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1、第4节 国内沥青路面设计方法,1.设计理论：双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论,当量圆半径：=(P/p)1/2=0.1065m,标准轴载：单轴双轮BZZ-100,单个轮胎：P=(100/4)=25kN,两轮圆心间距：3=0.3195m,第4节 国内沥青路面设计方法,2.设计指标：,3.设计标准：ls ldm R,路表回弹弯沉ls,沥青混凝土层层底弯拉应力m或半刚性材料层层底弯拉应力m,第4节 国内沥青路面设计方法,问题一：路面设计的最终目标是什么？,问题二：设计中保证最终目标的方法是什么？,问题三：设计规范采用回弹弯沉和拉应力设计指标？,满足设计年限内道路正常运营的功能性要求满足设计年限
2、内道路正常运营的结构性要求,选取合适的道路建材满足功能性要求选取合理的设计指标与标准满足结构性要求,路表回弹弯沉反映路面结构层及土基的整体刚度和强度，同时反映路面使用状况层底拉应力能够综合反映结构强度各种破坏形式,第4节 国内沥青路面设计方法,1.沉陷破坏结构性车辙,一、沥青路面破坏状态与设计标准,破坏原因：土基承载力不足轮载作用下过度变形,破坏形式：轮载下表面产生严重凹陷，凹陷两侧隆起，沉陷继续发展，形成路面纵向裂缝甚至网裂,控制指标：路基表面垂直应力或垂直应变,控制标准：z0 z0或z0 z0,第4节 国内沥青路面设计方法,2.车辙破坏失稳型车辙,一、沥青路面破坏状态与设计标准,破坏原因：
3、轮载下基层永久变形或面层高温侧向位移,破坏形式：轮载下表面产生纵向带状凹陷两侧微隆起，车轮外侧有微裂缝,控制指标：结构层残余变形总和（车辙深度）,控制标准：lre lre,第4节 国内沥青路面设计方法,3.疲劳开裂破坏,一、沥青路面破坏状态与设计标准,破坏原因：轮载反复作用结构层承受反复弯拉应力作用，超过疲劳强度,破坏形式：横向开裂逐步发展形成网裂,控制指标：结构层底弯拉应力或拉应变,控制标准：r R或r R,第4节 国内沥青路面设计方法,4.表面剪切破坏,一、沥青路面破坏状态与设计标准,破坏原因：轮载水平力反复作用面层发生剪切破坏,破坏形式：表面发生波浪形式的变形，表面剪切推移的结果,控制指
4、标：面层抗剪强度,控制标准：max R,第4节 国内沥青路面设计方法,5.低温缩裂破坏,一、沥青路面破坏状态与设计标准,破坏原因：环境温度降低温度应力超过抗拉强度,破坏形式：有间隔的横向开裂,控制指标：温度应力,控制标准：rt RT,第4节 国内沥青路面设计方法,1.路面主要破坏类型变形破坏：轮载反复作用下累积变形不断发展而破坏强度破坏：结构层内或层间应力超过材料强度而破坏,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（一）主要破坏形式及对应控制指标,2.路面设计控制指标控制变形（刚度要求）：路表回弹弯沉控制应力（强度要求）：层底拉应力,第4节 国内沥青路面设计方法,1.路表回弹弯沉概念 设计标准
5、轴载作用下垂直方向的回弹变形总位移，表征路面总体刚度,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（二）路表回弹弯沉指标及设计标准,2.路表弯沉组成A.路面结构层垂直回弹变形,占总变形90%;,第4节 国内沥青路面设计方法,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（二）路表弯沉指标及设计标准,3.选用原因,路表回弹弯沉可表征路面整体刚度弱强（即路面结构扩散表面荷载的能力）,路表回弹弯沉可表征路基工作状况及承载力强弱。,路表回弹弯沉与路面使用寿命（累积交通量）具有紧密关系,路表弯沉可简单地用贝克曼梁量测，操作简便，真实可靠，廉价，易于推广到科研、施工、养护单位。,第4节 国内沥青路面设计方法,4.弯
6、沉设计标准,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（二）路表弯沉指标及设计标准,根据大量使用多年且出现破坏状况的路面弯沉测定，交通量调查，数据分析整理，获得路面达到临界状态(出现纵横向裂缝)时的弯沉标准与累积交通量的相关关系;,经过反复测试与验证，得到路面弯沉设计标准计算公式ld=600Ne-0.2AcAsAbld:设计弯沉值，单位0.01mm,Ab:基层类型系数，对半刚性基层=1.0；柔性基层=1.6;对于混合式基层采用线性内插确定基层类型系数,Ab=(HF+2)/20，HF半刚性基层或底基层之上柔性结构层总厚度（cm）,淮盐高速路面结构组合设计,淮安盐城高速公路路面结构设计弯沉,双向四车
7、道高速公路：Ac=1.0；沥青混凝土面层，As=1.0;设计年限15年内弯沉与沥青层底拉应力验算Ne=2.87107次，,Ab=(4+6+10+2)/20=1.1,ld=Ne-0.2AcAsAb=(2.87107)-0.2 1.0 1.0 1.1=21.28 0.01mm,第4节 国内沥青路面设计方法,1.层底拉应力概念 设计标准轴载作用下路面结构层层底水平向正应力为拉应力,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（三）层底拉应力指标及设计标准,2.结构层拉应力分析A.半刚性基层路面，沥青层底主要是压应力或很小的拉应力，半刚性基层或底基层拉应力起主要控制作用;B.柔性基层或组合基层路面，基层粒
8、状材料不承受拉应力，沥青面层层底拉应力起主要控制作用;,第4节 国内沥青路面设计方法,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（三）层底拉应力指标及设计标准,3.选用原因,沥青路面主要强度破坏形式即为层底拉应力疲劳破坏，层底拉应力可用于表征个别结构层发生的极限破坏状态；,半刚性基层沥青路面弯沉值一般达到40（0.01mm）以上，基层基本失去了板体性，严重的出现松散。这说明半刚性沥青路面发生了结构破坏，原因是基层产生过大拉应力而造成基层疲劳开裂，进而导致沥青路面产生疲劳开裂。,第4节 国内沥青路面设计方法,4.层底容许拉应力,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（三）层底拉应力指标及设计标准
9、,容许拉应力：路面承受行车反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力;,容许拉应力R（最大疲劳应力）极限抗拉强度sp（如劈裂强度、弯拉强度）,经过大量验证研究，得到R与sp的关系式：R=sp/KsKs:抗拉强度结构系数。不同结构层Ks计算公式,沥青混凝土层：Ks 0.09Ne0.22/Ac无机结合料稳定集料层二灰碎石：Ks 0.35Ne0.11/Ac无机结合料稳定细粒土层二灰土：Ks 0.45Ne0.11/Ac,淮盐高速路面结构组合设计,淮安盐城高速公路路面结构容许拉应力,沥青混凝土,Ks 0.09Ne,A0.22/Ac=0.09(2.87107)0.22/1.0=3.93,Ks 0.35Ne,
10、B0.11/Ac=0.35(1.53107)0.11/1.0=2.16,Ks 0.45Ne,B0.11/Ac=0.45(1.53107)0.11/1.0=2.78,水泥稳定碎石,二灰土,设计年限15年内弯沉与沥青层底拉应力验算Ne,A=2.87107次;设计年限15年内半刚性基层层底拉应力验算Ne,B=1.53107次,淮盐高速路面结构组合设计,淮安盐城高速公路路面结构容许拉应力,第4节 国内沥青路面设计方法,两个设计指标构成的方程式设计弯沉 ld：lsld容许拉应力R：m R 两式同时满足时，设计层的厚度即为最终设计厚度不能同时满足时，调整设计层厚度、材料类型或层位,三、路面结构厚度设计之方
11、程式与设计参数（一）厚度设计验算方程式,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（二）路表弯沉ls计算,1.路表弯沉ls计算公式：ll为理论计算值，可以通过计算软件如Bisar计算得到,理论弯沉系数,弯沉综合修正系数：ls单位为0.01mm；单位为cm,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（二）路表弯沉ls计算,2.路表弯沉ls修正原因：弹性层状体系理论弯沉计算基于大量假设条件实际情况下基层或土基的模量、材料特性和参数等方面与理论假设存在差异理论计算结果与实际弯沉存在误差，因此必须修正,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设
12、计之方程式与设计参数（二）路表弯沉ls计算3.路表弯沉验算位置只需验算两轮轮隙中心位置A点,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（二）路表弯沉ls计算,4.路表弯沉 ls简单算例当量荷载圆半径 单位为10.65cm,Bisar计算得到A点理论弯沉ll为39.40.01mm，土基回弹模量E0=36MPa，标准轴载胎压p=0.707MPa，试计算路表弯沉 ls,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（三）结构层层底拉应力m计算,1.结构层层底拉应力m计算公式：其中，p为轮胎压力,理论最大拉应力系数,结构层层底拉应力m可以采用计算软件（如
13、Bisar）计算，弹性层状体系计算获得的层底拉应力无需再次修正,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（三）结构层层底拉应力m计算,2.层底拉应力验算位置两轮轮隙中心下层底位置C点单圆圆中心下层底位置B点验算各层最大值拉应力,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（四）结构层设计参数,1.路基回弹模量E0：,(1)现场测定法（参见书P393-394）刚性承载板法落锤弯沉仪法,(2)室内试验法（参见书P398）最佳含水量下小型承载板测得E0根据土基稠度，获得不利季节折减系数,(3)换算法（参见书P398）根据现场测定或室内试验，获得E0
14、相关的经验公式根据经验公式计算回弹模量E0,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（四）结构层设计参数,1.路基回弹模量E0：,(4)查表法临界高度法确定平均稠度确定临界高度H1、H2 与 H3（可查表1-9）根据H0与临界高度关系（表14-10）确定路基干湿状态根据路基干湿状态稠度建议值，拟定土的平均稠度根据自然区划,土质类型,平均稠度预估路基回弹模量,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（四）结构层设计参数,2.结构层回弹模量Ei试验方法确定,（1）以弯沉为设计或验算指标时，采用20oC的抗压回弹模量,（2）以沥青层或半刚性材料
15、结构层为设计或验算指标时，采用15oC的弯拉回弹模量或抗压回弹模量,参考沥青路面设计规范JTGD50-2004,（3）无结合料结构层（如级配碎石）只采用抗压回弹模量,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（四）结构层设计参数,3.结构层材料弯拉极限强度sp试验方法确定,（1）弯拉极限强度可采用15oC的劈裂强度,（2）劈裂强度采用间接拉伸（劈裂）试验测定,参考沥青路面设计规范JTGD50-2004,第4节 国内沥青路面设计方法,四、新建路面厚度设计步骤（一）设计弯沉与容许弯拉应力计算,2.容许弯拉应力R：R=sp/Ks沥青混凝土层：Ks 0.09Ne0.22/Ac
16、无机结合料稳定集料层二灰碎石：Ks 0.35Ne0.11/Ac无机结合料稳定细粒土层二灰土：Ks 0.45Ne0.11/Ac,1.设计弯沉ld：ld=600Ne-0.2AcAsAbAc、As取值参见书P390；Ab（基层类型系数）参见沥青路面设计规范JTG-D50-2004，柔性基层Ab=1.6，半刚性基层Ab=1.0，组合基层Ab=(HF+2)/20HF：半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚度（cm）,第4节 国内沥青路面设计方法,四、新建路面厚度设计,（二）确定土基回弹模量E0,（三）制定路面结构组合方案拟定路面结构组合方案、设计层及其试算厚度测定设计参数Ei和sp,（四）计算路表弯沉ls和
17、结构层层底拉应力m,（五）验算设计指标与设计标准，确定结构层厚度取同时满足两种设计指标的设计层厚度为最终厚度,（六）季节性冰冻地区进行防冻层厚度验算,（七）技术经济分析，选定最佳路面结构方案,第4节 国内沥青路面设计方法,四、新建路面厚度设计内容1.表面弯沉设计指标验算,*根据新规范（JTGD50-2006）要求：各级轴载（包括P40kN或P25kN）都要求进行当量轴载换算。,(1)轴载换算Ne采用公式,(2)设计弯沉计算公式：ld=600Ne-0.2AcAsAb,(3)弹性层状体系表面弯沉理论值ll计算（各结构层采用20 oC的抗压回弹模量）,(4)理论弯沉修正获得ls：,(5)表面弯沉验算
18、：ls ld?,第4节 国内沥青路面设计方法,四、新建路面厚度设计注意事项2.沥青层层底拉应力设计指标验算,*根据新规范（JTGD50-2006）要求：各级轴载（包括P40kN或P25kN）都要求进行当量轴载换算。,(1)轴载换算Ne采用公式,(2)容许拉应力计算公式：R=sp/Ks沥青混凝土层：Ks 0.09Ne0.22/Ac,(3)弹性层状体系计算沥青层层底拉应力m（各结构层采用15 oC的抗压回弹模量）,(4)容许拉应力验算：m R?,第4节 国内沥青路面设计方法,四、新建路面厚度设计注意事项3.半刚性材料层底拉应力设计指标验算,*根据新规范（JTGD50-2006）要求：各级轴载（包括
19、P40kN或P25kN）都要求进行当量轴载换算。,(1)轴载换算Ne采用公式,(2)容许拉应力计算公式：R=sp/Ks无机结合料稳定集料层二灰碎石：Ks 0.35Ne0.11/Ac无机结合料稳定细粒土层二灰土：Ks 0.45Ne0.11/Ac,(3)弹性层状体系计算半刚性材料层底拉应力m（各结构层采用15 oC的抗压回弹模量）,(4)容许拉应力验算：m R?,第4节 国内沥青路面设计方法,五、路面竣工验收指标,评定对象：竣工后第1年不利季节标准轴载BZZ-100作用下轮隙中心路表实测弯沉lr实测弯沉lr与竣工验收弯沉la对比lrla,竣工验收弯沉的取值1.设计弯沉为指标设计路面时，设计弯沉ld
20、即为竣工验收弯沉la2.弯拉应力为指标设计路面时，计算弯沉ls即为竣工验收弯沉la,第4节 国内沥青路面设计方法,六、沥青路面改建设计,1.路面结构状况调查与评定了解路面现有结构状况和强度预估剩余使用寿命，分析路面损坏的原因和处理措施,2.原路面当量回弹模量计算弯沉等效原则Ez=1000(2p/l0)m1m2弯沉等效原则就是要较真实地反映旧路的原有状况,3.加铺层设计将旧路层状体系等效视为 一弹性半空间体加铺层与旧路构成新的层 状体系，重新按照设计方法予以设计,沥青路面设计实例,基本资料,参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,自然条件：该地区隶属公路自然区划1a区；地基土主要为软土，分
21、布广泛；年降雨量较大雨水集中；夏季最高气温可达38oC，冬季最低气温可达-5oC；,地质资料与筑路材料：主要采用填方构筑路堤，路堤填土为粘性土，填筑高度为1.2m左右，地下水位埋藏深度为地面下0.3m左右；拟设计路段沿线具有较为丰富的砂砾，附近有小型采石场和石灰厂以及火电厂。路面所用沥青与水泥需要外购,设计要求：长三角某公路部分路段拟设计为双向六车道高速公路，设计年限15年，拟采用沥青路面结构，试按照相关设计条件进行路面结构设计,沥青路面设计实例,交通资料：开放交通第1年双向日混合交通量为16880，年平均增长率为6.5%,参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,沥青路面设计实例,交通资
22、料：开放交通第1年双向日混合交通量为16880，年平均增长率为6.5%,参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,交通组成情况,初拟路面结构组合设计方案,方案一,方案三,方案二,沥青路面设计实例,轴载当量换算算例,参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,a.弯沉和沥青层底拉应力为设计指标,b.半刚性材料层底拉应力为设计指标,N后=1.01.02600(59.5/100)4.35=271.72次/日,N前=18.51.02600(25.75/100)8=0.93次/日,N前=6.41.02600(25.75/100)4.35=45.50次/日,N后=1.01.0 2600(59.5/1
23、00)8=40.84次/日,沥青路面设计实例,轴载当量换算算例,参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,a.弯沉和沥青层底拉应力为设计指标,b.半刚性材料层底拉应力为设计指标,N后=31.01.080(100/100)4.35=240.00次/日,N前=18.51.080(60/100)8=24.86次/日,N前=6.41.080(60/100)4.35=55.49次/日,N后=31.01.0 80(100/100)8=240.00次/日,沥青路面设计实例,设计年限内累积标准轴载Ne(查表得到车道系数为0.30),参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,a.弯沉和沥青层底拉应力为设
24、计指标Ne1,b.半刚性材料层底拉应力为设计指标Ne2,Ne1=(1+0.065)15-13657419.380.30/0.065=1.965107次/日,Ne2=(1+0.065)15-13656222.060.30/0.065=1.647107次/日,沥青路面设计实例,土基回弹模量E0的确定：,参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,1.查表1-9得1a区临界高度为,H1=1.71.9H2=1.21.3H3=0.80.9,2.H0=1.2+0.3=1.5m,所以，H2H0H1根据表 1-8与表1-7，路基处于中湿状态，所以，0.94=wc2wcwc1=1.03取稠度平均值wc=0.9
25、85，查表14-11得E0=29.3MPa,沥青路面设计实例,路面设计弯沉ld计算：,参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,1.方案一：柔性路面,2.方案二：半刚性基层路面,ld1=600Ne1-0.2AcAsAb600(1.965107)-0.21.01.01.6=33.39 0.01mm,ld2=600Ne1-0.2AcAsAb600(1.965107)-0.21.01.01.0=20.87 0.01mm,3.方案三：组合基层路面,ld3=600Ne1-0.2AcAsAb600(1.965107)-0.21.01.0（4+6+10+2）/20=22.950.01mm,初拟路面结构组
26、合设计方案,方案一,方案三,方案二,沥青路面设计实例,路面结构层设计参数（参见表14-15、14-16）：,参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,沥青路面设计实例,路面结构层容许拉应力：,参考沥青路面设计规范JTG D50-2004,沥青路面设计实例方案一,方案一：路表弯沉验算,方案一：设计层初始厚度8cm二灰稳定碎石,方案一：弯沉验算,结论：设计层厚度8cm可以满足表面弯沉设计要求,沥青路面设计实例方案一,方案一：层底拉应力验算：,方案一：设计层初始厚度8cm二灰稳定碎石,沥青路面设计实例方案一,方案一：层底拉应力验算：,方案一：设计层初始厚度8cm二灰稳定碎石,方案一：层底拉应力验
27、算,结论：设计层厚度8cm可以满足层底拉应力设计要求,方案一：层底拉应力验算,沥青路面设计实例方案二,方案二：路表弯沉验算,方案二：设计层初始厚度34cm二灰稳定碎石,方案二：弯沉验算,结论：设计层厚度改为36cm可以满足路表弯沉设计要求,沥青路面设计实例方案二,方案二：设计层初始厚度34cm层底拉应力验算,沥青路面设计实例方案二,方案二：设计层初始厚度34cm层底拉应力验算,沥青路面设计实例方案二,方案二：设计层初始厚度34cm层底拉应力验算,结论：设计层为二灰稳定碎石情况下，设计层厚度控制因素为二灰土层层底拉应力，设计层厚度达到42cm才可以满足层底拉应力设计要求；建议：由于二灰稳定碎石价
28、格高于二灰土，因此可以考虑将设计层位更改为二灰土，以便达到减少工程造价的目的。,方案二：层底拉应力验算,方案二：层底拉应力验算,沥青路面设计实例方案三,方案三：路表弯沉验算,方案三：设计层初始厚度34cm二灰稳定碎石,方案三：弯沉验算,结论：设计层厚度改为36cm可以满足表面弯沉设计要求,沥青路面设计实例方案三,方案三：层底拉应力验算：,方案三：设计层初始厚度34cm二灰稳定碎石,沥青路面设计实例方案三,方案三：层底拉应力验算：,方案三：设计层初始厚度34cm二灰稳定碎石,方案三：层底拉应力验算,结论：设计层厚度36cm可以满足层底拉应力设计要求,方案三：层底拉应力验算,r,初定路面结构组合设
29、计方案,总厚度76cm,总厚度57cm,总厚度80cm,沥青路面设计实例技术性分析,沥青路面设计实例技术性分析,柔性基层路面：上基层采用了模量较小的沥青稳定碎石和级配碎石，面层成为主要承载部分，沥青路面厚度（包括沥青稳定碎石层）较大；路表弯沉也较大。而下基层采用了模量较大的二灰稳定碎石，从而减小了路面总厚度。,半刚性基层路面：上基层采用了模量较大的二灰稳定碎石，半刚性基层成为主要承载部分，沥青路面厚度有较大减小，路表弯沉也较小；而下基层采用了模量较小抗拉强度也较小的二灰土，使得路面总厚度有较大增加。,组合基层路面：上基层采用了模量较小的沥青稳定碎石，下基层采用半刚性材料二灰稳定碎石，面层和基层
30、共同成为承载部分；沥青路面厚度有较大减小，路表弯沉也较小；底部采用级配碎石扩散应力，减小土基顶部压力。,沥青路面设计实例技术性分析,结论：为适应路面排水和软弱地基情况，防止路面水损害和反射裂缝，可选用方案一和方案三，而舍弃方案二,自然条件：该地区隶属公路自然区划1a区；地基土主要为软土，分布广泛；年降雨量较大雨水集中；夏季最高气温可达38oC，冬季最低气温可达-5oC；,交通条件：轴载超过100kN的交通量达到24.2；设计年限内累积标准轴载Ne2为1200 1647万次/日/车道3000，因此属于重交通道路。,工程地质条件：地下水位埋藏较浅，为地面下0.3m左右；地基土主要为软土，分布广泛；
31、路基土处于中湿状态，地基承载力较低。,沥青路面设计实例经济性分析,方案一柔性沥青路面,方案比选,沥青路面设计实例经济性分析,方案二半刚性基层沥青路面,方案比选,沥青路面设计实例经济性分析,方案三组合基层沥青路面,方案比选,沥青路面设计实例技术经济分析,结论,柔性路面自身刚度较低而导致路面结构竖向变形（弯沉）较大，不利于结构稳定；由于不能较好的扩散交通荷载，导致土基顶部竖向应力较大而加速地基沉降；组合基层路面既有较大刚度，又能承受大部分交通荷载作用，因此既能适应地基变形又能保持路面结构的较大刚度。,经济性分析表明，方案一（124.1元/m2）和方案三（136.6元/m2）的工程造价相当；,经过技术经济性综合分析，建议采用方案三，即组合基层沥青路面。,
