沥青路面设计基础知识精讲

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,*,主要内容,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,第六节我国沥青路面设计实例􀂋,第十七章 沥青路面设计,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、沥青路面设计的内容,2、沥青路面结构设计的原则,（一）路基路面整体综合设计原则,（二）密切结合自然条件及实践基础原则（三）满足交通与使用要求原则,（四）因地制宜、合理选材原则,（五）保护自然生态与沿线环境原则,（六）工厂及机械化施工、方便施工原则,（七）技术与经济性并重原则,（八）分期修建、方便养护原则,􀂋3、沥青路面结构设计方法种类, 经验法：AASHTO法；CBR法。,依据工程经验或大型试验总结得到的设计方法，符合试验地的实际，难于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。,依据力学模型与设计参数计算结构响应，是目前设计方法发展的总趋势。, 典型结构法：法国方法。,通过调查，总结得到的与交通量等参数有关的结构图，特点是减少了设计的随意性，具有结构使用性能明确，结构图统一的优点。, 优化设计法,尚不成熟。,􀂋4、沥青路面厚度设计的基本过程, 确定交通量：如车型、轴重、轮胎压力、各车型通过数及横向分布；, 路面结构组合：确定各层材料品种；, 路面设计标准及设计参数（参数可修正）确定；, 运用基本关系式进行设计计算或验算。,5、沥青路面的轴载换算,􀂾 1）标准轴载及当量换算,实际行驶的车轮轴载各不相同，对路面结构的损耗作用也不同。为方便分析它们对路面作用总效应（弯沉），则定义一种标准轴载，将其它轴载的作用等效为标准轴载作用。,􀀹 标准轴载： 对路面的响应较大、同时又能反映本国的公路运输运营车辆的总体轴载水平，涉及运输经济和路面结构经济性两个方面。,各国规定的标准轴载,我国：,单轴双轮组，100kN，以BZZ-100 表示；,美国：,为18kip（单轴，1KN）、32kip（双轴）；,德国：,为110KN；,联合国141个成员国：,小于100KN占；大于121KN占 ；101KN110KN占；111KN120KN占。,􀂾2） 轴载当量换算的原则,􀀹等破坏原则：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在使用末期的破坏状态相同；,􀀹等厚度原则：对某一种交通组成，不同标准轴载换算所得作用次数设计计算确定的路面厚度相同。,3）当量轴次,􀀹按弯沉或弯拉应力为指标将不同车型、不同轴载的作用次数换算为与标准轴载100KN相当的轴载作用次数。,􀂾4）我国公路沥青路面设计中的轴载换算公式, 弯沉及沥青层底拉应力为设计指标的换算公式：, 半刚性材料层底拉应力为设计指标的换算公式：, 贫混凝土基层层底拉应力为设计指标的换算公式：,􀂾5、设计年限与累计当量轴次,1）沥青路面的设计年限：至少,城市道路设计年限:,􀂇一般规定：快速路、主干路为20 年；次干路为15 年；支路为10 年 15年。,2）设计年限内的累计当量轴次：,􀂋设计年限内考虑车道系数后一个车道上的当量轴次总和。,􀂋6、轴载谱:各种车辆不同轴载的概率分布,􀂋7、车道系数:各种轴载在不同车道上的概率分布,􀂋8、沥青路面的交通等级,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。,第二节 弹性层状体系理论,沥青路面设计基本理论弹性层状体系理论,1、弹性层状体系理论的图式,2、弹性层状体系理论的假定,1）各层连续、均匀、各向同性，弹性弯曲，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，水平方向无限；,3）各层在水平向无限远处，及最下层向下无限深处，应力、形变、位移为零；,4）层间或完全连续（连续体系）或仅有竖向接触应力和位移连续而无摩阻力（滑动体系）；,5）不计自重。,3、弹性层状体系理论的求解过程,轴对称课题，将车轮荷载简化为圆形均布荷载。,4、多个轴对称荷载下的主应力计算,双圆荷载外a 点计算图式,第三节沥青路面结构组合设计,1、沥青路面结构组合设计的基本原则,总原则： 面层耐久、基层坚实、土基稳定,具体要求：,1）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。,2）在各种自然因素作用下稳定性好（有很好的水稳定性和温度稳定性）。,3）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,4）考虑防冻、防水要求,详细组合原则：,1）各结构层强度和刚度自上而下逐层递减；,2）考虑材料特点和施工工艺与造价；,3）结构层层数不宜过多而厚度过小；,4）相邻结构层之间的模量比应合理（基层:面层宜在3，基层:底基层宜不大于3， 底基层:土基宜在）；,5）低温地区，应考虑收缩裂缝，合理防止反射裂缝组合，保证有适宜的沥青面层厚度；,6）对于潮湿地区及多雨地区，应考虑水稳定性（水稳定性好的基层及尽量不透水的面层）；,7）应满足防冻厚度的要求；,8）应考虑结构层间的结合性。,􀂋 按照道路等级和交通要求选择面层等级和类型，包括：,􀂇 各结构层的功能选择结构层次,􀂇 各结构层的应力分布特性,􀂇 各结构层次本身的特性,􀂇 环境状况的不利影响,􀂇 适当的层数和厚度,轻交通中等交通结构组合设计原则,􀂇 正确认识各结构层的作用，考虑各结构层对路面长期使用性能的影响,􀂇 沥青层应保证足够的厚度，交通量越大，沥青层的厚度应越大,􀂇 沥青层材料设计要合理,􀂇 基层应具有适当的模量,􀂇 当采用半刚性材料作为基层或垫层时，应作适当的处理,􀂇 十分重视路面排水系统的设计,重交通时结构组合设计原则,2、沥青路面结构组合,面层：单层、双层或三层沥青面层,基层：柔性、半刚性、刚性或组合式,垫层：排水、防冻、防水、防污等粒料或稳定土,土基：密实、坚固、不透水,层间结合：牢固,3、沥青路面面层要求,􀂾1）面层路用性能要求,􀂾2）面层抗滑性能要求,4、沥青层最小厚度要求,5、基层最小厚度和适宜厚度要求,第四节沥青路面的设计指标与标准,1、沥青路面的破坏,􀀹疲劳,􀀹开裂,􀀹车辙,􀀹推挤,􀂇控制疲劳的指标,应变、应力、弯沉,(,我国,),􀀹,控制开裂的指标,应变、应力,􀀹控制车辙的指标, RD,、土基顶面压应变,􀀹控制推挤的指标,剪切应力、剪切应变,3、主要的设计指标与要求,路基表面的垂直压应变或垂直压应力,反映路基在重复荷载作用下的永久变形。,2、路面破坏与设计指标,要求：,z0, ,z0, 或,z 0 ,z0,结构残余变形的累积（车辙）：,要求： RD,re, RD,re,结构疲劳开裂：,要求：,r, ,R, 或,r, ,R,面层抗剪切推移：,要求：,max, ,R,（高温时的剪切强度）,结构低温缩裂：,要求：,r,t, ,t,R,（低温时的抗拉强度）,路面弯沉：,要求： l,r, l,R,4、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。,Ls Ld ; ,m,R,; ,max,R,5、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。,1、设计理论体系与指标要求：,1）轮隙中间路表面（A点）计算弯沉值小于或等于设计弯沉值,2）轮隙中心下（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉应力,m,应小于或等于容许拉应力,R,。,第五节我国沥青路面设计方法,2、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回弹弯沉值。,回弹弯沉值大的路面，在经受了轮载不太多次的重复作用后，即呈现出某种形态的破坏；,回弹弯沉值小的路面，能经受轮载较多次重复作用才能达到这种形态的破坏。,实践表明：,3、弯沉测定,贝克曼梁法：在规定的标准轴载作用下，轮隙位置处路基或路面表面产生的垂直变形值（回弹弯沉），利用载重汽车加载，人工读取百分表的读数,以此来测量路基或路面表面的回弹弯沉值。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、设计弯沉的调查与分析,沥青路面按外观划分的性能等级,外观 等 级 外 观 状 况 路面 表 面 外 观 特 征,一 好 坚实、平整、无裂纹、无变形,二 较好 平整、无变形、少量发裂,三 中 平整、无变形、有少量纵,向或不规则裂纹,四 较坏 无明显变形，有较多纵横向,裂纹 或局部网裂,五 坏 连片严重龟（网）裂或,伴有车辙、沉陷,我国把第四外观等级作为路面临界破坏状态，以第四外观等级路面的弯沉值的低限作为临界状态的划界标准，这样的临界状态相当于路面已疲劳开裂并伴有少量永久变形的情况。,对相同路面结构不同外观特征的路段进行测定后发现，外观等级数愈高，弯沉值愈大，并且外观等级同弯沉值大小有着明显的联系。因此可以在弯沉值与不同时期的累计交通量间建立关系,l,R,= B/ (N e),5、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回弹弯沉值。,l,d,设计弯沉值（）；,N,e,设计年限内一个车道累计当量轴次；,A,c,公路等级系数，高速公路、一级公路为，二级公路为，三、四级公路为；,A,s,面层类型系数，沥青混凝土面层为；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。,A,b,基层类型系数，半刚性基层取，柔性基层取,l,d,= 600（Ne） A,c,A,s,A,b,= l,R,/ K,s,6、容许弯拉应力,R,= ,SP,/K,s,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：为15时的极限劈裂强度；对水泥稳定类材料：为龄期90d的极限劈裂强度；对二灰稳定类、石灰稳定类材料：为龄期180d的极限劈裂强度；水泥粉煤灰稳定类：为120d的极限劈裂强度。,K,s,抗拉强度结构系数。,无机结合料稳定集料类： K,s,/ A,c,无机结合料稳定细粒土类： K,s,/ A,c,沥青混凝土层： K,s,/ A,c,7、路面结构的弯沉和弯拉应力计算,根据弹性层状理论计算，实际设计时，通过程序计算得到。,8、路面结构的设计参数,需要得到的设计参数：,Ne，E,0,，,0,，,1,-,n-1,，h,1,-h,n-1,其中： Ne是标准轴载累计作用次数；,E,0,、,0,是土基的回弹模量和泊松比；,􀂾 其它参数为土基以上结构层材料的模量和泊松比，其泊松比一般可取为（强度高时取小值），弹性模量可取规范推荐值，或试验确定。,9、土基回弹模量设计值的规定,10、土基回弹模量室内试验的要求,11、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；,12、土基回弹模量的参数,以路表弯沉值为设计指标时，设计参数采用抗压回弹模量，对于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弯拉回弹模量（对于沥青混凝土试验温度为15） ，其它结构层采用抗压回弹模量。,13、结构层的回弹模量的要求,14、新建路面的厚度设计,已知参数：交通量，各层材料模量、泊松比、抗拉应力，除待设计层外的各层厚度。,需计算：设计层厚度：,设计过程：,1 拟定几种可行的结构组合，并确定各层物理力学参数，及路基回弹模量。2 根据路面结构类型确定设计指标值（按规范确定弯沉及拉应力容许值）。3 设计层的厚度（各层设定厚度的组合）采用弹性层状体系理论设计程序计算，对季节性冰冻地区的中，潮湿路段还应验算防冻厚度。,4 根据各方案的计算结果，进行技术经济比较,确定采用的方案。,第六节沥青路面设计实例,1、工程概况,计划修建一条四车道的一级公路，使用期内交通量年均增长率10%。该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为，沿途有大量碎石集料，并有石灰供给。预测竣工后第一年的交通组成如下表，试进行路面设计。,车型 前轴重 后轴重 后轴数 后轴轮组数 后轴距 交通量,(KN) (KN) (次/日),三菱T653B 29.3 48.0 1 双轮组 300,黄河JN163 58.6 114.0 1 双轮组 400,江淮HF150 45.1 101.5 1 双轮组 400,解放SP9200 31.3 78.0 3 双轮组 3m 300,湘江HQP40 23.1 73.2 2 双轮组 3m 400,东风EQ155 26.5 56.7 2 双轮组 =3m 400,2、交通分析,1）轴载换算（弯沉及沥青层弯拉应力分析时）,车型 Pi(KN) C1 C2 ni 标准当量轴次,(次/日) (次/日),三菱T653B 前轴,后轴,黄河JN163 前轴,后轴,江淮HF150 前轴 45.1 1 6.4 400 80,后轴,解放SP9200 前轴,后轴,湘江HQP40 后轴 73.2,东风EQ155 前轴,后轴,小于25KN的轴载作用可以不计 。 合计,2）设计年限与累计当量轴次,由于该路为四车道（据此可查车道系数）一级公路，所以设计年限为15年，交通量年增长率10%，由下式,可得累计当量轴次：,作弯沉计算及沥青层底弯拉应力验算时,Ne1=1.09*10,7,作半刚性基层层底弯拉应力验算时,Ne2=9.9*10,6,3、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、各层材料的抗压模量与劈裂强度,􀀹查表得各层材料的抗压回弹模量和劈裂强度。抗压回弹模量取20的模量，得到：,细粒式密级配沥青混凝土：1400MPa；,中粒式密级配沥青混凝土：1200MPa；,粗粒式密级配沥青混凝土：1000MPa；,水泥碎石：1500MPa；石灰土：550MPa。,􀀹五层的弯拉回弹模量分别为：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；中粒式密级配沥青混凝土为；粗粒式密级配沥青混凝土为；石灰土；水泥碎石为。,5、土基回弹模量的确定,该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为，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。,6、设计指标的确定-设计弯沉值,公路为一级公路，等级系数Ac取，面层是沥青混凝土，面层类型系数As取，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数Ab取。,设计弯沉值为：,Ld=0.6*Ac*As*Ab/(Ne1),7、设计指标的确定-容许拉应力, 细粒式密级配沥青混凝土；,R,=0.09*(Ne1)/Ac=0.4402 Mpa, 中粒式密级配沥青混凝土；,R,=0.09*(Ne1)/Ac=0.3144 Mpa, 粗粒式密级配沥青混凝土；,R,=0.09*(Ne1)/AC=0.2515 Mpa, 水泥碎石：,R,=0.35*(Ne2)/Ac=0. 2429Mpa, 石灰土：,R,=0.35*(Ne2)/Ac=0. 0850 Mpa,8、设计资料汇总, 设计弯沉值为（）,材料名称 h(cm) 20模量(MPa) 容许拉应力(MPa),细粒式沥青混凝土,中粒式沥青混凝土,粗粒式沥青混凝土,水泥碎石,石灰土,土基 40 ,9、确定石灰土层厚度,设定路面结构的路表弯沉值为23.5(0.01mm)，通过程序计算得到石灰土的厚度为，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，石灰土层底最大拉应力为。,上述设计结果满足指标要求，取底基层厚度40cm。,