公路工程概论-沥青路面设计

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1、第六章路面设计与施工 6 2沥青路面设计 本节主要内容 一 路面设计理论 应力应变求解 二 沥青路面结构组合设计三 沥青路面厚度设计 方法 四 路面设计参数五 旧沥青路面补强设计 一 路面设计理论 应力应变求解 1 古典设计方法1 麻省公式 它假定汽车是一个集中荷载P 荷载以 角通过碎石基层分布于边长为碎石层厚2倍的正方形面积的土基上 一 路面设计理论 应力应变求解 1 古典设计方法2 公式 夹角 不为45 圆形分布 一 路面设计理论 应力应变求解 1 古典设计方法3 公式 a为路表面的压力半径 一 路面设计理论 应力应变求解 2 弹性层状体系理论概述由不同材料和土基组成的沥青路面结构 在荷载

2、作用下其应力 应变关系大多呈非线形特性 并且应变随应力作用时间而变 应力卸除后有一部分塑性变形不可恢复 但考虑到运动车轮作用于路面的瞬时性 路面结构在瞬间产生的塑性变形很小 因此在进行路面结构计算和分析时 对于厚度较大 强度较高的高等级路面 将其视为线弹性体 并应用弹性层状体系理论进行分析计算是合适的 一 路面设计理论 应力应变求解 2 弹性层状体系理论概述 图6 2弹性层状体系示意图 一 路面设计理论 应力应变求解 2 弹性层状体系理论概述弹性层状体系由若干个弹性层组成 上面各层具有一定厚度 最下一层为弹性半空间体 如图6 2所示 并假设 1 各层由均质 连续的 均匀的 各向同性的线弹性材料

3、组成的弹性材料组成 用弹性模量Ei和泊松比 i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 其上各层在水平方向为无限大 但竖向具有一定厚度 3 各层分界面上的应力和位移完全连续 称连续体系 或者仅竖向应力和位移连续 而层间无摩擦力 称滑动体系 4 各层在水平方向无限远处及最下层无限深处的应力 应变和位移为零 5 不计各层材料自重 二 沥青路面结构组合设计 1 沥青路面结构类型在半刚性基层上设30mm 150mm薄沥青层的结构 称半刚性基层沥青路面 在半刚性基层或底基层上 设160mm 260mm厚沥青层的结构 称混合式沥青路面 旧水泥混凝土路面做基层 或碾压混凝土 贫

4、混凝土 低标号混凝土基层 其上一般设70mm 220mm沥青层厚度 称为刚性基层沥青路面 或复合式路面 采用沥青混合料与 无结合料的集料 柔性基层组成的结构 称柔性路面 在路基上或处治了的路基上铺筑约400mm 550mm的全厚式沥青混合料结构层 称全厚式沥青混凝土结构路面 二 沥青路面结构组合设计 2 路面结构组合原则 根据道路等级确定面层类型和等级确定路面等级应以政治 经济 国防 旅游以及经济发展的需要和设计交通量为主要依据 交通量越大 道路等级越高 面层等级应越高 厚度也越大 相应的面层层次也越多 在选择路面类型时 特别应考虑当地的气候特征 二 沥青路面结构组合设计 2 路面结构组合原则

5、 适应行车荷载作用的要求根据理论分析和经验 一般基层与相邻面层的回弹模量比不应小于0 3 土基与相邻基层或底基层的模量比以0 08 0 4为宜 l半刚性基层沥青路面与此不符l粗粒式 中粒式 细粒式沥青混凝土的划分 l标称最大粒径的概念 l最小厚度与标称最大粒径的关系 二 沥青路面结构组合设计 2 路面结构组合原则 考虑结构层自身特征各结构层材料具有不同的特性 在组合时 应注意相邻层次的相互影响 采取措施限制或消除所产生的不利影响 例如 A 沥青路面不宜直接铺筑在碎 砾 石基层上 而宜在其间设置沥青碎石过渡层 以防止由于基层的松动造成面层不平整或变形开裂 B 在半刚性基层上铺筑沥青混凝土 为防止

6、和缓减基层干缩或温缩开裂而引起面层反射裂缝 通常宜适当加厚面层 或者设置沥青碎石 级配碎石等联结层 C 此外 在软弱潮湿的路基上 不宜直接铺筑碎砾石基层 以防止基层产生过大的变形 二 沥青路面结构组合设计 2 路面结构组合原则 考虑不利水温状况的影响在中湿或潮湿路段上铺筑沥青路面 由于沥青面层不透气 使得路基和基层中因温度和湿度坡差向上积聚的水分无法通过面层排除 如果基层水稳定性不好 例如含泥量较多 塑性指数较大 一旦遇水变软 强度刚度急剧下降 致使路面破坏 因此 一般应选择水稳定性好的材料作沥青路面的基层 特别是中湿和潮湿路段 此外 除加强路基排水外 可采用低剂量石灰稳定路基土上层或加设粒料

7、垫层等技术措施进行综合处理 以改善路基水温状况 并保证处理后土基回弹模量不小于25MPa 二 沥青路面结构组合设计 2 路面结构组合原则 考虑不利水温状况的影响在冻深较大的季节性冰冻地区 路面总厚度的确定 除应满足力学强度的要求外 还应满足防冻层厚度的要求 以避免路基内出现较厚的聚冰带 导致路面不均匀冻胀和开裂等破坏 路面防冻的最小厚度可参照表6 5确定 当按力学计算路面总厚度小于表列厚度时 应增设或加厚垫层以满足防冻厚度要求 三 沥青路面厚度设计 方法 我国现行沥青路面设计方法 采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状理论 以路表设计弯沉值作为路面整体刚度的设计控制指标 对高速公路 一级公路

8、和二级公路沥青混凝土面层和半刚性基层 底基层 应对层底弯拉应力进行验算 对于经常承受较大水平荷载作用的停车站 交叉口等路段的沥青混凝土面层 还应验算高温季节 其破坏面上可能产生的剪应力 三 沥青路面厚度设计 方法 1 沥青路面的破坏状态1 沉陷为控制路基土的压缩引起路面的沉陷 可选用路基土的垂直压应力或垂直压应变作为设计标准 如 图6 1沉陷示意图 三 沥青路面厚度设计 方法 1 沥青路面的破坏状态2 车辙定义 是路面的结构层及土基在行车重复荷载作用下的补充压实 以及结构层材料的侧向位移产生的累积永久变形 三 沥青路面厚度设计 方法 1 沥青路面的破坏状态3 疲劳开裂疲劳开裂的特点是 路面无显

9、著的永久变形 开裂开始大都是形成细而短的横向开裂 继而逐渐扩展成网状 开裂的宽度和范围不断扩大 三 沥青路面厚度设计 方法 1 沥青路面的破坏状态4 推移 5 低温缩裂低温缩裂是一项同荷载因素无关的设计指标 即低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力应不大于该温度时材料的容许拉应力 即 三 沥青路面厚度设计 方法 2 路面结构计算图式及设计标准 图6 4路表弯沉计算图式 三 沥青路面厚度设计 方法 2 路面结构计算图式及设计标准设计标准 三 沥青路面厚度设计 方法 2 路面结构计算图式及设计标准设计层的选择 当采用半刚性基层 底基层结构时 可选任一层为设计层 当采用半刚性基层 粒料类材料为

10、底基层时 以半刚性基层为设计层才能得到合理的结构 当采用柔性基层 底基层结构时 以基层为设计层 三 沥青路面厚度设计 方法 3 设计指标的确定 1 路面设计弯沉值路面设计弯沉值是根据设计年限内 一个车道通过的累计当量轴次 公路等级 面层和基层类型确定的路面设计弯沉值 设计弯沉相当于路面竣工后第一年不利季节 路面在标准轴载100KN作用下 所测得的最大 相当于容许 回弹弯沉值 三 沥青路面厚度设计 方法 3 设计指标的确定 1 路面设计弯沉值 沥青路面外观等级描述 三 沥青路面厚度设计 方法 3 设计指标的确定 1 路面设计弯沉值3 5年的容许弯沉 三 沥青路面厚度设计 方法 3 设计指标的确定

11、 1 路面设计弯沉值 经过大量的测试和分析 在3 5年时相对弯沉为1 2 则得到路面设计弯沉值计算公式如下 三 沥青路面厚度设计 方法 3 设计指标的确定 2 路表弯沉实测值 三 沥青路面厚度设计 方法 3 设计指标的确定 3 容许拉应力 沥青混凝土或半刚性结构层材料的劈裂强度 MPa 对于沥青混凝土的劈裂强度是指15 的劈裂强度 对于水泥稳定类材料为龄期90d的劈裂强度 对于石灰稳定类 二灰稳定类材料为龄期180d的劈裂强度 三 沥青路面厚度设计 方法 3 设计指标的确定 4 最大层底拉应力 三 沥青路面厚度设计 方法 4 新建沥青路面设计步骤新建沥青路面设计步骤通常按以下程序进行 根据设计

12、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上的累计当量轴次和设计弯沉值 按路基土类和干湿类型 将路基划分为若干路段 在一般情况下路段长度不宜小于500m 若为大规模机械化施工 不宜小于1km 确定各路段土基的回弹模量值 拟定几种可能的路面结构组合方案与厚度方案 根据选用的材料进行配合比试验及测定各结构层的抗压回弹模量 抗拉强度 确定各结构层材料设计参数 三 沥青路面厚度设计 方法 4 新建沥青路面设计步骤新建沥青路面设计步骤通常按以下程序进行 根据设计弯沉值计算路面厚度 对高速公路 一级公路 二级公路沥青混凝土面层和半刚性材料的结构层 应进行拉应力验算 如不满足要求 应调整路

13、面结构厚度或变更路面结构组合 或调整材料配合比 提高极限抗拉强度 再重新计算 上述计算应采用多层弹性体系理论编制的专用设计程序进行 对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面 尚应满足防冻厚度的要求 进行技术经济比较 确定采用的路面结构方案 三 沥青路面厚度设计 方法 5 路面结构的剪应力计算 查表得到 经调查整理 停车站 交叉路口等缓慢制动处 0 2 在紧急制动时 0 5 四 路面设计参数 1 荷载参数1 荷载作用形式 我国路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载 并以BZZ 100表示 标准轴载的计算参数由表6 6确定 表6 6标准轴载计算参数 四 路面设计参数 1 荷载参数2 轴载换算 当以

14、设计弯沉值为指标计算路面厚度时 凡轴载在25 130KN的各级轴载 包括车辆的前 后轴 均应按下式换算为标准轴载的当量作用次数 6 17 式中 N 标准轴载的当量轴次 次 日 ni 被换算车型的各级轴载作用次数 次 日 P 标准轴载 KN Pi 被换算车型的各级轴载 KN C1 轴数系数 当轴间距大于3m时 应按单独的一个轴计算 此时轴数系数为m 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 m为轴数 C2 轮组系数 单轮组为6 4 双轮组为1 0 四轮组为0 38 当单轴重为130 200kN时 公式 6 17 中指数可按4 85次方计算 四 路面设计参数 1 荷载

15、参数2 轴载换算 当进行路面整体性结构层底拉应力验算时 凡轴载大于50KN的各级轴载 包括车辆的前 后轴 均应按下式换算为标准轴载的当量作用次数 6 18 式中 c1 轴数系数 当轴间距小于3m的双轴或多轴 c1 1 2 m 1 m为轴数 C2 轮组系数 单轮组为18 5 双轮组为1 0 四轮组为0 09 四 路面设计参数 1 荷载参数3 累计当量轴次 设计车道上标准轴载在使用年限 t年 内的累计作用次数Ne 累计当量轴次 可在通过调查得到整个行车道的第一年标准轴载日平均作用次数N1 或者设计年限末年双向日平均当量轴次 和交通量年平均增长率后 按下式 6 19 计算 6 19a 式中 车道系数

16、 参照表6 7确定 表6 7车道系数 四 路面设计参数 1 荷载参数3 累计当量轴次 表6 8各种路面适应的累计当量轴次 四 路面设计参数 1 荷载参数 l当量轴次 按弯沉等效或拉应力等效的原则 将不同车型 不同轴载作用次数换算为与标准轴载100KN相当的轴载作用次数称为当量轴次 l累计当量轴次 在设计年限内 考虑车道系数后 一个车道上的累计当量轴次总和 四 路面设计参数 2 材料的应力应变特性 1 土基回弹模量 现场实测法现场实测法是在已成路基上 在不利季节用大型承载板测定土基0 0 5mm 路基软弱时测至1mm 的变形压力曲线 并按下式计算回弹模量E0 查表法 在无实测条件时 可按查表法预测土基回弹模量值 见表6 9 换算法 与CBR换算 与弯沉换算 模量反算 四 路面设计参数 2 材料的应力应变特性 2 沥青混合料的应力 应变特性 1 沥青的劲度 2 沥青混合料的劲度模量 四 路面设计参数 3 沥青混合料的强度特性 1 抗剪强度2 抗拉强度3 抗弯拉强度4 间接抗弯拉强度 劈裂试验 四 路面设计参数 4 设计温度弯沉计算温度 层底拉应力 抗剪强度验算温度 四 路面设计参数 6 路