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1、第六章路面设计与施工6.2 6.2 沥青路面设计沥青路面设计 本节主要内容：一、路面设计理论一、路面设计理论(应力应变求解应力应变求解)二、沥青路面结构组合设计二、沥青路面结构组合设计三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）四、路面设计参数四、路面设计参数五、旧沥青路面补强设计五、旧沥青路面补强设计一、路面设计理论一、路面设计理论(应力应变求解）应力应变求解）1古典设计方法古典设计方法1)麻省公式它假定汽车是一个集中荷载P，荷载以角通过碎石基层分布于边长为碎石层厚2倍的正方形面积的土基上一、路面设计理论一、路面设计理论(应力应变求解）应力应变求解）1古典设计方法古典设计方法2）
2、公式夹角不为45；圆形分布一、路面设计理论一、路面设计理论(应力应变求解）应力应变求解）1古典设计方法古典设计方法3)公式a为路表面的压力半径一、路面设计理论一、路面设计理论(应力应变求解）应力应变求解）2、弹性层状体系理论概述、弹性层状体系理论概述由不同材料和土基组成的沥青路面结构，在荷载作用下其应力应变关系大多呈非线形特性，并且应变随应力作用时间而变，应力卸除后有一部分塑性变形不可恢复。但但考考虑虑到到运运动动车车轮轮作作用用于于路路面面的的瞬瞬时时性性，路路面面结结构构在在瞬瞬间间产产生生的的塑塑性性变变形形很很小小。因此在进行路面结构计算和分析时，对于厚度较大、强度较高的高等级路面，将
3、其视为线弹性体，并应用弹性层状体系理论进行分析计算是合适的。一、路面设计理论一、路面设计理论(应力应变求解）应力应变求解）2、弹性层状体系理论概述、弹性层状体系理论概述图6-2弹性层状体系示意图一、路面设计理论一、路面设计理论(应力应变求解）应力应变求解）2、弹性层状体系理论概述、弹性层状体系理论概述弹性层状体系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，如图6-2所示。并假设：（1）各层由均质、连续的、均匀的、各向同性的线弹性材料组成的弹性材料组成，用弹性模量Ei和泊松比i表征其弹性参数；（2）最下一层为水平方向和竖直向下方向无限延伸的半无限体。其上各层在水平方向为无限
4、大，但竖向具有一定厚度；（3）各层分界面上的应力和位移完全连续（称连续体系），或者仅竖向应力和位移连续，而层间无摩擦力（称滑动体系）；（4）各层在水平方向无限远处及最下层无限深处的应力、应变和位移为零；（5）不计各层材料自重。二、沥青路面结构组合设计二、沥青路面结构组合设计1、沥青路面结构类型、沥青路面结构类型 在在半半刚刚性性基基层层上上设设30mm150mm薄薄沥沥青青层层的的结结构构，称称半半刚刚性基层沥青路面性基层沥青路面； 在在半半刚刚性性基基层层或或底底基基层层上上，设设160mm260mm厚厚沥沥青青层层的的结构，称结构，称混合式沥青路面混合式沥青路面； 旧旧水水泥泥混混凝凝土土
5、路路面面做做基基层层（或或碾碾压压混混凝凝土土、贫贫混混凝凝土土、低低标标号号混混凝凝土土基基层层），其其上上一一般般设设70mm220mm沥沥青青层层厚厚度度，称为称为刚性基层沥青路面（或复合式路面）刚性基层沥青路面（或复合式路面）； 采采用用沥沥青青混混合合料料与与（无无结结合合料料的的集集料料）柔柔性性基基层层组组成成的的结结构，称构，称柔性路面柔性路面； 在在路路基基上上或或处处治治了了的的路路基基上上铺铺筑筑约约400mm550mm的的全全厚厚式式沥青混合料结构层，称沥青混合料结构层，称全厚式沥青混凝土结构路面全厚式沥青混凝土结构路面。二、沥青路面结构组合设计二、沥青路面结构组合设计
6、2、路面结构组合原则根据道路等级确定面层类型和等级确定路面等级应以政治、经济、国防、旅游以及经济发展的需要和设计交通量为主要依据。交通量越大，道路等级越高，面层等级应越高，厚度也越大，相应的面层层次也越多。 在选择路面类型时，特别应考虑当地的气候特征。 二、沥青路面结构组合设计二、沥青路面结构组合设计2、路面结构组合原则适应行车荷载作用的要求根据理论分析和经验，一般基层与相邻面层的回弹模量比不应小于0.3，土基与相邻基层或底基层的模量比以0.080.4为宜。 l半刚性基层沥青路面与此不符 l粗粒式、中粒式、细粒式沥青混凝土的划分； l标称最大粒径的概念； l最小厚度与标称最大粒径的关系 二、沥
7、青路面结构组合设计二、沥青路面结构组合设计2、路面结构组合原则考虑结构层自身特征各结构层材料具有不同的特性，在组合时，应注意相邻层次的相互影响，采取措施限制或消除所产生的不利影响。例如：A、沥青路面不宜直接铺筑在碎（砾）石基层上，而宜在其间设置沥青碎石过渡层，以防止由于基层的松动造成面层不平整或变形开裂；B、在半刚性基层上铺筑沥青混凝土，为防止和缓减基层干缩或温缩开裂而引起面层反反射射裂裂缝缝，通常宜适当加厚面层，或者设置沥青碎石、级配碎石等联结层；C、此外，在软弱潮湿的路基上，不宜直接铺筑碎砾石基层，以防止基层产生过大的变形。二、沥青路面结构组合设计二、沥青路面结构组合设计2、路面结构组合原
8、则考虑不利水温状况的影响在中湿或潮湿路段上铺筑沥青路面，由于沥青面层不透气，使得路基和基层中因温度和湿度坡差向上积聚的水分无法通过面层排除，如果基层水稳定性不好，例如含泥量较多，塑性指数较大，一旦遇水变软，强度刚度急剧下降，致使路面破坏。因此，一般应选择水稳定性好的材料作沥青路面的基层，特别是中湿和潮湿路段。此外，除加强路基排水外，可采用低剂量石灰稳定路基土上层或加设粒料垫层等技术措施进行综合处理，以改善路基水温状况。并保证处理后土基回弹模量不小于25MPa。二、沥青路面结构组合设计二、沥青路面结构组合设计2、路面结构组合原则考虑不利水温状况的影响 在冻深较大的季节性冰冻地区，路面总厚度的确定
9、，除应满足力学强度的要求外，还应满足防冻层厚度的要求，以避免路基内出现较厚的聚冰带，导致路面不均匀冻胀和开裂等破坏。路面防冻的最小厚度可参照表6-5确定。当按力学计算路面总厚度小于表列厚度时，应增设或加厚垫层以满足防冻厚度要求。 三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法） 我国现行沥青路面设计方法，采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状理论，以路表设计弯沉值作为路面整体刚度的设计控制指标。对高速公路、一级公路和二级公路沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层，应对层底弯拉应力进行验算。对于经常承受较大水平荷载作用的停车站、交叉口等路段的沥青混凝土面层，还应验算高温季节，其破坏面上可能
10、产生的剪应力。 三、沥青路面厚度设计（方法三、沥青路面厚度设计（方法）1沥青路面的破坏状态 1）沉 陷为控制路基土的压缩引起路面的沉陷，可选用路基土的垂直压应力或垂直压应变作为设计标准，如： 图6-1沉陷示意图三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）1沥青路面的破坏状态 2)车 辙定义：是路面的结构层及土基在行车重复荷载作用下的补充压实，以及结构层材料的侧向位移产生的累积永久变形。三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）1沥青路面的破坏状态 3)疲劳开裂 疲劳开裂的特点是，路面无显著的永久变形，开裂开始大都是形成细而短的横向开裂，继而逐渐扩展成网状，开裂的宽度和
11、范围不断扩大。三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）1沥青路面的破坏状态 4）推 移 5)低温缩裂低温缩裂是一项同荷载因素无关的设计指标，即低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力应不大于该温度时材料的容许拉应力，即：三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）2 2路面结构计算图式及设计标准路面结构计算图式及设计标准图6-4路表弯沉计算图式三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）2 2路面结构计算图式及设计标准路面结构计算图式及设计标准 设计标准 三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）2 2路面结构计算图式及设计标准路面结构
12、计算图式及设计标准设计层的选择：当采用半刚性基层、底基层结构时，可选任一层为设计层；当采用半刚性基层、粒料类材料为底基层时，以半刚性基层为设计层才能得到合理的结构；当采用柔性基层、底基层结构时，以基层为设计层。三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）3 3设计指标的确定设计指标的确定（1）路面设计弯沉值 路路面面设设计计弯弯沉沉值值是根据设计年限内，一个车道通过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型确定的路面设计弯沉值。设计弯沉相当于路面竣工后第一年不利季节、路面在标准轴载100KN作用下，所测得的最大(相当于容许)回弹弯沉值。 三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设
13、计（方法）3 3设计指标的确定设计指标的确定（1）路面设计弯沉值沥青路面外观等级描述外外 观观 等等 级级外外 观观 状状 况况路路 面面 表表 面面 外外 观观 特特 征征一好坚实、平整、无裂纹、无变形二较好平整、无变形、少量发裂三中平整、无变形、有少量纵向或不规则裂纹四较坏无明显变形，有较多纵横向裂纹或局部网裂五坏连片严重龟（网）裂或拌有车辙、沉陷三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）3 3设计指标的确定设计指标的确定（1）路面设计弯沉值 35年的容许弯沉：三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）3 3设计指标的确定设计指标的确定（1）路面设计弯沉值 经过
14、大量的测试和分析，在35年时相对弯沉为1.2，则得到路面设计弯沉值计算公式如下：三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）3 3设计指标的确定设计指标的确定（2）路表弯沉实测值三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）3 3设计指标的确定设计指标的确定（3）容许拉应力 沥青混凝土或半刚性结构层材料的劈裂强度（MPa）。对于沥青混凝土的劈裂强度是指15的劈裂强度；对于水泥稳定类材料为龄期90d的劈裂强度；对于石灰稳定类、二灰稳定类材料为龄期180d的劈裂强度。三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）3 3设计指标的确定设计指标的确定（4）最大层底拉应力
15、三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）4新建沥青路面设计步骤新建沥青路面设计步骤新建沥青路面设计步骤通常按以下程序进行：新建沥青路面设计步骤通常按以下程序进行：根根据据设设计计任任务务书书的的要要求求，确确定定路路面面等等级级和和面面层层类类型型，计计算算设设计年限内一个车道上的累计当量轴次和设计弯沉值。计年限内一个车道上的累计当量轴次和设计弯沉值。按按路路基基土土类类和和干干湿湿类类型型，将将路路基基划划分分为为若若干干路路段段（在在一一般般情情况况下下路路段段长长度度不不宜宜小小于于500m，若若为为大大规规模模机机械械化化施施工工，不不宜宜小于小于1km），），确定各路
16、段土基的回弹模量值。确定各路段土基的回弹模量值。拟拟定定几几种种可可能能的的路路面面结结构构组组合合方方案案与与厚厚度度方方案案，根根据据选选用用的的材材料料进进行行配配合合比比试试验验及及测测定定各各结结构构层层的的抗抗压压回回弹弹模模量量、抗抗拉拉强度，确定各结构层材料设计参数。强度，确定各结构层材料设计参数。三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）4新建沥青路面设计步骤新建沥青路面设计步骤新建沥青路面设计步骤通常按以下程序进行：新建沥青路面设计步骤通常按以下程序进行：根根据据设设计计弯弯沉沉值值计计算算路路面面厚厚度度。对对高高速速公公路路、一一级级公公路路、二二级级公公
17、路路沥沥青青混混凝凝土土面面层层和和半半刚刚性性材材料料的的结结构构层层，应应进进行行拉拉应应力力验验算算。如如不不满满足足要要求求，应应调调整整路路面面结结构构厚厚度度或或变变更更路路面面结结构构组组合合，或或调调整整材材料料配配合合比比、提提高高极极限限抗抗拉拉强强度度，再再重重新新计计算算。上上述述计计算算应应采采用用多多层层弹弹性性体体系系理理论论编编制制的的专专用用设设计计程程序序进行。进行。对对于于季季节节性性冰冰冻冻地地区区的的高高级级和和次次高高级级路路面面，尚尚应应满满足足防防冻冻厚厚度度的要求。的要求。 进行技术经济比较，确定采用的路面结构方案。进行技术经济比较，确定采用的
18、路面结构方案。三、沥青路面厚度设计（方法）三、沥青路面厚度设计（方法）5 路面结构的剪应力计算路面结构的剪应力计算 查表得到经调查整理，停车站、交叉路口等缓慢制动处（=0.2）在紧急制动时(=0.5)四、路面设计参数四、路面设计参数1、荷载参数1）荷载作用形式我国路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载，并以BZZ100表示。标准轴载的计算参数由表6-6确定。表表6-6 标准轴载计算参数标准轴载计算参数标准轴载P(KN)100单轮传压面当量圆直径d/（cm）21.30轮胎接地压力p(MPa)0.70两轮中心距（cm）1.5d四、路面设计参数四、路面设计参数1、荷载参数2) 轴载换算当以设计弯
19、沉值为指标计算路面厚度时，凡轴载在25130KN的各级轴载（包括车辆的前、后轴），均应按下式换算为标准轴载的当量作用次数：（6-17）式中：N标准轴载的当量轴次（次/日）；ni被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）； P标准轴载（KN）； Pi被换算车型的各级轴载（KN）；C1轴数系数，当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴计算，此时轴数系数为m；当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数C1=1+1.2（m-1），m为轴数；C2轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1.0，四轮组为0.38。当单轴重为130200kN时，公式（6-17）中指数可按4.85次方计算。四、路面设计参数四、路面设计参
20、数1、荷载参数2) 轴载换算当进行路面整体性结构层底拉应力验算时，凡轴载大于50KN的各级轴载（包括车辆的前、后轴），均应按下式换算为标准轴载的当量作用次数：（6-18）式中：c1轴数系数，当轴间距小于3m的双轴或多轴，c1=1+2（m-1），m为轴数；C2轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09。四、路面设计参数四、路面设计参数1、荷载参数3)累计当量轴次设计车道上标准轴载在使用年限（t年）内的累计作用次数Ne（累计当量轴次），可在通过调查得到整个行车道的第一年标准轴载日平均作用次数N1（或者设计年限末年双向日平均当量轴次）和交通量年平均增长率后，按下式（6-19）计算：
21、（6-19a）式中：车道系数，参照表6-7确定。表表6-7 车道系数车道系数车道特征车道系数车道特征车道系数双向单车道1.0双向六车道0.30.4双向两车道0.60.7双向八车道0.3双向四车道0.40.5四、路面设计参数四、路面设计参数1、荷载参数3)累计当量轴次 表表6-8 各种路面适应的累计当量轴次各种路面适应的累计当量轴次 公路等级路面等级面层类型设计年限（年）设计年限内累计当量轴次（万次/车道）高速公路、一级公路高级路面沥青混凝土1520400二级公路高级路面沥青混凝土1012200400次高级路面热拌沥青碎石、沥青贯入式810100200三级公路次高级路面乳化沥青碎石、沥青表面处治
22、61010100四级公路中级路面水结碎石、泥结碎石、级配碎石、半整齐石块路面510低级路面粒料改善土5四、路面设计参数四、路面设计参数1、荷载参数l当当量量轴轴次次：按弯沉等效或拉应力等效的原则，将不同车型、不同轴载作用次数换算为与标准轴载100KN相当的轴载作用次数称为当量轴次。l累累计计当当量量轴轴次次：在设计年限内，考虑车道系数后，一个车道上的累计当量轴次总和。四、路面设计参数四、路面设计参数2、材料的应力应变特性1）土基回弹模量现场实测法现场实测法是在已成路基上，在不利季节用大型承载板测定土基00.5mm（路基软弱时测至1mm）的变形压力曲线，并按下式计算回弹模量E0：查表法：在无实测
23、条件时，可按查表法预测土基回弹模量值。见表6-9。换算法：与CBR换算、与弯沉换算模量反算 四、路面设计参数四、路面设计参数2、材料的应力应变特性2)沥青混合料的应力应变特性 (1)沥青的劲度 (2)沥青混合料的劲度模量四、路面设计参数四、路面设计参数3、沥青混合料的强度特性1)抗剪强度 2)抗拉强度3)抗弯拉强度4)间接抗弯拉强度劈裂试验四、路面设计参数四、路面设计参数4、设计温度弯沉计算温度、层底拉应力、抗剪强度验算温度四、路面设计参数四、路面设计参数5泊松比沥青混合料：0.35；半刚性基层材料：0.2；土基：0.350.4水泥混凝土：0.15四、路面设计参数四、路面设计参数6、路面材料设计参数值15和20下的抗压回弹摸量，15下的劈裂强度五、旧路补强设计五、旧路补强设计柔性路面补强设计工作包括现有1、路面结构状况调查；路面结构状况调查；2 2、弯沉评定；、弯沉评定；3 3、补强厚度计算、补强厚度计算等内容。
