14第十四章 沥青路面设计教程文件.ppt

第十四章沥青路面设计,概述弹性层状体系理论沥青路面的结构组合设计沥青路面的破坏状态与设计标准我国沥青路面设计方法,道路系马骉,概述,沥青路面设计任务根据使用要求及气候、水文、地质等自然条件，密切结合当地的实践经验，设计确定合理的路面结构，使之能承受交通荷载和环境因素的作用，在预定的使用期限内满足各级公路的承载力、耐久性、舒适性、安全性的要求,概述,沥青路面设计内容结构组合设计材料组成设计厚度设计验算结构方案比选路肩构造设计排水系统设计,概述,沥青路面结构设计原则路基路面整体综合设计原则密切结合自然条件及实践基础原则满足交通与使用要求原则因地制宜、合理选材原则保护自然生态与沿线环境原则工厂及机械化施工、方便施工原则技术与经济性并重原则分期修建、方便养护原则,概述,沥青路面结构设计理论与方法,3.典型结构法,通过调查，总结得到的与交通量等参数有关的结构图特点是减少了设计的随意性，具有结构使用性能明确，结构图统一典型代表：法国方法，中国八五研究成果,4.优化设计法,通过目标函数优化，使其具有性能与费用的最优性尚不成熟,AASHTO试验路,概述,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,概述,沥青路面的轴载换算标准轴载及当量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采用单轴双轮组BZZ-100；美国为18kip（单轴80.1KN）、32kip（双轴142.34KN）；德国为110KN；印尼为50KN；黎巴嫩为140KN,概述,沥青路面的轴载换算轴载当量换算的原则等破坏原则不同标准轴载使用末期达到相同临界状态为标准等厚度原则对某一种交通组成，不同标准轴载换算所得轴载作用次数设计计算确定的路面厚度相同当量轴次按弯沉或弯拉应力为指标将不同车型、不同轴载的作用次数换算为与标准轴载相当的轴载作用次数,概述,沥青路面的轴载换算我国公路沥青路面设计的轴载换算公式,弯沉及沥青层底拉应力为设计指标的换算公式,半刚性材料层底拉应力为设计指标的换算公式,贫混凝土基层层底拉应力为设计指标的换算公式,25KN130KN轴载,50KN130KN轴载,50KN130KN轴载,概述,设计年限与累计当量轴次轴载当量换算的原则沥青路面设计年限应根据公路等级、公路在路网中的功能定位、当地国民经济发展的需求以及投资条件等综合论证后确定,概述,设计年限与累计当量轴次轴载当量换算的原则设计年限内的累计当量轴次城市道路设计年限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,或,概述,设计年限与累计当量轴次轴载谱各种车辆不同轴载的概率分布车道系数各种轴载在不同车道上的概率分布,概述,沥青路面的交通等级表示路面结构在设计年限内承担交通荷载的繁重程度我国沥青路面按其承担的交通荷载轻重划分为四个交通等级，即：轻、中等、重、特重交通等级划分设计年限内一车道沿一方向通过的标准当量轴次营运第一年轴重大于40KN的车型在一车道的日平均车数,取上述两种方法中较大者作为沥青路面的交通等级,概述,沥青路面的交通等级,弹性层状体系理论（ElasticMultilayerTheory）,弹性层状体系理论的基本假定,1）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；2）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；3）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；4）层间接触情况，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）；5）不计自重弹性层状体系理论,弹性层状体系理论的求解过程车轮荷载简化为圆形均布荷载轴对称课题六个主应力计算,沥青路面结构组合设计,设计目标根据交通等级与自然因素，合理选择与安排路面结构层次，确保在设计使用期内，承受行车荷载与自然因素的共同作用，充分发挥各结构层的最大效能，使整个路面结构满足技术经济合理的要求设计遵循的原则总原则面层耐久、基层坚实、土基稳定基本原则保证路面表面使用品质长期稳定，路面各结构层强度、抗变形能力与各层次的力学响应相匹配，直接经受自然变化影响的层次应提高其抵御能力；充分利用当地材料，节约外运材料，做好优化选择，降低建设与养护费用,沥青路面结构组合设计,设计遵循的原则具体组合原则,垂直力与水平力各结构层应尽量按强度和刚度自上而下递减的规律安排，厚度从薄到厚合理选择相邻结构层之间的模量比（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）,适应行车荷载作用的要求,水和温度稳定性基层应选择水稳性好的材料季节性冰冻地区设置防止冻胀和翻浆垫层总厚度满足防冻要求低温地区合理的防止反射裂缝组合，并保证适宜的面层厚度潮湿地区及多雨地区，尽量考虑不透水面层,在各种自然因素作用下稳定性好,上下层匹配，总体上强度足够而不过多浪费面层耐久、基层坚实、土基稳定的要求各结构层应具有适宜的厚度，不宜使层数过多而厚度过小必须考虑材料特点和施工工艺以及强度和造价等方面应考虑结构层间的结合性因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护,考虑结构层的特点,沥青路面结构组合设计,沥青面层(surfacecourse)使用性能要求功能性与结构性结构层单层、双层或三层不同层位性能要求表面层平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久等服务功能，高温抗车辙、低温抗开裂、抗老化等品质中、下面层一定的密水性、抗剥离性，高温或重载条件下的较高抗剪强度下面层良好的抗疲劳裂缝性能和兼顾其他性能根据不同层位选择与设计适宜的沥青混合料面层厚度与集料公称最大粒径相关，且考虑技术经济性,沥青路面结构组合设计,沥青路面基层(basecourse)使用性能要求较高的强度、稳定性和耐久性结构层单层或双层种类柔性基层、半刚性基层、刚性基层,材料：沥青处治的级配碎石和无结合料的级配碎石适用范围：沥青碎石适用于C级和C级以上的交通等级级配碎石适用于C级以下低交通等级优点：应力、应变传递协调过渡，颗粒状级配材料易于排水，不易发生水损坏缺点：刚度低，面层荷载弯矩大，面层厚度要求较厚,柔性基层,沥青路面结构组合设计,沥青路面基层(basecourse),材料：水泥、石灰或工业废渣等无机结合料，对集料做稳定处理适用范围：我国道路工程中广泛使用优点：集料品质要求不高，结合料养生硬化后的板体效应提高了路面结构的整体刚度，面层厚度可以减小，且半刚性基层承受了荷载弯矩的主要部分，面层裂缝会减少缺点：易出现反射裂缝，多雨地区雨水不易下渗，易于发生路面水损坏,半刚性基层,材料：低强度等级的混凝土或贫混凝土优点：承受大部分荷载，面层弯拉应力小缺点：易出现反射裂缝,刚性基层,沥青路面结构组合设计,沥青路面基层(basecourse)尽量利用当地材料，降低造价基层类型根据路面结构所承受的交通等级进行必选，同时应考虑地基支承的可靠性以及当地水温状况和路基排水与路基稳定的可靠程度进行不同方案比较后择优而定在交通环境条件十分恶劣的情况下，可以考虑各种基层的组合使用厚度主要满足强度与刚度的设计要求，并兼顾施工压实机具的功能,沥青路面结构组合设计,沥青路面垫层(bedcourse)设置条件种类及其功能,地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿的路段排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文地质条件不良的岩质挖方路段季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段，可能产生冻胀需设置防冻垫层的路段基层或底基层可能受到污染及路基软弱的路段,特别说明路面垫层厚度不以路面结构强度为目的，但应使路面结构总厚度满足力学强度和弯沉指标，亦即路面垫层不作为路面厚度计算层。

沥青路面结构组合设计,沥青路面层间结合层间滑动或松散会导致结构整体效应的丧失透层油与黏层油封层应力吸收层,沥青路面的破坏状态与设计标准,,疲劳开裂车辙推移,路基土的压缩变形路面各结构层残余变形结构层底面拉应变或拉应力结构层剪应力结构层温度应力或应变,控制疲劳指标应变、应力、弯沉控制开裂指标应变，应力控制车辙指标RD，土基顶面压应变控制推挤指标剪切应力或剪切应变,,,,,,,我国沥青路面设计方法,设计理论与指标双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论路表面回弹弯沉值为设计指标，沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层层底弯拉应力为验算指标，城市道路增加面层剪应力验算指标设计控制标准根据路面结构的破坏过程和破坏机理所达到的极限状态，从力学响应提出的控制指标,我国沥青路面设计方法,设计理论与指标设计要求轮隙中间路表面（A点）计算弯沉值小于或等于设计弯沉值；轮隙中心下（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉应力应小于或等于容许拉应力,我国沥青路面设计方法,弯沉（deflection）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）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回弹弯沉值设计弯沉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弯沉值,我国沥青路面设计方法,弯沉弯沉测定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,我国沥青路面设计方法,弯沉设计弯沉的调查与分析我国把第四外观等级作为路面临界破坏状态，以第四外观等级路面的弯沉值的低限作为临界状态的划界标准弯沉值与不同时期的累计交通量间建立关系,我国沥青路面设计方法,弯沉设计弯沉值设计弯沉值是路面峻工验收时、最不利季节、路面在标准轴载作用下测得的最大(代表)回弹弯沉值可根椐设计年限内每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弯沉设计值,我国沥青路面设计方法,弯沉路面结构弯沉计算弹性层状理论假设条件与路面实际不完全相符合，引入弯沉修正系数F，将理论弯沉值进行修正，使计算弯沉与实测弯沉值趋于接近,我国沥青路面设计方法,弯拉应力容许弯拉应力,极限劈裂强度沥青混凝土系指15强度水泥稳定类材料系指龄期为90d强度二灰稳定类、石灰稳定类材料系指龄期为180d强度水泥粉煤灰稳定类系指120d强度,抗拉强度结构系数,我国沥青路面设计方法,弯拉应力路面结构弯拉应力计算弯拉应力理论最大拉应力系数实际设计时该值通过程序计算得到,我国沥青路面设计方法,设计参数土基以上结构层材料泊松比一般可取为0.250.35（强度高时取小值），弹性模量可取规范推荐值，或试验确定规范要求,我国沥青路面设计方法,设计参数1.路基回弹模量设计值的规定新建公路初步设计时，可根据查表法（或现有公路调查法）、室内试验法、换算法等，经综合分析、论证，确定沿线不同路基状况的路基回弹模量设计值通过现场测定路基回弹模量值与压实度、路基稠度或室内试验测定路基土回弹模量值与室内路基土CBR值等资料，建立可靠的换算关系，利用换算关系计算现场路基回弹模量当路基建成后，在不利季节实测各路段路基回弹模量代表值，以检验是否符合设计值的要求。

现场实测方法宜采用承载板法，也可采用贝克曼梁弯沉仪若在非不利季节测试，则应进行修正若现场实测路基回弹模量代表值小于设计值或弯沉值大于要求的检测值，应采取翻晒补压，掺灰处理或调整路面结构厚度等措施，以保证路基路面的强度和稳定性,我国沥青路面设计方法,设计参数1.路基回弹模量取值方法现场测试法承载板测试法。