03新建路面结构厚度教学讲义

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1、新建路面结构厚度确定,冯德成 哈尔滨工业大学,一、沥青路面结构厚度设计方法的发展历程,发展历程,路面模型与指标,环境条件,以湿润系数为基础的道路气候分区图,土基条件,以E0（形变模量）决定于含水量计算值,材料条件,E1（形变模量）,58年规范,发展历程,路面模型与指标,环境条件,以温度与湿润系数为基础的道路气候分区图,土基条件,以E0（形变模量）决定于含水量计算值，大型测定或反算,材料条件,E1（形变模量）大型测定或反算,66年规范,发展历程,路面模型与指标,环境条件,综合考虑地形与气候条件的公路自然区划气候分区图,土基条件,以Ecy（弹性模量）决定于含水量计算值，以1mm线性归纳法为准（春季

2、）。,材料条件,Ely（形变模量），（由试验路确定）,78年规范,发展历程,发展历程,路面模型与指标,环境条件,综合考虑地形与气候条件的公路自然区划气候分区图,土基条件,以E0（弹性模量），弯沉、弯拉以春季含水量计算值为准，剪切以夏季高温计算值为准。,86年规范,材料条件,沥青面层：弯沉指标： E1,压以20为准，整层或室内测定。弯拉指标：E1,弯和S以1015为准，用梁测定。剪切指标： E1,压、C和以七月平均路面温度为准。,发展历程,整体性基层： E1,压、 E1,弯和S室内测定。,粒料基层： E1,压整层测定。,发展历程,沥青路面结构厚度设计方法的发展历程,路面模型与指标,环境条件,综合

3、考虑地形与气候条件的公路自然区划气候分区图,土基条件,以E0回弹模量根据土基潮湿状态查表、室内试验或换算得到。,材料条件,E1（形变模量）大型测定或反算,97年规范,材料条件,沥青沥青混合料：E1抗压回弹模量，20、15室内测定；SP15 圆柱体劈裂强度。,沥青路面结构厚度设计方法的发展历程,整体性半刚性材料：E抗压回弹模量，室内测定；SP， 圆柱体劈裂强度。 。,发展历程,沥青路面结构厚度设计方法的发展历程,发展历程,历史发展表明，沥青路面设计理论体系与方法、我国的设计规范的合理制定，是与一定历史时期的经济、设计、施工、试验水平等诸多因素协调发展的。 设计方法的完善必须有成熟技术的支持；一定

4、要与当时路面建设发展相适应、解决当时关键技术问题。 规范不是最新、最先进的技术；而是成熟技术的总结。,二、沥青路面结构厚度设计指标,结构设计指标的确定,A、柔性基层或组合式基层路面 结构破坏的控制 规范采用指标 1、土基变形 土基容许压应变 设计弯沉 2、松散粒料 剪切指标 材料与施工控制 （沥青碎石） （永久变形） 3、沥青层疲劳 容许拉应变 容许拉应力 （拉应力） 4、半刚性底 容许拉应力 容许拉应力 基层疲劳开裂,B、半刚性基层或刚性基层路面 结构破坏的控制 规范采用指标 1、土基变形 土基容许压应变 设计弯沉 （半刚性） 2、沥青层剪切 容许剪应力 材料控制 3、半刚性（刚性） 容许拉

5、应力 容许拉应力 基层疲劳开裂,南非半刚性基层混合料不同阶段的有效模量取值,半刚性基层的损伤过程,第阶段：开裂前阶段，有效模量受收缩性能的影响； 第阶段：产生疲劳性微裂纹，并逐渐扩展形成网裂（大块）； 第阶段：裂缝发展形成龟裂（小块），向粒料基层发展（柔性基层）； 第阶段：松散的土石混合料状态（北方冻融破坏），含水量较高（南方潮湿状态）。,半刚性基层三阶段设计原则,沥青路面结构厚度设计指标,控制路面总厚度的设计指标主要是路基容许压应变或路表容许弯沉。 理论上可根据土基容许压应变确定设计弯沉标准 路表弯沉是路面结构损坏的综合指标,1、沥青路面结构总厚度设计指标,半刚性基层 柔性基层,初期,末期,

6、沥青路面结构厚度设计指标,土基顶面压应变与路表弯沉之间的关系,沥青路面结构厚度设体系,2.设计弯沉标准与土基容许压应变的关系：,取土基模量为30MPa时用规范规定方法计算路基 顶面压应变与累计轴次的关系,沥青路面结构厚度设计指标,沥青路面结构厚度设计指标,沥青面层的设计指标,根据沥青路面结构的应力与应变分析，对于半刚性基层与贫混凝土基层沥青路面结构的沥青层，无论层间连续还是滑动大多处于受压区；即使在某些特殊结构组合下沥青层产生拉应力（应变），其应力（应变）水平也非常低，对路面结构的破坏也起不到决定作用。,对于半刚性基层、贫混凝土基层路面可考虑采用剪切指标来控制设计。 对柔性基层或倒装结构应沥青

7、层的疲劳问题,沥青路面结构厚度设计指标,半刚性基层与贫混凝土基层拉应力设计指标,基层拉应力控制路面的破坏模式,目前新的公路技术标准已将沥青路面的设计年限提高到20年，对半刚性基层沥青路面而言是否应延长了基层的设计年限，设计人员应灵活掌握。,半刚性基层的刚度控制,在施工控制标准中对水泥稳定类应将7天无侧限抗压强度控制在1.5-5.0MPa范围内。,沥青路面结构厚度设计方法的修订方案,根据对现有设计体系及路面破坏模式的分析，新建路面的设计方法的修订 可采取以下两种方案： 方案一 半刚性基层沥青路面以半刚性基层的拉应力为设计指标，以反算路表弯 沉作为验收标准； 柔性基层（或组合式基层）沥青路面以设计

8、弯沉为设计指标，验算各整 体结构层的弯拉应力，当弯拉控制设计时，以设计弯沉为验收标准； 材料参数的选取：弯沉以抗压回弹模量计算； 拉应力计算层及以上采用15抗压回弹模量加方差代替弯拉模量，计算层以下采用抗压回弹模量减方差；仍采用劈裂强度，有条件时，也可采用弯拉模量及弯拉强度。,沥青路面结构厚度设计方法的修改方案,方案二 与大多数国家设计方法一样，根据各地成熟经验确定不同等级下的典型结 构，淡化设计指标与方法，只作为结构设计验证的方法，这种方法简单易 操作，但目前存在的主要问题有： 全国范围辽阔，需各省自行编制典型结构； 成熟的经验不多，很难确定合理的典型结构； 无法确定验收标准（弯沉标准），只

9、能进行施工过程控制。,设计理论与指标体系,8.0.1 路面结构设计采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行计算，路面荷载及计算点如图8.0.1所示。,设计理论与指标体系,规范条文,8.0.2 路面结构层厚度的确定应满足结构整体刚度（即承载力）与沥青层或半刚性基层、底基层抗疲劳开裂的要求：,1 轮隙中心处（A点）路表计算弯沉值ls 应小于或等于设计弯沉值ld.即:,2 轮隙轮隙中心（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉应力m应小于或等于容许拉应力R ，即：,规范条文,8.0.3 高速公路、一级公路、 二级公路的路面结构，以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层

10、底拉应力为设计指标。三级公路、四级公路的路面结构以路表面设计弯沉值为设计指标。有条件时，对重载交通路面宜检验沥青混合料的抗剪切强度。,沥青路面结构厚度设计指标,三、层间接触状态,层间接触条件与结构组合,三点抗弯试验原理图,随着基层模量增加沥青层的受力状态发生变化,图 斜剪与直剪试验原理,斜剪与直剪试验原理,沥青路面结构厚度设计理论体系与指标体系,沥青路面结构厚度设计理论体系与指标体系,合理的结构组合减少层间结合。,改善层间结合状态的技术措施,基层的连续施工。,设置粘层、下封层（沥青砂、单层表处）。,四、沥青路面结构厚度设计流程,沥青路面结构设计流程,规范条文,8.0.4 路面结构设计应按图8.

11、0.4所示的流程进行，主要内容包括:,1 根据设计要求，按弯沉或弯拉指标分别计算设计年限内一个车道的累计标准当量轴次，确定设计交通量与交通等级，拟定面层、基层类型，并计算设计弯沉值或容许拉应力。,2 按路基土类与干湿类型及路基横断面形式，将路基划分为若干路段，确定各个路段土基回弹模量设计值。,沥青路面结构设计流程,规范条文,3 参考本地区的经验拟定几种可行的路面结构组合与厚度方案，根据工程选用的材料进行配合比试验，测定各结构层材料的抗压回弹模量、劈裂强度等，确定各结构层的设计参数。,4 根据设计指标采用多层弹性体系理论设计程序计算或验算路面厚度,5 对于季节性冰冻地区应验算防冻厚度是否符合要求

12、。,6 进行技术经济比较（全寿命成本分析），确定路面结构方案。,沥青路面结构厚度设计的设计标准,五、沥青路面结构厚度设计的设计标准,规范条文,8.0.5 设计弯沉值应根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按式(8.0.5-1)计算确定。,式中：ld 设计弯沉值（0.01mm）；,Ne设计年限内一个车道累计当量轴次(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；热拌和冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1。,Ab路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0；柔性基层沥青

13、路面为1.6。,基层类型系数,原规范的说明己论述了半刚性基层和柔性结构层的路面结构系数Ab分别为1.0和1.6的来源。,对采用柔性结构层和半刚性基层组合而成混合式基层的路面，是从柔性向半刚性过渡的结构，设计弯沉值应界于二者之间，路面结构系数Ab可采用内插的方法处理。,对于交通量较大的柔性路面结构，目前尚处于研究阶段，缺乏工程实践经验，因此采用柔性路面结构时，应结合国外经验和国内实际，慎重为之。,说明,沥青路面结构厚度设计的设计标准,规范条文,8.0.6 沥青混凝土层、半刚性材料基层、底基层以拉应力为设计或验算指标时，材料的容许拉应力应按式（8.0.6-1）计算：,式中：R路面结构层材料的容许拉

14、应力(MPa);,S沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度(MPa)；,KS抗拉强度结构系数。,沥青路面结构厚度设计的设计标准,规范条文,1 对沥青混凝土的极限劈裂强度，系指15时的极限劈裂强度；对水泥稳定类材料系指龄期为90d的极限劈裂强度；对二灰稳定类、石灰稳定类材料系指龄期为180d的极限劈裂强度；对水泥粉煤灰稳定类材料系指龄期为120d的极限劈裂强度。,2 对沥青混凝土层的抗拉强度结构系数，按下式计算：,对无机结合料稳定集料类的抗拉强度结构系数，按下式计算：,对无机结合料稳定细粒土类的抗拉强度结构系数，按下式计算：,七、沥青路面结构设计参数与设计方法,目前设计参数选取需注意的问题 设计等

15、级 试验方法 抗压回弹试验的模量取值 弯拉试验的模量与强度取值,六、沥青路面结构厚度设计的设计参数,沥青路面结构厚度设计的设计参数,规范条文,8.0.7 路面设计中各结构层的材料设计参数应根据公路等级和设计阶段的要求确定。,1 高速公路、一级公路施工图设计时应选取工程用路面材料实测设计参数；各级公路采用新材料时，也必须实测设计参数。,2 高速公路、一级公路初步设计或二级及二级以下公路设计时可借鉴本地区已有的试验资料或工程经验确定。,3 可行性研究阶段可参考附录E确定设计参数。,沥青路面结构厚度设计的设计参数,规范条文,8.0.8 半刚性材料的设计参数应按公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JT

16、J057)的规定测定。沥青混合料的设计参数应按公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ052)的规定测定。,8.0.9 以路表弯沉值为设计或验算指标时，设计参数采用抗压回弹模量，对于沥青混凝土试验温度为20；计算路表弯沉值时，抗压回弹模量设计值E应按式(8.0.9)计算。,S各试件模量的标准差；,Za保证率系数，取2.0。,式中： 各试件模量的平均值(MPa)；,沥青路面结构厚度设计的设计参数,规范条文,8.0.10 以沥青层或半刚性材料结构层层底拉应力为设计或验算指标时，应在15条件下测试沥青混合料的抗压回弹模量；半刚性材料应在规定龄期(水泥稳定类材料龄期为90d，二灰稳定类、石灰稳定类材料为180d，水泥粉煤灰稳定类为120d)测定抗压回弹模量。,计算层底应力时应