《沥青路面设计》PPT课件.ppt

第十四章沥青路面设计,第一节概述一、沥青路面设计的内容包括原材料的调查与选择、沥青混合料配合比及基层材料配合比设计、各项设计参数的测试与选定、路面结构组合设计、路面结构层厚度验算以及路面结构方案的比选等。二、路面结构设计的原则1、根据使用要求及气候、水文、土质等自然条件，密切结合当地实践经验，将路基路面作为一个整体考虑，进行综合设计；2、在满足交通量和使用要求的前提下，应遵循“因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资”的原则,第十四章沥青路面设计,进行路面设计方案的技术经济比较，选择技术先进，经济合理，安全可靠的方案。3、应结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果，积极、慎重地运用行之有效的新材料、新工艺、新技术。4、路面设计方案应充分考虑沿线环境的保护、自然生态的平衡，有利于施工、养护工作人员的健康与安全。5、为确保工程质量，应尽可能选择有利于机械化、工厂化施工的设计方案。6、对于地处不良地基的路段，为适应路基沉降、稳定周期较长的特点，路面结构可以遵循“一次设计，分期修建”的方案。,第十四章沥青路面设计,三、沥青路面结构设计理论与方法可分为经验法和力学经验法两大类。经验法主要通过对试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构、车辆荷载和路面使用性能三者之间的关系。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，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计。我国现行的规范采用弹性层状体系作为力学分析基础理论，以双圆垂直均布荷载作用下的路面整体沉降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。,第十四章沥青路面设计,四、沥青路面交通等级1、路面设计年限见表14-1规定；2、标准轴载及轴载当量换算各个国家都有根据本国国情确定的标准轴载。我国路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载。行驶的车辆型号多样，由于不同力学参数的疲劳效应不同，我国规定，当量轴载换算分以下三种情况进行：A、当以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时，按式（14-1）来换算；B、当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时，按式（14-3）完成轴载当量换算；C、对于贫混凝土基层以底拉应力为设计指标时，按式,第十四章沥青路面设计,（14-5）来完成。3、设计年限累计当量标准轴载数设计年限内一个车道通过的累计当量标准轴次数按式（14-6）来计算。4、交通等级路面结构在设计年限内承担交通荷载的繁重程度以交通等级来划分。我国沥青路面按承担交通荷载的轻重划分为轻交通、中等交通、重交通和特重交通四级。我国沥青路面交通等级的划分按两种方法进行：一是以设计年限内一个车道通过的标准当量轴次进行划分；二是以营运车辆中的大客车、中型货车、大型货车、拖挂车等车型在一个车道上的日平均车数进行划分。,第十四章沥青路面设计,第二节弹性层状体系理论简介一、基本假设与解题方法通常将路面结构视为弹性半空间地基上由若干个具有一定厚度材料组成的弹性层状体系，并假设：1、各层由均质、连续、均匀、各向同性的线弹性材料组成，用弹性模量和泊松比表征其弹性参数；2、最下一层为水平方向和竖直向下方向无限延伸的半无限体；3、各层在水平方向无限远处及最下层无限深处的应力、变形和位移为零；4、各层分界面上的应力和位移完全连续，或者仅竖向应力和位移连续，而层间无摩擦；5、不计各层材料自重,第十四章沥青路面设计,根据相关理论，得到计算公式（14-16），该式为双层弹性体系计算公式。弹性三层体系由两个弹性层以及弹性半空间体组成。,第十四章沥青路面设计,第三节沥青路面结构组合设计沥青路面通常由沥青面层、基层、底基层、垫层等多层结构组成。沥青路面结构组合设计应遵循以下原则：1、保证路面表面使用品质长期稳定。2、路面各结构层的强度、抗变形能力与各层次的力学响应相匹配。3、直接经受温度、湿度等自然因素变化而造成强度、稳定性下降的结构层次应提高其抵抗能力。4、充分利用当地材料，节约外运材料，做好优化选择，降低建设与养护费用。,第十四章沥青路面设计,一、沥青面层结构沥青面层可分为单层、双层、三层。双层结构分为表面层、下面层；三层结构分为表面层、中间层、下面层。表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久等服务功能，同时应具有高温抗车辙、低温抗开裂、抗老化等品质。中、下面层应具有一定的密水性、抗剥离性，高温或重载条件下，沥青混合料具有较高的抗剪强度；下面层应具有良好的抗疲劳裂缝的性能和兼顾其他性能要求。高速公路、一级公路一般选用三层沥青面层结构，二级、三级以下等级公路一般采用双层式沥青面层，三级、四级公路一般可采用双层沥青表面处治结构。,第十四章沥青路面设计,二、沥青路面基层结构基层结构是承上启下保证路面结构耐久、稳定的承重结构层，因此要求基层具有较高的强度、稳定性和耐久性。沥青路面的基层按材料和力学特性的不同，可分为柔性基层、半刚性基层和刚性基层三种。1、柔性基层主要采用沥青处治的级配碎石和无结合料的级配碎石修筑基层。通常沥青碎石适用于中等交通及更高交通等级的柔性基层；而无结合料的级配碎石适用于交通等级较低的，中等交通以下的沥青路面基层。2、半刚性基层主要采用水泥、石灰或工业废渣等无机结合料，对级配,第十四章沥青路面设计,集料作稳定处理的基层结构。半刚性基层的主要缺点是它本身的收缩裂缝难以避免。3、刚性基层采用低强度等级混凝土修筑基层混凝土板，板上铺筑沥青面层。基层结构的厚度主要应满足强度与刚度的设计要求，在厚度设计时，应逐层进行验算。除此之外，还应考虑施工的可行性和材料规格对厚度的影响。三、沥青路面垫层结构位于基层以下，主要用于路基状况不良路段，以确保路面结构不受路基中滞留的自由水的浸蚀以及冻融的危害。在下列情况下要设置垫层：,第十四章沥青路面设计,（1）地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段；（2）排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段；（3）季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段，可能产生冻胀需设防冻垫层的路段；（4）基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。从垫层设置的目的看，垫层可分为：防水垫层、排水垫层、防污垫层、防冻垫层。四、沥青路面层间结合沥青面层与基层之间应设置透层沥青或粘层沥青；沥青面层由两层或三层组成又不能连续摊铺时，则在铺上层,第十四章沥青路面设计,之前彻底清扫下层表面的灰尘、泥土、油污等有可能破坏层间结合的有害物质，然后设粘层沥青。透层沥青、粘层沥青，单层表处下封层，稀浆封层下封层的材料规格、用量应根据地区气候特点，施工季节和结构类型的不同，选定。,第十四章沥青路面设计,第四节我国沥青路面设计方法采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层弯拉应力、半刚性及刚性材料基层弯拉应力为设计指标进行路面结构厚度设计。一、设计指标与极限标准弯沉与弯拉应力是目前各种力学经验法普遍采用的设计控制指标。路面结构的路表弯沉表征路面结构在设计标准轴载作用下，垂直方向的位移。弯沉是表征路面结构总体刚度的指标。我国规定路面设计弯沉值由公式（14-21）确定。,第十四章沥青路面设计,对于柔性基层沥青路面或组合基层沥青路面，由于柔性基层材料以粒状结构为主，不承担弯拉应力，所以沥青面层承受较大的轮载弯矩，整个路面结构的极限状态可能首先出现在沥青面层底部，形成初始裂缝，然后在车轮反复作用下逐步扩展，沥青面层形成断裂裂缝。因此，对于柔性基层和组合基层的沥青面层，在路面结构设计中必须验算弯拉应力是否超出材料允许的极限标准。我国规范规定，沥青面层和基层层底拉应力作为沥青路面结构设计的第二项设计控制指标。弯拉应力设计控制指标容许拉应力按式（14-24）计算。二、路面结构厚度设计方程式与设计参数沥青路面设计必须满足两个式子（14-25）（14-26）,第十四章沥青路面设计,1、计算路表弯沉值按式（14-27）计算；2、计算结构层底拉应力按式（14-29）计算；3、路基回弹模量弹性模量并不是定值，工程上通常采用承载板试验或弯沉测定的方法确定路基土和路基材料回弹模量值，并将这种回弹模量作为弹性模量用于计算。当前，确定路基回弹模量的常用方法有：（1）现场实测法按式（14-3033）计算；（2）查表法确定临界高度；拟定土的平均稠度；预估路基回弹模量。,第十四章沥青路面设计,（3）室内试验法用小承载板测得回弹模量，然后乘以折减系数；（4）换算法见表14-134、结构层回弹模量各结构的回弹模量均应采用抗压回弹模量。5、结构层材料的弯拉极限强度我国规范规定采用间接拉伸试验，即劈裂试验来确定结构层材料的弯拉极限强度。三、新建路面厚度设计计算步骤：1、根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型，计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值；2、按路基土类型与干湿类型，将路基划分为若干路段，确定各路段土基的回弹模量值；,第十四章沥青路面设计,3、拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比试验及测定各结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度，确定各结构层材料设计参数；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。五、沥青路面改建设计改建设计应遵循以下原则：当原有路面需抽高等级时，对不符合技术标准的路段应先进行线形改善，改线路段路面按新建路面设计；对于加宽路面、提高路基、调整纵坡的路段应视具体情况按新建或改建路面设计；对于在原路面上补强时，按改建路面设计。,第十四章沥青路面设计,1路面结构状况调查与评定（1）路面结构状况调查交通调查、路基状况调查、路面状况调查、路面修建与养护资料调查。（2）路面结构承载力调查确定路面的计算弯沉时，应将全线分段，分段应考虑的因素：A、同一路段路基的干湿类型与土质基本相同；B、在同一路段内，各测点的弯沉值比较接近；C、各路段的最小长度应与施工方法相适应。原路面当量回弹模量的计算按公式（14-42）计算。,第十四章沥青路面设计,3、补强厚度的计算在确定出原有路面的当量回弹模量以后，可采用弹性层状理论进行补强层厚度的计算。若补强层为单层，以双层弹性体系为设计计算的力学模型；补强N-1层时，以N层弹性体系为力学模型。,第十四章沥青路面设计,第五节外国沥青路面设计方法简介一、美国AASHTO设计方法1、设计变量（1）时间约束鼓励对交通量大的工程采用较长的分析年限。（2）交通设计方法以预计的80KN累计当量单轴荷载为根据，并考虑交通量的逐年增长系数和车道分布系数。（3）可靠度是将某种可靠程度纳入设计过程的方法，以确保各种设计方案在分析年限内一直有效的可靠概率。分析年限至少包括一次大修期，因而应等于或大于工作年限。工作年限是指两次大修之间的时间。（4）环境影响主要考虑当地温度、温度与试验路有差别，影响到路基的胀缩与冻胀。,第十四章沥青路面设计,（5）耐用性指数以使用者主观感觉及某些物理量测定为依据，评定时由几个人在路上驾车行驶，以经验为基础进行判断，按五级分别打分，综合这些人的评分，推求出被评定路面的耐用性指数。2、设计方程式（1）初始方程式式（14-53）所示；（2）修正方程式土基与环境修正，式（14-54）；降水、排水条件修正，式（14-55）；可靠度保证率修正，式（14-56）；最终修正后的方程式，式（14-57）。二、Shell法通过分析路面破坏状态提出设计标准，建立路面模型并进行力学计算，通过试验获取路面材料参数，从而得出一种体系完整的设计方法。,第十四章沥青路面设计,1、设计标准路基压应变按式（14-58）计算；沥青面层拉应变按式（14-59）计算；整体性基层的拉应力按式（14-60）计算；路面表层的永久变形对高速公路，其容许值为10mm。2、路面模型和计算理论将路面看作一种多层线弹性材料体系，各层材料的弹性特征用弹性模量和泊松比表征。路面表面作用的荷载为一个或几个圆面积均布垂直和水平荷载。计算理论为弹性层状体系理论。3、材料参数路基结构层和土基的性质作用动弹性模量表征。4、荷载按公式（14-62）计算。,