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1、道路工程路面结构设计与应用,天津市市政工程设计研究院 罗国梁,目 录,一、沥青路面 （一）沥青路面设计 （二）沥青路面病害分析与防治技术 （三）改性沥青与SMA混合料的应用 （四）低噪声沥青路面的设计与应用 （五）重载交通与结构设计 （六）长寿路面的讨论 （七）沥青路面冷再生技术的应用,二、水泥混凝土路面 （一）水泥混凝土路面设计 （二）旧水泥路面的改造与再生利用三、砌块路面 （一）砌块路面设计 （二）无障碍设计 （三）生态型渗水路面的应用四、新的设计理念 （一）以人为本的设计理念 （二）灵活设计与创新设计的理念 （三）和谐发展的设计理念 （四）可持续发展的设计理念,一、沥青路面,（一）沥青路
2、面设计1路面设计原则(1)自然因素:气候水文土质等自然条件,结合当地经 验,进行路基,路面综合设计.(2)交通参数:强调按“全寿命周期成本”的理念设计.(3)合理选材:利于施工与养护,技术先进,经济合理,做技术经济比较.(4)推广“三新”:新材料新工艺新技术.(5)环保理念:重视材料的再生利用与废弃料的处理.,2交通等级划分,3设计年限,路面到达临界状态的设计年限:沥青砼路面15年;支路(沥青砼路面)10年。,4结构设计,(1)设计理论与计算方法:双园均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论:,图 一,历年设计规范的变化情况:,78规范:以双层弹性体系理论为基础,对三层多层体系采 用等效层换算
3、. 86规范:采用三层体系为主的多层弹性理论公式,层间接触条件为完全连续,弯拉模量改为抗压模量,弯拉强度改用劈裂强度. 97规范:在轴载换公式,设计弯沉值,抗拉强度结构系数,弯沉综合修正系数等,有所变化. 06规范:计算方法不变,增加交通等级,对面层基层材料的级配提出改进措施.,图 二,轮隙中心处(A点)路表计算弯沉值LsLd设计弯沉;轮隙中心(C点)或单园荷载中心处(B点)层底拉应力 容许拉应力设计弯沉路表计算弯沉值沥青砼层、半刚性基层和底基层拉应力验算：,关于对理论弯沉的修正问题：,正是由于各地筑路条件千差万别，各地方一般都采用典型结构进行设计,(2)设计内容,根据交通量计算设计弯沉值；
4、确定Eo值-土基干湿类型查表估算Eo值; 拟定结构组合-各层厚度，材料参数； 采用程序计算设计弯沉值d及验算层底弯拉应力； 对冰冻地区验算防冻厚度； 技术经济比较，确定采用结构方案。,()结构层设计,沥青面层-单层双层三层。沥青面层压实最小厚度与适宜厚度表,基层、底基层、垫层材料要求与适宜厚度表,()结构组合,半刚性基层沥青路面：改进措施：适当增加沥青面层厚度；上下层选用合适的模量比；防裂措施:选用骨架密实型级配,设置应力吸收膜或应力吸收层等;层间结合:洒粘层油透层油等; 柔性路面: 刚性基层沥青路面-用于重载交通道路； 混合式沥青路面-采用沥青碎石做基层,下基层可采用无机结合料稳定集料。,(
5、)路面材料,沥青面层AC型，密级配热拌沥青混合料，设计空隙率，现场压实空隙率小于，压实度。细级配和粗级配分界,密级配粗型沥青混合料AC-C,宜选用为抗滑面层.混合料,设计空隙率为3-4%,宜用改性沥青并掺入纤维稳定剂.抗车辙（温度稳定性好),疲劳强度高，耐久性好,宜选用为抗滑面层.,SMA,图 三,开级配抗滑面层（OGFC）设计空隙率18%,适用于年平均雨量800mm地区的磨耗层和排水表面层。,OGFC,图 四,沥青路面的评价指标：,高温稳定性;-以动稳定度来评价水稳定性;-其技术指标为：,基层与底基层,半刚性基层骨架密实型：.mm通过% 水稳碎石二灰碎石21悬浮密实型：.mm通过% 水稳碎石
6、二灰碎石,水稳碎石压实度，.pa，用于级交通，pa， 用于级交通，.pa，用于级交通二灰碎石压实度，.pa，用于级交通压实度，.pa，用于级交通。,柔性基层：密级配沥青碎石(ATB) 空隙率46%半开级配沥青碎石（AM）空隙率1218%开级配沥青碎石（ATPB）空隙率1824% 刚性基层：贫砼、水泥剂量8%12%,28天抗弯强度：2.53.5Mpa; 28天抗压强度1220Mpa。,(二)沥青路面病害分析与防治技术,1、半刚性基层沥青路面病害分析损坏的主要表现：路面车辙、变形、开裂；抗滑性能衰减；路面松散、坑槽；水损害（唧浆）等。,损坏原因分析：路基强度不足（或变形），导致产生纵裂、网裂；沥青
7、与石料粘结力差，造成路面松散、掉渣；面层压实度不足或热稳定性差，导致车辙、拥包；超重车辆行驶，大幅度增加轴载作用次数。,2、改进措施,(1)提高路基强度，控制不均变形,改善路基潮湿状态，提高路床刚度；采用改善土壤提高路床CBR值,设计采用E050100Mpa。(2)改善沥青混合料级配，适当增加厚度采用密级配沥青砼（AC型），上面层，中面层可酌情采用C型级配；调整结构层厚度与最大公称粒径之间关系。,(3)改善半刚性基层结构的使用质量重视混合料的变形和稳定性方面的性能，不追求高强度，高模量来指导材料设计；选用骨架密实型级配，控制水泥含量；设置改性沥青应力吸收层或下封层；基层表面洒布透层沥青。(4)
8、采用聚合物改性沥青及SMA混合料。,(三)改性沥青与SMA混合料的应用,1、改性沥青（1）使用目的：提高路面使用性能，延长使用寿命；提高路面温度稳定性，防车辙与拥包变形。（2）选择原则提高抗变形能力SBS、EVA、PE等。提高抗低温开裂SBS、SBR等。提高抗疲劳性能SBS、SBR或EVA、PE等。改性沥青的技术要求见施工规范表4.6.2。,2、SMA混合料,（1）功能特性 密实型断级配混合料，均匀粗糙的表面构造；优良的抗滑性能，沥青含量较高，掺稳定剂。（2）路用性能高温稳定性：动稳定度AC型1.31.7倍,轮辙深度AC型2倍多；低温性能：低温劈裂强度与模量值比AC型小， 低温柔性好。,耐疲劳
9、性能：高于AC型67；抗滑性：构造深度（TC）可达1.52.0mm(0.55mm) （3）材料要求沥青重交沥青或改性沥青粗集料（4.75mm）形状为立方体，长厚比3：1不超过20，5：1不超过5。细集料：100破碎人工砂。纤维稳定剂：纤维剂量0.3，矿质纤维为0.4。,（4）集料级配 粗集料（4.75mm）含量多达70，集料间隙率VMA17%；空隙率VV不应小于3（34）；沥青含量：德国6 7，瑞典6.6，美国6；用聚合物稳定时为6；用矿质纤维时可为6.2 6.4，用纤维素时可达6.5 6.7。,（5）技术要求马歇尔稳定度：5.5KN及6.0KN(改性沥青)；马歇尔流值：2 5mm；温度稳定性
10、：1500次/mm及3000次/mm（改性沥青）；水稳定性：75及80（改性沥青）；胶泥性能：使用SBS对提高SMA的抗车辙和抗裂性 能，而纤维对胶泥没有改性作用；,(6）混合料施工,拌制自动计量间歇式或连续式拌和机；手工加工纤维；加热温度沥青A50 A90，为160170；矿料加温比沥青高1020；出厂温度:165185； 摊铺温度:较普通沥青砼高1020,拌和时间：普通沥青砼30S 50S，SMA增加5S 15S； 现场配合比控制：19.0，13.2，9.5mm筛孔 4；4.75，2.36，0.6，0.3mm筛孔 3； 0.075mm筛孔 2；沥青 0.3；纤维 10；,摊铺温度：路床温度
11、10 摊铺最低温度140165压实：压实量约为AC混合料的一半，用9 10t钢轮压路机压4 8遍；用振动压路机（高频、低振幅）压2 4遍；不宜使用轮胎压路机。,(四)、低噪声沥青路面应用,1、混合料路用性能：OGFC属开级配结构，空隙率17，透水性高,热稳定性好；表面粗糙，抗滑性好，行车舒适。,OGFC,2、结构设计用在表面层，厚40 50mm，中、下面层结构采用AC型。两侧设排水盲沟。,3、混合料设计 石料压碎值不大于26；细集料用机制砂（级配S16）；采用高粘度沥青，性能见下表。,配合比设计：以空隙率作为配合比设计的主要指标，一般采用17 23，,技术要求：稳定度3.5KN;动稳定度300
12、0次/mm;水稳性80；冻融劈裂强度比70。,4、适用范围：,适用于多雨地区的高速公路、隧道路面等。由于孔隙大，易被灰尘堵塞，功效迅速降低；孔隙内进水发生冰冻，影响耐久性。,（五）重载交通与结构设计,1、重载交通调查天津市2005年公路交通“OD”调查：车辆超载平均比例：22.1，其中拖挂车达34.7；平均超载率为89.7，拖挂车超载率为94.8。,拖挂车代表车型：,三轴车,四轴车,五轴车,六轴车,三轴车占58；四轴车占17；三、四轴车约占75。,2、重载交通参数调查,三轴车轴载谱（满载）前轴：79t占46；双后轴：1620t占44；,前轴,双后轴,四轴车轴载谱（满载）,前轴轴载谱,中轴轴载谱
13、,双后轴轴载谱,前轴：712t占78%, 中轴:910t占28%,大于10t占50%。,双后轴：18t占90.6%；28t占40.7%；,轮胎气压与接地压强：充气压力1.1Mpa,接地压强0.83Mpa1.85Mpa,平均1.23Mpa。 轮胎充气压力和接地压强表,3、超载情况分析,公路运输部门规定的轴限表 货车各种轴、轮型轴限表,从轴载谱调查分析来看：前轴超载：86与96.7（四轴车）；中轴（双轮组）超载：50.1；双后轴超载：76与90.6（四轴车）。4、重载对沥青路面的影响分析（1）轴载换算遵循等效原则：弯沉及沥青层底拉应力为设计指标时：,式中：C1轴数系数：C11+1.2（m-1）m-
14、轴数C2-轮组系数，双轮组=1.0，单轮组=6.4四轮组=0.38；半刚性基层拉应力为设计指标时：式中： -轴数系数；=1+2（m-1）-轮组系数，双轮组1.0，单轮组18.5，四轮组0.09。,三轴车（满载）轴载换算表见表（一）,四轴车（满载）轴载换算表（二）,五轴车（满载）轴载换算表（三）,六轴车（满载）轴载换算表（四）,换算结果表明：四轴车换算次数最大， 以弯沉和沥青层底拉应力为设计指标时， 换算比例为1:1001:240; 以半刚性基层的拉应力为设计指标时, 换算比例为1:65001:20000。 若每年一条车道通行1000辆(折合每日2.7辆)重车,15年累计标准轴次达1.0108
15、3.0108，达到特重交通的设计标准（2.5107）的4倍至12倍。,天津市省道、国道设计与实际当量轴次对比表,天津市省道、国道设计与实际当量轴次对比表 上表说明：重载交通一般在57年达到或超过设计累计标准轴次.半刚性基层材料在高应力状态下,先于沥青面层发生结构性破坏.使用寿命最多57年。,（2）高轮压和高接地压强的影响， 不同压强作用下路面应力分布见下图：,P=0.7Mpa时最大剪应力 P=0.84Mpa时最大剪应力 P=1.0Mpa时最大剪应力,最大剪应力随轴载增大而增大；峰值在1080mm处；在100150mm后减少较快；车辙出现位置大多小于100mm。,5、路面结构组合设计,（1）基层材料疲劳性能分析,低应力状态下：刚性，半性刚及柔性基层其疲劳寿命均可满足使用要求； 高应力状态下：半刚性基层存在一个弯拉应变临界点，（即疲劳极限），超过极限点疲劳寿命衰减很快。 施加应力为破坏强度的50时，产生微小裂缝，破坏前能承受106次方的反复作用；应力强度比小于0.35时，可承受无限次荷载的作用。,
