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1、第七章 沥青路面设计,第一节 沥青路面设计理论简介,当路基土的承载能力较低，不能承受从路面传至路基表面的车轮压力，便产生较大的垂直变形即沉陷。引起路面沉陷的主要原因是路基土的压缩。,1、沉陷,（一）表现,在车轮作用下表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象,（二）起因,一、沥青路面结构的破损模式,2、车 辙,（一）表现,（二）起因,路面的纵向带状凹陷，是高级沥青路面的主要破坏型式,是路面的结构层及土基在行车重复荷载作用下的补充压实，以及结构层材料的侧向位移产生的累积永久变形，同荷载应力大小，重复作用次数以及结构层和土基的性质有关。,3、疲劳开裂,（一）表现,（二）起因,路面无显著的永久
2、变形，最初在荷载作用部位形成细而短的横向开裂，继而逐渐扩展成网状,较厚的沥青结构层受车轮荷载的反复弯曲作用，使结构层底面产生的拉应变（或拉应力）值超过材料的疲劳强度，底面便开裂，并逐渐向表面发展。稳定类整体性基层也会产生出疲劳开裂，甚至导致面层破坏。与重复应变（或应力）大小和路面的环境因素有关。,4、推 移,（一）表现,（二）起因,车轮荷载引起的垂直力和水平力的综合作用，使结构层内产生的剪应力超过材料的抗剪强度。同时也与行驶车轮的冲击、振动有关。,受到较大的车轮水平荷载作用时，路面表面出现推移和拥起,5、低温缩裂,（一）表现,（二）起因,横向间隔性的裂缝，严重时发展为纵向裂缝,路面结构中某些整
3、体性结构层在低温（通常为负温度）时由于材料收缩受限制而产生较大的拉应力，当它超过材料相应条件下的抗拉强度时便产生开裂,沥青路面低温抗裂性引起的破坏,美国沥青路面修补,二 公路沥青路面设计理论简介,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（土基）在水平方向和垂直方向无限大，其上各层厚度有限，水平方向无限大；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，或者完全连续（连续体系）或层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力（滑动体系）；5、不计自重,一、基本假设,二、解题方法,三、沥青路面设计的控制指标,结论,高速公路、一级公路、二级公
4、路的路面结构，以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。三级公路、四级公路的路面结构以路表面设计弯沉值为设计指标。有条件时，对重载交通路面宜检验沥青混合料的抗剪切强度。,现行的城市道路设计规范规定：,（1）除交通量小的支路上铺筑沥青混凝土面层时可仅用设计弯沉值指标设计外，在其他道路上铺筑沥青混凝土面层应采用设计弯沉值、层底拉应力、面层剪切应力三项指标设计。（2）对沥青碎石面层采用设计弯沉值和剪切应力两项指标设计，对沥青贯入式、沥青表面处治和粒料路面，只用设计弯沉值指标设计。（3）采用半刚性基层时，应对基层按拉应力指标设计。,2.标准轴载及轴载当量换算,我
5、国路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载。,1.路面设计年限,第二节 沥青路面设计的基本依据,1)当以弯沉进行厚度设计及沥青层层底拉应力验算时,式中：N标准轴载的当量轴次，次/日；ni被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日；P标准轴载100KN；Pi被换算车辆的各级轴载，KN；k被换算车辆的类型数；C1轴载系数，C1=1+1.2(m-1),m是轴数。当轴间距大于3米时，按单独的一个轴载计算，当间距小于3米时，按双轴或多轴计算。C2轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。,不计25KN以下轴载,2)当进行半刚性基层层底拉应力验算时,不计小于50KN的轴载,式中：C1 轴数系数；
6、当间距小于3米时，按双轴或多轴计算C1=1+2(m-1),m是轴数。C2轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。,上述轴载换算公式，适用于单轴轴载小于或等于130kN的各种车型的轴载换算。,换算原则：第一，换算以达到相同的临界状态为标准，即对同一种路面结构，甲轴载作用N1次后路面达到预定的临界状态，乙轴载作用使路面达到相同临界状态的作用次数为N2，此时甲乙两种轴载作用是等效的；第二，对某一种交通组成，不论以哪种轴载的标准进行轴载换算，由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度是相同的。,3.设计年限累计当量标准轴载数,设计年限（t）内一个车道通过的累计标准当量轴次Ne，可通过路
7、面营运第一年双向日平均当量轴次N1和设计年限内交通量年平均增长率，按下式计算：,4.交通等级,交通分级,第三节 路基与路面材料强度指标,一、路基受立与工作区1、路基受力状况：自重、车辆荷载,P车轮荷载换算的均布荷载 KN/D圆形均布荷载作用面积的直径。Z应力作用点深度。土的容重。,2、路基的工作区：1）定义：在路基某一深度Za处，当车轮荷载产生的应力与路基土自重引起的应力相比所占比例很小，仅为1/51/10时，在此深度以下，车轮荷载对土基的作用影响很小，可略去不计，该深度范围内的路基称为路基工作区。2）计算：3、正确的设计：应使路基所受的力在路基弹性限度范围内，即当车辆驶过后，路基能恢复变形。
8、保证路基相对稳定，路面不致引起破坏。,4、要求：1）对工作区深度范围内的土质选择、含水量、路基压实度提出较高要求。2）当工作区深度大于填土高度时，荷载不仅施加于路堤而且施加于天然地基上，所以天然地基也应充分压实。,二、土基的强度和刚度指标：回弹模量回弹模量：反映路基或路面材料所具有的弹性性质。确定方法：1.现场实测法：1）大型承载板法：测定土基在00.5mm的各级压力和对应的回弹变形值，2）弯沉仪法：用贝克曼梁弯沉仪实测各点弯沉值，并计算代表弯沉值，,2.室内实验法：取代表性土样，在室内按最佳含水量制备三组试件，分别击实不同的次数，测得不同压实度下的相对应的回弹模量值，绘制压实度与回弹模量曲线
9、，查图求得标准压实度条件下土的回弹模量值。3.换算法：利用E0L0、E0K、E0CBR的换算关系式，确定回弹模量值。4.查表法：无实测条件时采用。,三、路面材料强度设计参数的确定方法,以设计弯沉值计算路面厚度并对结构层进行层底拉应力验算时，各层材料的模量均采用抗压回弹模量，沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验测得劈裂强度。,28,第四节 设计弯沉值与容许拉应力计算一、设计弯沉值计算1.设计弯沉值的含义：根据设计年限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级、路面结构类型而确定的路表弯沉设计值。2.路面外观状态的类型：分为五个类型，并将第四类外观状态定为路面的临界状态，在此状态下测定的
10、回弹弯沉值的低限作为路面设计弯沉值界限的依据。,29,3.公式：根据多年观测调查资料的分析综合，可由标准轴载累计作用次数与设计弯沉值的关系，进一步推得不同公路等级、不同面层和基层类型时设计弯沉的计算公式：式中：Ld 路面设计弯沉值（0.01mm）；Ne：设计年限内一个车道上累计当量轴次；A c：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；A s：面层类型系数，沥青混凝土为1.0，沥青碎石、沥青贯入式、沥青表处为1.1；A b：基层类型系数，半刚性基层 为1.0；柔性基层取1.6。,30,二、结构层材料的容许应力R 计算：结构层材料的容许应力R是路面承受行车
11、荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳拉应力。进行结构层拉应力验算时，各层模量均采用抗压回弹模量。对于沥青混凝土，应为15时的抗压回弹模量和劈裂强度，水泥稳定类材料，为龄期90天的劈裂强度，对于二灰稳定类和石灰稳定类材料，为龄期180天的劈裂强度。,Ks为抗拉强度结构系数。,31,第五节 沥青 路面结构组合设计,一、沥青路面设计内容1.交通量实测、分析、预测；2.路面结构层原材料的选择；3.混合料配合比设计；4.设计参数的测试与确定；5.路面结构组合设计与厚度计算；6.路面排水系统设计和其他路面工程设计等；7.路面结构方案的技术经济综合比选，提出推荐方案。,32,二、结构设计遵循的原则：1）
12、路线、路基和路面要开展现场资料调查和收集工作，做好交通荷载的分析与预测，按照全寿命周期成本的理念进行路面设计；2）调查掌握沿线路基特点，按面层耐久、基层坚实、土基稳定进行综合设计；3）因地制宜、合理选材，选择技术先进、经济合理、安全可靠、方便施工的路面结构方案；,4）结合当地条件，积极、慎重地推广新技术、新结构、新材料、新工艺，并认真铺筑试验路段，总结经验，不断完善，逐步推广；5）符合环保规定，保护人员的安全和健康，重视材料的再生利用与废弃料的处理；6）高速公路、一级公路不宜分期修建；对可能产生较大沉降的路段，以及初期交通量较小的公路可以一次设计、分期修建、逐步提高；,三、结构层类型选择：1.
13、面层类型：选择面层时还应考虑当地气候条件，如：高温地区、多雨地区、干旱地区、寒冷地区、以及强度、抗滑性能等。沥青混凝土、沥青玛蹄脂碎石可用于各级公路；沥青碎石、沥青贯入式、沥青表面处治、沥青稀浆封层、可用于三级、四级公路面层；冷拌沥青混合料可用于交通量小的三级、四级公路面层。,2.基层类型选择：首先考虑充分利用当地材料；并重视基层水稳性。基层可选沥青混合料类、半刚性类、粒料类、贫混凝土；底基层可选半刚性类、粒料类等。,四、组合设计：1.按各结构层的强度组合设计：1）轮载作用于路面表面，其竖向应力和应变随深度而递减，所以各层材料的强度和刚度要求也相应降低。路面各结构层一般应按自上而下，强度、刚度
14、递减的方式组合。以充分利用材料，降低造价。,2）强度、刚度按深度递减时注意各结构层之间的E不能相差太大，否则上层底面将出现较大拉应力，引起开裂。基层同面层的回弹模量比在1.53.0之间；基层与底基层的模量比不宜大于3.0；底基层与土基的模量比宜在2.512.5之间。,2.结构层的层数和厚度组合设计：适当的层数和厚度：层数多能充分利用材料，但可能引起施工及材料制备困难，所以不能过多。1）结构层的造价：面层厚度较小，基层、垫层较厚；2）各结构层扩散应力的效果：基层厚度为1525cm时，增大基层厚度对减小路面表面弯沉和减小面层底面拉应力有明显效果；3）压实机具的能力：沥青面层每层的压实厚度最大为68
15、cm，基层每层的压实厚度为1520cm；各层厚度应尽量与压实机具相适应；4）沥青面层厚度应与混合料的公称最大粒径匹配。,3.各结构层的层间组合设计：1）半刚性基层沥青路面宜采用以下措施减小收缩开裂和反射裂缝：A 选用骨架密实型半刚性基层，严格控制细料含量、结合料剂量、含水量及养生时间；B 适当加大沥青面层的厚度，在半刚性结构层上设置沥青碎石或级配碎石等柔性基层；C 在半刚性结构层上设置改性沥青应力吸收层或应力吸收膜或铺设实践证明有效的耐高温的土工合成材料等。,2）应采取层间结合紧密的技术措施，避免滑移：A沥青层之间设置粘层，沥青用乳化沥青、改性乳化沥青、热沥青；B各种基层上设置透层沥青，可用液
16、体沥青、乳化沥青；C在半刚性基层上设置下封层；可用沥青单层表面处治，砂粒式、细粒式密级配沥青混和料，稀浆封层等；D新、旧沥青层之间，应洒布粘层沥青，旧混凝土板上宜用热沥青、改性乳化沥青或改性沥青；E拓宽路面时，新、旧路面接茬处宜喷涂粘层沥青；F双层式半刚性基层宜采用连续摊铺、碾压工艺，增强层间结合，以形成整层。,4.考虑水、温状况的影响设置垫层及抗冻层：在潮湿和过湿路段及软弱地基时，可采取设置垫层，或换填砂砾等透水材料，或掺入无机结合料等处理地基。在冰冻地区的中湿和潮湿路段，路面总厚度还应满足最小防冻厚度要求，以免产生冻胀及翻浆。,1）冰冻区划分 根据20年以上的冻结指数平均值划分；冻结指数是每年负温度与天数乘积的累积值。,2）道路多年最大冻深计算：式中：a路面路基材料热物性系数，取冻深范围内的加权平均值；b路基湿度系数；c路基断面形式系数；Zd大地标准冻深；,3）防冻厚度验算：冰冻地区的中湿、潮湿路段，应进行防冻厚度验算路面结构层总厚度不小于最小防冻厚度的规定，否则应设防冻垫层使其满足最小防冻厚度的要求。,路面结构组合示例：,典型半刚性基层沥青路面,典型柔性基层沥青路面,推荐结构层,路面典型结构组合示例,图12-21 几种路面典型结构示例,
