高模量长寿命路面设计.docx
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高模量长寿命路面设计
高模量长寿命路面设计
设计理念：
长寿命路面不能仅仅是通过增加面层的厚度来实现长寿命，它不单是路面研究范畴，更应该是需要综合考虑地区气候差异、路面设计、材料特性、施工工艺、养护技术以及项目管理的系统工程。
长寿命路面更应该是一种设计理念。
我国的高等级公路和普通公路的早期破坏有多种形式，其中主要是由交通运输呈现出的“大流量、重载以及渠化交通”所引起的。
我国的长寿命路面设计理念就在于无论采用何种施工工艺、何种结构类型和何种技术措施，其最终目标都是要实现路面低维修和长寿命。
就现有路面而言，如果能完成设计使用寿命，从某种意义上也可称其为长寿命路面。
增加路面厚度，采用抗冲刷能力强的贫混凝土基层，改善接缝设计等都不失为铺筑长寿命道路的一种探索。
长寿命路面不仅适用于大交通量、重载交通道路，经适当的调整后也可用于中、低等级交通量道路。
因此，本文设计的长寿命路面典型结构应具有普遍意义的参考价值。
设计年限：
目前，对于长寿命路面的设计寿命，国内外也没有形成统一的标准。
各国对长寿命路面的寿命期望值从35年至60年不等。
英国公路署、建设材料协会和沥青协会希望长寿命路面的使用寿命能达到50年以上，美国沥青路面协会关于永久性路面的定义为至少达到35年的设计寿命，而美国各州之间对于永久性路面的定义又有所不同，各州期望的永久性路面的设计寿命在30年到50年之间，近邻日本则定义长期使用路面的使用寿命在40至60年之间。
设计要求：
长寿命路面的结构设计必须保证在长达40年以上寿命周期内不发生结构性破坏，只有表面功能层发生破坏，应具备以下特点：
设计寿命达到40年以上；
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，不需要对主要承重层大修；
初期费用可能偏高，但维修费用低，在寿命周期内最经济。
从长寿命路面特点可以看出，其优点在于设计寿命长，养护费用较低，在寿命周期内的总费用最经济。
典型路面结构应与道路等级、气候、水文、土质条件及交通组成相适应。
合理的路面结构组成设计：
合理的路面结构组合，是延缓或者防止路面发生结构性破坏的保证，从而确保路面结构的长寿命。
在PCC+AC复合式长寿命路面结构设计时就必须要考虑各结构层的功能，以防在相当长的寿命周期期内发生早期损坏。
对于表面层，由于暴露在空气中，又直接承受荷载、温度应力，所以必须选择高性能的抗车辙、裂缝、磨耗和稳定、耐久、密水的沥青混合料。
当表面层发生功能性损坏时，只对表面层维修即可。
抵抗疲劳的主要是表面层以下的结构层，并考虑抗裂性能。
路基、基层也要与长寿命路面结构设计的思想相一致。
保证较低的层底应力：
长寿命路面结构设计要保证不出现结构性损坏的关键就是控制结构层底拉应力，只要能够控制住这个指标，才能保证路面结构有长寿命。
当该结构层底部弯拉疲劳应力小于材料允许的疲劳应力时，疲劳破坏就不会发生。
长寿命路面结构设计就要有一定厚度的结构层或通过采用高性能的材料设计降低层底应力，以防止出现一次性破坏和疲劳开裂现象的发生。
良好的材料性能：
对于长寿命路面结构而言，其面层材料首先应具有较高的强度、温度和水稳定性，以抵抗大规模车辆荷载的重复作用引起的病害。
为避免水损坏，沥青路面抗滑标准应保证行车舒适和安全性，这就要求对面层的材料进行深入研究和特殊设计。
而对于主要承重层材料，以确保结构层在使用寿命期内不发生疲劳破坏。
充分考虑防排水问题：
水是造成路面破坏的重要因素之一。
路面上的降水，一部分通过横坡和纵坡流向路肩和路基外，还有部分水可能会通过路表的接缝、裂缝和路面与路肩的交接处渗入面层以下结构。
所以在路面结构设计时，必须与排水设计相结合，做到防排结合。
基层的主要作用是为面板提供均匀支承，因此要求基层有足够的耐冲刷性和一定的刚度，以防止卿泥和错台导致板底脱空。
一定的结构层厚度：
路面结构层厚度是长寿命路面结构设计的关键问题。
综合国内外提出的长寿命路面观点，必须铺筑足够厚度的结构层，只有这样才能确保不发生结构性破坏。
在我国因受“强基薄面”设计思想的影响，公路面层厚度往往不足，很难达到很长的使用期。
就水泥混凝土路面而言，我国水泥路面的设计板厚为：
24至26厘米，从过去及目前使用状况来看，很难达到水泥路面30年的设计使用寿命。
要实现路面使用的长寿命，这就要求结构层有足够的厚度，才能真正实现路面的长寿命。
高的路基稳定性：
路基是路面结构的基础，也是路面结构的工作平台，良好的土基可大大改善路面结构的水温状况，所以长寿命路面结构同其它路面结构类型一样，要求路基具有一定的承载能力，保证重载作用下路基的稳定、密实、匀质，以尽量减少不均匀沉降，从而为上层结构提供稳定均匀的支承。
典型路面结构设计：
沥青硷抗滑磨耗层：
沥青硷抗滑磨耗层的功能：
AC层的功能主要是提高路面表面的平整度、耐磨、抗滑性能，并可扩散车轮荷载，减少冲击振动，以及降低温度梯度。
AC层因其承受荷载、温度应力最大，又直接暴露在空气中，所以必须选择抗车辙、抗裂缝、抗磨耗、稳定、耐久、密水、粗糙抗滑的混合料和结构。
其厚度应考虑满足上述功能和减缓反射裂缝。
材料及参数：
沥青层的选择要考虑交通、环境、经济性和当地的经验，目前一般选用SMA，Super帕ve密级配沥青混合料或者OGFC沥青混合料。
长寿命路面对于磨耗层的性能要求期一般规定为10年。
每次更换磨耗层即为一个寿命周期。
磨耗层性能要求包括抗车辙性能、抗表面开裂性能、良好的抗滑性能、缓解水雾的影响并能减小噪声。
基于这些考虑，可以选择SMA、密级配混合料或OGFC等。
在一些对抗车辙性能、耐久性、抗渗性、抗磨损性要求高的地区，往往选择SMA，在交通量大且载重车辆较多的道路尤为适用。
在交通量小且载重车比例较少的情况下，使用密级配混合料更为适合的，同样也必须满足抗车辙、抗渗、抗磨耗及气候状况的要求。
开级配抗滑磨耗层OGFC有利于路表面迅速排水，改善降雨时路面的摩擦性能，OGFC通常的孔隙率为15%，有关资料显示孔隙率在17%至22%之间时能提供更好的长期性能。
PCC+AC复合式路面的一个表面功能的主要问题是：
AC层的裂缝，实践证明，无法避免。
那么，采用一定厚度的沥青面层对延缓裂缝的产生有较好的作用。
《规范》规定，沥青层的厚度，按减轻裂缝的要求确定，高速公路和一级公路不小于10厘米，其他等级公路的不小于7厘米。
根据相关理论，当AC层厚度大于7至8厘米时，对于PCC与AC层间剪应力的影响已经很小，所以单纯的依靠增加AC层厚来降低层间剪应力，是不合理的；
另外，采用相对比较厚（8至10厘米）的AC层来延缓裂缝的产生，也是不经济的。
从道路表面功能、抗剪性能和经济性综合考虑，AC层的厚度以2至7厘米为宜，并应采用较高模量的沥青混凝土。
对于薄或超薄AC层而言，如何适应比较大的层间剪应力而不发生或极少发生拥包、推移等现象，且能够延缓薄层沥青表面层裂缝产生的时间及减小裂缝的宽度和密度，这将是一个高性能抗滑磨耗层及层间材料研究、设计和应用的综合问题，特别是在重载交通条件下。
设计要求：
PCC+AC复合式路面的AC层的设计标准应与一般的沥青混凝上路面设计一样，在复合式面层满足承载能力的前提下，AC层应满足使用功能的要求，路面结构应有良好的水稳定性和高温稳定性。
具体设计要求如下：
增强表面抗滑性和提高路面使用的耐久性。
特征指标为构造深度，从集料选择和级配组成设计入手来提高此两项性能。
加强高温稳定性。
具有较强抗挤压破坏能力，也即是提高AC层机构内部的的抗剪强度，进而不影响行车舒适性，最终减少或消除交通安全隐患因素。
防止水损害问题。
沥青面层损害的一个重要因素就是水。
因此，要求沥青必须与集料牢牢地粘结，评价沥青混合料水稳定性的特征指标有：
粘附性、抗剥离性能。
防止泛油问题。
沥青路面的泛油，将影响路面的使用性能，降低抗滑能力，因此从设计和施工，综合各方面因素确定最佳沥青用量。
延缓和减少反射裂缝。
前文提到，AC层产生反射裂缝是无法避免的。
为此，在水泥混凝土板块划分和接缝处理良好的基础上，采用优质沥青混合料，并从加铺层结构本身设计中，采取防裂措施，以减少和延缓反射裂缝的产生。
高质量粘结层：
高质量粘结层的功能：
该层为很薄的一层功能层，采用高粘改性沥青材料，使沥青面层与水泥混凝土面层有效粘结一起，防止黑白路面脱离的“二层皮”现象，长期有效抵抗层间剪应力的破坏，以及延缓裂缝的发生。
AC层与PCC层间应力分析：
AC层与PCC板之间的接触面是复合式路面结构抵抗水平剪切力的薄弱环节，在行车荷载作用下发生的剪切破坏有两种情况：
一是PCC板模量远大于其它结构层的模量，加之AC层厚度较薄，其内部产生较大的剪应力而引起无确定破坏面的剪切变形；
二是AC层与PCC板层间结合面抵抗水平剪切能力较弱，在水平方向上产生相对位移，发生剪切破坏。
基于两种不同形式的剪切破坏，为分析一般规律，采用三层弹性连续体系在双圆均布垂直与水平荷载综合作用（复合荷载）下的计算理论研究层间剪应力。
对于层间剪应力的计算，有限元法和层状弹性体系解析法是常用的方法，两种方法所求结果非常接近。
但是针对PCC+AC复合式路面，由于分层较多，且层间差异较大，则采用多层弹性体系理论能够更好的符合实际的受力状况。
水泥混凝土面层：
水泥混凝土面层预期功能：
水泥混凝土面层是主要承重层，直接承受行车荷载和环境因素（温度和湿度）的作用，应具有足够的抗弯拉强度和耐久性以及良好的表面特性（耐磨、抗滑、平整、低噪声等）。
随着交通量增大及重轴载车辆不断增多，水泥混凝土路面出现相当严重的早期的病害，如路面露石、剥落、开裂、断板等，也即普通水泥混凝土路面的耐久性问题受到了严峻的挑战。
水泥混凝土面层材料：
水泥混凝土面层可以按组成材料或施工方法的不同，分别采用普通混凝土、碾压混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、钢纤维混凝土、预应力混凝土或混凝土预制块等铺筑。
混凝土板早期的冲刷破坏以及疲劳破坏是重载交通作用下水泥混凝土路面重要的破坏特征，磨损破坏在重载交通路面中也表现较为严重。
如何防止或者延缓这些破坏的发生，是重载交通水泥混凝土路面在修筑过程中必须解决的关键技术问题。
结合重载交通路面损坏机理的分析，本节主要从路面材料与结构上初步提出重载交通条件下修筑复合式路面PCC面板的对策。
减少冲刷的对策。
承受重载交通水泥混凝土路面，其破坏往往是由基层被冲刷而导致的提前破坏，而不是原来设计的纵缝边缘临界疲劳断裂形式。
所以在设计重载交通水泥混凝土路面时，首要解决的问题是如何防止或减少冲刷破坏，而后才综合是考虑温度和荷载的疲劳作用。
由冲刷机理分析可知，防止或减少冲刷破坏，可通过减少基层的磨损和原始脱空区的大小、减少挠度、选择耐冲刷基层材料或者透水基层材料实现。
通常将水泥混凝土面层直接浇筑在基层表面上。
由于基层表面存在凹凸不平和孔隙或裂隙，水泥混凝土浇筑振捣过程中水泥砂浆会渗入基层一定深度。
待混凝土凝固后，水泥砂浆将面板、基层联接成一个整体。
当混凝土产生收缩变形时，面层与基层之间的不等量变形，在面板横缝切割后必然会导致本来融为一体的过渡层沿路面板薄弱层平面开裂和破坏，将面层与基层彼此分离，且分离界面处于一种非光滑的凸凹不平状态。
过渡层破坏，面板与基层分离，混凝土路面继续胀缩和产生温度变形。
然而板的自重以及面板与凸凹不平的基层之间的咬合作用，对路面板收缩起到阻碍作用，导致过渡层的碎落及不断地被磨损，甚至有可能使板底或基层表面形成微裂纹，从而在基面层界面间存在原始脱空区，为水的进入及存在提供了空间，并与磨损砂浆形成泥浆，当荷载驶过时因挠度恢复而使板端产生极大“泵吸力”，使泥浆沿着缝隙被挤压到路面上来。
因而，改善界面结构，减少面板运动对基层表面的磨损而产生的细料、减小原始脱空区和水的进入，可以减少水冲刷破坏。
为了解决这一问题，必须对面层与基层的接触界面进行专门设计。
在浇注面板之前，找平基层表面，并在基层上铺设1厘米至1.5厘米左右的沥青防水联结层等作为隔离层，以实现改善界面结构的目的。
下文有详细的论述。
增加地基模量和传荷能力可以有效减少板角挠度。
增加地基模量可以通过提高路基模量、增加基层厚度或模量等来实现。
良好的传荷能力使得相邻板块共同受力，有效减少受力板块的挠度和应力。
所以在重载交通作用下的复合式路面PCC板，为提高传荷能力及其耐久性，应采用传力杆装置。
针对路面早期疲劳破坏，问题解决的途径有两条：
一是在现有设计抗折强度5.0兆帕基础上，增加面板厚度；
二是在基本不增加板厚的基础上，提高路面的设计抗折强度，以提高路面板抵抗重轴载疲劳破坏的能力，即水泥混凝土板研究和设计拟向提高抗折强度，降低弹性模量的方向发展。
随着各国对刚性路面的广泛的使用，工程经验的不断丰富和日益深入，半刚性基层及贫混凝土基层、以及路面结构内部排水系统得到越来越多的研究，也取得了大量丰硕的成果，可直接借鉴和应用。
由于PCC板的厚度和模量对AC层结构力学特性与PCC与AC层间剪应力影响都不明显，所以PCC板厚度和模量的选取应根据典型结构设计的具体情况而定，一般厚度为22至28厘米，模量的选取与之相适应。
防水联接层：
防水联接层的功能：
层间完全结合式结构是不可能的，即使施工初期结合良好，在混凝土自收缩和温度收缩等收缩变形作用下，基层与面层界面上的破坏是不可避免的，而且随着界面的破坏，将有可能导致面板底部产生微裂缝和基层出现开裂或断裂破坏，从而加速面板的破坏。
PCC板与基层之间的层间处理，一方面在于加强层间联接，形成一个过渡结构层，使路面结构具有连续性；另一方面用于提高路面的防水性能。
在半刚性基层与水泥混凝土路面板之间，设置防水联接层功能为：
消除混凝土板下半刚性基层的不均匀支撑；防止水泥混凝土板与半刚性基层之间的反复摩擦产生的半刚性基层的磨损；防止水分下渗而对基层及路基造成的冲刷；起应力消减层的作用；最后是保护基层，充当施工期间的临时路面；隔温防基层冻害作用；养生作用；封缝作用；基层加固作用。
为了达到以上性能要求，防水连接层必须具有良好的均匀性和密水性，并具有一定的抗变形能力和延展性。
材料：
联接层必须同时具有耐久性和稳定性，稳定性可以通过粗集料形成石-石嵌挤骨架结构或采用合适的高温等级沥青胶结料来获得。
防水联接层一般由良好级配的矿料、乳化沥青、填料、水及添加剂等组成，选用的材料事先需由实验室试验确定，各种材料的配合比也应由实验室决定。
防水联接层1至1.5厘米。
PCC面层与基层界面状态浅析：
三种界面状态分析：
将基层与混凝土路面板的层间接触处理成完全滑动状态，可以有效克服混凝土早期由于强度不足，因温差产生的伸缩变形而引起的早期裂缝。
将基层与混凝土路面板的层间接触处理成完全连续或半连续半滑动状态，可以消除温度应力在桥头或结构物附近产生的破坏作用。
将基层与混凝土路面板的层间接触处，理成半连续或半滑动状态，可以降低路面板胀缩缝处的伸缩幅度，以克服行车荷载及温度应力在接缝处出生的破坏。
基层：
基层是路面的承重层，主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并把它扩散到土基中。
基层作为土基与路面板之间的过渡层，可缓和土基的变形，为路面板提供稳定、连续的支承条件，提高接缝的传荷能力，防止因基础受冲刷和侵蚀而导致的卿泥、错台和断裂等病害现象的发生。
混凝土路面基层的主要作用是为面板提供均匀支承，因此要求基层有足够的耐冲刷性和一定的刚度，以防止卿泥和错台导致板底脱空。
可供选择的基层有贫混凝土（水泥用量7%至8%）或碾压混凝土、沥青混凝土或沥青稳定粒料（沥青用量3%）、水泥稳定粒料（水泥用量3%至5%）或二灰稳定粒料、细料（小于0.074毫米）含量少（不超过8%）的级配碎石（或砾石）、多孔隙粒料或者水泥或者沥青稳定开级配碎石（空隙率20%左右）。
对于承受重载交通混凝土路面，对基层的抗冲刷能力和刚度的要求越高，宜选择贫混凝土或水泥用量大的水泥稳定碎石混合料作基层。
沥青混凝土或沥青稳定粒料基层具有抗冲刷能力强而刚度不大的特点。
选用多孔隙粒料或者水泥或者沥青稳定开级配碎石作透水基层，可以将通过面层接缝或裂缝渗入路面结构内的水分迅速排除，从而提高的使用性能和使用寿命。
修筑基层的材料主要有各种结合料（如石灰、水泥或沥青等）稳定土或稳定碎（砾）石、贫水泥混凝土、天然砂砾、各种碎石或砾石、片石、块石或圆石，各种工业废渣（如煤渣、粉煤灰、矿渣、石灰渣等）和土、砂、石所组成的混合料等。
我国基层材料的冲刷试验，得出了与国外基本一致的材料抗冲刷能力的规律，即相同材料组成时，强度越高，抗冲刷的能力越强；不同材料组成时，细料含量越高，抗冲刷能力越弱。
同时，在参加比较的各类材料中，水泥碎石的抗冲刷能力较好。
路基：
路基是公路工程的重要组成部分，是路面的基础，位于最下层的，它承受着本身土体的自重和路面结构的重量，同时还承受由路面传递下来的行车荷载，是公路的承重主体。
路基质量的好坏，将直接影响到路面的使用质量。
实践证明，若没有一个坚实、均匀、稳定的土基，即使采用很坚固的面层，路面结构在车辆荷载作用下，也会很快发生破坏。
实际工程中，无论是水泥混凝土路面还是沥青路面出现的损坏现象，大部分都是由于土基强度不足，稳定性变差，在外荷载作用下产生的过量变形所致。
因此，应对路基进行综合设计，以确保路基的使用功能。
路基工程应严格按照交通部颁布的有关公路设计标准，规范的规定进行精心设计，并依据当地自然条件，因地制宜，以保证路基具有足够的强度、稳定性和经济合理性。
由于路基回弹模量的变异性对可靠度的影响是显著的，那么要降低土基模量的变异性，就要提高整体土基的强度和稳定性。
首先应采用满足设计要求的土质材料修筑路基，在施工中严格控制路基的含水量和密实度。
众所周知，重型压实对提高路基强度，减少路基形变，增加路基水稳性是非常有效的，当整体土基强度提高，刚度增大，则土基抗压回弹模量值就会随之增加。
在目前工程中，控制压实度是提高土基整体强度行之有效的方法。
在路基施工中，一方面要提高压实效果；另一方面要减少压实的波动性。
影响压实度的因素很多，除了土质之外，还有土层的摊铺厚度、压实时的含水量变化等因素。
因此施工中摊铺厚度和碾压次数要符合规范，洒水设备要良好，保证土的均匀，只有这样才能提高压实度，减少压实度的变异性，从而保证路基的整体强度的稳定性。
路面防排水：
路面排水设计是PCC+AC长寿命典型结构路面设计的重要组成部分。
一方面，由降雨形成的路面水膜影响车轮与路表面的接触车辆高速行驶时，易使车轮产生液面滑移（即水漂），且高速行驶的车辆尾部易形成水雾，影响驾驶员的视线，易发生交通事故，影响高速行车安全；另一方面，路面水若不能及时排除，还会透过路面面层渗入到基层，这样易使基层软化、冲刷和卿浆，影响路
面的整体强度。
与此同时，高速公路边坡因常年暴露于自然环境中，承受雨水的冲刷，使边坡发生各种变形、病害甚至破坏。
拟建的的典型路面结构，“以防为主，层层设防，防排结合”。
表面层采用了密级配的沥青混凝土，其设计空隙率为3%至4%，具有很好的密水性；高性能粘结层因采用了特殊配合比和高品质的沥青材料，同样具有很好的防水作用；
防水联结层也可以起到防水作用。
这样层层设防，大大减小了水与基层和土基接触的可能性。
另外AC层如果设计成高性能的排水路面，如高性能的OGFC，雨水可迅速排出路面，不会下渗入面层一下结构，从而避免了路面的水损坏。
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