我国沥青路面结构设计的回顾与思考.

我国沥青路面结构设计的回顾与思考长安大学戴经梁2008年12月我国沥青路面结构设计的回顾与思考长安大学戴经梁2010年12月2、我国沥青路面的使用状况1、我国沥青路面的规模一、我国沥青路面的规模与使用状况一、我国沥青路面的规模与使用状况1、我国沥青路面的规模1998年沪嘉高速公路、沈大高速公路先后通车，实现了我国高速公路零的突破；1999年10月高速公路通车里程突破1万公里，居世界第四位；2000年末通车里程1.6万公里，居世界第三位；2001年通车里程达到1.9万公里，居世界第二位；2007年底，通车里程猛增5.4万公里；2009年底，高速公路通车里程达6.51万公里,稳居世界第二位。高速公路绝大部分采用半刚性基层沥青路面。2、我国沥青路面的使用状况·部分高速公路沥青路面的使用状况比较好。例如：沈大、京津塘、广琛等高速公路使用7～8年（设计年限15年）才进入大修,达到相当高的使用水平。·不少高速公路沥青路面的早期破坏严重。沥青路面建成当年或2-3年,发生程度不同的车辙、网裂、坑糟等早期破坏一、我国沥青路面的规模与使用状况·高速公路沥青路面普遍达不到设计年限15年（国际上一般为30~50年），最多7-8年就必须大修——路面结构的耐久性差。普遍认为：我国沥青路面的使用寿命短、耐久性差与我国千篇一律地使用半刚性基层沥青路面结构具有很大的关系。一、我国沥青路面的规模与使用状况二、半刚性基层沥青路面问题分析半刚性基层沥青路面的最大优点是板体性强，具有很高的承载能力，且价格便宜。——我国高速公路广泛采用此种路面的基本出发点。思考：·在国际上发达国家为什么很少采用半刚性基层沥青路面结构；·国外，重交通道路不采用半刚性基层沥青路面，只是在低等级，交通量低的道路采用。半刚性基层沥青路面具有不少问题，有些问题甚至是无法解决的。1、半刚性基层的最大问题是收缩开裂，它将导致沥青面层产生反射裂缝，并进一步引起：（1）裂缝进水导致沥青层与基层界面从连续状态变成滑动状态；使基层、底基层、路基含水状况发生变化，承载力迅速降低；（2）车辆从裂缝一侧到达另一侧，使路面裂缝处发生大的应力突变，形成很大的剪应力和表面拉力,加剧沥青路面破坏。二、半刚性基层沥青路面问题分析2、半刚性基层非常致密，基本上是不透水材料，一旦水进入路面并到达基层表面后，难以排出。水分集聚在沥青层和基层界面，在车辆荷载的反复作用下，基层表面冲刷，并产生唧泥，导致路面的破坏。半刚性基层沥青路面的反射裂缝和内部排水性能差及基层表面易冲刷是其致命的弱点。二、半刚性基层沥青路面问题分析3、半刚性基层具有很好的整体性，但在使用过程中，路面进水后，半刚性基层在长期流水和多次冻融循环作用下，其板体结构会逐渐破坏、产生结构性损坏。半刚性基层由整体向大块、小块、碎块变化，按整体结构的概念设计路面是偏于不安全的。二、半刚性基层沥青路面问题分析4、半刚性基层沥青路面对重载车辆具有更大的轴载敏感性。在计算拉应力时，柔性基层的轴载换算按4次方计算，而半刚性基层是8次方计算（实际上，很可能是12-15次方）轴载增大1倍，柔性基层换算轴次增大16倍，半刚性基层换算轴次增大256倍（甚至212=4096倍）超载对半刚性基层沥青路面的危害远大于柔性基层沥青路面。二、半刚性基层沥青路面问题分析5、半刚性基层损坏后没有愈合能力，且难以修补。半刚性基层一旦破坏，使无可救药，除了挖掉重建外，别无它法。半刚性基层沥青路面的维修只能是“开膛破肚”式进行。这是半刚性基层沥青路面使用过程中，面临的一大难题。二、半刚性基层沥青路面问题分析6、半刚性基层沥青路面难以跨年度施工。无论是直接暴露或是铺一层沥青面层过冬，都避免不了发生横向收缩裂缝，从而为沥青路面产生反射裂缝留下隐患。半刚性基层暴露可能冻酥，影响强度形成。在季节性冰冻地区，半刚性基层的冻融损坏几乎难以避免。7、半刚性基层沥青路面易产生失稳性车辙,特别在高温季节，在重载的作用下，路面将产生严重的辙槽，影响行车安全，甚至影响通行。二、半刚性基层沥青路面问题分析半刚性基层沥青路面的致命弱点——路面开裂、进水且难以排走，对重载敏感性大。思考：既然半刚性基层沥青路面具有上述种种问题，甚至有些问题是致命的。为什么一直沿用至今，难以改变？这是中国国情所定的，是我国公路建设发展历史的必然结果。二、半刚性基层沥青路面问题分析2、20世纪70年代的发展情况1、20世纪60年代的发展情况三、半刚性基层沥青路面的发展历史3、20世纪80年代后的发展情况1、20世纪60年代——采用石灰稳定土基层渣油表面处治（渣油是一种质量很差、蜡含量很高的石油炼制过程中付产品）主要解决公路晴天扬尘、雨天泥泞的问题。2、20世纪70年代——采用水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料稳定粒料的半刚性基层和贯入式沥青路面、上拌下贯式沥青路面及半开级配沥青碎石沥青路面。加快了公路路面“黑色化”，使我国公路沥青路面使用质量有了显著改善。三、半刚性基层沥青路面的发展历史3、20世纪80年代后——大量采用半刚性基层沥青路面（1）随着改革开放，国民经济蓬勃发展，交通量迅速增加，开始大量修建二级公路、一级公路和高速公路。沥青面层逐步向沥青混凝土发展，半刚性基层和底基层的强度也随之要求增加。（2）国产沥青难以满足蓬勃发展高速公路建设形势，大量依赖国外进口沥青，经济负担沉重，难以采用国外使用的柔性基层沥青路面。三、半刚性基层沥青路面的发展历史（3）80年代末，“七五”国家科技攻关项目“半刚性基层重交通道路沥青路面及抗滑表层成套技术”的成果，成为半刚性基层沥青路面设计和施工的重要技术依据。半刚性基层沥青路面成为中国沥青路面的主要结构形式，几乎成为包括高速公路在内的唯一结构形式——为我国沥青路面的发展做出了巨大贡献。三、半刚性基层沥青路面的发展历史2、国外与我国使用情况的区别1、国际上20世纪70年代以前的使用情况四、国外半刚性基层沥青路面使用状况四、国外半刚性基层沥青路面使用状况1、国际上20世纪70年代以前，半刚性基层沥青路面曾得到较多的应用。目前柔性基层与全厚式沥青路面已成为路面的主流。国际上路面结构类型的转变，应当引起我们认真的思考——在轴载，交通量日益增大的今天，中国公路仍唯一的采用半刚性基层沥青路面，是否合适？2、国外半刚性基层沥青路面普遍使用在地方道路及低交通量公路上，且在使用上与我国有很大区别。（1）国外半刚性材料主要用于加强路基，而我国将其作为主要的承重层。国外沥青路面的承重层，不仅包括基层，更主要是依靠沥青层。我国将沥青层作为功能层，国外除了将沥青层作为功能层，更主要是承重层。四、国外半刚性基层沥青路面使用状况（2）国外半刚性基层沥青路面基层材料的强度一般不太高，水泥用量少，7d设计强度一般在3Mpa左右。我国半刚性基层强度过高，甚至有些地方认为强度越高越好，导致铺筑沥青层之前开裂现象十分严重。四、国外半刚性基层沥青路面使用状况（3）水泥稳定碎石基层上经常设置级配碎石层作为过渡层，以减少反射裂缝和利于排水。我国设计规范也提到这种路面结构，然而由于这种路面结构难以满足设计弯沉的要求，得不到采用。四、国外半刚性基层沥青路面使用状况3、国外沥青路面结构设计时，通常对路基和基层提出起码的要求（例如路基竖向压应变＜200με）沥青层作为承受弯拉应力的主要承重层（沥青面层的弯拉应变＜70με）意味着沥青层的厚度是至关重要的，只要路基、基层满足一定的要求，路面破坏就是沥青层厚度不足。四、国外半刚性基层沥青路面使用状况4.我国半刚性基层沥青路面设计时，假定沥青层的厚度，以基层或底基层作为计算层进行结构厚度计算。意味着沥青层只起到功能作用，厚度无关紧要，甚至认为沥青层越厚，弯沉越大，反而没有好处。半刚性基层是承重层，路面承受的荷载大、交通量大就需要加强基层强度（刚度）和厚度，路面破坏意味着基层破坏。四、国外半刚性基层沥青路面使用状况2、技术引进促进跨越式发展1、我国沥青路面结构问题五、改善我国沥青路面使用状况的思考3、沥青路面结构问题放眼看世界4、改变单一使用方法1、我国高速公路采用的半刚性基层沥青路面结构在繁重交通及施工质量等因素的影响下，出现了早期破坏，提前达到了使用寿命。大部分路面是由于基层的损坏，而使路面成为结构性破坏，无法通过沥青面层的维修得到解决。大修往往是“开膛破肚”式的作业，工程量十分浩大，相当于重铺路面，这是一个使我国道路工作者十分困惑的难题。五、改善我国沥青路面使用状况的思考2、张春贤部长在全国交通工作会议上谈到设计问题时指出：“要有针对性地引进国外成熟的技术、标准和规范。科研成果是实践经验的总结，是人类文明的结晶，我们要善于借鉴一切先进的科研成果。在公路建设和管理领域、国与国之问技术问题及解决方法具有很多共性。发达国家研究早、实践早、积累了丰富的经验，许多技术、标准和规范属于政府所有，没有知识产权的障碍，我们要把技术引进作为公路交通实现新的跨越式发展的重要手段”这一段话为我国解决公路路面早期损坏指出了方向。五、改善我国沥青路面使用状况的思考3、在沥青路面结构问题，我们也需要放眼世界。国际上的高速公路和重交通公路，大量使用柔性基层沥青路面，现在又出现了永久性路面或长寿命沥青路面。该种路面的使用寿命可达到40-50年；最新的研究发现：该种路面沥青层厚度超过一定厚度时，良好材料组成和施工的路面可避免传统的沥青层底开裂和结构性车辙。当标准轴次超过一定次数后，沥青层厚度无须增加。五、改善我国沥青路面使用状况的思考该种路面最大特点是确保路面各类损坏控制在路面顶部（25~100mm）范围内，如自上向下的温度疲劳开裂、车辙、表面磨耗与沥青老化等都限制在磨耗层内。表面层的损坏只需通过铣刨和预防性养护就可以解决。意味着这种沥青路面在使用年限内不需要大的结构性重修或重建，并企图无限期地使用下去。五、改善我国沥青路面使用状况的思考4、我国应改变目前单一使用半刚性基层沥青路面的状况，使不同路面结构得到合理的使用。—对现有的半刚性基层沥青路面应进行再认识，努力克服其不合理的一些因素，使其得到改进，更加完善；—开始考虑在中国适当地发展柔性基层沥青路面的结构形式。探讨该种路面在我国各地高速公路中使用的可行性，改进我国沥青路面结构单一的问题。五、改善我国沥青路面使用状况的思考4、国外常见的柔性路面结构组成2、部分国家使用的主要沥青路面结构六、国外柔性基层沥青路面结构设计简介3、部分国家或单位采用的设计指标1、国外路面结构的设计年限6、永久性路面的特点5、永久性路面产生的背景7、永久性路面对结构层材料的要求8、基于力学分析的设计方法20～4030～4020～4020～4030～404030～4030～50设计年限澳大利亚加拿大日本南非法国英国德国美国（AASHTO93）国家1、国外路面结构的设计年限六、国外柔性基层沥青路面结构设计简介√中国√（轻交通）√√加拿大√√√德国√√日本√√（中、轻交通）√美国√(贫水泥混凝土)√（中、轻交通）√英国√(水稳碎石)√√法国薄沥青层厚粒料基层厚沥青层下卧基层半刚性基层混合式全厚式粒料基层主要路面结构国家2、部分国家使用的主要沥青路面结构六、国外柔性基层沥青路面结构设计简介※※俄罗斯※※※法国※※※比利时※※诺丁汉大学※※※※南非※※日本※※※澳大利亚※※※SHELL补强※※※AI路表弯沉永久变形粒料层剪切应力路基顶面压应变稳定粒料层拉应力沥青层疲劳机构3、部分国家或单位采用的设计指标六、国外柔性基层沥青路面结构设计简介4、国外常见的柔性路面结构组成六、国外柔性基层沥青路面结构设计简介国外常见的柔性路面结构组成六、国外柔性基层沥青路面结构设计简介5、永久性路面产生的背景重载交通给欧洲沥青路面带来的挑战表现在以下方面：（1）重载交通量的增加、重载轴载增加；（2）慢速交通产生了更大的路面应力；（3）高压轮胎引起作用应力的增加；（4）道路磨光加速。六、国外柔性基层沥青路面结构设计简介6、永久性路面的特点（1）在总费用上：初期修建费很高，日常养护费较少，总费用效益比最大；（2）在设计年限上：至少40年；（3）在损坏模式上：路