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1、第十二章 沥青路面设计,12-1 概述,一、设计任务和内容,1）路面结构层次的选择和组合；,2）各结构层厚度的确定；,3）各结构层的材料组成。,1、设计任务,确定技术经济合理的路面，使其能承受交通荷载和环境因素的作用，在预定的使用期限内处于某一规定的工作状态。,2、设计内容,二、设计方法：经验（试验）法和理论法（力学分析）,1、经验法,以经验或试验为依据，最具代表性的有CBR法、 AASHTO法。该法提出了路面耐用性的概念。路面耐用性的评定，不是以路面强度或稳定性为标准，而是以使用者主观感觉及某些物理测定为依据。,2、理论法,是以力学分析为基础，考虑环境、交通条件以及材料特性为依据的设计方法。
2、,我国沥青路面设计规范规定的沥青路面设计理论就是以弹性层状体系理论为基础。,严格的说，沥青路面在力学性质上属于非线性的弹粘塑性体。但考虑实际情况，对厚度较大、强度较高的高等路面看作线性弹性体。,力学模型,1）弹性半空间体；（路基）,2）弹性层状体系；（AC路面）,3）粘弹性层状体系；,理论解 （层状体系）,1）双层弹性体系（有单圆式、双圆式）,2）三层弹性体系（有单圆式、双圆式）,3）多层体系,三、路面的损坏模式和设计标准,1、路面损坏 三大类型,裂缝类（纵向、横向、网状、块状）,变形类（凹、凸、车辙、搓板、推挤、拥包）,表面缺损类（露骨、松散、剥落、坑槽、泛油）,1）沉陷,路面在车轮荷载作用
3、下其表面产生的较大的凹陷变形，有时凹陷两侧拌有隆起现象。,2）车辙,路面结构层及土基在行车重复荷载作用下，以及结构层中材料的侧向位移产生的积累永久变形。,3）推移,当沥青路面受到较大的车轮水平荷载作用时，路面出现的推移和拥起。,4）疲劳开裂,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力（拉应变）值超过材料的疲劳强度，加上水的影响，产生开裂。,面层材料粘结力不足或结合料含量少，汽车后轮的真空吸力及风雨带离形成坑槽。,5）松散和坑槽,2、设计指标,1）车辙（永久变形）：以车辙为临界状态设计方法,（1）采用荷载作用下路基路面结构层内永久变形的总和小于等于永久变形量。,（2）或以路基顶
4、面的竖向压缩应变作为指标。,2）路表回弹弯沉：路表面在荷载作用下的回弹弯沉量反映了路基路面结构的整体刚度。试验表明，它同路面使用状态间存在一定关系，回弹弯沉大，相应的塑性变形量也大，出现疲劳开裂的机率高。根据路面使用状态和使用年限要求，可以确定一次标准荷载作用下的路面的容许回弹弯沉量。路面以回弹弯沉作为设计指标：,3）疲劳开裂：以疲劳开裂作为临界状态设计，选择层底拉应力（拉应变）作为指标。以最大拉应力（或拉应变）小于容许拉应力（或拉应变）。,上述三项为主要设计指标，对任一柔性路面都要满足。除此之外，还有三项次要指标，在特定的荷载、温度场合使用，指导面层材料的设计。,4）面层剪切：在竖直、水平荷
5、载共同作用下，面层结构中产生的剪切应力小于容许应力。,5）面层断裂：受紧急制动产生的水平力作用时，产生很大的径向拉应力和水平向位移（推移）。,6）低温缩裂：对寒冷地区低温时，面层材料收缩受阻产生的温度应力小于等于该温度时材料的抗拉强度。,12-2 弹性层状体系的应力和位移计算,一、一般概念,1、力学图式,将路基路面看作弹性层状体系。因为层状体系和竖直荷载都对称于荷载轴z，可以采用圆柱坐标来简化计算。,在圆柱坐标中，体系的微分单元上作用有三个法向应力r(径向）、（切向）、z（竖向）及三对剪应力：,此外，单元体还有三个位移分量：U (径向）、 V （切向）、 W （竖向）。当作用在层状体系表面上的
6、荷载为轴对称荷载时，各应力、应变和位移分量也对称于对称轴，即它们仅是r和z的函数，因而， r=r=0，z=z=0，三对剪应力简化为一对；同理，切向位移V=0。,2、基本假定,1）各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的，以及位移和形变是微小的； 2）最下一层在水平方向和垂直向下方向为无限大， 其上各层厚度为有限、水平方向为无限大； 3）各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处，其应力、形变和位移为零； 4）层间接触情况，或者位移完全连续（称连续体系），或者层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力（称滑动体系）； 5）不计自重。,3、应力、应变关系式,物理方程,体系内任一点的主应力可解下列一元
7、三次方程求得：,其中：I1 为第一应力状态不变量：,I2 为第二应力状态不变量：,I3 为第三应力状态不变量：,解出三个实根1、2、3；且123，1为最大主应力，3为最小主应力；并按下式确定最大剪应力：,12-3 路面结构组合设计,一、目的和要求,1、目的：柔性路面各结构层选择和安排，使整个路面结构既能承受行车荷载和自然因素的作用，又能发挥各结构层的最大效能。,2、要求：路基稳定、基层坚实、面层耐用。,路基稳定：水温稳定性好。,基层坚实:承重层，要有足够强度、一定刚度和水稳定性。,面层耐用：高强、耐磨、热稳定性好、不透水。,二、结构组合设计原则,1、与行车荷载的作用相适应,1)荷载作用分析：,
8、竖向应力应变的6070%由3050cm范围承受;,汽车作用的瞬时性， 面层是主要受影响层;,剪应力随深度迅速减小;,光滑结构应力大于连续结构。,2)结论：,路面材料的强度(E)应自上而下逐渐减小，以适应荷载作用的要求，结构层不能倒装；,层间联结应良好，保证连续体系；,各结构层要达到最小厚度要求；,相邻结构层间模量的要求：E2/E10.3； E0/E2 =0.080.4。,2、适当的层数,层数既要体现强度和刚度沿深度递减的规律 ，又要考虑施工工艺、材料的强度形成原理； 不是层数越多越好。,3、考虑水温状况的影响,1）中、潮湿地区：宜用水稳性较好的材料作垫层；,2）冰冻地区：考虑冻胀、翻浆；按规范
9、规定设置防冻层；,3）干旱地区：防松散；,4）湿热地区：考虑温度稳定性。,4、考虑结构层自身的特点,1）泥结碎石水稳性差，中湿、潮湿地段不宜采用；,2）沥青混凝土面层不能直接铺筑在片石层上，应设碎石过渡层；,3）沥青混凝土面层与粒料基层或稳定土基层之间应设置联结层。（如透层沥青、粘层沥青、下封层等）,三、典型沥青路面结构组合,典型半刚性基层沥青路面,典型柔性基层沥青路面,12-4 以弯沉为设计指标的路面结构设计,我国现行柔性路面设计方法是以双圆竖向均布荷载作用下的弹性层状体系理论，以路表弯沉值作为路面整体刚度的控制指标（设计指标）。对高等级路面（沥青混凝土面层、半刚性材料基层和底基层）要验算层
10、底拉应力；对常受水平荷载作用的停车站、交叉口等路段还要验算剪应力。,一、计算图式,路表弯沉值计算图式,1、路表弯沉的变化规律,从图看出，路表面的弯沉变化过程分三个阶段：,第一阶段：路面竣工后一、二年。由于交通的荷载的压密作用以及半刚性基层材料的强度增长，路表弯沉逐渐减小，大致在竣工后第二年达最小值。,二、设计弯沉值的确定,第二阶段：路面竣工后两至四年。由于在交通荷载的充分作用、水温状况变化以及材料不均等因素影响下，路面结构内部的微观缺陷因局部范围的应力集中而扩展，形成小范围的局部破损，使结构整体刚度下降、弯沉增加。此阶段以弯沉不断增大为主要特征。,第三阶段：路面竣工后三、四年至路面达极限破坏状
11、态。由于结构内部缺陷附近局部区域积蓄的高密度能量，已通过前阶段缺陷的扩展而转移，形成新的能量平衡，路面结构的整体刚度达成较低水平的新的相对稳定，路表弯沉进入一个比较稳定的缓慢变化阶段，即结构疲劳破坏的稳定发展阶段，一直延续至结构出现疲劳破坏。,2、使用期末不利季节的路表回弹弯沉 将使用期末不利季节，在设计标准轴载作用下容许出现的最大回弹弯沉值定义为容许弯沉值 。与之对应的路面破坏状态称为临界破坏状态,3、设计弯沉值,由于竣工后第一年最不利季节的弯沉值与最大刚度状态所对应的弯沉值较接近，故将此时测得的最大回弹弯沉值作为路面设计弯沉 。即:,At：弯沉变化系数，At 1.20,Ac公路 等级系数,
12、高速、一级为1；,二级为1.1；,三、四级为1.2。,As面层 类型系数,沥青混凝土面层为1.0；,沥青表处为1.2；,中、低级路面为1.3；,其它路面为1.1。,Ab基层 类型系数,1）半刚性基层、底基层总厚度等于或大于20cm时为1；,2）若面层与半刚性基层间设置等于小于15cm级配碎石层、沥青贯入碎石、沥青碎石的半刚性基层结构时为1；,3）柔性基层、底基层为1.6；,4）当柔性基层厚度大于15cm、底基层为半刚性下卧层时为1.6。,设计弯沉的修正,通常理论计算值（设计弯沉值）与实测弯沉值之间存在一定的偏差。原因为路面材料并非线弹性体，为此引入一修正系数F，即：,c：理论弯沉系数,三、查图
13、法和简化公式计算路面厚度,进行路面厚度计算时，先进行路面结构组合设计，即拟定路面各结构层（确定各结构层的材料和回弹模量），拟定某层为设计层（厚度待求），确定其它各层厚度，利用电算设计程序即可求得设计层的厚度。,弹性层状体系理论计算机程序比较有名的有：Shell公司的BISAR程序，加州大学Berkely分校的ELSYM程序；国内有GHT程序和东南大学的DRFP程序等。,当条件不具备用电子计算机求解多层体系时，可将其按等效原则换算为三层体系进行计算。,1、查图法计算,多层路面换算,E2/E1=0.32.0；E3/E2=0.020.2；H1/=0.45.5；H2/=1.55.4；面层的泊松比取值为
14、0.25，其余各层均为0.35时计算精度较好。,2、简化公式,2、进行半刚性基层层底拉应力验算时：,（轴载大于50kN）,C1轴数系数；当轴间距小于3m时，轴数系数为：C1 =1+2(m-1),C2轮轴系数，单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09,C2：轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38,C1：轴数系数；当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为m（轴数）;当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数C1=1+1.2(m-1),1、以设计弯沉为指标及沥青层层底拉应力进行设计时：,（轴载大于25kN）,四、轴载换算,125 路面结构层拉应力验算,
15、一、结构层材料的容许拉应力,我国沥青路面设计除了以路面设计弯沉为设计控制指标外，对高等级道路路面还要验算沥青混凝土面层和整体性材料基层、底基层的拉应力。要求结构层底面的最大拉应力不大于结构层材料的容许拉应力：mR,R容许拉应力,sp材料的极限抗拉强度（劈裂强度）,Ks抗拉强度结构系数,对沥青混凝土面层,对无机结合料稳定集料类,对无机结合料稳定细粒土类,Ac道路等级系数,二、拉应力验算,层底拉应力计算图式,查图法和简化公式计算,多层体系换算,计算上层底面拉应力,计算中层底面拉应力,查图法,（1）对上层底面拉应力查图（127）,（2）对上层底面拉应力查图（128）,简化公式计算（三层连续体系的中层拉应力系数）,E2/E1=0.32.0; E3/E2=0.020.22;H1/=0.43.6; E2/=1.55.5面层的泊松比取值为0.25，其余各层均为0.35时计算精度较好。,路面临界破坏状态,