15
X
轴
0.20 （m）
0.25
0.30
0.00 -0.05 -0.10 -0.15
-0.20
接
地 压 力 值 （ M P a ）
1050kp横 a向 /轴 1（ m9m ）00kg
接
320000
280000
240000
200000
160000
120000
80000
0.10
0.15
X
0.20 轴 （ m ） 0.25
0.30
0.10 0.05 0.00 -0.05
-0.10
Y 轴 （m） 最 大 剪 应 力峰 值 （M P a）
01年以来，面层混合料普遍采用密实型，使用 改性沥青和SMA，“水损坏”减少，车辙严重
2020/7/22
重交路来自百度文库损坏特征
斑状泛油
2020/7/22
重交路面损坏特征
内部松散
2020/7/22
重交路面损坏特征
新型翻浆
2020/7/22
重交路面损坏特征
新型沉陷
2020/7/22
重交路面损坏特征
2020/7/22
荷载特性
最 大 剪 应 力峰 值 （P a） Y
轴
（m） 最 大 剪 应 力峰 值 （P a）
Y
轴
（m）
280000
240000
200000
160000
120000
80000
0.04
0.08
X
0.12
轴 （m）
0.16
0.20
0.10 0.05 0.00 -0.05
-0.10
320000
1050横k向p轴 a（mm/）6250kg
典型测试结果：11.00-20走向花纹轮胎接地压力分布实测 2020/7/22
各花纹条走 向压力分布
接地面中心点处 横断面压力分布
荷载特性
接 地 压 力值 （M P a）
2.0
接 地 压 力值 （M P a）
接 地 压 力值 （M P a）
1.8 1.6
1.6
1.4
（ M P a ）
地 压 力 值 （M P a ）
（ M P a ）
地压 力 值
地压 力 值
1.2
0.6
0.6
1.0
0.4
0.4
0.8
接地面中心点处
接
0.6
接
0.2
0.2
0.4
横断面压力分布
接
0.0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
横 向 轴 （mm）
810kpa/1900kg
LH15
SUP13
变异性与集料最大粒径的关系
2020/7/22
沥青混合料的质量
粘附性
空隙率 10
8 6 4 2 0
耐久性
均匀性
2020/7/22
强度
荷载特性
—车辆的大型化 —超载车辆激增 —轮胎花纹 —车速快 —交通量很大
2020/7/22
荷载特性
最 大 剪 应 力峰 值 （M P a） Y
轴 （m） 最 大 剪 应 力峰 值 （M P a）
图23 京津塘高速剪应 力等值线图
应该为纵向开裂
2020/7/22
二、损坏机理
2020/7/22
二、损坏机理
2020/7/22
传统的龟裂 新龟裂（剪切） Down-Top Top-Down
二、损坏机理
弯拉疲劳
剪切疲劳
2020/7/22
二、损坏机理
深度 cm
路面温度 ℃
20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 0
三、重交通路面设计
走 向 轴 （mm）
810k1.0pa/1900kg
0.8
0.0 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120
走 向 轴 （mm）
8101.k0 pa/2500kg
0.8
0.0 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150
走 向 轴 （mm）
811.8 0kpa/5000kg
坑洞
2020/7/22
重交路面损坏特征
车辙
2020/7/22
重交路面损坏特征
纵向平行裂缝
2020/7/22
重交路面损坏特征
2020/7/22
鸡爪形不规则裂缝
重交路面损坏特征
Top-Down损坏
2020/7/22
重交路面损坏特征
2020/7/22
重交路面损坏特征
沥青含量
沥青含量
沥青表面层
前
向上发展 损坏随累计ESAL增加缓
慢增加 伴随非荷载型损坏
2020/7/22
动水压力
实测的水压
P v2 3300
2020/7/22
Water Height,m
5
4
3
2
1
Speed
（km/h）
0
0
30
60
90
120
动水压力
沥青含量沿深 度分布
上层 中层 下层
2020/7/22
水
前后
首次发现的沥青迁移现象
❖ 对路面损坏机理的认识不够全面、不够确切 ❖ 路面使用性能与路面力学分析结果之间缺少明确、定量联系 ❖ 设计理论不能为路面结构组合设计提供明确的指导 ❖ 没有考虑环境因素对路面的影响 ❖ 材料设计与结构设计是独立进行的，双轨制 ❖ 不能控制高轮压下的局部损坏,无法进行实质性路面优化
2020/7/22
重交通沥青路面
设计施工新理念
主要内容
一、概述 二、路面损坏机理 三、重交通路面设计 四、施工技术要点 五、结束语
2020/7/22
一、概述
第一阶段：总体成功，主要问题是反射裂缝问 题（96年前）
第二阶段：高速公路逐渐成网，运输量增加， 压实不足以及重交通，主要问题是“水损坏” （97－01年）
0.27
0.26
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
半刚 性 基 层模 量 (MPa)
面层模量变化：剪应力增 17-36% 基层模量变化：剪应力增 18-31%
最大剪 应 力峰值 （MPa）
应力分析
力学分析小结
当荷载荷载的非均布效应时，路面结构内力学分布 十分复杂