永久路面设计方法——全国高速公路典型路面结构技术现场会专家演讲资料.doc

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1、全国高速公路典型结构研讨会 永久路面设计方法的研究 设计方法的 究 汇报人：王林 研究员 Shandong, China 2009.11 报告内容 CONTENT 1 背景 2 研究过程 3 材料与设计参数 4 路面力学响应 5 弹性层状态系设计方法的验证 6 永久路面设计方法 1 研究背景 1.1 我国高速公路发展现状 z 截至2008年底，我国高速公路通车里程超过6万公里，居世 界第二位；根据国家规划，至2020年还有2.5万公里高速公 路待建。 z 早期修建的高速公路相继进入大修改建期，其规模将超过新 建规模。 1 研究背景 存在的主要问题 z 路面结构长期使用性能不足，早期损坏维修频繁

2、。 纵、横向裂缝 网裂 唧浆 车辙 1 研究背景 产生问题的原因 z 交通量增长迅速 z 重载、超载严重 1 研究背景 轴载比较 40 35 N 30 k , 轮载 15 25 20 10 5 0 16 14 指数12 10 8 6 4 2 0 损坏 标准轴载 超载 标准轴载 超载 1 研究背景 z 极端气候条件频现 高温 冰冻 降雨集中 气温比较 滨州 阿拉巴马 中国滨州市 35度以上高温小时 数多近80小时 ） 时 数（小 时 小 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -17.8 年温度小时分布图 美国阿拉巴马州（奥本） -9.4 -1.1 7.2 1

3、5.6 23.9 32.2 40.6 温度() 1 研究背景 路面表面严重的坑槽破坏现象 空隙率较大的沥青混合料 合料 雨后在行车荷载的动水压力作用下，沥青剥离造成路面出 现松散和坑漕 车辙易发生路段 传统的密级配混合料沥青混合料 致密光滑，粗集料呈悬浮状态，在行车荷载作用下路面产 生塑性变形，粗骨料重新排列，容易产生泛油和车辙现象 1 研究背景 沥青混合料的强度破坏 剪切平面 行驶以前 行驶作用后 结构损坏类型 传统重修半刚性基层改造方式无法彻底消除 路面内部唧泥的机构损坏发生 1 研究背景 目前主要路面结构状况 路面维修需要快捷、耐久的路面材料与适宜的路面结构 1 研究背景 z 现行沥青路

4、面设计方法存在的主要问题 路面 结构 荷载和 环境 力学 响应 使用 性能 z设计指标与破坏状态不符 z设计寿命短需周期性重建 z结构形式单一 z设计荷载与实际荷载不符 z环境条件与结构设计脱节 z材料设计与结构设计参数无关联 z材料设计参数与结构使用性能脱节 z实际受力状态难以检测 z理论计算与实际受力状态不符 1 研究背景 永久性路面理念 z 永久性沥青路面 设计寿命40年以上 损坏仅发生在面层顶部 使用期无结构维修 维修：表面功能恢复（8-10年） 路面结构可长期使用 z 传统沥青路面 设计寿命15年 结构内部损坏 结构性维修 周期性重建 路面结构不能长期使用 磨耗层 抗车辙层 抗疲劳层

5、 土基 沥青层 半刚性基层 底基层 土基 1 研究背景 极限应变 应 变 Loge 极限应变 永久性沥青路面结构 LogN 无累积损伤 1 研究背景 损伤 极限应变 应 变 Loge 传统沥青路面结构 青路面结构 LogN 2 研究过程 AND CONTENTS 研究过程：五个阶段 响应传感 器的选型、 布设方案 传感器设 备的安装 长期性能 观测 初拟几种典 型永久路面 结构组合 材料设计 与评价 试验段实 施 检测及数 据采集、 分析 永久路面设 计、施工、检 测成套技术 交通、环境 传感器的选 型 施工及质 量控制技 术 数据分析 及验证 2 研究过程 AND CONTENTS 永久路面

6、试验路位置 2 研究过程 AND CONTENTS 永久性路面试验生产路（卫星地图） 2 研究过程 AND CONTENTS 试验路结构组合，总长五公里，研究经费两千六百万元 全厚式永久沥青路面结构 组合 式永 久性 沥青 路面 结构 传统 半刚 性沥 青路 面结 构 2 研究过程 AND CONTENTS 交通、气候、材料设计参数的确定 z 动态称重系统数据采集与分析 动态称重系统 基于路面结构损伤 的交通组成分类 轴载谱分析 10 9 8 百 7 分 6 率 5 ， 4 % 3 2 1 0 120 100 累 80 60 40 20 0 计 百 分 率 ， % 5 5 2 8 9 0 1

7、6 13 3 6 1 1 9 1 8 1 2 5 4 2 轴载，吨 2 7 2 0 0 3 7 2 3 4 35 1 8 3 9 0 4 6 43 3 6 4 0 9 4 8 1 5 5 4 5 2 研究过程 AND CONTENTS 交通、气候、材料设计参数的确定 z 气象管理系统（CMS） 气象数据采集 基于路面温度场 的气象数据库 主要气象指标分布 频 率 ， 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 7 5 3 1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 温度， 年小时温度分布图 2 研究过程 AND C

8、ONTENTS 交通、气候、材料设计参数的确定 z路面材料动、静态参数的试验比较及检测分析; z建立大粒径沥青混合料动态模量预估模型。 z材料参数试验：取得上万组试验数据，所用材料达30余吨。 2 研究过程 AND CONTENTS 路面力学响应实时检测 z 采用沥青路面响应专用测试设备 沥青层应变计 高频动态采集系统 路面温度场传感器 车轮位置及速度传感器 土压力计 2 研究过程 AND CONTENTS 路面响应实时检测技术 -传感器布置 路面温度场传感器 2 研究过程 AND CONTENTS 沥青路面完整的力学测试系统 动态称 重系统 应变计 压力计 温度场 传感器 轴位置及 速度传感

9、器 数据处理 分析系统 应 力 应 变 时间 2 研究过程 AND CONTENTS 传感器安装 2 研究过程 AND CONTENTS 路面响应实时检测 z 路面响应定期实时检测 重载车检测 FWD检测 车轮经过传感器 FWD检测 2 研究过程 AND CONTENTS 数据采集 z 采集时间与内容：已连续采集四年，交通、气候、温度场及动 态力学响应实时采集 检测时间 2005年11月 2005年12月 2006年2月 2006年3月 2006年4月 2006年5月 2006年6月 2006年10月 2006年12月 内容 FWD、车载、气候 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、

10、轴载谱 FWD、车载、GPR、摩擦系数、平整度、 构造深度、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 检测时间 2007年1月 2007年2月 2007年3月 2007年4月 2007年5月 2007年6月 2007年7月 2007年8月 2007年11月 内容 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱

11、FWD、车载、GPR、摩擦系数、平整度、 构造深度、气候、轴载谱 FWD、车载、GPR、摩擦系数、平整度、 构造深度、气候、轴载谱 2008年4月 2009年4月 FWD、车载、气候、轴载谱 FWD、车载、气候、轴载谱 2008年8月 2009年8月 2 研究过程 AND CONTENTS 通过数据采集与材料参数试验建立了以下7个数据 库，数据量达10万组以上。4、路面温度场数据库 1、车载试验响应数据库 2、FWD响应数据 3、FWD反算模量数据 5、车载试验车辆轴载数据库 6、轴载谱数据库 7、气候环境数据库 3 材料性能与设计参数 z 路基土的物性指标 颗粒百分比% 最大 最优 依规 干

12、 密度 含水 率 范 分类 比 重 液 限 塑 塑性 液性 限 指数 指数 0.25 0.075 25 0.075 0.005 0.005 Gs wL wP Ip IL mm % % % % rdma x g/cm3 wopt % 4.6 84.4 11.0 2.69 26.3 19.1 7.2 -2.56 1.78 14.2 粉土 3 材料性能与设计参数 K4+100 K4+700 K0+300 K 2+900 1# 2# 1# 2# 1# 2# 1# 2# 强度仪法静态回弹模量 模量(MPa) 63.8 58.4 38.8 40.1 31.9 42 35.6 60.4 模量平均值 (MPa

13、) 61.1 39.5 37 48 3 材料性能与设计参数 CBR Test 桩号 K4+100 K4+700 K0+300 K2+900 均值 (%) 8.92 92 3.645 6.22 4.71 标准差 0 .403 1.163 2.925 1.221 变异系数 (%) 4.5 31.9 47.1 25.9 3 材料性能与设计参数 z 路基土的回弹模量 三轴实验 围压41.4KPa 围压27.6KPa 围压13.8KPa a P ，M 模量 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 20 40 偏应力，KPa 60 80 AASHTOT307 3 材料性能与设

14、计参数 3 材料性能与设计参数 z 石灰处置土（8%lime） 无侧限抗压强度平均值1.62MPa 静态抗压模量310MPa 3 材料性能与设计参数 z 石灰处置土（8%lime）-AASHTO T307 围压41.4Kpa 围压27.6Kpa 围压13.8KPa 400 a P 量，M 模 回弹 350 300 250 200 150 0 20 40 偏应力，KPa 60 80 3 材料性能与设计参数 Loading 40me 80me 100me MPa 模量， 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 0.1 20me 1 10 100 频率，Hz 3 材料性

15、能与设计参数 Laboratory Mechanistic Properties z 二灰土 消石灰：粉煤灰：土 最大干密度（g/cm3） 最佳含水量（%） 10:20:70 1.55 19.8 无侧限抗压强度平均值4.65MPa 静态回弹模量800MPa 3 材料性能与设计参数 z 二灰土-AASHTO T307 800 700 600 MPa 500 400 弹 300 200 100 0 回 模量, 0 加载系列 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 偏应力 sd,KPa 93.1 18.6 37.3 55.9 31 62 93.1 62 124.1

16、 186.1 62 93.1 186.1 100 93.1 124.1 248.2 围压q3,KPa 103.4 20.7 20.7 20.7 34.5 34.5 34.5 68.9 68.9 68.9 103.4 103.4 103.4 137.9 200 137.9 回弹模量平均值 Mr,MPa 435 254 294 347 257 344 433 344 506 614 334 404 617 300 408 486 727 20.7KPa 34.5Kpa 68.9KPa 103.4KPa 137.9KPa 偏应力,KPa 137.9 3 材料性能与设计参数 z 二灰土 6600 加载

17、频 6400 25 Hz 6200 10 Hz 5800 0.5 Hz 0.2 Hz 5200 0.1 Hz 0.01 Hz MPa 率,Hz 20 Hz 6000 模量， 态 动 5 Hz 2 Hz 5600 1 Hz 5400 0.01 80me 5705 5622 100m 5565 e 5410 40me 6003 60me 5910 5856 5785 轴向应变 20me 40me 60me 6417 6403 6335 6258 6178 6121 5985 5958 5965 5895 0.1 6451 6445 6354 6279 6233 6166 6117 6059 599

18、0 5859 1 6381 6366 6302 6234 6139 6071 6003 5922 5863 5738 10 80me 6399 6370 6292 6226 6130 6055 5978 5892 5836 5690 100 100me 20me 6137 6107 加载频率，Hz 3 材料性能与设计参数 z 二灰碎石 石灰：粉煤灰：集料 最大干密度（g/cm3） 最佳含水量（%） 10:20:70 2.12 12 9.5 无侧限抗压强度平均值8.15MPa 静态回弹模量1600MPa 3 材料性能与设计参数 z 二灰碎石 AASHTO T307 2000 1800 1600

19、1400 1000 800 600 400 200 0 0 200 偏应力，KPa MPa ， 1200 弹模量 回 400 20KPa 40KPa 70KPa 105KPa 140KPa 600 3 材料性能与设计参数 加载频 轴向应变 率，Hz 20me 40me 60me 25 Hz 20 Hz 10 Hz 5 Hz 2 Hz 1 Hz Hz 0.5 Hz 0.2 Hz 0.1 Hz 0.01 Hz 21062 21118 21051 21262 21193 21110 21041 22500 21106 20906 22000 20998 a 21500 20742 21000 量，M

20、P 20500 20000 动态 19500 20830 20696 20898 20848 20729 20660 模 20782 20769 20669 19000 18500 0.01 22076 21810 21663 21555 21446 21318 21203 21034 20898 20642 100me 20349 20277 20228 20139 20023 19885 19745 19554 19375 19079 20me 40me 60me 100me 0.1 1 加载频率，Hz 10 100 3 材料性能与设计参数 z 沥青混合料（AASHTO TP62，NCHR

21、P 1-37A） 1.0E+05 SMA 1.0E+04 AC-20 MPa AC-25 E*, 1.0E+03 LSPM FL-13 1.0E+02 1.0E-05 0E 05 1.0E-03 0E 03 1.0E-01 0E 01 1.0E+01 0E+01 1.0E+03 0E+03 1.0E+05 0E+05 缩减频率, Hz HMA Master Curves 3 材料性能与设计参数 z Witczak 方程预估模量 一致性分析 SMA-13,AC-20,AC-25,FL13 F F0.05 3 材料性能与设计参数 z LSPM 预估模型 正交试验设计 所在列 Factors 实验1

22、 实验2 实验3 实验4 实验5 实验6 实验7 实验8 实验9 1 Asphalt types SBS SBS SBS MAC MAC MAC 70 70 70 2 Asphalt content 2.7 3.2 3.7 2.7 3.2 3.7 2.7 3.2 3.7 3 Gradation types 级配1 级配2 级配3 级配2 级配3 级配1 级配3 级配1 级配2 4 SGC Gyrations 40 70 100 100 40 70 70 100 40 * lg E = 20.865-0.028T + 0.018f + 0.214d -0.257Pa+ 0.002SP - 0.3

23、52a -0.072VV + 0.053VMA 3 材料性能与设计参数 z HMA Flow Number Test 混合料类型 流动数Fn (次) 流动数应变 (mm/mm) 总应变 (mm/mm) 最大 最小 平均值 标准差 最大 最小 平均值 标准差 最大 最小 平均值 标准差 SMA13 9609 2527 5533.3 2437.7 25396 9035 15931.0 5945.7 33063 11149 20152.7 8502.8 AC20 8836 4141 6770.2 1954.4 22733 11441 17708.6 4363.5 24383 14688 19741.

24、3 3718.2 AC25 8855 782 5283.7 3777.9 49674 22156 32438.3 10555.9 50024 28583 44134.0 9352.0 LSPM30 9624 2050 5862.7 3787.3 44542 7948 23045.0 19118.1 46116 13085 26597.0 17315.4 FL13 3571 559 1251.5 1151.5 39709 13211 22292.8 9512.2 50000 3 材料性能与设计参数 z 小应变疲劳试验 10000 9000 8000 10000 7000 8000 6000 50

25、006000 4000 4000 3000 2000 2000 1000 0 0 0 5000000 6000 a 5000 4000 3000量，MP 度模量， 模 劲度 劲 ，MPa MPa 量 劲度模 2000 1000 0 0 AC25 FL13 LSPM 300me 200me 100me 70me 1000000 100000002000000 加载次数，次 加载次数，次 200000 400000 15000000 3000000 0 20000000 600000 4000000 800000 FL-13低应变疲劳试验（100me） 加载次数，次 LSPM低应变疲劳试验（100

26、me） 3 材料性能与设计参数 小应变疲劳试验验证了不同混合料类型的小应变疲 劳破坏控制标准（极限应变） zCommon Asphalt Mixes普通沥青密级配混合料： 70e z Modified Asphalt mixes改性沥青密级配混合料： 100e z LSPM大粒径碎石改性沥青混合料：70e 3 材料性能与设计参数 2008测定的含水量情况 July， November， % 12.9 % 14.5 Section April，% 4 13.1 Optimum moisture Content，% 14.2 结论：路基湿度全 年没有太大的变化， 五个结构的含水量 都在施工含水量波

27、 动范围之内。 Subgrade Moisture Content of Five Sections 3 材料性能与设计参数 FWD 反算 3 材料性能与设计参数 Location Subgrade Subbase and base （semi-rigid materials） id HMA Layers 传感器号 传感器号 与荷载中心距离 FWD 参数设置 Plate diameter，cm 45 45 Drop weight，KPa 140 210，280，350 30 D0 D203 0 203 0 424，566，707 D1219 D914 1219 D1524 D1219 1524

28、 D1829 D1524 1829 D0 （路基及半刚性基层） 与荷载中心距 mm 与荷载中心距离 离，mm （沥青层） mm 0 D305 D305 305 D457 D610 D457 457 610 D914 D610 914 D1829 203 305 305457 457 610 610 914 9 14 1219 12 191524 15 24 1829 FWD Sensors Offsets 3 材料性能与设计参数 z 土层表面 500 400 120 160.0 300 左幅 左幅 左幅 左幅 模量，Mpa 量，Mpa100 Mpa 40 80.0 020 60.0 150 1

29、00 40.0 0 0 20.0 500 0.0 0 0 ， 模 100 350.0 80 200300120.0 60 100.0 250 200 模量 500 1000 1500 与荷载中心距离（mm）1500 500 1000 与荷载中心距离（mm） 500 1000 与荷载中心距离（mm） 与荷载中心距离（mm） 500 1000 1500 1500 2000 2000 20002000 模量， k3+980 k4+130 k3+840 K2+380 k4+220 k3+800 K0+700 K1+780 k4+360 k3+710 K0+820 k4+480 K0+900 k4+55

30、0 k4+610 MPa k2+810 k2+700 k4+060 K2+530 0 3 材料性能与设计参数 z 处置土层 500 450 400 400 350 350 600 700 300 p 250 250 MPa a a P 350 300 250土基 200 M 200 Mpa200 ， 量， 基模量， 模量，M 量 模 土 50 土 基 土基模 100 0 50 1000 400 500 150 300 400 100 150 200 300 100 200 0 0 K2+315 K2+380 K2+530 K2+700 K2+810 K2+900 K3+050 K3+090 K

31、4+060K8+320 K8+460 K8+540 K8+680 K8+7800 K3+2 K3+3 K3+5 K3+6 K3+7 K3+8 K3+8 K3+9 K4+130桩号K4+220 桩号 桩号 桩号 K0+440 K0+500 K0+700 K0+820 K0+900 K1+020K4+360 K1+240 K1+330 k0+060 k0+140 K0+260 300 500 600 疲劳层顶 疲劳层顶 LSPM层顶 LSPM层顶 AC-25顶 LSPM层顶 AC-20层顶 CTB层顶 SMA顶 AC-25层顶 AC-25层顶 SMA层顶 AC-25层顶 AC-20层顶 AC-20

32、层顶 AC-20层顶 SMA层顶 SMA层顶 SMA层顶 疲劳层顶 CTB LSPM顶 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 0 4 0 8 10 3 材料性能与设计参数 z底基层 600 500 400 ， 量 模 300 200 100 0 11 05.5. 200 结构1 结构2 结构3 结构4 结构5 12 02 03 04 05 12 01 02 04 06 08 11 7. 7. 07. 20000 20 200 07.7. 07. 20000 6. 6. 06. 20 200 20 2 06.6. 20 2 20 20 日期 3 材料性能与设计参数 z沥青层 HMA a P M

33、 模量, 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 05.1 05.12 06.0 06.03 06. 20 1 20 20 2 20 20 结构1 结构2 结构3 结构4 结构5 04 200 6.05 06. 20 12 200 4 7.01 07.02 0 20 20 日期 07.06 006 20 20 8 07.11.11 20 3 材料性能与设计参数 z温度对沥青层反算结果的影响 100000 100000 结构 结构1 结构2 10000 结构3 10000 结构4 结构5 所有结构 1000 1000 -10 -10 E= 32095

34、e 0 10 0 -0.0722T 指数 (结构3) 指数 (结构4) 0.92 92 指数 (结构5) 40 50 反 92 0.93 模量，M 算模量， 算 反 E= 33050e-0.0714T E= 27018e-0.0670T -0.0772T E= 34025e E= 36619e-0.0725T R = 0.917592 Ke-0.0670(20-T) -0.0772(20-T) K= e K= e-0.0725(20-T) Ke-0.0722(20-T) 30 20 40 30 0.92 结构4 0.93 结构5 指数 (结构1) 0.92 指数 (结构2) Pa a M P 模量温度回归关系式 温度修正系数 E= 31460e-0.0754T 相关系数R 2 K= e -0.0754(20-T)y = 32 0 95e 0.93 2 K= e-0.0714(20-T) 结构1 -0.0722x 结构2 结构3 20 10 温度， 50 温度， 3 材料性能与设计参数 z沥青层反算结果与主曲线 100000 100000 10000 10000 MPa ， a P 模量 M , E* 1000