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山区公路总报告
亚热带山区高速公路长大纵坡抗车辙
路面技术研究总报告
二〇一二年二月
目录
1项目的简要说明……………………………………………………………………1
2国内外研究现状……………………………………………………2
3主要研究内容及技术路线…………………………………………………4
4主要研究方法………………………………………………………………………5
5结论与建议……………………………………………………………………6
6主要创新点……………………………………………………………………7
亚热带山区高速公路长大纵坡抗车辙
路面技术研究总报告
1项目简要说明
1.1工程概况
下简称六河高速公路)是国家规划的“四纵四横”八条西部开发省际公路通道之一的阿荣旗-北海公路在广西北部的组成路段,主线全长约108km。
路线处于云贵高原向广西盆地过渡的斜坡地带,地貌类型主要为岩溶峰林洼地及构造剥蚀低山丘陵地貌,属亚热带典型的山区道路工程。
六河高速公路路面D标全长32.439公里,技术标准为四车道高速公路,设计速度100公里/小时,设计标准轴载为100kN(BZZ-100),设计年限15年,一个车道上累计当量轴次Ne为4495.1万次,设计弯沉值为0.177mm。
该地区年极端最高温度为41.7℃,年极端最低温度为3.1℃,由于受地形、地质、水文和生态环境等条件的限制与影响,高差起伏大、弯道多和纵坡陡且长,长大纵坡路段由于克服高差的需要,设计时需要接近坡长限制的陡坡和缓坡交替使用,这样的设计虽然满足了技术标准和规范的要求,但极限指标时有出现。
其中本标段设计的长大纵坡段为坡度4%,里程桩号为K89+300~K96+400,总长7.1公里,占本标段总长度约22%。
长大纵坡路段路面极容易在高温和重载车辆作用下产生粘弹塑性的变化,同时长陡坡路段重载车辆在上坡路段的低速行驶,对路面沥青层的作用时间大幅增长,根据流变学的一般规律应用温度与时间的换算法则,长时间承受荷载与高温条件等效。
低速行驶所产生的形变量是高速行驶所产生的形变量的数倍。
并且随着坡度的增大,车辆对路面产生的横向剪切作用随之增大,加速了路面永久变形的产生。
如何改善长大纵坡路段沥青路面层间力学状态,从而在一定程度上改善路面抗车辙性能具有重要的理论价值与现实意义。
1.2线路主要技术标准
(1)本合同段路基设计宽度为26m,双向四车道
(2)设计行车速度100公里/小时
(3)沥青混凝土路面
(4)全封闭、全立交、山区高速公路
(5)设计横坡:
-7%~7%
1.3本路段路面结构设计说明
1.3.1路面设计的结构参数
路面结构为4cmAC-13C型沥青混凝土抗滑表层+6cmAC-20C型中粒式沥青混凝土+8cmAC-25C型粗粒式沥青混凝土+20cm5%水稳基层+40cm4%水稳底基层。
1.3.2气候特点
路线经过区域属亚热带季风气候区,年平均降雨量一般在1200~1600毫米之间,夏长而炎热,冬短而暖和,气温较高,年平均气温一般都在16.9~21.5摄氏度,年极端最高温度为41.7℃,年极端最低温度为3.1℃,降雨集中在6、8、9月。
2国内外研究现状
随着我国国民经济的迅速发展,公路交通向大轴载、大流量和渠化交通方向发展,使沥青混凝土路面很容易产生车辙,长大纵坡路段出现的车辙更严重,反复维修不能彻底处理。
国内外学者对长大纵坡路段车辙病害产生原因进行了大量的研究。
1962年,美国各州公路工作者协会(AASHO)首先提出产生车辙的主要原因是剪切应力开始,国外学者分别从不同角度对车辙病害进行研究,阐述了车辙病害形成机理,提出相当数量与限制车辙深度和车辙预测方法,制定一系列产生车辙预估模型。
在国内,对于车辙的研究起步比国外晚,交通部公路研究所、同济大学、东南大学、长安大学等单位先后进行了大量的研究,也取得了显著的成果。
在上世纪八十年代到九十年代间三个五年计划中,对于沥青路面的研究取得了较大的进展。
从用粘弹性理论计算(预估)车辙深度,用单轴蠕变试验确定有关参数,发展到通过车辙试验建立了车辙预估模型,使用动稳定度作为评价抗车辙能力的标准,从力学的观点分析了沥青路面车辙的形成机理。
但由于国外在高速公路交通规划、交通管理、荷载控制等方面做的很出色,重载超载现象较少,正常路面上使用较好的结构在一般的纵坡上使用效果亦较好,因此,国外一般在沥青混凝土的高温抗车辙、抗水损害、耐疲劳破坏、降噪环保等方面研究较多,没有真正意义上对长大纵坡沥青路面进行研究。
近年来由于长大纵坡车辙病害问题得到关注,国内有些学者做过一些关于此方面的研究,李凌林、杨海荣等专家归纳总结出了长大纵坡条件下的车辙形成及发展规律,指出高温、重载、慢速的不利组合是导致上坡沥青路面短期内出现车辙的决定性因素,而重载和慢速的联合影响是引起上坡车道反复出现车辙的主要原因,提出减小坡度和控制坡长是提高路面抗车辙能力的有效方法。
这些学者主要从线路设计选择和结构层设计方面提出解决的总体办法和思路,并且国家技术标准和规范修订也做出了相应的要求和规定。
国内外针对亚热带山区长大纵坡高速公路沥青路面的施工方面的关键技术几乎没有进行全面研究和总结。
3主要研究内容及技术路线
3.1主要研究内容
通过对现有资料的总结,结合理论分析,深入分析长大纵坡车辙病害的问题,研究有关长大纵坡路段非结构设计调整情况下,预防车辙病害的措施和相应施工工艺两个方面的内容。
(1)长大纵坡路段沥青混合料配合比设计研究
1)根据沥青路面的时温等效特性,采用车辙试验建立了车辙预估模型,使用动稳定度作为评价抗车辙能力的标准,从力学的观点分析了沥青路面车辙的形成机理,提出适用于长大纵坡沥青混合料类型。
2)长大纵坡路段非结构性设计的前提下,沥青混合料原材料比选和配比优化设计,研究长大纵坡路段高抗车辙沥青混合料的设计线路。
3)验证设计选定沥青混合料的抗车辙性能以及渗水性能优劣性。
并进行经济性分析,确定级配与沥青含量,优化设计配合比,提供经济适用的生产配合比。
(2)长大纵坡路面施工工艺研究
对长大纵坡路段沥青混合料的拌和温度、拌和时间、拌和工艺、质量控制方法进行研究,确保施工出质量优良的沥青混合料,对摊铺条件、摊铺、碾压等施工工艺研究,并对施工工艺进行总结,形成长大纵坡路面施工工法。
3.2技术路线
·
4主要研究方法
根据课题内容和研究目的,主要研究方法如下:
(1)收集国内外相关资料,并到山东、江苏、浙江等地进行实地考察,并聘请长安大学孙祖望教授对抗车辙沥青路面的历史、现状和“骨架密实结构的T0R沥青-橡胶混合料及其抗车辙性能的研究”学术专题报告。
(2)材料调查选择。
对集料、沥青等材料进行优选。
(3)对混合料进行目标配合比设计和试验验证,选择合适的级配和油石比。
进行生产配合比设计,进行拌和站的试拌检验、现场试验段检验,确定出用以指导施工的生产配合比。
(4)现场试验段施工,对比分析不同工艺,探索混合料的搅拌、摊铺、碾压工艺和施工方法。
(5)对施工工艺总结,提出施工工法。
5结论与建议
5.1结论
1、通过改进中、上面层级配,充分发挥粗集料的嵌挤作用,选定间断级配为中、上面层矿料级配方案,提高沥青路面的抗车辙能力。
2、通过无机添加剂替代部分矿粉,改善沥青胶浆的粘聚力,提高沥青混合料材料模量,可有效抵御车辙变形。
材料模量增大,剪应力增大,剪应变减小,剪应变的大小反应材料形状的改变比,实质是提高材料的劲度,延缓车辙的形成。
3、对于亚热带山区高速长大纵坡路面,重载、高温、低速的综合因素,材料在粘塑性阶段永久变形存在不可自愈性,材料性能和配比优化设计是保证混合料高抗车辙性能重要手段。
4、调整沥青混合料搅拌工艺,改变原材料的投料顺序,沥青直接喷洒在热集料上搅拌均匀后,再加入矿粉和水泥搅拌均匀,促使沥青的针入度降低、软化点提高,从而大大地提高了沥青和碎石的粘附性,以及沥青混合料的高温稳定性和劲度模量也得到大大的提高。
5、调整碾压工艺,通过轮胎压路机初期的搓揉,将沥青浆体提上来,防止沥青在碾压过程出现离析,避免了高温沥青混合料在大纵坡上施工时出现沥青析漏现象,从而提高了沥青路面的抗车辙性。
6、施工控制是亚热带山区高速长大纵坡路面防止车辙最重要的环节。
加强压实,提高压实度要求,控制残余孔隙率,减少通车的持续压实,造成永久变形形成车辙。
7、防止雨天和路面潮湿铺筑,减小层间污染,提高路面的密水性,防止渗水形成层间滑动界面条件,抵抗纵坡上行产生的剪应力产生蠕变形成车辙。
8、现场摊铺、运输中沥青离析,需采取及时处,严格控制各阶段温度控制,防止温度离析,减少混合料不均匀性。
5.2建议
1预防性养护
对高温时段长大纵坡路段,在路面温度达到沥青软化点前30min,每隔一段时间对路面洒水可有效降低路面温度,以延缓车辙病害形成。
2实施高温时段的交通控制
对于客观条件气温和路面温度无法改变时,可针对高温时段采取交通控制措施。
可以学习国外的做法,在夏季特别是白天高温的时段封闭部分路段的货车交通,管制重载车只在晚间通行,就如雨雪天封路一样,这种天气全年一般不会太多,但效果将会很好。
6主要创新点
1、通过提高中面层抗车辙能力是防止车辙病害的关键手段,改进中、上面层级配,充分发挥粗集料的嵌挤作用,选定间断级配为中、上面层矿料级配方案。
2、调整沥青混合料搅拌工艺,改变原材料的投料顺序,沥青直接喷洒在热集料上搅拌均匀后,再加入矿粉和水泥搅拌均匀,促使沥青的针入度降低、软化点提高,从而大大地提高了沥青和碎石的粘附性,以及沥青混合料的高温稳定性和劲度模量也得到大大的提高。
3、调整碾压工艺,通过轮胎压路机初期的搓揉,将沥青浆体提上来,防止沥青在碾压过程出现离析,避免了高温沥青混合料在大纵坡上施工时出现沥青析漏现象,从而提高了沥青路面的抗车辙性。
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