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1、第十四章 沥青路面设计,14-1 概述,一、设计内容： 原材料调查与选择、沥青混合料配合比以及基层配合比设计、设计参数的测试与选定、路面结构设计组合、路面结构层厚度验算以及路面结构方案的比选。 高速公路和一级公路的路面设计内容,二、路面结构设计的原则 1、考虑自然条件，结合当地实践经验，将路基路面作为一个整体进行综合设计 2、进行方案比选 比选原则 3、积极、慎重推广行之有效的新材料、新技术、新工艺 4、环保 5、尽量机械化、工厂化施工 6、方案设计灵活,三、设计理论与方法 （1）、力学经验法 （2）、经验法,四、沥青路面交通等级,路面结构设计目的 要求路面结构在设计年限内满足预测交通量累积标
2、准轴载的通行能力，路面具有相应的承载能力，满足耐久性、舒适性、安全性的要求。,设计年限不低于下表要求： 高速、一级公路 15年 二级公路 12年 三级公路 8年 四级公路 6年,标准轴载与轴载换算,换算原则： 1、换算以达到相同的损伤状态为标准； 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同的。,以弯沉值为设计指标及沥青层层底拉应力验算(Pi25kN) : 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1；当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数按公式(3.0.32)计算。 c1=1+1.2(m1) 式中：m
3、-轴数。 C2轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为l.0,四轮组为0.38；,半刚性基层层底拉应力验算(Pi40kN): C1轴数系数；C2轮组系数,单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09 当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数按公式(3.0.34)计算。 C1=1+2(m1) 式中：m-轴数。 上述轴载换算公式，仅适用于单轴轴载小于130kN的各种车型的轴载换算,设计年限内标准轴载累积作用次数,与车道数有关的车辆横向分布系数，见表14-3,式中：Ne-设计年限内一个车道上的累计当量轴次(次) t -设计年限(年)； N1-路面竣工后第一年双向日平均当量轴次(次日)； Nt-
4、设计年限末年双向日平均当量轴次(次日)； -设计年限内交通量的平均年增长率()应 根据实际情况调查，预测交通量增长，经分析确定；,交通等级 交通等级 BZZ-100(次/车道) 大客车及中型以上的各种 货车交通量（辆/d车道） 轻交通 2.5*107 3000,作业1： 该路为平原二级路，双向双车道，使用年限内交通量年平均增长率为6 ，路面结构为沥青面层，二灰稳定碎石基层。求设计年限内累积当量标准轴载数。,14-3 沥青路面结构组合设计,路面结构组合设计原则： 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、抗变形能力与各结构的力学响应相匹配 从施工角度考虑：与施工技术手段、方便程度
5、相适宜，不宜太多层， 层间的相互影响：考虑强度递减时还应考虑上下面模量比不宜过大 层间接触良好稳定：保证应力传递的连续性和路面结构的整体性 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御能力 沥青路面下基层保证水稳性 季节性冰冻区，设置防治冻胀和翻浆的垫层，满足防冻厚度要求 干燥地区要防止反射裂缝反应到沥青面层 4、充分利用当地材料，降低建设与养护费用,一、沥青面层结构 分层 表面层：服务功能 中面层 下面层 面层的厚度,二、沥青路面的基层结构 柔性基层 材料：沥青处治的级配碎石和无结合料的级配碎石 优缺点 适于有较厚沥青面层的结构 半刚性基层 材料：无机结合
6、料稳定级配集料 优缺点 刚性基层 材料：低强度等级水泥混凝土 优缺点,基层类型的选择与厚度 根据交通量、使用环境进行选择 2040cm，可分层， 应大于混合料最大粒径的4倍 考虑施工压实,三、沥青路面垫层结构 需设置垫层的情况 地下水位高、排水不良的路基 排水不良的路堑 季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段 可能受污染路段与软弱路基 垫层的分类 防水：隔绝毛细水，采用粗粒材料，下铺不透水层 排水：排除路基地面下渗水与毛细上升水，材料需计 算，层下与层上均铺反滤层 防污：防止路基土浸入污染路面结构，采用土工合成材料与粒料 分多层间隔铺筑 防冻：防止路面冻胀与翻浆，采用煤渣矿渣等稳定材 料，,四、层间结
7、合 设计时，应采取以下的技术措施，加强路面结构各层之间的紧密结合，提高路面结构整体性，应使各结构层之间不产生层间滑移。 1在沥青面层与半刚性基层或粒料基层之间应设置透层或者黏层沥青；当半刚性基层表面有可能出现细集料松散现象或因不能立即加铺沥青层且有施工车辆通行时，还应在透层沥青上增撒(23)m31000m2的粗砂或石屑；在多雨地区或多雨季节施工，宜用层铺法的单层表面处治做下封层，以防止雨水渗入基层。 2当沥青层由双层或三层组成时，若不能连续施工而沥青层表面被污染，或在旧沥青面层及水泥混凝土面层上加铺沥青层时，均应在层间设粘层沥青。 3透层沥青、粘层沥青、下封层的材料规格和用量应符合公路沥青路面
8、施工技术规范的要求。,14-2 弹性层状体系理论概述,弹性半空间体水平和垂直深度方向均为无限大的均质弹性体，强度可由Eo o 来表征。 弹性双层体系在弹性半空间体上，有一层一定厚度的结构层在水平方向为无限长的弹性均质体，强度可以用E1 1 表示的结构。 弹性多层体系如上，但有N个薄层。,一、基本假设与解题方法 1、基本假设： （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，
9、或者位移完全连续，或者层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力； （5）、不计自重。,弹性层状体系示意图,2、解题方法,平衡方程,表示体系内任一点应力形变关系的物理方程为：,轴对称课题的几何方程为：,双层连续体系的弯沉,结构层层底弯拉应力m 的确定： mp m 理论最大弯拉应力系数 P 标准轴载轮胎接地压力（MPa）,14-4 新建沥青路面的结构厚度计算,高速公路、一级公路、二级公路的路面结构，以路表回弹弯沉值、沥青混凝土层层底弯拉应力、半刚性材料基层弯拉应力为设计指标。三、四级公路的路面结构以路表面设计弯沉值为设计指标。,一、设计指标与极限标准,（一）路面弯沉 是路面在垂直荷载作用下，垂直方向的总
10、位移。 可以反映路面各结构层和土基的整体刚度，且与路面使用状态相关。 便于直接测量,路表弯沉计算图式,达到相同程度的破坏程度时，回弹弯沉值的大小同该路段的设计使用寿命，即轮载累积重复作用次数成反比关系 通过长期观测，建立累积轴载N与路面损坏阶段的统计模型,回归系数,LR随N改变的变化率,累计当量轴载作用次数,容许回弹弯沉值 cm,设计弯沉值Ld：路面结构在经受设计使用期累积通行标准轴载次数后，路面状况优于各级公路极限状态标准时，所必须具有的路表回弹弯沉值 表征路面整体刚度大小的指标，是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、面层和基层类型而确定的路面设计弯沉值，是路面厚度计算
11、的主要依据。,设计弯沉值Ld,Ld 设计弯沉值（0.01mm） Ne 设计年限内一个车道上累积当量轴次 Ac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 As面层类型系数，沥青混凝土面层1.0，热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌下惯或惯入式和沥青表处1.1 Ab基层类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6,设计方程式： LsLd Ls实际路面出现的弯沉值 Ld路面结构设计回弹弯沉,实测弯沉和理论弯沉的关系式,式中：LS 路面实测弯沉值，0.01mm P、 接地压强和当量圆半径 F弯沉综合修正系数 ac 理论弯沉系数,实测弯沉Ls和理论弯
12、沉的关系式,理论弯沉系数， P、 标准轴载轮胎接地压力（MPa）和当量圆半径（cm） E0 路基回弹模量（MPa） F：弯沉综合修正系数,计算公式： 1、双层体系双圆荷载轮隙理论弯沉（查图14-13）： 2、三层体系双圆荷载轮隙理论弯沉（查图14-14） ：,（二）弯拉应力 引入原因：弯沉指标不能表征路面结构内个别结构层的某一个指标是否出现破坏极限 结构层极限拉应力一般发生在层底，轮印的下方,规范规定：沥青面层、半刚性基层、下基层、刚性基层层底弯拉应力m作为沥青路面设计的第二项设计控制指标。 设计方程式： mR R：结构层材料的容许拉应力，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
13、应力。,结构层层底弯拉应力m 的确定： mp m 理论最大弯拉应力系数 P 标准轴载轮胎接地压力（MPa）,结构层材料的容许拉应力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应力。表达为： 结构层材料的极限抗拉强度，(mPa)，规范规定采用极限劈裂强度。 Ks ：表征结构层材料的抗拉强度随疲劳而降低的抗拉强度结构系数,与加载次数与材料类型有关。,对沥青混凝土的极限劈裂强度，指15时的劈裂强度；水泥类稳定材料，指龄期90d的极限劈裂强度；二灰、石灰稳定类指龄期180d的极限批裂强度，水泥粉煤灰类120d。 沥青混凝土层： Ks=0.09Ne0.22/Ac 无机结合料类稳定集料： Ks
14、=0.35Ne0.11/Ac 无机结合料类稳定细粒土类：Ks=0.45Ne0.11/Ac Ac 公路等级系数，高速、一级1.0，二级1.1，三、四级1.2,二、设计参数,应用弹性层状理论体系计算，必须确定路基土和路面材料的回弹模量值。,A、土基回弹模量值的确定,1、现场实测法 (1)大型承载板测定 (2)弯沉测定 （3）土基回弹模量设计值:,2、查表法 1）确定临界高度 临界高度指在不利季节，土基分别处于干燥、中湿或潮湿状态时，路床表面距地下水位或地表积水水位的最小高度。 (查表1-9，p19,确定土基的干湿状态) 2）拟定土的平均稠度(查表1-7，p17) 3）预测土基回弹模量(查表14-1
15、1,p395) 3、室内试验法(小承载板试验) 4、换算法,B、路面材料设计参数值,路面材料参数选择考虑因素： 测试方法简便，结果比较稳定； 测得的模量值和强度应较好地反映各种路面材料的力学特性； 模量值和强度用于厚度计算时，应较好地与设计方法相匹配，设计厚度与实际经验相吻合。,规范规定： 以设计弯沉值计算路面厚度各层材料的计算模量采用抗压回弹模量（20 ）；沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度计算采用劈裂试验测得的15时的劈裂强度与抗压回弹模量。,考虑路面结构层回弹模量的最不利组合，回弹模量的设计值按下式计算： 计算路表弯沉时，各层抗压回弹模量计算如下： 计算层底弯拉应力的时候，计算层以下各层模
16、量采用上式，计算层及以上各层模量采用下式： S各试件模量的标准差； Za保证率为95的系数，取2.0,三、多层路面的等效换算,1、弯沉等效换算法 多层路面弯沉等效换算原理： 在弯沉系数相等的条件下，可以把一个模量E1、厚度h1的面层换算为另一个模量E1、厚度h1的面层，如此可将多层体系的面层以下各层逐次换算，最终得到一等效的双层体系。,当采用三层体系作为计算体系时，将多层体系按弯沉等效换算为三层体系，这时多层体系的第一层作为上层，模量和厚度保持不变，将第2至n-1层作为中层并将它们换算为第二层模量的等效厚度。,中层厚度的换算公式：,2、弯拉应力等效换算法： （1）、计算上层底面弯拉应力的换算方
17、法,h3 ,E3,（2）、计算中层底面弯拉应力的换算方法,作业2：,在作业1计算的基础上，已知沥青面层厚7cm，二灰碎石基层26cm，土基模量E0为36Mpa，该路面结构的理论弯沉系数ac为1.645，试计算1、该结构的弯沉能够否满足设计要求；2、沥青层与二灰层的抗拉强度结构系数是多少，如果二灰层的劈裂强度为0.7MPa，那么该层的容许弯拉强度是多少？。,作业3,假设该路面结构除了沥青面层（模量为1250Mpa），二灰碎石基层（模量为1300Mpa），部分路段还设置了15CM厚的二灰砂砾下基层（模量为1150MPa），各层试件模量的标准差均取50MPa，试问1、进行弯沉计算时，h与H是多少？
18、2、进行二灰碎石层底弯拉应力验算时，h与H是多少？,4 、路面结构的剪应力计算,一、剪应力和抗剪强度 最大剪应力为： 结构层产生的正应力和剪应力：,容许剪应力： 缓慢制动(f=0.2) 紧急制动(f=0.5),二、路面结构层材料的抗剪强度参数,六、新建路面结构设计步骤,1、确定路面等级和面层类型，计算累计当量轴次和设计弯沉值 2、路基分段，确定土基回弹模量值 3、拟定路面的结构组合和厚度方案，确定材料设计参数 4、计算路面厚度。 5、对于季节性冰冻地区应验算防冻厚度是否符合要求。 6、进行技术经济比较，确定路面结构方案。,14-6 沥青路面改建设计,改线：按新建路面设计 加宽路面、提高路基、调
19、整纵坡：视情况而定 原有路面补强：改建路面设计 路面补强设计：包括现有路面状况调查、弯沉评定和补强厚度计算,一、路面结构状况调查与评定：对路面破损程度进行分段评价，分析路面损坏原因 1、交通调查 2、路基状况调查：路床范围内路基土的分层含水量、土质类型及承载力，分析路基稳定性、强度和路基路面范围内排水状况。 3、路面状况调查：评价原有路面结构承载力；调查破损状况，包括裂缝率、车辙深度、修补面积等；根据破损状况调查和承载能力测试与评价，选择路面外观为好、中、差的典型使用状况，进行分层钻芯或探坑取样，采集各结构层和土基的样品试验，分析破坏原因，判断其破坏层位及是否可以利用。 4、路面修建和养护历史
20、调查,设计时应根据情况将全线划分为若干段： 1 原路面的破损形态、弯沉值、破损原因相近的划为一个路段 2 同一路段内，局部弯沉很大的，可先修补处理再进行补强。 3 一般按1km为单位对路况进行评价，情况复杂时分段长度可视实际情况而定。,二、弯沉评定： 弯沉检测：BZZ-100标准轴载汽车，贝克曼梁 每路段不少于20个测点 将原路面计算弯沉值换算为综合回弹模量值 原路面强度不足进行补强设计，设计方法与新建路面相同 加铺补强层结构设计：直接加铺或者开挖原路至某一结构层，或者加铺一层或多层沥青补强层，或者加铺半刚性基层等方案。 原路面与加铺层之间，宜洒布黏层沥青，或其他减裂措施。,三、加铺补强层设计步骤： 1、计算原路面当量回弹模量值 2、拟定几种可行的结构组合与结构层厚度，通过试验或者当地经验确定各补强层的材料参数 3、根据加铺类型确定设计指标，当以路表弯沉为设计指标时，弯沉综合修正系数F按下式计算： 4、采用弹性层状体系理论设计程序计算设计层的厚度或者进行结构验算 5、进行经济技术比较，确定补强设计方案。,THE END,