长寿命路面介绍

46
荷载应力分析
板厚对荷载应力的影响
板厚 （m）
0.26
0.27 0.28 0.29
板块尺寸： 3m×4m
荷载应力 （MPa）
0.999
0.948 0.901 0.858
减小量 （MPa）
0.051
0.047 0.045 0.043
47
可见，随着PCC板厚度的增加， 荷载应力逐渐减小；
板厚hc＝28cm时临界荷位处产 生的荷载应力比hc＝26cm时小10％ 左右。
冲击压实处理路床（影响深度80cm）
62
许尉高速公路路基宽度为28m，为四 车道高速公路标准宽度，经课题研究实施 了“四改六”方案。由此分别将许尉高速 公路与其它结构四、六车道高速公路进行 经济对比分析。
63
四改六车道布置（单位m）
中央带 路缘带 超车道
行车道
紧急 停车带
0.75
7.5
0.5 3.0
11
路面结构
厚 度
53.5cm
改性沥青砼面层 4cm 水泥砼面层 28cm
二灰碎石基层18cm 石灰土或固化剂处理路床 20cm 冲击压实处理路床（影响深度80cm ）
应力吸收层2cm 防水联接层1.5cm
12
路基设计
冲击压实技术处理路基 采用冲压处理路基，对路基重复冲碾 13遍，提前完成约4cm的路基沉降，形成稳 定、均匀连续的高速公路上路床。
4m板长设计，可有效避免接缝病害的发 生，提高接缝的传荷能力。
54
小结
“四改六”车道划分基本使车辆骑 缝而行，减小了约47％的板底荷载应力；
55
3m×4m的 板块划分，与常规板 块尺寸相比较，板块温度翘曲应力减 小20％左右，温度疲劳应力减小30％ 左右
56
28cm超厚水泥混凝土板，约减小了 10％的板底弯拉应力 ；
28
一般情况
? 高速公路行车道宽度 3.5m～3.75m ? 水泥混凝土路面板板宽大于 3m ? 平面尺寸多为 4.5m×6m，4m×5m
29
常规车道划分
400
400
375
75
375
375
50
300
（单位：cm ，粗线表示纵缝位置）
30
这种划分方式常导致车辆行驶在一 块混凝土板上，或一侧车轮沿缝行驶， 致使混凝土板底经常处于高应力水平的 荷载作用下，使混凝土板因局部应力过 大而破坏，实际使用寿命降低。
39
面板最大干燥收缩应力（28d）随基层类型和板长的变化
① ②
）
③
④
①
（
⑤
力
应
缩
收
② ③ ④
⑤
面层板长度（ ） 40
板越长，最大干燥收缩应力越大。 基层对面层板的约束作用越大，板长 对最大收缩应力的影响越明显 。
41
许尉高速公路在基层上设置了1.5cm的 防水联接层，能大幅度减小基层对混凝土板 的约束，很大程度上降低了混凝土板的干燥 收缩应力。
13
固化剂处理路床 用冲击压实技术对路基进行冲压后，路基 表面容易形成薄层覆土，而成软弱层。 路基顶面20cm土层，采用土壤固化剂稳 定路基土。
14
基层设计
基层掺加硫酸钠 在二灰稳定碎石基层中掺加硫酸钠早 强剂，提高二灰碎石的早期强度 ，减少裂缝， 降低施工难度，保证基层质量。
15
基层顶部设置防水联结层 水泥混凝土板底部设置1.5cm防水连接层。 该防水连接层具有良好的隔水作用, 可起到 保护基层的作用，有效地防止了水泥混凝土 路面常见的各种病害。
16
许尉高速公路面层设计
水泥混凝土面层设计
? 采用高抗折水泥混凝土 ? 设计弯拉强度达 5.5MPa ? 板底应力水平降低 3％～4％左右 ? 路面设计寿命 提高30年左右源自17采用大厚度水泥混凝土面板
? 采用28cm厚水泥混凝土面板 ? 板底荷载应力降低 10％左右 ? 比26cm混凝土板极限寿命 提高40年左
35cm
二灰碎石
25cm
二灰土
土
基
60
PCC 路面
路 面 总 厚 度 83cm
28cm
水泥混凝土面板
35cm 20cm
二灰碎石 二 灰土
土
基
61
许尉A·P·A长寿命路面
厚 度
53.5cm
改性沥青砼面层 4cm
水泥砼面层 28cm
应力吸收层2cm 防水联接层1.5cm
二灰碎石基 层18cm 灰土或固化剂处理路床 20cm
606.5
PCC
路面结构
A?P?A
66
养护维修费用现值
700
） 600
元
万 500
（ 400
用
费 300
修 养
200
100
0
670
325 190
5%
仅是AC的27.5％ 是PCC的57.0％
390
186 106
249
118 64
10%
15%
贴现率
AC PCC A?P?A
67
用户费用现值
20000
48
28cm超厚的水泥混凝土板厚设计， 有效减小了荷载应力，从而从根本上减小 了车辆荷载对路面面层的破坏。
49
AC层厚度对板底弯拉应力的影响
AC层厚 度 （m）
0 0.02 0.04 0.06 0.08
板底最大弯拉应力 （MPa）
0.901 0.874 0.846 0.819 0.791
减小量（％）
1.499
2.428
3.287
? 4m板长的温度翘曲应力比 5m板长小38％左右 ? 4m板长的温度翘曲应力比 6m板长小 54％左右
44
板厚为28cm时板块温度应力对比表
板块尺寸
AC层厚度 （m）
温度应力（MPa） 4.5m×6m
4m×5m
减小量
3m×4m （％）
减小量 （％）
ha＝0 ha＝0.06
以上各方面均可有效延长路面的使 用寿命
57
§3 长寿命路面技术经济分析
58
依据许尉高速公路工程可行性研究报告中 的交通量、交通组成及轴重等，对AC、PCC、 许尉长寿命A?P?A路面采用如下结构进行对比 分析：
59
路 面 总 厚 度
84cm
AC 路面
6cm 8cm
10cm
细粒式沥青混凝土
中粒式沥青混凝土 粗粒式沥青混泥土
以上所采用的板块划分方式确保荷载作 用在混凝土板中部，由此使荷载应力降低了 47％。
37
荷载作用在板中时即车辆骑缝而行的情 况，板底拉应力最小。
采用3m×4m小板块，结合行车道划分， 能基本确保各个行车道上的车辆骑缝而行。
38
板块尺寸对收缩应力的影响
影响混凝土面板收缩应力的主要因素：
? 基层与面层界面上的剪应力 ? 混凝土板长度
42
不同板块的温度翘曲应力
板块
4m×5m
3m×4m
降低百分比
板中σx(Mpa) 板中σy(Mpa)
2.714
1.644
39
1.906
0.96
50
板长边缘中点σx(Mpa)
2.428
1.499
38
板短边缘中点σy(Mpa)
1.499
0.714
52
43
不同板长的温度翘曲应力
板长（m）
4
5
6
σx（MPa）
地区 西维吉尼亚
肯萨斯 俄亥俄 华盛顿 加里福尼亚 克罗地亚 科罗拉多 伊利诺斯
使用期 40 30 35 40 50 35 30 40
4
日本长期使用路面研究概述
在日本，长期使用路面简称LSP，其设 计目标是拥有2倍于现行路面的使用性能， 因功能破坏而维修的周期15年以上，结构性 寿命40～60年。
31
3m×4m板的车道划分
300
300
300
300
127 3500
335500
337655
337655
（单位：cm ，粗线表示纵缝位置）
7700
32
以上车道划分方法，较常规车道划 分而言，车轮作用在纵缝边缘的机率大 幅降低，使混凝土板块最不利荷载位置 处的车轮作用大大降低。
33
小板块车道划分型式，降低了 板底高应力出现的概率，在很大程 度上避免了混凝土板的早期破坏。
3 3 3 3
板 块 尺 寸 为 3m × 4m ， 板 厚
0.28m
50
AC层厚度对层间剪应力的影响
层间剪应力随着AC层厚度的增加而 逐渐减小。
但AC面层厚达6cm后，继续增大层 厚对降低层间剪应力的效果变得不明显 。
51
AC层和PCC板厚度对重载的影响 28cmPCC板厚和6cmAC层厚度设计，
25
§2 板块划分与车道布置
26
车道划分
许尉高速路路基宽28米，采用封闭 中央分隔带、通讯管道外移、设增强式 防撞护拦、放缓通道处矮路堤坡率、设 停车港湾等措施，实现 “四车道改六车 道”方案。
27
? 增加了道路通行能力 ? 延长了结构使用寿命 ? 减少了养护费用 ? 为实现小板块划分 提供了条件
翘曲应力 疲劳应力 翘曲应力 疲劳应力
2.014
1.926
1.652
18
14
0.980
0.911
0.703
28
23
1.209
1.155
0.992
18
14
0.388
0.365
0.255
34
30
45
以上计算分析可知，所采用的 3x4m板块划分，可使水泥混凝土路面比常规 板块水泥混凝土路面的温度应力明显减小。
5
国内复合式路面研究概述
我国复合式路面工程实例：
? 开封至郑州高速公路 ? 厦门环岛高速公路 RCC+AC复合式路面 ? 合肥至全椒高速公路 ? 天津市AC+RCC复合式路面
6
长寿命路面设计
综合相关国家的研究 ，长寿命路 面是指路面设计寿命超过40年的路面 结构 。
7
长寿命路面主要特点
? 在设计寿命期间，不发生结构性破坏 ? 路面的损坏只发生在表面功能层 ? 只进行日常养护，不需进行结构性大修 ? 初期费用可能偏高，但维修费用低 ? 在寿命周期内最经济
8
长寿命路面寿命示意图
设
计
初 期
寿
主要承重层
命
服
务
水
平
使用期末 服务水平
表面功能层
表面功能层维修
路面结构损坏
设计寿命
9
长寿命路面设计标准
? 表面功能层寿命 8年以上 ? 主要承重层寿命 40年以上 ? 各层强度控制指标由相应规范验算
10
长寿命路面结构模型
路面结构：柔+刚+柔 沥青混凝土＋水泥混凝土面层＋沥青 联结层，简称A·P·A
长寿命路面典型结构及 成套技术
1
§1 高速公路长寿命路面 结构研究
2
长寿命路面在美国被称作长效性或永久 性路面。美国沥青路面协会（APA）关于永 久性路面的定义为：路面使用年限至少为35 年，并且在使用年限内确保路面不发生结构 性破坏，只需进行周期性养护，平均罩面时 间不小于12年。
3
美国各州关于永久性路面的使用年限
一次性破坏最小荷载为849.4KN，大大减 小了重载对高速公路面层的破坏，对延长 路面使用寿命起到关键作用。
52
横向缩缝间距对板缝 宽度的影响
缩缝缝隙宽度及其日变化量的增大， 易使填缝料失效，路表水渗入而浸湿基层， 坚硬材料贯入而引起接缝碎裂或拱起。
53
缩缝间距越小，缩缝缝隙宽度及其日变 化量越小，传荷能力就越大，板的受力状况 越好。
34
荷载作用位置
(1)板中 （2）板横缝边缘 （3）板角 （4）板纵缝边缘
35
不同荷载位置的板底应力
荷载作用位置 板中 板角
板横缝边缘中部 板纵缝边缘中部
板底拉应力（MPa） 0.481 0.655 0.741 0.901
36
可以看出荷载作用在板纵缝边缘中部时， 板底拉应力最大，比荷载作用在板中时的应 力约大47％。故以纵缝边缘中部为混凝土板 的临界荷位。
右
18
混凝土路面板尺寸：3m×4m
? 减少20%的板底温度翘曲应力 ? 减少10％左右的板底疲劳应力 ? 大大延长水泥混凝土面板的使用寿命
19
面层板全部缩缝设传力杆 ? 行车荷载在板块之间平稳过渡 ? 防止重载车辆对路面的损坏 ? 保证行驶舒适性。
20
沥青混凝土面层
? 设置高品质应力吸收层 ? 应力吸收层具有优良的粘结力，保证了
黑白路面之间的粘结 ? 具有优良的高温抗剪切变形能力和低温
延展性及柔韧性 ? 防水，防反射裂缝
21
采用改性沥青混凝土面层 采用改性沥青稳定密级配混凝土， 可大大缓和行车荷载对水泥混凝土板的 冲击振动，有利于扩散荷载，便于养护 维修，对增强路面耐久性起到关键作用。
22
防水设计
以防为主，层层设防，防排结合
18000
16000
）
元 14000
万 （
12000
值 10000
现 用
8000
费 6000
户 用
4000
2000
0
18302 16888 17046
5%
890898159033
10% 贴现率
565263435691 15%
AC PCC A?P?A
根据地形，采用分散与集中排水方式。
23
小结
许尉高速公路长寿命路面对整个路基
路面系统 （路基、基层、面层）采用了
延长使用寿命措施。
24
满足以下设计要求：
? 40年以上的使用寿命； ? 不会出现混凝土板疲劳开裂或来自于
路面结构深层的变形
? 使用期内路面只是表层功能恢复，不
出现结构性破坏
? 显著的经济性能
中央带
小车
0.75
行车道
大货 路缘带
10.8
0.7
停 车 岛
双向四车道布置图
双向六车道布置图
64
四车道AC和PCC路面费用对比分析
（分析期 30年）
65
三种路面结构费用
700
650
） 元
600 550
万 500
（ 450
资 400
投 期 初
350 300 250
200
150
646.2 AC
40
493.1 113