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1、第14章 沥青路面设计,14.1 概述 14.2 弹性层状体系理论简介 14.3 沥青路面结构组合设计 14.4 我国沥青路面设计方法 补充 设计软件应用,本章要求 1.了解沥青路面弹性层状体系理论 2.掌握沥青路面结构组合设计方法 3.掌握我国沥青路面设计方法,第14.1节 概述,一、设计任务：确定技术经济合理的路面结构，使之能承受交通荷载与环境因素的作用，并在预定的使用期限内处于设计状态。 设计内容：,上级 上页 下页,结构层材料选择 混合料配合比设计 设计参数的测试与确定 路面结构层组合与厚度计算 路面结构方案比选 路面排水系统设计和路肩加固等,第14.1节 概述,二、设计原则,上级 上
2、页 下页,三、设计理论与方法,因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资,（一）经验法 原理：通过试验路或对使用道路的试验观测建立路面结构、车辆荷载、路面使用性能三者关系，进行路面结构设计。 以美国的CBR法、AASHTO法为代表。,（二）力学经验法 原理：通过力学原理分析路面结构在荷载和环境作用下的力学响应，建立力学响应量与路面使用性能的关系，进行路面结构设计。 以美国Shell法、AI法、前苏联运输工程部方法以及我国沥青路面设计方法为代表。,第14.1节 概述,上级 上页 下页,设计理论弹性层状体系理论,弹性层状体系是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。
3、,设计方法概述,力学模型双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系 路面整体刚度设计指标设计弯沉值 路面抗弯拉验算指标层底容许拉应力 路面抗剪验算指标面层容许剪应力,我国设计方法,第14.1节 概述,上级 上页 下页,沥青路面设计的轴载换算方法,换算原则疲劳等效原则：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损伤程度。 即：作用在同一结构上的A荷载使其破坏的次数为a；B荷载使其破坏的次数为b，两荷载使路面达到同样的损伤，则（A-a）等效（B-b）。,不同的力学参数对应的疲劳等效效应不同。 如应力、应变对应的轴载换算方法不同。,第14.1节 概述,上级 上页 下页,沥青路面设计的荷载换算方程,1）当
4、以弯沉进行厚度设计及沥青层层底拉应力验算时,式中： N标准轴载的当量轴次，次/日； n1被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日； PS标准轴载100KN； Pi被换算车辆的各级轴载，KN； k被换算车辆的类型数； C1轴数系数， C1=1+1.2(m-1),m是轴数。当轴间距大于3米时，按单独的一个轴载计算，当间距小于3米时，按双轴或多轴计算。 C2轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。,不计25KN以下轴载,第14.1节 概述,上级 上页 下页,2）当进行半刚性基层层底拉应力验算时,不计40KN以下轴载,第14.1节 概述,上级 上页 下页,3.设计年限累计当量标准轴载数,或
5、,公路无分隔时，路面窄取高值，路面宽取低值,第一年双向日平均当量轴次,设计年限内交通量平均增长率,车道系数,第14.1节 概述,上级 上页 下页,例题：根据下表提供的资料计算设计年限内一个车道通过的累计标准当量轴载作用次数。,第14.1节 概述,上级 上页 下页,4.交通等级,第14.2节 弹性层状体系理论简介,上级 上页 下页,一、基本假设与解题方法 基本假设：,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； 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； 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； 层间
6、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）； 不计自重。,满足上述假定的为理想弹性体，弹性常数：弹性模量E和泊松比，两参数相互独立。,第14.2节 弹性层状体系理论简介,轴对称弹性体： 几何形状、约束条件、承受荷载都对称于某轴(通过该轴的任意平面均对称)，并且所有的应力、应变和位移也对称于该轴。变量只与r和z相关，与无关。 通常采用柱坐标系,上级 上页 下页,求解方法：将车轮荷载简化为圆形均布荷载（垂直荷载与水平荷载），并在圆柱坐标体系中分析各分量。,第14.2节 弹性层状体系理论简介,联合上述方程求解： 分离变量法、汉克尔变换法,上级 上页
7、 下页,平衡方程（14-7）式力沿坐标方向平衡。力的大小等于相应应力大小乘以应力作用面积；反映物体内任一点应力状态与该点分布力或体力之间的微分关系。2个 物理方程（14-8）式应力与应变关系。4个 几何方程（14-9）式位移与应变的关系。通过弹性体内任一点沿坐标方向微元段的相对变形求得。4个（或微分得到变形连续方程） 未知量：,10个,第14.2节 弹性层状体系理论简介,联合上述方程求解： 分离变量法、汉克尔变换法,上级 上页 下页,通解：垂直位移,第14.2节 弹性层状体系理论简介,上级 上页 下页,双层连续体系：,垂直位移系数 查图14-4,第14.2节 弹性层状体系理论简介,上级 上页
8、下页,查图14-4,第14.2节 弹性层状体系理论简介,上级 上页 下页,二、主应力计算,求解：,最大剪应力：,第1应力状态不变量,三个主应力,第2应力状态不变量,第3应力状态不变量,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,一、沥青路面结构组合原则 （一）适应行车荷载作用的要求 （二）适当的层数和层厚 （三）考虑水温状况的影响 （四）适应复杂受力条件 （五）顾及各结构层结构特性与相邻层次的互相影响,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,（一）适应行车荷载作用的要求,各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律安排，以使各结构层材料的效能得到充分发挥。,第14.3节 沥
9、青路面结构组合设计,上级 上页 下页,（二）适当的层数和层厚,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,（三）考虑水温状况的影响,潮湿路段及中湿路段沥青路面的基层一般应选择水稳定性好的材料。 在季冻地区，当冻深较大，路基土为易冻胀土时，路面结构中应设置防止冻胀和翻浆的垫层。路面总厚度的确定，除满足强度要求外，还应满足防冻厚度的要求。 基层易于冲刷或路基路面排水不良应在面层中最少使用一层不透水的沥青混合料。,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,（四）适应复杂受力条件,提高基层模量和厚度可以显著降低路基压应力 对路面弯沉的影响，路基模量基层模量基层厚度 面层模量面层厚
10、度 基层底面拉应力随着基层模量的相对增大而增大，随着路基模量的增大而减小。 基层与面层的模量比应不小于0.3，土基与基层或底基层的模量比宜为0.08-0.40。 只有面层本身抗剪强度高和采用较高模量的基层才对控制剪切破坏有效，其他因素影响甚微。,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,（五）顾及各结构层结构特性与相邻层次的互相影响,在冰冻地区和气候干燥地区，无机结合料稳定类基层的收缩常会在沥青路面上产生反射裂缝，可在层间加设一层柔性联结层，或者适当加厚面层 。 在潮湿的粉土或粘性土路基上，不宜直接铺筑碎（砾）石等颗粒类材料。必要时，可在路基顶面设土工布隔离层，以防止基层污染或路面
11、变形过大。 层间结合应尽量紧密，避免产生滑移，以保证结构的整体性和应力分布的连续性 沥青面层与基层间应设置沥青透层或沥青粘层，必要时使用下封层。,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,二、面层结构推荐：,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,三、基层结构推荐,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,四、垫层结构推荐 防水垫层、排水垫层、防污垫层、防冻垫层,垫层设置条件： 地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段。 排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段。 季节性冰冻地区中湿、潮湿路段，可能产生冻胀需设防冻垫层路段。
12、 基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,冻结指数：每年冬季负温度与天数乘积的累积值(d) 。 根据二十年以上的冻结指数将全国冰冻区划分为四个区域,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,最小防冻厚度/cm,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,典型半刚性基层沥青路面,典型柔性基层沥青路面,第14.3节 沥青路面结构组合设计,上级 上页 下页,本节小结： 1.沥青路面结构组合原则 2.面层结构推荐 3.基层结构推荐 4.垫层结构推荐 我国常用沥青路面结构,第14.4节 我国沥青路面设计方法,上级 上页 下页
13、,设计理论：我国现行的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。 设计标准：以路表面回弹弯沉和沥青混凝土层层底弯拉应力和半刚性及刚性基层层底弯拉应力的验算。,公路沥青路面设计规范JTG D50-2006,第14.4节 我国沥青路面设计方法,上级 上页 下页,一、设计指标与极限标准,高速、一级、 二级公路的路面结构设计，应以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层层底拉应力(拉应变)及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。 三级、四级公路以路表面设计弯沉值为设计指标。 有条件时，对重载交通路面检验沥青混合料的抗剪切强度。,第14.4节 我国沥青路面设计方法,上级 上页 下页,1.设计弯沉
14、,式中：ld设计弯沉值（0.01mm）； Ne设计年限内一个车道上累计当量轴次； 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，沥青混凝土面层为1.0；热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面为1.1；中低级路面为1.2； AB路面结构类型系数，刚性半刚性基层和沥青路面为1.0，柔性基层和沥青路面为1.6，其它介于两者之间。,第14.4节 我国沥青路面设计方法,例题1：某新建一级公路（沥青混凝土面层，沥青碎石基层），已知设计年限内一个车道上累计当量轴载作用次数为3200000次/一车道，试计算路面的设计弯沉值ld=? (0.0
15、1mm),上级 上页 下页,解： ld=6003200000(-0.2)111.6 =48(0.01mm),第14.4节 我国沥青路面设计方法,上级 上页 下页,例题2：某地拟造一条一级公路，路面结构如图，根据交通量调查与计算，路面竣工后第一年双向交通量BZZ-100标准轴载日平均作用次数2300（次/日），交通量增长率r=8%，车道系数取0.5，试确定该路面结构的设计弯沉值ld。,第14.4节 我国沥青路面设计方法,解：,上级 上页 下页,或,式中：R路面结构层材料的容许弯拉应力（MPa）； SP结构层材料的极限抗弯拉强度（MPa），由室内试验确定，采用劈裂强度，见表14-15、1416。
16、KS抗弯拉结构强度系数，与材料性质以及荷载重复作用次数有关。,2. 层底拉应力的计算公式：,对沥青混凝土面层： 对无机结合稳定集料类： 对无机结合稳定土类： 对贫混凝土：,第14.4节 我国沥青路面设计方法,例题：已知Ne及如图的路面结构各层位，求R。,第14.4节 我国沥青路面设计方法,上级 上页 下页,二、路面结构厚度设计方程式与设计参数,1.计算弯沉,满足：,第14.4节 我国沥青路面设计方法,上级 上页 下页,2.层底拉应力,理论最大拉应力系数,第14.4节 我国沥青路面设计方法,上级 上页 下页,3.路基回弹模量,现场实测法 P393,1）刚性承载板测定,EoL某点土基回弹模量； Eos某路段土基回弹模量设计值； 、 S分别为该路段实测土基回弹模量平均值与标准差； Za保证率系数，高速公路、一级公路为2，二三级公路为1.648，四级公路为1.5； K1不利季节影响系数，可根据当地经验选用。,第14.4节 我国沥青路面设计方法,表19,查表法,表149,表1410,表1411,第14.4节 我国沥青路面设计方法,上级 上页 下页,三、新
