王旭东重载交通长寿命半刚性基层路面设计与施工

重载交通长寿命半刚性重载交通长寿命半刚性基层基层路面设计与施工路面设计与施工交通运输部公路科学研究所交通运输部道路结构与材料行业重点实验室（北京）王旭东研究员提纲背景设计思想与推荐结构设计与施工要点结语提纲背景设计思想与推荐结构设计与施工要点结语三十年半刚性基层沥青路面修筑经验三十年半刚性基层沥青路面修筑经验广泛的适应性使用机理的深刻认知人员、技术储备丰厚新一代公路建设发展的需求新一代公路建设发展的需求繁重的交通荷载全寿命周期的最优化耐久、环保可持续发展促进公路设计技术跨越式提升促进公路设计技术跨越式提升设计目标更加清晰设计方法更加科学工艺的革新和精细化长寿命路面的技术要求长寿命路面的技术要求•结构安全寿命•沥青面层使用功能寿命路面结构至少40年（或至少承受1亿次荷载）不需要翻修。沥青表面层维修周期不少于10~12年。提纲背景设计思想与推荐结构设计与施工要点结语长寿命沥青路面大荷载长周期2.5×107→1×10815~18年→40~50年路面寿命的证明疲劳特性是核心特殊的疲劳条件长期的材料的结构服役行为弯沉指标Deflection结构安全寿命StructuresafetylifeAC使用功能寿命ACPerformancelife应力指标Stress应变指标Strain抗滑Skidresistance抗车辙Ruttingresistance抗非荷载裂缝Crackingresistance抗水损坏Waterresistance……疲劳寿命的划分长寿命路面的寿命体系传统路面的寿命体系结构安全寿命线弹性模型下弯沉指标应变指标应力指标非线弹性模型下等效性差异性关键在于路面材料的非线性本构关系即：材料在结构中的名义刚度问题，或：材料的结构依赖性问题。抗滑性能抗水损坏抗非荷载裂缝抗车辙有指标，无寿命验证无指标寿命方程有待验证寿命方程有待验证00353.00485.00227.10703.205.0RdhVVNNPPTTRisAC使用功能寿命面层基层底基层土基hf基层fE2面层fE1土基底基层fE3fE0TE1TE2TE3TE0相同材料，在不同层位时，模量不同相同材料、相同层位，不同荷载、环境，模量不同材料的非线性。怎么办？现有设计体系的外延现有体系的完善和新体系的构建非均质材料的结构行为特征非线性路面力学体系的构建结构体力与荷载的叠加作用环境及其与荷载的耦合作用现有经验的总结与完善现有理论体系的拓展工艺革新和质量控制非均质非线性环境与荷载的耦合长寿命沥青路面理论体系的研究还将持续长寿命沥青路面的实践已变为现实路面工程是一门基于实践的科学技术目的：揭示路面结构和材料长期的使用性能建立合理可靠的路面设计理论和指标路面结构设计•材料设计•厚度设计•路基路面综合设计长寿命半刚性基层沥青路面的设计理论长寿命半刚性基层沥青路面的设计理论——强基，薄面，稳土基长寿命半刚性路面长寿命半刚性路面典型典型路结构图路结构图————第二代半刚性路面结构第二代半刚性路面结构SBS改性沥青防水粘结层沥青粘结层水泥或者1.5kg/m2水泥浆层间嵌挤力强2kg/m2沥青隔断层提纲背景设计思想与推荐结构设计与施工要点结语高强度的四层半刚性基层高强度的四层半刚性基层————强基强基特点一Point112cm12cm高性能沥青面层高性能沥青面层————薄面薄面特点二Point2防水隔断层的设置防水隔断层的设置————稳土基稳土基特点三Point3施工工艺的重大革新施工工艺的重大革新————设计施工的一体化设计施工的一体化特点四Point4•京津塘高速公路的启示•基层的强度与裂缝•水泥稳定级配碎石的优化设计•实际工程的表现高强度的四层半刚性基层高强度的四层半刚性基层————强基强基特点一我国迄今最好的高速公路之一。原设计4层半刚性材料结构层，只铺设了三层，9年之后，路面出现了结构性的疲劳开裂。1）京津塘高速公路的启示1）京津塘高速公路的启示•强度的提高并不是引起开裂的根本原因！•提高基层强度是保证路面结构耐久性的必要条件!•裂缝产生的主要原因在于原材料、施工的均匀性差2）基层的强度与裂缝2）基层的强度与裂缝筛孔mm26.51913.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限%10084.770.659.942.328.921.115.010.67.55.0下限%10082.066.154.436.025.818.613.49.77.05.0水泥结碎石水泥结碎石CBGCBG--2525的矿料级配表的矿料级配表•综合间断级配和连续级配的设计,严格混合料的级配区间•保证混合料具有良好的强度、密实性、抗收缩性以及较高的碎石含量。3）水泥稳定级配碎石的优化设计3）水泥稳定级配碎石的优化设计•西三、长农长期观测结果•完善的层间结合与防水层设计•低标号沥青的高模量沥青混凝土使用•粗集料断级配沥青混凝土的研发与应用12cm12cm高性能沥青面层高性能沥青面层————薄面薄面特点二1）西三、长农长期观测结果1）西三、长农长期观测结果从路面裂缝的长期发展看，12cm沥青面层最少。冬季最低气温达-36.5℃，平均气温为-17.2℃Lowesttemperature-36.5℃,averagetemperature-17.2℃冬季最低气温达-20.6℃，平均气温为0℃Lowesttemperature-20.6℃,averagetemperature0℃•对于薄沥青面层，在重载交通环境下，半刚性基层与沥青面层的层间结合状态对沥青路面使用性能影响很大•防水、粘结、延缓裂缝产生，三合一•1cm防水粘结层效果好于5cm沥青混合料结构层2）完善的层间结合与防水层设计2）完善的层间结合与防水层设计多种措施加强层间结合多种措施加强层间结合1.用表面有梯形凸块的钢轮压路机进行碾压，使土基与底基层，底基层与CBG基层间互相嵌入，形成一个特殊的整体。2.两层CBG基层间用水泥浆或干水泥均匀撒布结合3.基层与沥青面层间用70号沥青结合4.沥青表面层与中面层间用SBS改性沥青粘结•采用低标号沥青（PEN20/30）、大粒径、密实型的高模量沥青混凝土，有利于减小车辙，节约造价，进一步提高重载交通下的承载能力•主要技术指标：动态复模量（20℃，10Hz）大于28000MPa；动稳定度（70℃）大于4500次/mm，变形不大于1.5%。3）低标号高模量沥青混凝土使用3）低标号高模量沥青混凝土使用4）粗集料断级配沥青混凝土的研发与应用4）粗集料断级配沥青混凝土的研发与应用BidiDdAPmax粗集料级配曲线细集料级配曲线4.75通过下列筛孔（mm）的质量（%）191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0752010086~8973~7955~6330~4022~2916~2112~159~116~84.5~5.51610083~8760~6830~4023~2917~2213~1610~127~95.5~6.51310068~7530~4024~3119~2415~1912~1410~117.5~8.51010030~4024~3119~2415~1912~1410~117.5~8.5沥青混凝土沥青混凝土SACSAC的矿料级配表的矿料级配表•公路路基服役状态的调查结果•某省路面裂缝与路基的关系•防水隔断层设置•保证路基稳定性耐久性的其它措施防水隔断层的设置防水隔断层的设置————稳土基稳土基特点三•在我国南方多雨地区，由于自然降雨和地下水位的影响，新建公路的路基在半年内就可以达到饱水状态，与最初的设计状态存在较大的差异。1）公路路基服役状态的调查结果1）公路路基服役状态的调查结果在相同的路面结构和交通荷载作用下，半填半挖路段的裂缝程度最为严重，其次为填方路段，最后为挖方路段。由此可知，这些横向裂缝的产生与路基状态有密切关系，路基稳定性越差，横向裂缝则越多。项目总体填方挖方挖填交界构造物旁横向裂缝密度（m/条）37.838.755.5--横向裂缝比例35.1%26.1%7.1%31.7%裂缝长度的比例大于3.75m-63.7%52.2%75.6%78.5%大于7.5m-37.0%20.4%43.2%55.5%2）某省路面裂缝与路基的关系2）某省路面裂缝与路基的关系计算用路面结构层位厚度cm模量MPa泊松比沥青面层1815000.25半刚性基层2017000.25半刚性底基层406000.25路基20、40、600.35不同路基土模量的路面结构计算结果计算参数路基模量20MPa路基模量40MPa路基模量60MPa弯沉（理论）（0.01mm）58.138.130.1半刚性基层层底拉应力（Pa）6.94E+045.66E+044.86E+04路基顶面压应变（微应变）247197169•土基顶面下0.7~1.5m设置了AH-702kg/m2沥青膜隔断层，可以阻止任何水上升。3）防水隔断层设置3）防水隔断层设置•灰土处理上路床4）保证路基稳定性耐久性的其它措施4）保证路基稳定性耐久性的其它措施•设置碎石垫层•原材料单一粒径筛分备料•水泥稳定碎石的二次拌和工艺•拌合楼冷料仓的电子称计量及规范•连续式拌和工艺的应用施工工艺的革新施工工艺的革新————设计施工的一体化设计施工的一体化特点四粗集料单一粒级专用筛分机1）原材料单一粒径筛分备料1）原材料单一粒径筛分备料第一次拌和第二次拌和2）水泥稳定碎石的二次拌和工艺2）水泥稳定碎石的二次拌和工艺6个冷料仓并加装电子称3）拌合楼冷料仓的电子称计量及规范3）拌合楼冷料仓的电子称计量及规范•严格控制原材料规格•避免二次筛分的干扰•提高生产效率，降低生产成本4）连续式拌和工艺的应用4）连续式拌和工艺的应用提纲背景设计思想与推荐结构设计与施工要点结语••发展适应于重载交通的长寿命沥青路面设计和建造发展适应于重载交通的长寿命沥青路面设计和建造技术，是未来的主要趋势之一技术，是未来的主要趋势之一!!••我国已逐渐建立、完善了以我国已逐渐建立、完善了以““强基、薄面、稳土基强基、薄面、稳土基””为原则的半刚性基层的长寿命路面的建造技术，其为原则的半刚性基层的长寿命路面的建造技术，其中施工工艺的革新是必不可少的措施中施工工艺的革新是必不可少的措施!!谢谢谢谢大大家家！！ThankyouThankyou长寿命路面技术研究长寿命路面技术研究基础研究问题实践应用问题近二十年公路建设的高速发展，慢、思、研近二十年公路建设的高速发展，慢、思、研从建设到养护，并不意味路面技术发展的停滞从建设到养护，并不意味路面技术发展的停滞欧美国家发展的映照国际领先的必然过程与机遇