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1、第十四章 沥青路面设计,14.1 概述,一、沥青路面设计内容： 结构组合设计 材料组成设计 厚度设计 路肩设计 排水设计,二、沥青路面设计原则,1.路基路面整体综合设计 2.方案比选（经济、技术） 3.运用新材料、新工艺、新技术 4.设计是考虑环境、生态、施工、养护 5.选择机械化、工厂化 6.一次设计、分期修建,三、沥青路面设计理论与方法：,经验法和力学-经验法 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半刚性材料的基层、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。,14.2
2、 弹性层状体系理论,弹性层状体系计算图式,求解方法：将车轮荷载简化为圆形均布荷载,14.3 沥青路面结构组合设计,基本原则：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-适宜厚度 2. 在各种自然因素作用下稳定性好 水稳定性和温度稳定性-最小防冻厚度 3. 考虑结构层的特点： 上下层匹配，总体上强度足够-路面结构组合,面层：高速一级分三层，二三级分双层 三四级单层 基层：柔性基层、半刚性基层、刚性基层 垫层：防水、排水、防污、防冻垫层 土基： 层间结合：透层沥青 、粘层沥青、单层表处下封层、稀浆封层,沥青路面材料代码与
3、材料名称对照表 （“路面材料代码”由两部分组成，第一部分为“材料大类编码”，第二部分为“材料名称编码”，以“中粒式沥青混凝土”材料为例，其材料代码为0102）。 一、材料大类编码: 沥青混凝土与沥青碎石类 石灰煤渣类 其它沥青混合料类 石灰粉煤灰类 石灰稳定类 水泥粉煤灰类 水泥稳定类 石灰水泥粉煤灰类 水泥石灰稳定类 粒料类 二、材料名称编码: 、第一大类（） 粗粒式沥青混凝土 粗粒式乳化沥青碎石 中粒式沥青混凝土 中粒式乳化沥青碎石 细粒式沥青混凝土 细粒式乳化沥青碎石 粗粒式沥青碎石 粗粒式沥青玛蹄脂碎石 中粒式沥青碎石 中粒式沥青玛蹄脂碎石 细粒式沥青碎石 细粒式沥青玛蹄脂碎石 、第二
4、大类（） 沥青贯入式 沥青上拌下贯 沥青表面处治 沥青砂 沥青土 沥青石屑,、第三大类（） 石灰土 石灰土稳定砂砾 碎石灰土 石灰土稳定碎石 砾石灰土 石灰土稳定矿渣 煤渣灰土 石灰土稳定钢渣 石灰碎石土 石灰土稳定砾石 石灰砂砾土 石灰土稳定碎砾石 、第四大类（） 水泥土 水泥稳定砂砾 水泥稳定钢渣 水泥碎石土 水泥稳定碎石 水泥稳定砾石 水泥稳定石屑 水泥稳定矿渣 水泥稳定碎砾石 水泥砂砾土 水泥稳定石渣 、第五大类（） 水泥石灰稳定土 水泥石灰稳定砂砾 水泥石灰稳定钢渣 水泥石灰碎石土 水泥石灰稳定矿渣 水泥石灰稳定砾石 水泥石灰砂砾土 水泥石灰稳定碎石 水泥石灰稳定碎砾石 、第六大类（
5、） 石灰煤渣土 石灰煤渣砂砾 石灰煤渣碎砾石 石灰煤渣碎石土 石灰煤渣碎石 石灰煤渣 石灰煤渣钢渣 石灰煤渣砂砾土 石灰煤渣矿渣 石灰煤渣砂 石灰煤渣砾石,、第七大类（） 石灰粉煤灰土 石灰粉煤灰砂砾 石灰粉煤灰碎砾石 石灰粉煤灰碎石土 石灰粉煤灰碎石 石灰粉煤灰 石灰粉煤灰砾石 石灰粉煤灰砂砾土 石灰粉煤灰矿渣 石灰粉煤灰砂 石灰粉煤灰钢渣 、第八大类（） 水泥粉煤灰土 水泥粉煤灰砂砾 水泥粉煤灰碎砾石 水泥粉煤灰碎石土 水泥粉煤灰碎石 水泥粉煤灰 水泥粉煤灰砾石 水泥粉煤灰砂砾土 水泥粉煤灰矿渣 水泥粉煤灰砂 水泥粉煤灰钢渣 、第九大类（） 石灰水泥粉煤灰土 石灰水泥粉煤灰砂砾 石灰水泥粉
6、煤灰碎砾石 石灰水泥粉煤灰碎石土 石灰水泥粉煤灰碎石 石灰水泥粉煤灰 石灰水泥粉煤灰砾石 石灰水泥粉煤灰砂砾土 石灰水泥粉煤灰矿渣 石灰水泥粉煤灰砂 石灰水泥粉煤灰钢渣,、第十大类（） 泥结碎石 填隙碎石 级配碎石 未筛分碎石 泥结砾石 粒料改善土 级配砾石 碎石土 泥结碎砾石 砾石土 级配碎砾石 风化砂 级配砂砾 风化砂土 天然砂砾 粗砂 泥灰结碎石 中砂 泥灰结砾石 煤渣 泥灰结碎砾石 矿渣 级配碎石掺灰 钢渣 级配砾石掺灰 石渣 级配碎砾石掺灰 山皮土,14.4 我国沥青路面设计方法,设计理论：采用双圆垂直均布荷载作用 下的多层弹性层状体系理论。 设计指标： 以设计弯沉值为路面整体刚度的
7、设计指标。 以层底拉应力对沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层进行验算。 一、计算图式,二、路面的容许弯沉值和设计弯沉值,1、路面的容许弯沉值 路面在使用期末的不利季节，在设计标准轴载作 用下容许出现的最大回弹弯沉值。 2、路面的设计弯沉值 路面竣工后第一年不利季节、路面在标准轴载 100kN作用下，测得的最大回弹弯沉值。,设计弯沉,实测弯沉 （计算弯沉）,0,三、沥青路面交通等级和轴载换算,1.路面设计年限,注：公路沥青路面设计规范JTG D50-2006,2.轴载换算,标准轴载 我国路面设计以双轮组单轴载100kN为 标准轴载。即BZZ100。 等效换算原则： 1）换算以达到相同的临界
8、状态为标准 2）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 相等的,当量轴载换算 1.当以弯沉值及沥青层层底拉应力为设计指标时， 凡轴载大于25kN的各级轴载P1的作用次数n1，换算成 标准轴载P的当量作用次数N：,2.当进行半刚性基层的层底拉应力验算时，凡大于50kN的各级轴载P1的作用次数n1，换算成标准轴载P的当量作用次数N：,例题：已知某载货车为双后轴（轮距小于3m）双轮组，每一后轴重80kN，前轴重30kN。试求该货车通过一次相当于标准轴BZZ-100作用几次。,3.设计年限累计当量标准轴载：,车道系数,注：公路沥青路面设计规范JTG
9、 D50-2006,4.交通等级,四、路面材料设计参数,以路面设计弯沉值计算路面结构厚度时采用20。C抗压模量。 验算层底拉应力采用15。C的抗压模量。,结构层材料的容许应力,Ks -抗拉强度系数。见书P -306,0,五、结构层材料的容许拉应力,结构层底面的最大拉应力不大于结构层材料的容许应力,沥青混凝土的劈裂强度以15。C的测试温度值计算。 水泥稳定类材料的龄期规定为90天的极限劈裂强度， 二灰稳定类、石灰稳定类的龄期为180天的极限劈裂强度， 对水泥粉煤灰稳定材料的龄期为120天的极限劈裂强度。,层底拉应力以单圆荷载中心处（B点）及双圆轮隙中心（C点）为计算点，取较大值计算层底拉应力。,
10、理论最大拉应力系数,六、弯沉值和结构层底拉应力的确定,七、多层路面的等效换算,对于多层体系可用电子计算机求解，当条件不具备时，可换算为三层（或双层）体系计算。进行等效换算。,1、等效弯沉的换算,或,例题：为求算表中所示五层体系表面弯沉，请将该体系换算为三层体系。,2、等效上层底面弯拉应力的换算,换算后上层,换算后中层,3、等效中层底面弯拉应力的换算,八、新建路面厚度设计,新建路面路面结构设计： 交通量已知， 各层材料（模量、泊松比、抗拉应力）已知， 除待设计层外各层厚度已知， 按弯沉标准去计算设计层厚度 ；,路面结构层厚度确定要满足：,2. 双圆轮隙中心（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉
11、应力应小于或等于容许拉应力，即：,1. 轮隙中心处（A点）的路表计算弯沉值应小于等于设计弯沉值。即：,新建路面厚度设计,设计过程： 1）计算设计年限内的标准轴载累计当量轴次，确定交 通量等级、面层类型、计算设计弯沉值和容许弯拉应力。 2）确定土基回弹模量E0 3）拟定路面结构组合与厚度方案，确定各层的抗压回 弹模量，弯拉模量与抗拉强度。 4）计算路面结构设计层的厚度，并验算层底拉应力（高速、一级、二级公路）。 5）对于季节性冰冻地区高级、次高级路面，验算防冻厚度 6）进行技术经济方案比较，选择最佳方案。,新建路面结构设计步骤 见:P317,设计实例,甲乙两地之间计划修建一条四车道的一级公路，在
12、使用期内交通量的年平均增长率为 10%。该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为1.00,沿途有大量碎石集料，并有石灰供给。，预测该路竣工后第一年的交通组成如下表所示，试进行路面结构设计。,1、轴载分析之轴载换算（弯沉及沥青层弯拉应力分析时）,注：轴载小于25KN的轴载作用不计。,2、轴载分析之轴载换算（半刚性层弯拉应 力分析时）,注：轴载小于50kN的轴载作用不计。,3、轴载分析之累计标准轴载作用次数 （累计当量轴次）,作弯沉计算及沥青层底弯拉应力验算时,作半刚性基层层底弯拉应力验算时,设计年限内一个行车道上的累计标准轴次为1000万次 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
13、灰供应，路面结构采用：,4、初拟结构组合和材料选取,5. 各层材料的抗压模量与劈裂强度,查表14-7，14-8得到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20 的抗压回弹模量： 细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa， 中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa， 粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa， 水泥碎石为1500MPa， 石灰土550MPa。,各层材料的劈裂强度： 细粒式密级配沥青混凝土为1.4MPa， 中粒式密级配沥青混凝土为1.0MPa， 粗粒式密级配沥青混凝土为0.8MPa， 水泥稳定碎石为0.5MPa， 石灰土0.225MPa,6. 土基回弹模量的确定
14、,该路段处于 IV 7区，为粉质土，稠度为 1.00 ， 查表2-12 “二级自然区划各土组土基回弹模量 参考值（ MPa ）”查得土基回弹模量为 40MPa 。,7. 设计指标的确定-设计弯沉值,本公路为一级公路，公路等级系数取1.0，面层是沥青混凝土，面层类型系数取1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数取1.0 设计弯沉值为：,8. 设计指标的确定 -各层材料的容许拉应力,细粒式密级配沥青混凝土；,中粒式密级配沥青混凝土；,粗粒式密级配沥青混凝土；,水泥碎石：,石灰土：,9414409,9414409,9. 总结设计资料,设计弯沉值为23.4 （0.01mm ）,25,
15、通过程序设计计算得到， 石灰土的厚度为24.5cm， 实际路面结构的路表实测弯沉值24.19(0.01mm)， 沥青面层的层底均受压应力 水泥碎石层底的最大拉应力0.1223MPa， 石灰土层底最大拉应力为0.075MPa。 结构层最大的拉应力小于等于结构层材料的容许拉应力。 mR 上述设计结果满足设计要求。,10. 确定石灰土层厚度,通过程序设计计算得到，石灰土的厚度； 通过利用弹性三层连续体系的诺谟图求解。,沥青面层的层底均受压应力 水泥碎石层底的最大拉应力0.1223MPa， 石灰土层底最大拉应力为0.075MPa。 结构层最大的拉应力小于等于结构层材料的容许拉应力。 mR 上述设计结果
16、满足设计要求。,11.路面结构层的应力验算,12、防冻厚度验算： 在季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段要验算，与当 地冬季负温度的累积值、路面结构层材料的热物性、 路基潮湿类型、路基土类以及道路冻深有关。 f-最近10年冻结指数平均值，由气象资料定。（查规范） 若结构层总厚度小于最小防冻厚度，应增加防冻垫层。,路面竣工验收指标,弯沉容易检测，所以一般用弯沉作为竣工验收指标，要求：,注：实测弯沉值不在20标准温度时，进行修正。 实测弯沉值要考虑一定的保证率。,14.5 沥青路面改建设计,沥青路面随时间，其性能和承载能力不断降低，超过设计使用年限（或超过累计当量轴次后）将不能满足正常行车要求，需进行补
17、强或改建。,补强设计的工作内容： 路面结构状况调查、弯沉评定、补强厚度设计。,改建的种类：加宽路面、提高路基，改善线形标准（局部改线）等应按新建路面设计。 老路面作为加铺基础，称为补强应按改建路面设计。,一、路面结构状况调查,1、交通调查（确定现有交通量，预测交通量增率）； 2、路基状况调查（调查土质、干湿状况及排水情况，地下水位，确定路基土组和干湿类型）； 3、路面状况调查（调查路面结构类型、组合和各层厚度）； 4、路面修建与养护历史调查（调查路面建成过程中，及建成后的一些重要事项，如：该路面可能已加铺了抗滑表层等）,二、路面结构承载力评定,评价指标：路表回弹弯沉（最不利季节） 评价方法：
18、1、路段划分（不短于 1000m ），并在各路段上实地检测，一般每车道按 20-50m 间隔测试，计算回弹弯沉值； 2、考虑荷载、温度、季节、湿度影响因素，确定影响系数；,3、按一定保证率计算代表回弹弯沉值,4、按代表回弹弯沉计算旧路面的综合回弹模量（类似土基回弹模量）,原路面当量回弹模量（综合回弹模量）计算,修正原因： 1）轮板对比误差 2）将原路面结构看作弹性半空间体带来的偏差；,设计方法： 将综合回弹模量视为土基回弹模量； 拟定结构组合； 按前面设计方法（查图法、程序计算法等）确定补强层厚度。,三、补强厚度的设计与计算,例题：已知p=0.7MPa, =10.65cm, E1=1500MPa, E2=700MPa, E0=45MPa, h1=10cm, lR=0.072cm, 求h2。,解：,例题：一五层体系，请换算成三层体系, 以便计算路面弯沉值和第一、第二、第四层层底拉应力，求h。,