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1、第十四章第十四章沥青路面设计沥青路面设计主要内容主要内容u 第一节第一节 概述概述u 第二节第二节 弹性层状体系理论弹性层状体系理论u 第三节第三节 沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计u 第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u 第五节第五节 国外沥青路面设计方法简介（自学）国外沥青路面设计方法简介（自学）第一节第一节 概述概述u 1、沥青路面设计的内容、沥青路面设计的内容结构组合设计结构组合设计材料组成设计材料组成设计厚度设计验算厚度设计验算结构方案比选结构方案比选路肩构造设计路肩构造设计排水系统设计排水系统设计第一节第一节 概述概述u2、沥青路面结构设计的原则、沥青路
2、面结构设计的原则（一）路基路面整体综合设计原则（二）密切结合自然条件及实践基础原则（三）满足交通与使用要求原则（四）因地制宜、合理选材原则（五）保护自然生态与沿线环境原则（六）工厂及机械化施工、方便施工原则（七）技术与经济性并重原则（八）分期修建、方便养护原则第一节第一节 概述概述u3、沥青路面结构设计方法种类、沥青路面结构设计方法种类经验法：AASHTO法；CBR法半经验半理论法：AI法；SHELL法；我国设计方法典型结构法：法国方法；中国八五研究成果优化设计法 我国公路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，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标。对沥青混凝土面层和整体
3、性材料的基层、底基层应进行层底拉应力的验算，城市道路尚须进行沥青面层的剪应力验算。第一节第一节 概述概述u4、沥青路面厚度设计的基本过程、沥青路面厚度设计的基本过程确定交通量：如车型、轴重、轮胎压力、各车型通过数及横向分布；路面结构组合：确定材料品种及其它参数；参数修正：路面设计的指标与标准确定：运用基本关系式进行设计计算或验算第一节第一节 概述概述u5、沥青路面的轴载换算、沥青路面的轴载换算 1）标准轴载及当量换算）标准轴载及当量换算为什么要轴载换算： 公路实际行驶的车轮类型千差万别，轴载也各不相同，它们对路面结构的损耗作用也不同，无法分析它们对弯沉增大的总效应，有必要定义一种标准轴载，将其
4、它轴载的作用等效为标准轴载作用。标准轴载 标准轴载一般要求对路面的响应较大、同时又能反映本国的公路运输运营车辆的总体轴载水平，涉及运输经济和路面结构经济性两个方面。我国规范采用单轴双轮组BZZ-100（详见P378的表14-2）；美国为18kip（单轴80.1KN，1KN224.809lbf）、32kip（双轴142.34KN）；德国为110KN；印尼为50KN；黎巴嫩为140KN；联合国141个成员国的比例如下：小于100KN占67.36、101KN110KN占11.56、111KN120KN占5.44、大于121KN占15.64。第一节第一节 概述概述 2） 轴载当量换算的原则轴载当量换算
5、的原则等破坏原则：换算以达到相同的临界状态为标准，即对同一种路面结构，甲轴载作用N1次后路面达到预定的临界状态，乙轴载作用使路面达到相同临界状态的作用次数为N2，此时甲乙两种轴载作用是等效的；等厚度原则：对某一种交通组成，不论以哪种轴载的标准进行轴载换算，由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度是相同的。 3）当量轴次）当量轴次按弯沉等效或弯拉应力等效的原则，将不同车型、不同轴载的作用次数换算为与标准轴载100KN相当的轴载作用次数。第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述u沥青路面结构的设计年限沥青路面结构的设计年限p 达到使
6、用的临界状态的最小年限。目前的基准年限如表所示。u道路设计年限道路设计年限p 道路交通量达到饱和状态时的设计年限。一般规定：快速路、主干路为20 年；次干路为15 年；支路为10 年 15 年。u累计当量轴次累计当量轴次p 设计年限内考虑车道系数后一个车道上的当量轴次总和。第一节第一节 概述概述第一节第一节 概述概述第二节第二节 弹性层状体系理论弹性层状体系理论第二节第二节 弹性层状体系理论弹性层状体系理论u2、弹性层状体系理论的假定、弹性层状体系理论的假定1）各层连续、弯曲弹性、均匀、各向同性，位移、形变微小；2）最下一层（路基）在水平方向和垂直方向无限大，其上各层厚度有限，水平方向无限；3
7、）各层在水平方向无限远处，及最下层向下无限深处，应力、形变、位移为零；4）层间接触情况，或完全连续（连续体系）或仅竖向应力和位移连续而无摩阻力（滑动体系）；5）不计自重。3、弹性层状体系理论的求解过程、弹性层状体系理论的求解过程轴对称课题，将车轮荷载简化为圆形均布荷载。第二节第二节 弹性层状体系理论弹性层状体系理论u4、弹性层状体系理论的求解过程、弹性层状体系理论的求解过程参考资料参考资料1）朱照宏，王秉刚，郭大智编著. 路面力学计算. 北京：人民交通出版社，1985年2）王秉刚，邓学钧编. 路面力学数值计算. 北京：人民交通出版社，1992.063）邓学钧，黄卫，黄晓明. 路面结构计算和设计
8、电算方法. 东南大学出版社，1997.08第二节第二节 弹性层状体系理论弹性层状体系理论第三节第三节 沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计u1、沥青路面结构组合设计的基本原则、沥青路面结构组合设计的基本原则总原则：总原则： 面层耐久、基层坚实、土基稳定面层耐久、基层坚实、土基稳定具体要求具体要求：1）适应行车荷载作用的要求从上至下，从薄到厚，从强到弱，表层抗滑、抗磨耗2）在各种自然因素作用下稳定性好具有很好的水稳定性和温度稳定性3）考虑结构层的特点上下层匹配，总体上强度足够而不过多浪费4）考虑防冻、防水要求第三节第三节 沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计详细组合原则：详细组合原则：1
9、）根据沥青路面的工作特性，各结构层应尽量按强度和刚度自上而下逐层递减的规律安排；2）必须考虑材料特点和施工工艺以及强度和造价等方面考虑；3）各结构层应具有适宜的厚度，不宜使层数过多而厚度过小；4）应合理选择相邻结构层之间的模量比（基层:面层宜在1.53，基层:底基层宜不大于3， 底基层:土基宜在2.512.5）；5）对于低温地区，应考虑收缩裂缝，进行合理的防反组合，并保证有适宜的沥青面层厚度；6）对于潮湿地区及多雨地区，应考虑水稳定性，选择水稳定性好的基层及尽量考虑不透水的面层；7）路面还应满足防冻厚度的要求；8）应考虑结构层间的结合性。第三节第三节 沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计u
10、2、沥青路面结构组合、沥青路面结构组合面层：单层、双层或三层沥青面层基层：柔性、半刚性、刚性或组合式垫层：排水、防冻、防水、防污等粒料或稳定土土基：密实、坚固、不透水层间结合：牢固u3、沥青路面面层要求、沥青路面面层要求 1）面层路用性能要求）面层路用性能要求第三节第三节 沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计u3、沥青路面面层要求、沥青路面面层要求 2）面层抗滑性能要求）面层抗滑性能要求第三节第三节 沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计u4、沥青层最小厚度要求第三节第三节 沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计u5、基层最小厚度和适宜厚度要求、基层最小厚度和适宜厚度要求第三节第三节
11、沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u 1、沥青路面的设计指标与标准、沥青路面的设计指标与标准p1）沥青路面的破坏）沥青路面的破坏 沉陷 开裂 车辙 推挤p2）路面破坏与设计指标）路面破坏与设计指标 控制沉陷的指标弯沉应变应力 控制开裂的指标应变应力 控制车辙RD 控制推挤指标：剪切应力或剪切应变第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u3）主要的设计指标与要求）主要的设计指标与要求路基表面的垂直压应力或垂直压应变路基表面的垂直压应力或垂直压应变 反映的是路基表面下陷引起的沉陷或路基的永久变形，沉陷病害的主要原因是结构下土
12、基承载能力低引起土基的较大垂直变形。要求： z 0 z 0 或z 0 z 0结构残余变形累积（车辙）：结构残余变形累积（车辙）：要求： RD r e RD r e第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u3）主要的设计指标与要求）主要的设计指标与要求结构疲劳开裂（整体性结构层的疲劳开裂）：结构疲劳开裂（整体性结构层的疲劳开裂）：要求： r R 或 r R面层抗剪切推移：面层抗剪切推移：要求： max R （应使用高温时的弹模）结构低温缩裂：结构低温缩裂：要求： r t t R （应使用低温时的弹模）路面弯沉：路面弯沉：要求： lr l R第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青
13、路面设计方法u1、沥青路面的设计指标与标准、沥青路面的设计指标与标准 4）设计指标与要求）设计指标与要求 我国公路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，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标。对沥青混凝土面层和整体性材料的基层、底基层应进行层底拉应力的验算，城市道路尚须进行沥青面层的剪应力验算。 设计指标及验算指标必须小于其极限标准。第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u2、以弯沉作为设计指标的原因、以弯沉作为设计指标的原因 1) 路面总变形表征路面各结构层的变形与路基顶面变形路面总变形表征路面各结构
14、层的变形与路基顶面变形之和，反映了路面整体刚度的强弱。当路面在车辆荷载反之和，反映了路面整体刚度的强弱。当路面在车辆荷载反复作用下不断地弯曲使变形积累、增大到某种程度时，路复作用下不断地弯曲使变形积累、增大到某种程度时，路面结构即产生疲劳开裂，从而可在一定程度上建立起路面面结构即产生疲劳开裂，从而可在一定程度上建立起路面损坏与弯沉、弯沉与轴载作用次数间的关系。损坏与弯沉、弯沉与轴载作用次数间的关系。 2) 路表弯沉值可以简单地量测，操作简便，真实可靠，路表弯沉值可以简单地量测，操作简便，真实可靠，易于推广；而压应变、拉应变指标测试很困难。弯沉指标易于推广；而压应变、拉应变指标测试很困难。弯沉指
15、标既可作为设计指标，又可以作为质量检验、路面养护的评既可作为设计指标，又可以作为质量检验、路面养护的评价手段。价手段。第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u3、弯沉概念、弯沉概念1) 回弹弯沉：回弹弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生垂直变形，卸载后能恢复的那一部分变形。2) 残余弯沉：残余弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的卸载后不能恢复的那一部分变形。3）总弯沉：）总弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的总垂直变形（回弹弯沉+残余弯沉）。4)容许弯沉：容许弯沉：路面设计使用期末不利季节,标准轴载作用下双轮轮隙中间容许出现的最大（代表？）回弹弯沉值。5)设计弯沉：设计弯沉
16、：是指路面交工验收时、不利季节、在标准轴载作用下,标准轴载双轮轮隙中间的最大（代表？）弯沉值。第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u4、弯沉测定、弯沉测定1）贝克曼法：）贝克曼法：传统检测方法，速度慢，静态测试，试验方法成熟，目前为规范规定的标准方法。2）自动弯沉仪法：）自动弯沉仪法：利用贝克曼法原理快速连续测定，属于试验范畴，但测定的是总弯沉，因此使用时应用贝克曼进行标定换算。3）落锤弯沉仪法：）落锤弯沉仪法：利用重锤自由落下的瞬间产生的冲击载荷测定弯沉，属于动态弯沉，并能反算路面的回弹量，快速连续测定，使用时应用贝克曼进行标定换算。第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥
17、青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u11、土基回弹模量设计值的确定、土基回弹模量设计值的确定第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u12、土基回弹模量室内试验的要求、土基回弹模量室内试验的要求第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u12、土基回弹模量室内试验的要求
18、、土基回弹模量室内试验的要求第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u13、土基回弹模量现场测定的要求、土基回弹模量现场测定的要求2）查表法：）查表法： 1）确定临界高度（根据自然区划、土质）； 2）拟定土的平均稠度（根据路基设计高度与临界高度的关系，确定路基顶面以下80cm范围内不同深度的含水量，计算平均稠度； 3）预测土基回弹模量（根据平均稠度、土质、自然区划查表）3）室内试验法：）室内试验法： 根据室内小承载板测得
19、回弹模量，乘以折减系数。4）换算法：）换算法： 通过回归分析，确定特定地区、土质的CBR等现场试验数据与回弹模量的关系；第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u14、结构层的回弹模量的要求、结构层的回弹模量的要求 以路表弯沉值为设计指标时，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；以弯拉应力（应变）为设计指标时，拟验算的结构层采用弯拉回弹模量（对于沥青混凝土试验温度为15） ，其它结构层采用抗压回弹模量。考虑到模量取值的不利组合，回弹模量的设计值取值：1 ）计算路表弯沉值时，抗压回弹模量应按下式计算其设计值：2） 计算层底拉应力时，计算层以下各层的模量应采用式（1
20、）计算其设计值；计算层及以上各层模量应采用式（2）计算其设计值：u14、结构层的回弹模量的要求、结构层的回弹模量的要求第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u14、结构层的回弹模量的要求、结构层的回弹模量的要求第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u14、结构层的回弹模量的要求、结构层的回弹模量的要求第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u15、新建路面的厚度设计、新建路面的厚度设计 交通量已知，各层材料模量、泊松比、抗拉应力已知，除待设计层外各层厚度已知，需计算设计层厚度： 设计过程：设计过
21、程：1）根据拟定的结构层材料，确定设计弯沉计算公式中各参数，计算设计弯沉值；2）目标：交工验收时轮隙中心实测路表弯沉小于等于设计弯沉；3）通过诺模图或电算程序，查图或电算求出待设计层的厚度；4）通过弯拉应力验算；5）抗冻层厚度验算6）技术经济比较u15、新建路面的厚度设计、新建路面的厚度设计第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法注：轴载小于25KN的轴载作用可以不计。第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方
22、法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u3、初拟结构组合和材料选取、初拟结构组合和材料选取1）设计年限内一个行车道上的累计标准轴次为九百万次左右。根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构面层采用沥青混凝土(18cm)，基层采用水泥稳定碎石（厚度取20cm），底基层采用水泥石灰土（厚度待定）。2）采用三层式沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土(厚度4cm)，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土(厚度6cm)，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土(厚度8cm)。第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u4、各层材料的抗压模量与劈裂强度、各层材
23、料的抗压模量与劈裂强度 查表得到各层材料的抗压回弹模量和劈裂强度。抗压回弹模量取20的模量，得到20的抗压回弹模量：细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa，水泥碎石为1500MPa，石灰土550MPa。 弯拉回弹模量和弯拉强度沥青层取15的值，分别为2000MPa、1800MPa、1200MPa、3550MPa、1480MPa。 各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为1.4MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1.0MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为0.8MPa，水泥碎石为0.5MPa，石灰土0.225MPa。第四节
24、第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法u1、沥青路面改建设计、沥青路面改建设计 沥青路面随时间，其性能和承载能力不断降低，超过设计使用年限（或超过累计当量轴次后）将不能满足正常行车要求，需进行补强或改建。 改建的种类：加宽、提升等级，提升线形标准（局部改线）等，如果有老路面作为加铺基础，称为补强。否则应按新建路面设计。 补强设计工作内容： 路面结构状况调查、弯沉评定及补强
25、厚度设计。1）路况调查）路况调查1、交通调查（确定现有交通量，预测交通量增长率）；2、路基状况调查（调查路基土质、干湿状况及排水情况，明确是否需要采用进一步工程措施改善含水量）；3、路面状况调查（调查路面结构、表面状况、病害及其原因，在进行补强设计时，考虑是否需要采取特殊措施，如：采用抗冲刷能力更强的路面材料等）；4、路面修建与养护历史调查（调查路面建成过程中，及建成后的一些重要事项，如：该路面可能已加铺了抗滑表层等）第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法第四节第四节 我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法复习思考题复习思
26、考题 1、名词解释：弹性层状体系；弹性半空间体；疲劳寿命；、名词解释：弹性层状体系；弹性半空间体；疲劳寿命；容许弯沉；设计弯沉；疲劳开裂；收缩裂缝。容许弯沉；设计弯沉；疲劳开裂；收缩裂缝。2、为什么要把车轮荷载印迹面简化为圆形均布荷载？、为什么要把车轮荷载印迹面简化为圆形均布荷载？3、简述整体性路面材料结构层产生疲劳开裂的原因？、简述整体性路面材料结构层产生疲劳开裂的原因？4、为何要规定各类结构层的最小厚度？又为什么要规定相、为何要规定各类结构层的最小厚度？又为什么要规定相邻层材料的模量比？邻层材料的模量比？5、沥青路面在力学性质上属于非线性的弹、沥青路面在力学性质上属于非线性的弹-粘粘-塑性
27、体，为塑性体，为何又能应用弹性层状体系理论对它进行应力应变分析？何又能应用弹性层状体系理论对它进行应力应变分析？6、设计弯沉与容许弯沉关系如何？为什么？、设计弯沉与容许弯沉关系如何？为什么？7、公路沥青路面设计中轴载换算的等效原则是什么？、公路沥青路面设计中轴载换算的等效原则是什么？8、在一个多层弹性体系中，请标出各特征点的位置：路面、在一个多层弹性体系中，请标出各特征点的位置：路面弯沉计算点、各层的弯拉应力验算点，并写出这些点的弯沉计算点、各层的弯拉应力验算点，并写出这些点的r、z坐标值。坐标值。课外任务课外任务课外任务课外任务四四： 请结合路面结构设计计算与分析，请结合路面结构设计计算与分析，讨论道路工程中应用半刚性基层材料讨论道路工程中应用半刚性基层材料的具体受力情况，并从结构与材料角的具体受力情况，并从结构与材料角 度分析使用得失度分析使用得失!第五节第五节 国外沥青路面设计方法简介国外沥青路面设计方法简介第五节第五节 国外沥青路面设计方法简介国外沥青路面设计方法简介第五节第五节 国外沥青路面设计方法简介国外沥青路面设计方法简介第五节第五节 国外沥青路面设计方法简介国外沥青路面设计方法简介第五节第五节 国外沥青路面设计方法简介国外沥青路面设计方法简介第五节第五节 国外沥青路面设计方法简介国外沥青路面设计方法简介第五节第五节 国外沥青路面设计方法简介国外沥青路面设计方法简介
