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1、第4节 国内沥青路面设计方法,1.设计理论： 双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论,当量圆半径： =(P/p)1/2=0.1065m,标准轴载：单轴双轮BZZ-100,单个轮胎：P=(100/4)=25kN,两轮圆心间距：3=0.3195m,第4节 国内沥青路面设计方法,2.设计指标：,3.设计标准： ls ld m R,路表回弹弯沉ls,沥青混凝土层层底弯拉应力m 或半刚性材料层层底弯拉应力m,第4节 国内沥青路面设计方法,问题一：路面设计的最终目标是什么？,问题二：设计中保证最终目标的方法是什么？,问题三：设计规范采用回弹弯沉和拉应力设计指标？,满足设计年限内道路正常运营的功能性要求
2、满足设计年限内道路正常运营的结构性要求,选取合适的道路建材满足功能性要求 选取合理的设计指标与标准满足结构性要求,路表回弹弯沉反映路面结构层及土基的整体刚度和强度，同时反映路面使用状况 层底拉应力能够综合反映结构强度各种破坏形式,第4节 国内沥青路面设计方法,1.沉陷破坏结构性车辙,一、沥青路面破坏状态与设计标准,破坏原因：土基承载力不足 轮载作用下过度变形,破坏形式：轮载下表面产生 严重凹陷，凹陷两侧隆起， 沉陷继续发展，形成路面纵 向裂缝甚至网裂,控制指标：路基表面垂直应力或垂直应变,控制标准：z0 z0或z0 z0,第4节 国内沥青路面设计方法,3.疲劳开裂破坏,一、沥青路面破坏状态与设
3、计标准,破坏原因：轮载反复作用 结构层承受反复弯拉应力 作用，超过疲劳强度,破坏形式：横向开裂逐步 发展形成网裂,控制指标：结构层底弯拉应力或拉应变,控制标准：r R或r R,第4节 国内沥青路面设计方法,4.表面剪切破坏,一、沥青路面破坏状态与设计标准,破坏原因：轮载水平力反 复作用面层发生剪切破坏,破坏形式：表面发生波浪 形式的变形，表面剪切推 移的结果,控制指标：面层抗剪强度,控制标准：max R,第4节 国内沥青路面设计方法,5.低温缩裂破坏,一、沥青路面破坏状态与设计标准,破坏原因：环境温度降低 温度应力超过抗拉强度,破坏形式：有间隔的横向 开裂,控制指标：温度应力,控制标准：rt
4、RT,第4节 国内沥青路面设计方法,1.路面主要破坏类型 变形破坏：轮载反复作用下累积变形不断发展而破坏 强度破坏：结构层内或层间应力超过材料强度而破坏,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定 （一）主要破坏形式及对应控制指标,2.路面设计控制指标 控制变形（刚度要求）：路表回弹弯沉 控制应力（强度要求）：层底拉应力,第4节 国内沥青路面设计方法,1.路表回弹弯沉概念 设计标准轴载作用下垂直方向的 回弹变形总位移，表征路面总体刚度,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定 （二）路表回弹弯沉指标及设计标准,2.路表弯沉组成 A.路面结构层垂直回弹变形,占总变形90%;,第4节 国内沥青路面设
5、计方法,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定 （二）路表弯沉指标及设计标准,3.选用原因,路表回弹弯沉可表征路面整体刚度弱强（即路面结构扩散表面荷载的能力）,路表回弹弯沉可表征路基工作状况及承载力强弱。,路表回弹弯沉与路面使用寿命（累积交通量）具有紧密关系,路表弯沉可简单地用贝克曼梁量测，操作简便，真实可靠，廉价，易于推广到科研、施工、养护单位。,第4节 国内沥青路面设计方法,4.弯沉设计标准,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定 （二）路表弯沉指标及设计标准,根据大量使用多年且出现破坏状况的路面弯沉测定，交通量调查，数据分析整理，获得路面达到临界状态(出现纵横向裂缝)时的弯沉标准与累
6、积交通量的相关关系;,经过反复测试与验证，得到路面弯沉设计标准计算公式 ld=600Ne-0.2AcAsAb ld:设计弯沉值，单位0.01mm,Ab:基层类型系数，对半刚性基层=1.0；柔性基层=1.6;对于混合式基层采用线性内插确定基层类型系数,Ab=(HF+2)/20， HF半刚性基层或底基层之上柔性结构层总厚度（cm）,淮盐高速路面结构组合设计,淮安盐城高速公路路面结构设计弯沉,双向四车道高速公路：Ac=1.0；沥青混凝土面层，As=1.0;设计年限15年内弯沉与沥青层底拉应力验算Ne=2.87107次，,Ab=(4+6+10+2)/20=1.1,ld=Ne-0.2AcAsAb =(2
7、.87107) -0.2 1.0 1.0 1.1 =21.28 0.01mm,第4节 国内沥青路面设计方法,1.层底拉应力概念 设计标准轴载作用下路面结构层 层底水平向正应力为拉应力,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定 （三）层底拉应力指标及设计标准,2.结构层拉应力分析 A.半刚性基层路面，沥青层底主要是压应力或很小的拉应力，半刚性基层或底基层拉应力起主要控制作用; B.柔性基层或组合基层路面，基层粒状材料不承受拉应力，沥青面层层底拉应力起主要控制作用;,第4节 国内沥青路面设计方法,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定 （三）层底拉应力指标及设计标准,3.选用原因,沥青路面主要强
8、度破坏形式即为层底拉应力疲劳破坏，层底拉应力可用于表征个别结构层发生的极限破坏状态；,半刚性基层沥青路面弯沉值一般达到40（0.01mm）以上，基层基本失去了板体性，严重的出现松散。这说明半刚性沥青路面发生了结构破坏，原因是基层产生过大拉应力而造成基层疲劳开裂，进而导致沥青路面产生疲劳开裂。,第4节 国内沥青路面设计方法,4.层底容许拉应力,二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定 （三）层底拉应力指标及设计标准,容许拉应力：路面承受行车反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力;,容许拉应力R（最大疲劳应力）极限抗拉强度sp（如劈裂强度、弯拉强度）,经过大量验证研究，得到R与sp的关系式： R
9、= sp / Ks Ks:抗拉强度结构系数。不同结构层Ks计算公式,沥青混凝土层： Ks 0.09Ne0.22/Ac 无机结合料稳定集料层二灰碎石： Ks 0.35Ne0.11/Ac 无机结合料稳定细粒土层二灰土： Ks 0.45Ne0.11/Ac,淮盐高速路面结构组合设计,淮安盐城高速公路路面结构容许拉应力,沥青混凝土,Ks 0.09Ne,A0.22/Ac =0.09(2.87107) 0.22 / 1.0 =3.93,Ks 0.35Ne,B0.11/Ac =0.35(1.53107) 0.11 / 1.0 =2.16,Ks 0.45Ne,B0.11/Ac =0.45(1.53107) 0.
10、11 / 1.0 =2.78,水泥稳定碎石,二灰土,设计年限15年内弯沉与沥青层底拉应力验算Ne,A=2.87107次;设计年限15年内半刚性基层层底拉应力验算Ne,B=1.53107次,淮盐高速路面结构组合设计,淮安盐城高速公路路面结构容许拉应力,第4节 国内沥青路面设计方法,两个设计指标构成的方程式 设计弯沉 ld：lsld 容许拉应力R ： m R 两式同时满足时，设计层的厚度即为最终设计厚度 不能同时满足时，调整设计层厚度、材料类型或层位,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （一）厚度设计验算方程式,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （二）路表弯
11、沉ls计算,1.路表弯沉ls计算公式： ll为理论计算值，可以通过计算软件如Bisar计算得到,理论弯沉系数,弯沉综合修正系数：ls单位为0.01mm；单位为cm,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （二）路表弯沉ls计算,2.路表弯沉ls修正原因： 弹性层状体系理论弯沉计算基于大量假设条件 实际情况下基层或土基的模量、材料特性和参数等方面与理论假设存在差异 理论计算结果与实际弯沉存在误差，因此必须修正,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （二）路表弯沉ls计算 3.路表弯沉验算位置 只需验算两轮轮隙中心位置A点,第4节 国内
12、沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （二）路表弯沉ls计算,4.路表弯沉 ls简单算例 当量荷载圆半径 单位为10.65cm,Bisar计算得到A点理论弯沉ll为39.40.01mm，土基回弹模量E0=36MPa，标准轴载胎压p=0.707MPa，试计算路表弯沉 ls,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （三）结构层层底拉应力m计算,1.结构层层底拉应力m计算公式： 其中，p为轮胎压力,理论最大拉应力系数,结构层层底拉应力m可以采用计算软件（如Bisar）计算，弹性层状体系计算获得的层底拉应力无需再次修正,第4节 国内沥青路面设计方法,三
13、、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （三）结构层层底拉应力m计算,2.层底拉应力验算位置 两轮轮隙中心下层底位置C点 单圆圆中心下层底位置B点 验算各层最大值拉应力,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （四）结构层设计参数,1.路基回弹模量E0：,(1)现场测定法（参见书P393-394） 刚性承载板法 落锤弯沉仪法,(2)室内试验法（参见书P398） 最佳含水量下小型承载板测得E0 根据土基稠度，获得不利季节折减系数,(3) 换算法（参见书P398） 根据现场测定或室内试验，获得E0相关的经验公式 根据经验公式计算回弹模量E0,第4节 国内沥青路面设计方法
14、,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （四）结构层设计参数,1.路基回弹模量E0：,(4)查表法临界高度法确定平均稠度 确定临界高度H1 、 H2 与 H3（可查表1-9） 根据H0与临界高度关系（表14-10） 确定路基干湿状态 根据路基干湿状态稠度建议值，拟定土的平均稠度 根据自然区划,土质类型,平均稠度预估路基回弹模量,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （四）结构层设计参数,2.结构层回弹模量Ei试验方法确定,（1）以弯沉为设计或验算指标时，采用20oC的抗压回弹模量,（2）以沥青层或半刚性材料结构层为设计或验算指标时，采用15oC的弯拉回弹模量或
15、抗压回弹模量,参考沥青路面设计规范JTGD50-2004,（3）无结合料结构层（如级配碎石）只采用抗压回弹模量,第4节 国内沥青路面设计方法,三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （四）结构层设计参数,3.结构层材料弯拉极限强度sp试验方法确定,（1）弯拉极限强度可采用15oC的劈裂强度,（2）劈裂强度采用间接拉伸（劈裂）试验测定,参考沥青路面设计规范JTGD50-2004,第4节 国内沥青路面设计方法,四、新建路面厚度设计步骤 （一）设计弯沉与容许弯拉应力计算,2.容许弯拉应力R： R= sp / Ks 沥青混凝土层： Ks 0.09Ne0.22/Ac 无机结合料稳定集料层二灰碎石： Ks
16、 0.35Ne0.11/Ac 无机结合料稳定细粒土层二灰土： Ks 0.45Ne0.11/Ac,1.设计弯沉ld： ld=600Ne-0.2AcAsAb Ac、As取值参见书P390；Ab（基层类型系数）参见沥青路面设计规范JTG-D50-2004，柔性基层Ab =1.6，半刚性基层Ab =1.0，组合基层Ab =(HF+2)/20 HF：半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚度（cm）,第4节 国内沥青路面设计方法,四、新建路面厚度设计,（二）确定土基回弹模量E0,（三）制定路面结构组合方案 拟定路面结构组合方案、设计层及其试算厚度 测定设计参数Ei和sp,（四）计算路表弯沉ls和结构层层底拉应力m,（五）验算设计指标与设计标准，确定结构层厚度 取同时满足两种设计指标的设计层厚度为最终厚度,（六）季节性冰冻地区进行防冻层厚度验算,（七）技术经济分析，选定最佳路面结构方案,第4节 国内沥青路面设计方法,四、新建路面厚度设计内容 1.表面弯沉设计指标验算,*根据新规范（JTGD50-2006）要求：各级轴载（包括P40kN或P25kN）都要求进行当量轴载换算
