《公路设计》第十一章沥青路面结构设计剖析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,公路设计第十一章沥青路面结构设计剖析,11-1,沥青路面设计的任务、程序及原则,11-2,标准轴载与轴次换算,道桥系,二七年五月,沥青路面设计的任务、程序与原则,一、设计任务二、设计程序三、设计原则,返回,设计任务,沥青路面设计的任务是：确定合理的路面等级，选择适合的路面类型，进行结构组合设计、路面材料配合比设计及路面结构计算等。,返回,设计程序,1,根据设计任务书的要求，并综合考虑国家政治、经济、国防、旅游、公路等级、交通量和交通组成、建设投资和其他方面的要求，确定合理的路面等级和面层类型。计算在设计年限内换算为标准轴载的单车道的累计当量轴次和路表设计弯沉值，容许拉应力值。,2.,确定路基回弹模量值。,3,确定路面材料的回弹模量值。,4,根据设计弯沉值计算路面厚度。,5,进行技术经济比较，确定采用的路面结构方案。,返回,设计原则,1,应根据路面使用要求与当地的自然条件,(,包括气候、水文、土质等,),，结合当地实践经验，按面层耐久、基层坚实、土基稳定的要求进行综合设计。,2,应贯彻合理选材，方便施工，利于养护，节约投资的原则，结合当地经验进行路面结构方案的技术经济比较，选择技术先进、经济合理、强度高稳定性好、便于机械化和工厂化施工的路面结构方案。,3,应从技术经济上论证是否有必要分期修建。,4,应积极采用并推广新技术、新材料、新工艺、新设备、推行机械化施工。,返回,第二节 标准轴载与轴次换算,一、标准轴载及其形式,二、轴次换算方法,三、累计当量轴次计算,返回,标准轴载及其形式,1,、概念：公路上行驶的车辆种类繁杂，不同车型和不同作用次数对路面影响不同，为方便路面设计，需将不同车型组合而成的混合交通量换算成某种统一轴载的当量抽次。这种统一的轴载，称为标准轴载。,2,、,公路沥青路面设计规范,(JTJ014-97),中规定：沥青路面设计是以双轮组单后轴载,100kN,为标准轴载，以,BZZ100,表示。标准轴载的计算参数按规范确定，凡轴载大干,25kN,小于,130kN,的各级轴载,P,1,(,包括车辆的前轴和后轴,),的作用次数均应换算成标准轴载,P,的当量作用次数,(,简称当量轴次,),。,返回,轴次换算方法,1,、等效原则,2,、换算方法,返回,等效原则,当把混合交通量中的各级轴载换算成标准轴载时，为了保证换算前与换算后的轴载对路面的作用效果相同，应该遵循弯沉等效或拉应力等效原则。等效原则是以某一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损坏程度为根据的。,返回,换算方法,(,1,),、,采用路表设计弯沉值作为指标及沥青层面层底拉应力验算时,凡轴载大于,25,kN,的各级轴载,P,l,的作用次数叫均应按下式换算成标准轴载,P,的当量轴次,n,及总和,N:,式中,:N,-,设计年限内某第一年整个道路断面的标准轴载的日平均当量轴次,次,/,日,;,N,i,-,被换算车型的各级轴载作用次数,次,/,日,;,P,-,标准轴载,KN;,p,i,被换算车型的各级轴载,KN;,C,l,-,抽数系数,;,当轴间距大于,3m,时,应按单独一个轴载计算,此时轴数系数为,m;,当轴间距小于,3m,时,按双轴或多轴计算,C,i,=,l+l.2(m-l,),C,2,-,轮组系数,单轮组为,6.4;,双轮组为,1;,四轮组为,0.38,返回,下一页,换算方法,(2),、,当进行半刚性基层层底拉应力验算时,凡轴重大于,50,KN,的各轴载,(,包括车辆的前、后轴,),按式进行换算,:,返回,累计当量轴次计算,设计年限内一个车道上的累计当量轴次可用下式计算：,式中：,N,e,设计年限内一个车道上的累计当量轴次，次；,N1,路面竣工后第一年的双向日平均当量轴次，次日；,车道系数，其余符号意义同前。,t,设计年限，年；,设计年限内交通量的平均年增长率，应根据调查预测分析确定。,返回,11-3,沥青路面设计指标,11-4,土基与路面材料强度指标,道桥系,二七年五月,第三节 沥青路面设计指标,一、路面结构的破坏模式与设计指标,(,一,),路面结构的破坏模式,(,二,),设计指标,二、路面设计弯沉值计算,三、结构层材料的容许拉应力,返回,路面结构的破坏模式,1,沉陷,2,车辙,3,疲劳开裂,4,推移,返回,沉陷,沉陷是路面在车轮荷载作用下，其表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象。,返回,车辙、疲劳开裂,2,车辙是路面结构层及土基在行车荷载重复作用下，以及结构层中材料的侧向位移产生的累计永久变形。,3,开裂是沥青路面常见的破坏类型。开裂的种类和原因有几种，这里所说的开裂是路表无显著永久变形而出现的裂缝现象。疲劳开裂的特点是首先出现较短的纵向开裂，继而逐渐发展为网状开裂，开裂面积不断扩大。发生疲劳开裂的主要原因是：结构整体强度不足或在车轮荷载反复作用下，沥青结构层底面或半刚性基层底面产生的拉应力,(,或拉应变,),超过材料的疲劳强度，底面便发生开裂，并逐渐扩展延伸到表面。,返回,推移,推移是沥青路面材料沿行车方向发生剪切或拉裂破坏面出现推挤或拥起现象。,返回,设计指标,1,路面设计弯沉值,L,d,应大于或等于路表实际可能产生的回弹弯沉值,Ls,，即,L,s,L,d,2,沥青混凝土面层和整体性材料基层,(,即半刚性基层,),底面的容许拉应力,R,作为验算指标，此值应大于或等于路面中相应结构层底面实际可能产生的最大拉应力,m,即,m,R,3,沥青面层材料的容许切应力作为验算指标，此值应大于或等于面层破裂面上实际可能产生的切应力,a,，即,a,R,返回,路面设计弯沉值计算,1,、概念：所谓弯沉，是指在车轮荷载作用下路面产生的垂直位移,(,也称垂直变形,),。,2,、概念：路面设计弯沉值：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、面层和基层而确定的路面弯沉设计值。,式中：,L,d,路面设计弯沉值，,0.01mm,，对沥青路面系指路面温度为,20C,的值；,N,累计当量轴次，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，沥青混凝土面层为,1.0,，热拌沥青碎石、沥青上拌下贯式，沥青贯人式，乳化沥青碎石为,1,1,；沥青表面处治为,1,2,；粒料类面层,(,中低级路面,),为,1.3,；,A,b,基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度大于或等于,20cm,时，,A,b,1.0,，其他情况见规范规定。,3,、例题讲解,返回,结构层材料的容许拉应力,1,、概念：容许拉应力,R,：是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳拉应力。,2,、计算公式：,R=,sP,/ K,s,式中：,sP,沥青混凝土或半刚性结构层材料的劈裂强度，,MPa,，由试验确定；,K,s,抗拉强度结构系数，同荷载的反复作用次数有关。,结构层材料劈裂强度，对沥青混凝土系指,15C,时的劈裂强度；对石灰土、二灰、二灰土等强度低的材料，系指,6,个月龄期的劈裂强度；其他稳定类基层材料，均指,90,日龄期的劈裂强度。,返回,第四节 土基与路面材料强度指标,一、路基受力与工作区二、土基回弹模量的确定方法三、路面材料设计参数的确定方法,返回,路基受力与工作区,1,、路基受力状况通常路基承受两种荷载，一种是路面和路基自重引起的荷载，另一种是车辆轮重引起的外荷载，在两种荷载的共同作用下，使路基土处于受力状态。正确的设计应使路基受力时尽可能只产生弹性变形，而当车辆驶过后，路基变形可以恢复原状，以确保路基的相对稳定，而不致引起路面破坏。,2,、路基的工作区,某一区域可看做是支承路面、受车辆荷载作用影响较大的范围，这一深度范围称为路基的工作区,返回,土基回弹模量的确定方法,1,、概念：回弹模量是指路基、路面及筑路材料在荷载作用下产生的应力与其相应的回弹应变的比值。,2,、确定方法：,现场实测：,室内实验法,换算法,查表法：,返回,路面材料设计参数的确定方法,1,、按有关规程的规定实测材料设计参数，并确定各层材料回弹模量和抗拉强度的设计值。,2,、,(1),半刚性材料的抗压回弹模量，按公路工程无机结合科稳定材料试验规程,(JTJ05794),中,T0801-94,叫规定的顶面法测定。沥青混合料的抗压回弹模量测试方法应按,公路工程沥青及沥青混合试验规程,(JTJ 0522000),中,T0713-2000,规定的方法进行。,(2),沥青混合料的劈裂强度按,公路工程沥青及沥青混合料试验规程,（,JTJ052,）中,T0716-93,规定进行，试验温度为,15C,。半刚性材料的劈裂强度按,公路工程无机结合料稳定材料试验规程,(JTJ057),中,T 0806,一,94,有加载压条的方法进行。,返回,11-5,沥青路面结构设计,11-6,新建路面的结构层厚度计算,11-7,原有路面补强设计,道桥系,二七年五月,第五节 沥青路面结构设计,一、结构设计的一般原则,二、沥青路面各结构层的选择,1,路面等级和面层类型的选择,2,基层类型的选择,三、沥青路面结构组合设计,返回,结构设计的一般原则,(1),因地制宜，合理选材,(2),方便施工，利于养护,(3),分期修建，逐步提高,(4),整体考虑，综合设计,(5),考虑气候因素和水温状况的影响,返回,沥青路面结构组合设计,1,根据各结构层功能组合,2,强度组合,3,合理的层问组合,4,考虑自然水温条件的不利影响,5,适当的层数和厚度,返回,压实土基,透层 基层,垫层,根据各结构层功能组合,封层 面层,粘层 联结层,天然土基,柔性路面常用断面,返回,强度组合,路面各结构层应按强度自上而下递减的方式组合。规范要求基层同面层之间的模量比不应小于,0.35,土基与基层的模量比应在,0.080.40,的范围内。,返回,3,合理的层问组合,各结构层材料具有不同的特性，在组合时，应注意相邻层次的互相影响，采取措施限制或消除所产生的不利影响。 层间结合应尽量紧密，避免产生层间滑移，以保证结构的整体性和应力分布的连续性。,4,考虑自然水温条件的不利影响,5,适当的层数和厚度,沥青路面通常为多层结构，为了便于施工，路面结构层的层数不宜过多。,返回,第六节 新建路面的结构层厚度计算,一、基本原则和有关规定,二、路面厚度计算步骤,三、路面结构层拉应力验算步骤,返回,基本原则和有关规定,1,、,为了使多层次的沥青路面结构设计与计算更符合实际情况,目前我国的,沥,青路面设计规范采用多指标控制路面结构设计,同时把路面的结构组合、厚度计算甜可科组成设计统筹考虑,并采用多层弹性体系理论计算路面结构层厚度,对高速公路、一,级公,路、二级公路的沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层应进行拉应力验算。,2,、,我国现行规范采用完全连续体系为层间接触条件。,返回,路面厚度计算步骤,1,确定单车道累计当量袖次,N,e,。,2,对选定的结构组合，拟定某一层位作为设计层层位。,在拟定的路面结构中，先拟定某一层作为设计层，拟定面层和其他各层的厚度。一般当采用半刚性基层、底基层结构时，可选任一层作为设计层；当采用半刚性基层、粒料类材料为底基层时，应拟定面层、底基层厚度，以半刚性基层为设计层；当采用柔性基层、底基层的沥青路面时，宜拟定面层、底基层的厚度，求算基层厚度。此时若求得基层厚度过厚时，可考虑选用沥青碎石或乳化沥青碎石做上基层，以减薄路面总厚度，增加结构强度和稳定性。,3,确定设计弯沉值,L,d,。,4,确定路面材料设计参数。,在初步设计阶段应选用沿线材料和外购材料进行配合比设计。在选定配合比的基础上，按有关规程的规定实测材料设计参数，并论证地确定各层材料,(,沥青混合料在,15C,、,20C,时,),的抗压回弹模量,E1,和劈裂强度,PS,、抗拉强度结构系数,Ks,、容许拉应力,R,。,5,确定土基的回弹模量,Eo,。,6,根据某车道累计轴次,N,e,、设计弯沉值,L,d,、各结构层的回弹模量,E,1,与劈裂强度,PS,、土基回弹模量,E,0,、已知结构层的厚度,hi,等利用专用设计程序即可求得某一结构层的厚度。,返回,路面结构层拉应力验算步骤,(l),确定路面材料设计参数,确定各结构层的劈裂强度,PS,、容许拉应力,R,，路面设计弯沉值,L,d,。,(2),确定系数,确定公路等级系数、面层类型系数、基层类型系数、路面设计年限、车道横向分配系数、交通量年增长率。,(3),确定当量轴次,当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，应确定相应的路面竣工后第一年的日当量轴次、设计年限内一个车道上的累计当量轴次；当进行半刚性基层层底拉应力验算时应确定出相对应的路面竣工后第一年的日当量轴次、设计年限内,个车道上的累计当量轴次。,(4),根据以上的计算参数利用专用设计程序即可完成层底拉应力验算。,返回,第七节 原有路面补强设计,一、路面结构状况调查,二、原有路面结构强度的评定,三、原有路面补强设计方法,返回,路面结构状况调查,1,、交通调查,2,、路基状况调查,3,、路面状况调查,4,、路面修建和养护历史调查,返回,原有路面补强设计方法,1,确定原有路面当量回弹模量,Et,为了直接使用弹性层状体系理论需将原有路面整体强度的代表值,l,。转化为当量回弹模量,2,补强层厚度的计算,(1),计算模型及有关规定,(2),设计层的厚度采出弹性层状体系中的专用设计程序进行计算。,返回,