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1、路基路面工程,刘 清,E-mail：,Subgrade and Pavement Engineering,第十四章 沥青路面设计,第一节 概述第二节 弹性层状体系理论第三节 沥青路面结构组合设计第四节 沥青路面的设计指标与标准第五节 我国沥青路面设计方法第六节 国外沥青路面设计方法简介,第一节 概述,结构组合设计 材料组成设计 厚度设计验算 结构方案比选 路肩构造设计 排水系统设计,1.1 沥青路面设计的内容,路基路面整体综合设计原则密切结合自然条件及实践基础原则满足交通与使用要求原则因地制宜、合理选材原则保护自然生态与沿线环境原则工厂及机械化施工、方便施工原则技术与经济性并重原则分期修建、方
2、便养护原则,1.2 沥青路面设计的原则,经验法：AASHTO法；CBR法。通过村试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构(结构层组合、厚度和材料性质)、车辆荷载(轴载大小和作用次数)和路面使用性能三考之间的关系，其特点是符合试验地的实际，但是不能结合不同地方的实际。力学经验法（M-E）：AI法；SHELL法；我国设计方法。主要力学-经验法应用力学原理分析路面结构在荷载与环境作用下的力学响应量(应力、应变、位移)，建立力学响应量与路面使用性能之间的关系模型、路面设计按使用要求，运用关系模型完成结构设汁，是目前设计方法发展的总趋势。我国现行的公路沥青路面设计规范采用弹性层状体系作力学分析基础理沦，
3、以双圆垂直均布荷载作用下的路面整体沉降(弯沉)和结构层的层底拉应力作为设计指标，以疲劳效应为基础，处理轴载标准化转换与轴载多次重复作用效应。,1.3 沥青路面结构设计方法种类,我国沥青路面交通轻重的等级划分 我国沥青路面按其承担的交通荷载轻重划分为四个交通等级，即：轻、中等、重、特重，具体以两种划分方法进行计算后取较高等级进行定级。,1.4 沥青路面的交通等级,第二节 弹性层状体系理论简介,沥青路面设计基本理论弹性层状体系理论弹性层状体系理论的图式,2.1 弹性层状体系理论,1）各层连续、弯曲弹性、均匀、各向同性，位移、形变微小；2）最下一层（路基）在水平方向和垂直方向无限大，其上各层厚度有限
4、，水平方向无限；3）各层在水平方向无限远处，及最下层向下无限深处，应力、形变、位移为零；4）层间接触情况，或完全连续（连续体系）或仅竖向应力和位移连续而无摩阻力（滑动体系）；5）不计自重。,2.2 弹性层状体系理论的假设,弹性层状体系理论的求解过程 轴对称，将车轮荷载简化为圆形均布荷载，利用平衡方程、物理方程、几何方程、边界条件求得弯沉和主应力的表达式。平衡方程 物理方程 几何方程,2.3 弹性层状体系理论的求解,第三节 沥青路面结构组合设计,总原则：面层耐久、基层坚实、土基稳定具体要求：适应行车荷载作用的要求 从上至下，从薄到厚，从强到弱，表层抗滑、抗磨耗在各种自然因素作用下稳定性好 具有很
5、好的水稳定性和温度稳定性考虑结构层的特点 上下层匹配，总体上强度足够而不过多浪费考虑防冻、防水要求,3.1沥青路面结构组合设计的基本原则,详细组合原则：根据沥青路面的工作特性，各结构层应尽量按强度和刚度自上而下逐层递减的规律安排；必须考虑材料特点和施工工艺以及强度和造价等方面考虑；各结构层应具有适宜的厚度，不宜使层数过多而厚度过小；应合理选择相邻结构层之间的模量比（基层:面层（E2E1）宜在1.53，基层:底基层（E2E3）宜不大于3，底基层:土基（E3E0）宜在2.512.5）；对于低温地区，应考虑收缩裂缝，进行合理的防止反射裂缝组合，并保证有适宜的沥青面层厚度；对于潮湿地区及多雨地区，应考
6、虑水稳定性，选择水稳定性好的基层及尽量考虑不透水的面层；路面还应满足防冻厚度的要求；应考虑结构层间的结合性。,3.1沥青路面结构组合设计的基本原则,沥青路面结构组合面层（小于20cm）：单层、双层或三层沥青面层；高速及一级公路宜选用密实型中粒式或细粒式沥青混凝土混合料做表面层；密实型中粒式和粗粒式混合料做中面层和下面层。基层（2040cm或更厚）：柔性（采用沥青处治的级配碎石和无结合料的级配碎石）、半刚性（水泥、石灰或工业废渣等无机结合料稳定碎石）、刚性（低强度等级混凝土）或组合式垫层：排水、防冻、防水、防污等粒料（粗砂、砂砾、矿渣等）或稳定土层间结合：牢固（透层沥青、粘层沥青）,3.2 沥青
7、路面结构组合设计,沥青层最小厚度要求,3.2 沥青路面结构组合设计,基层最小厚度和适宜厚度要求,3.2 沥青路面结构组合设计,第四节 我国沥青路面设计方法,我国沥青路面的设计指标与要求我国公路沥青路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标。对沥青混凝土面层和整体性材料的基层、底基层应进行层底拉应力的验算，城市道路尚须进行沥青面层的剪应力验算。设计指标及验算指标必须小于其极限标准。,4.1 设计指标与极限标准,设计理论-层状体系理论2、设计指标和要求：轮隙中间路表面（A点）计算弯沉值ls小于或等于设计弯沉值ld轮隙中心下（C点）或单圆荷载中心处
8、（B点）的层底拉应力m应小于或等于容许拉应力R,4.1 设计指标与极限标准,以弯沉作为设计指标的原因路面总变形表征路面各结构层的变形与路基顶面变形之和，反映了路面整体刚度的强弱。当路面在车辆荷载反复作用下不断地弯曲使变形积累、增大到某种程度时，路面结构即产生疲劳开裂，从而可在一定程度上建立起路面损坏与弯沉、弯沉与轴载作用次数间的关系。路表弯沉值可以简单地量测，操作简便；压应变、拉应变指标测试较困难。弯沉指标既可作为设计指标，又可以作为质量检验、路面养护的评价手段。,4.1 设计指标与极限标准,弯沉概念 回弹弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生垂直变形，卸载后能恢复的那一部分变形。残余弯沉：路基
9、或路面在规定荷载作用下产生的卸载后不能恢复的那一部分垂直变形。总弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的总垂直变形（回弹弯沉+残余弯沉）。容许弯沉：路面设计使用期末不利季节,标准轴载作用下双轮轮隙中间容许出现的最大回弹弯沉值。设计弯沉：是指路面交工验收时、不利季节、在标准轴载作用下,标准轴载双轮轮隙中间的最大弯沉值。,4.1 设计指标与极限标准,弯沉测定 贝克曼法：传统检测方法，速度慢，静态测试，试验方法成熟，目前为规范规定的标准方法。自动弯沉仪法：利用贝克曼法原理快速连续测定，属于试验范畴，但测定的是总弯沉，因此使用时应用贝克曼进行标定换算。落锤弯沉仪法：利用重锤自由落下的瞬间产生的冲击载荷测
10、定弯沉，属于动态弯沉，并能反算路面的回弹量，快速连续测定，使用时应用贝克曼进行标定换算。,4.1 设计指标与极限标准,设计弯沉值 设计弯沉值是路面峻工验收时、最不利季节、路面在标准轴载作用下测得的最大(代表)回弹弯沉值。可根椐设计年限内每个车道通过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型确定的路面弯沉设计值。,l d 设计弯沉值（0.01mm）；Ne 设计年限内一个车道累计当量轴次；Ac 公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；As 面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；热拌和冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路 面、沥青表面处治为1.1。AB 基层类型系
11、数，半刚性基层取1.0，柔性基层取1.6,4.1 设计指标与极限标准,容许弯拉应力,R 路面结构层材料的容许拉应力(MPa);SP 沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度(MPa)；对沥青混凝土的极限劈裂强度，系指15时的极限劈裂强度；对水泥稳定类材料龄期为90d的极限劈裂强度(MPa)；对二灰稳定类、石灰稳定类材料系指龄期为180d的极限劈裂强度(MPa)，水泥粉煤灰稳定类120d的极限劈裂强度(MPa)。KS 抗拉强度结构系数。,沥青混凝土层的抗拉强度结构系数：,无机结合料稳定集料类：,无机结合料稳定细粒土类：,4.1 设计指标与极限标准,路面结构的弯沉计算,弹性层状理论是在一定假设条件下（
12、半无限空间体、材料各向同性、均质体且不计自重）经过复杂的力学、数学推演的理论体系，假设条件与路面实际不完全相符合，这是导致理论与实际不一致的原因。因此引入弯沉修正系数F，将理论弯沉值进行修正，使计算弯沉与实测弯沉值趋于接近。,弯沉修正系数,4.2 路面结构厚度设计方程式与设计参数,路面结构的弯拉应力计算,理论最大拉应力系数：,实际设计时，该值通过程序计算得到。,4.2 路面结构厚度设计方程式与设计参数,路面结构的设计参数需要得到的设计参数：,其中：Ne标准轴载累计作用次数；E0土基的回弹模量；0泊松比，一般可取为0.250.35（强度高时取小值）；规范要求：,4.2 路面结构厚度设计与设计参数
13、,土基回弹模量取值方法 现场测试法：承载板测试法：采用直径30cm的刚性承载板，在现场土基表面，通过承载板对土基逐级加载、卸载的方法，测出每级荷载下相应的土基回弹变形值，采用1mm线性归纳法按下式计算测点处路基回弹模量值：,承载板测试法：,回弹弯沉测试：,落锤式弯沉仪：,4.2 路面结构厚度设计与设计参数,土基回弹模量取值方法 查表法：1）确定临界高度（根据自然区划、土质）；2）拟定土的平均稠度（根据路基设计高度与临界高度的关系，确定路基顶面以下80cm范围内不同深度的含水量，计算平均稠度；3）预测土基回弹模量（根据平均稠度、土质、自然区划查表）室内试验法：根据室内小承载板测得回弹模量，乘以折
14、减系数。换算法：通过回归分析，确定特定地区、土质的CBR等现场试验数据与回弹模量的关系；,4.2 路面结构厚度设计与设计参数,土基回弹模量的参数,4.2 路面结构厚度设计与设计参数,结构层的回弹模量的要求以路表弯沉值为设计指标时，设计参数采用抗压回弹模量（沥青混凝土试验温度为20）。以弯拉应力（应变）为设计指标时，拟验算的结构层采用抗压回弹模量（沥青混凝土试验温度为15）。考虑到模量取值的不利组合，回弹模量的设计值取值：1）计算路表弯沉值时，抗压回弹模量应按下式计算其设计值：2）计算层底拉应力时，计算层以下各层的模量应采用式（1）计算其设计值；计算层及以上各层模量应采用式（2）计算其设计值：,
15、4.2 路面结构厚度设计与设计参数,沥青结构层的回弹模量参数,4.2 路面结构厚度设计与设计参数,半刚性基层结构层的回弹模量参数,4.2 路面结构厚度设计与设计参数,新建路面的厚度设计 交通量已知，各层材料模量、泊松比、抗拉应力已知，除待设计层外各层厚度已知，需计算设计层厚度：设计过程：1）根据拟定的结构层材料，确定设计弯沉计算公式中各参数，计算设计弯沉值；2）目标：交工验收时轮隙中心实测路表弯沉小于等于设计弯沉；3）通过诺模图或电算程序，查图或电算求出待设计层的厚度；4）通过弯拉应力验算；5）抗冻层厚度验算 6）技术经济比较,4.3 新建路面厚度设计,新建路面的厚度设计程序,4.3 新建路面
16、厚度设计,甲乙两地之间计划修建一条四车道的一级公路，在使用期内交通量的年平均增长率为10%。该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为1.0，沿途有大量碎石集料，并有石灰供给。预测该路竣工后第一年的交通组成如表所示，试进行路面设计。,4.4 新建路面的厚度设计实例,1、交通分析 1）轴载换算（弯沉及沥青层弯拉应力分析时）,4.4 新建路面的厚度设计实例,2）轴载换算（半刚性层弯拉应力分析时）,注：轴载小于50KN的轴载作用可以不计。,4.4 新建路面的厚度设计实例,1、交通分析3）累计标准轴载作用次数（累计当量轴次）作弯沉计算及沥青层底弯拉应力验算时 作半刚性基层层底弯拉应力验算时,4.4 新建路面
17、的厚度设计实例,2、初拟结构组合和材料选取1）设计年限内一个行车道上的累计标准轴次为九百万次左右。根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构面层采用沥青混凝土(18cm)，基层采用水泥稳定碎石（厚度取20cm），底基层采用石灰土（厚度待定）。2）采用三层式沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土(厚度4cm)，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土(厚度6cm)，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土(厚度8cm)。,4.4 新建路面的厚度设计实例,3、各层材料的抗压模量与劈裂强度1）查表得到各层材料的抗压回弹模量和劈裂强度。20的抗压回弹模量（以设计弯沉为设计验算指标时）：细粒
18、式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa，水泥碎石为500MPa，石灰土550MPa。15的抗压回弹模量（以层底拉应力为设计验算指标时）：弯拉回弹模量和弯拉强度沥青层取15的值，分别为2000MPa、1800MPa、1200MPa、3550MPa、1480MPa 各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为1.4MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1.0MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为0.8MPa，水泥碎石为0.5MPa，石灰土0.225MPa。,4.4 新建路面的厚度设计实例,4、土基回弹模量的确定 该路段处于IV7区，为
19、粉质土，稠度为1.0，查表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值(MPa)”得土基回弹模量为40MPa。5、设计指标的确定计算设计弯沉值 本公路为一级公路，公路等级系数AC取1.0，面层是沥青混凝土，面层类型系数AS取1.0，半刚性基层，路面结构类型系数AB取1.0。设计弯沉值为：,4.4 新建路面的厚度设计实例,6、设计指标的确定-容许拉应力1）细粒式密级配沥青混凝土的容许拉应力；2）中粒式密级配沥青混凝土的容许拉应力；3）粗粒式密级配沥青混凝土的容许拉应力；4）水泥碎石的容许拉应力；5）石灰土的容许拉应力；,4.4 新建路面的厚度设计实例,7、设计资料汇总 设计弯沉值为23.5（0.01mm）,8、确定石灰土层厚度 通过程序设计计算得到，石灰土的厚度为40.29cm，沥青面层的层底均受压应力，水泥碎石层底的最大拉应力为0.2429MPa，石灰土层底最大拉应力0.085MPa。上述设计结果满足指标要求，底基层厚度40cm。,4.4 新建路面的厚度设计实例,4.4 新建路面的厚度设计实例,
