混凝土路面加鋪STRATA

舊水泥混凝土路面STRATA應(yīng)力吸收層加鋪結(jié)構(gòu)2023/2/51一、概況2023/2/522023/2/53水泥混凝土路面具有造價低、剛度大、強度高、使用耐久和日常維護工作量小等優(yōu)點;自20世紀70年代中期，我國許多干線公路、城市道路、廠礦道路及專用公路相繼采用了水泥混凝土路面結(jié)構(gòu),目前這些公路已陸續(xù)進入維修期。2023/2/541997年加拿大國家研究委員會（NationalResearchCouncil,NRC）的研究報告表明：在路面破壞前及時采用罩面修復(fù)，可以減少罩面厚度15/4英寸，隨之節(jié)省費用超過100000美元/英里。美國聯(lián)邦公路管理局（FHWA）估計全國從1975年起用于養(yǎng)護公路的費用以大約3億美元的速度不斷上升，幾乎相當于公路總費用的三分之一。我國的養(yǎng)護費用增長表明：公路系統(tǒng)已從建設(shè)投資密集型轉(zhuǎn)入養(yǎng)護投資密集型，公路系統(tǒng)中早期建成的路面的維護從養(yǎng)護轉(zhuǎn)變到修復(fù)與改建是必然趨勢。2023/2/55漢宜高速——公路交通東西大通道舊水泥混凝土路面的病害經(jīng)濟發(fā)展對公路交通的需求漢宜高速加鋪改造的主要問題2023/2/56漢宜高速——公路交通東西大通道武漢-宜昌高速公路（簡稱漢宜高速）是我國滬蓉通道的重要組成部分，位于長江中下游江漢平原，主線全長277.717公里，全線均為雙向四車道水泥混凝土路面，是西南地區(qū)通向中東部地區(qū)公路大動脈，車流量大，重載車輛多。2023/2/57自上世紀九十年代修建通車十多年以來，未進行過大修改造，十多年營運使路面的使用性能急劇惡化，已嚴重影響車輛行駛安全和道路通行能力發(fā)揮，急需進行加鋪改造。2023/2/58漢宜高速2023/2/59舊水泥混凝土路面的病害2023/2/5102023/2/511經(jīng)濟發(fā)展對公路交通的需求交通超前同步發(fā)展2023/2/512漢宜高速與國道318線交通量分布路段名稱20022007201020152021武漢-仙桃G31841454053433645974872漢宜高速1165216401199582583733580通道1579720454242943043438452仙桃-潛江G31826302438260827652931漢宜高速945912340147142106630080通道12089147778173222383133011潛江-荊州G31871015762616565356927漢宜高速76909324128311731122787通道1479115086189962384629714加權(quán)平均G31844363932420744594727漢宜高速961012372155402102428284通道1404616304197472548333011交通量分攤比例G31831.58％24.11％21.30％17.50％14.32％漢宜高速68.42%75.89%78.70%82.50%85.68%2023/2/513交通量預(yù)測結(jié)果2002-2021年期間，漢宜高速公路預(yù)測交通量增長較快，約為5.85％；針對交通量預(yù)測結(jié)果，必須提高漢宜高速的通行能力，滿足日益增長的交通需求，因此，對漢宜高速的維修改造迫在眉睫，為經(jīng)濟發(fā)展提供推動力。2023/2/514漢宜高速加鋪改造的主要問題?舊路面病害處治與處治后路面綜合性能評價?原路面材料綜合利用與加鋪層類型選擇?舊路面加鋪層反射裂縫防治?舊路面加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法?舊水泥路面加鋪層施工工藝與質(zhì)量控制措施?加鋪后罩面的路用性能評價及經(jīng)濟效益2023/2/515二、路況調(diào)查、病害處治與綜合評定2023/2/516路面狀況評價病害處治路面結(jié)構(gòu)評定《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范（JTJ073.1-2001）路面狀況評價指數(shù)（PCI）斷板率（DBL）混凝土路面結(jié)構(gòu)剛度和混凝土板的傳荷能力FWD彎沉值接縫傳荷系數(shù)舊混凝土路面病害評價標準相應(yīng)處治方案2023/2/517各路段之間有一定的差異，總體處于良以上。路況指數(shù)PCI2023/2/518路況最佳的永仙段，斷板率為中級，其它路段都處于差級別，可見斷板破裂是漢宜高速的主要病害。斷板率DBL2023/2/519結(jié)構(gòu)評定采用靜態(tài)彎沉儀測試舊路面混凝土板中心、板邊緣彎沉值，以此評價舊路面結(jié)構(gòu)剛度和傳荷能力。2023/2/520彎沉2023/2/5212023/2/522接縫傳荷能力

傳荷系數(shù)2023/2/5232023/2/5242023/2/525從調(diào)查路段的PCI、DBL、彎沉、混凝土路面板的傳荷效率等指標的評價結(jié)果看出，可以充分利用舊混凝土路面整體的結(jié)構(gòu)強度和板的剩余壽命，廢棄或破碎舊板將造成資源浪費和環(huán)境污染。路面評定結(jié)論2023/2/526混凝土路面病害與處治施工工藝施工裝備重車及超重車的影響軟基、高填方路段處理不當、壓實不足路面原材料質(zhì)量病害原因養(yǎng)護管理水損害2023/2/527?

破碎更換所有斷板?

嚴重斷板周邊的混凝土板視其破壞情況（沉陷、脫空、錯臺、唧泥等）分別采取換板、灌漿等方式處理?

澆筑新板的同時恢復(fù)或增補拉桿和傳力桿鋼筋，以恢復(fù)或增強其板間傳荷能力。路面板破損處理2023/2/528單點實測彎沉值ll＜14，不予處理；14≤l≤40，采用深層鉆孔壓漿處理；l＞40，整板破碎，處理基層，新澆混凝土板；兩相鄰板塊間彎沉差△l，△l＜6，不予處理，△l≥6，對彎沉較大的板采用深層壓漿處理。承載力不足2023/2/529?

裂縫維修?

板角修補?

錯臺處理非結(jié)構(gòu)性一般病害2023/2/530三、水泥混凝土路面板斷裂破壞力學(xué)分析2023/2/531。局部脫空對荷載應(yīng)力的影響以板角、縱、橫縫邊緣中點三個最不利荷位作為局部脫空區(qū)及加載荷位，由有限元軟件計算水泥混凝土路面板在不同脫空面積及標準荷載BZZ—100作用下路面板最大彎拉應(yīng)力。2023/2/532重載對路面板荷載應(yīng)力與彎沉的影響超重車輛使水泥混凝土板產(chǎn)生過大的彎拉應(yīng)力，導(dǎo)致路面板產(chǎn)生斷裂破壞，對板角、縱縫及橫縫邊緣中點三個荷位在不同軸載作用下彎拉應(yīng)力及彎沉進行有限元分析計算。2023/2/533重載對彎沉的影響板角、縱、橫縫邊緣中點的彎拉應(yīng)力隨軸載增加呈線性比例增長；縱、橫縫邊緣中點的彎沉值隨車輛軸載的變化規(guī)律與彎拉應(yīng)力的變化規(guī)律基本相同，但彎沉隨荷載增長速率要快于彎拉應(yīng)力的增長速率2023/2/534脫空與輪載耦合對荷載應(yīng)力的影響。2023/2/5352023/2/536四、舊水泥路面加鋪層

結(jié)構(gòu)方案比選2023/2/537白色罩面黑色罩面優(yōu)點：

?

路面結(jié)構(gòu)剛度高

?

養(yǎng)護費用低缺點：?罩面造價高

?

工期長

?施工期不利于疏導(dǎo)交通優(yōu)點：

?

造價低

?

行駛舒適性好

?

施工方便

?

對交通及環(huán)境影響小缺點：?易形成反射裂縫

?材質(zhì)要求較嚴格2023/2/538鋸切橫縫對應(yīng)于舊水泥路面的接、裂縫，在瀝青加鋪層上預(yù)切橫縫并灌入填縫料，保持有效密封，防止水或其他異物滲入。裂縫隔離在舊混凝土板上鋪筑開級配瀝青碎石混合料或者級配碎石等裂縫緩解層，隔離舊路病害。土工織物在舊混凝土板上鋪筑土工布、土工格柵、改性瀝青油氈等材料，阻斷反射裂縫向瀝青加鋪層傳播.面板破碎將舊板破碎作為基層，鋪筑二灰穩(wěn)定碎石等半剛性調(diào)平層，再鋪筑瀝青混凝土面層。

瀝青加鋪層反射裂縫主要防止方法2023/2/539

延緩反射裂縫出現(xiàn)3～5年延長瀝青加鋪層使用壽命防止路面水損害

施工方便，易于推廣應(yīng)用

可與面層一起再生，節(jié)約資源，減少環(huán)境污染。

根據(jù)漢宜高速舊水泥混凝土路面路況評定結(jié)果，應(yīng)力吸收層瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，確定采用應(yīng)力吸收層瀝青加鋪結(jié)構(gòu)。設(shè)置應(yīng)力吸收層防裂結(jié)構(gòu)優(yōu)勢2023/2/540五、瀝青加鋪層反射裂縫成因

及擴展機理2023/2/541在交通荷載及溫度應(yīng)力作用下，舊水泥混凝土路面板接縫處瀝青加鋪層底面易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加劇了瀝青加鋪層層底裂縫的形成和擴展。加鋪層層底開裂后，裂紋縫端將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力集中，其復(fù)合應(yīng)力強度因子完全可能超過材料的斷裂韌性使路面繼續(xù)開裂，直至裂縫貫通整個加鋪層。為研究舊水泥混凝土接縫處瀝青加鋪層應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用有限元方法對交通荷載和溫度變化對加鋪層的應(yīng)力影響進行分析。反射裂縫成因及擴展機理2023/2/542接縫處σe接縫處τmax接縫處加鋪層頂部σ1接縫處加鋪層底部σ1接縫處彎沉應(yīng)力集中現(xiàn)象2023/2/543有限元計算結(jié)果表明，無論是受車輛荷載作用還是溫度應(yīng)力作用，舊水泥混凝土板接縫處瀝青加鋪層應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在接縫處，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，裂縫在接縫處瀝青加鋪層底部開始萌生，然后逐漸向上擴展，最終貫穿整個加鋪層。2023/2/544六、應(yīng)力吸收層瀝青加鋪結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)值模擬2023/2/545

將路面結(jié)構(gòu)視為彈性層狀體系，建立瀝青加鋪層、應(yīng)力吸收層（有無）、帶有裂縫或接縫的水泥混凝土路面和地基的空間三維模型。瀝青加鋪層、水泥混凝土路面和基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)層采用8節(jié)點實體單元，進行應(yīng)力、應(yīng)變及位移分析。2023/2/546路面結(jié)構(gòu)有限元空間網(wǎng)格劃分圖

結(jié)構(gòu)計算模型

瀝青加鋪層荷載應(yīng)力計算模型2023/2/547軸重對瀝青加鋪層的影響采用單軸軸載進行力學(xué)分析，以標準軸載100KN為起點，按20KN一級遞增，至軸載240KN為止。2023/2/548

?

軸重增加，接縫處瀝青加鋪層底最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力成線性增長；?

軸載增加，接縫兩側(cè)的彎沉及彎沉差呈線性增長，接縫處瀝青加鋪層荷載應(yīng)力隨軸重變化接縫處兩側(cè)彎沉及彎沉差隨軸重變化2023/2/549瀝青加鋪層模量對加鋪層的影響車輛荷載為BZZ—100偏荷載作用，瀝青混合料模量從00MPa變化到2200MPa，分析瀝青加鋪層模量變化對荷載應(yīng)力產(chǎn)生的影響。

2023/2/5502023/2/551

?

隨著瀝青加鋪層模量增加，接縫處瀝青加鋪層最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力逐漸增大?

加鋪層模量增大，接縫兩側(cè)的彎沉及彎沉差都逐漸減小。加鋪層模量的提高并不能減少車輛荷載應(yīng)力，但可在一定程度上減小接縫兩側(cè)的彎沉及彎沉差?

地基模量增大，接縫處瀝青加鋪層最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力逐漸減小?

地基模量增加，接縫兩側(cè)彎沉及彎沉差都隨之變小，但彎沉的減小幅度遠大于接縫兩側(cè)的彎沉差減小幅度。2023/2/552應(yīng)力吸收層厚度變化對加鋪層的影響分別取應(yīng)力吸收層厚度為1～7cm，對加鋪層結(jié)構(gòu)進行荷載應(yīng)力有限元分析。車輛荷載為BZZ-100水泥混凝土路面板厚度22cm，彈性模量Ec=30000MPa，基礎(chǔ)當量模量E0=100MPa瀝青加鋪層厚度10cm、模量Ea=1200MPa；應(yīng)力吸收層材料模量根據(jù)室內(nèi)材料實驗取600MPa。2023/2/553應(yīng)力吸收層厚度在1～7cm變化，層頂各應(yīng)力變化不大，可見增加應(yīng)力吸收層厚度對于頂面的豎直剪應(yīng)力消減效果不明顯。接縫處瀝青加鋪層底面應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層厚度增加而大幅度降低。應(yīng)力吸收層厚度超過4cm時，厚度增加對于瀝青加鋪層底應(yīng)力的消散作用減緩，2023/2/554應(yīng)力吸收層厚度從1cm增加至7cm，其本身層底各應(yīng)力的減小幅度均在10%以內(nèi)，說明自身厚度增加對本體應(yīng)力緩解作用不大。2023/2/555應(yīng)力吸收層厚度變化對接縫兩側(cè)的彎沉及彎沉差影響很小，應(yīng)力吸收層厚度為2.5～3.0cm時，板間彎沉差出現(xiàn)最大值1.198（0.01mm），說明在該厚度時應(yīng)力吸收層的變形最大，有利于吸收應(yīng)力，發(fā)揮其柔韌流變特性。2023/2/556應(yīng)力吸收層模量對加鋪層荷載應(yīng)力的影響計算參數(shù)車輛荷載：BZZ-100水泥混凝土路面板厚22cm，彈性模量Ec=30000MP路面板平面尺寸：500cm×450cm；應(yīng)力吸收層厚度2.5cm，模量200、600、1200、2200MPa基礎(chǔ)當量模量E0=100MPa瀝青加鋪層厚度10cm、模量Ea=1200MPa2023/2/557應(yīng)力吸收層模量變化，使瀝青加鋪層底面應(yīng)力顯著變化應(yīng)力吸收層材料模量加大，加鋪層接縫處頂面應(yīng)力減小效果不明顯，說明應(yīng)力吸收層模量變化對瀝青層頂面應(yīng)力影響很小。應(yīng)力吸收層材料模量越小，減少加鋪層彎拉應(yīng)力及第一主應(yīng)力的效果越明顯，其為200～600MPa時，主要起吸收加鋪層內(nèi)的應(yīng)力，減小應(yīng)力集中，延緩裂縫形成的作用。2023/2/558模量變化對加鋪層結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響2023/2/559加鋪層接縫處距路面深度約4.5cm處拉應(yīng)力不隨應(yīng)力吸收層模量變化；加鋪層頂面至深度4.5cm，拉應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層模量減小增大，增加的幅度隨著路面深度的遞增而減?。患愉亴拥撞扛鲬?yīng)力隨應(yīng)力吸收層模量減小而顯著減小，說明低模量的應(yīng)力吸收層改善了整個加鋪層的應(yīng)力分布狀況，延緩反射裂縫在加鋪層中形成與擴展。2023/2/560

將路面結(jié)構(gòu)視為彈性層狀體系，建立由瀝青加鋪層、應(yīng)力吸收夾層、帶有裂縫或接縫的水泥混凝土路面和地基所組成路面體系組成的空間三維模型。水泥混凝土和基礎(chǔ)單元采用8節(jié)點實體單元，為反映半無限大空間地基的特性，采用擴大尺寸來模擬地基。根據(jù)實際路面溫度測量結(jié)果，取△T=－10℃計算溫度應(yīng)力。瀝青加鋪層溫度應(yīng)力計算模型2023/2/561溫度場測試2023/2/562應(yīng)力吸收層普通罩面應(yīng)力吸收層普通罩面層最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層厚度增加而減小，2～3cm厚的應(yīng)力吸收層對減小溫度應(yīng)力有重要作用。應(yīng)力吸收層厚度超過3cm時，溫度應(yīng)力減小幅度有限。應(yīng)力吸收層模量變化對于路面0.1m至0.125m深度處的溫度應(yīng)力的影響十分顯著。2023/2/563七、應(yīng)力吸收層瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2023/2/5642023/2/565八、瀝青加鋪層抗反射裂縫

室內(nèi)試驗論證

2023/2/566

微機監(jiān)控試驗過程

反射裂縫觀測

大比例尺寸疲勞試驗研究張開型試驗2023/2/567

反射裂縫觀測

剪切型試驗2023/2/568

MTS測試系統(tǒng)

MTS反射裂縫疲勞測試

加鋪層反射裂縫小梁疲勞試驗研究2023/2/5692023/2/570溫度型和剪切型大比例尺寸疲勞試驗，均表明應(yīng)力吸收層可消解水泥混凝土板塊接縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效地防止瀝青加鋪層反射裂縫產(chǎn)生。其良好的彈性和抗疲勞性能可使水平位移在較寬的范圍內(nèi)分散，降低加鋪層內(nèi)裂縫尖端的應(yīng)力強度因子幅值，使裂縫不會很快失穩(wěn)擴展，從而延緩裂縫反射的速度。2023/2/571九、試驗段鋪筑及試驗結(jié)果2023/2/572拌和生產(chǎn)攤鋪2023/2/573十、主要結(jié)論2023/2/574在分析和研究國內(nèi)外舊水泥混凝土路面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，通過對漢宜高速公路舊水泥混凝土路面的路況調(diào)查、病害處治及綜合評定，確定采用基于應(yīng)力吸收層系統(tǒng)的瀝青加鋪結(jié)構(gòu)方案。2023/2/575對應(yīng)力吸收層