路面设计原理手写讲义

1 路面设计原理与方法大纲 1 绪论 内外路面设计原理与方法简介 路破坏标准 面设计影响因素 2 交通参数 内外交通参数确定方法 准轴载与轴载换算方法 计初年交通量确定方法 计年限交通量年平均增长率 辆横向分布 3 公路路基回弹模量 等级公路路基受力状态与土基模量影响因素分析 基模量测试方法及其改进 基回弹模量与施工质量检验指标相关性 价路基回弹模量 路基回弹模量随时间变化规律 虑路基回弹模量变化的路面设计方法 4 路面材料及其设计参数 面基层材料类型及其设计参数 青类材料组成及其设计参数 泥混凝土组成及其设计参数 2 型路面材料及其设计参数 5 我国沥青路面设计方法 国沥青路面设计方法的发展 青路面设计方法（ 14 97） 国现行沥青路面设计方法（ 2006） 青路面典型结构 6 我国水 泥混凝土路面设计方法 国水泥混凝土路面设计方法的发展 国现行水泥混凝土路面设计方法（ 12 2002） 泥混凝土路面典型结构 合式路面 7 国外典型柔性路面设计解析法 A I 法 前苏联法 其他设计方法 8 国外典型柔性路面设计经验法 计法 日本法 英国设计法 计指南（ 2002） 9 国外典型刚性路面设计方法 3 前苏联法 计指南 计法 日本法 10 道路结构可靠性 工程结构可靠性 路基结构可靠性 沥青路面可靠性 水泥混凝土路面可靠性 11 路面设计方法的发展 青路面设计方法的发展 泥混凝土路面 它研究动向 4 1 绪 论 一、 路面设计方法 理论（分析）法 经验法（半经验法） 典型结构法 二、道路损坏标准 标准 1、 路基的永久变形 2、 拉裂（整体基层和面层） 3、 路表 综合弯沉 4、 面层表面的剪切 5、 面层的低温缩裂 6、 面板疲劳开裂 三、 影响设计的主要因素 1、 环境因素 水 温度 高温 低温 设计方法的主要内容： 1、 经验半经验法 确定路面设计指标（破坏标准） 车辆换算 确定土基和路面材料强度指标 建立土基强度、轴载与路面厚度间关系 2、理论法 建立模型 求 解模型中关于关键点的应力、应变和位移 确定设计标准（强度标准） 5 确定土基及各层计算参数 轴载换算 设计方法 2 交通 N 内外交通参数确定方法 准轴载与轴载换算方法 计初年交通量确定方法 计年限交通量年平均增长率 辆横向分布 交通组成 交通量 当量 荷载图式 动荷、速度 3 公路路基回弹模量 等级公路路基受力状态与土基模量影响因素分析 基模量测试方法及其改进 6 基回弹模量与施工质量检验指标相关性 价路基回弹模量 路基回弹模量随时间变化规律 虑路基回弹模量变化的路面设计方法 4 路面材料及其设计参数 面基层材料类型及其设计参数 青类材料组成及其设计参数 泥混凝土组成及其设计参数 型路面材料及其设计参数 5 我国沥青路面设计方法 国沥青路面设计方法的发展 青路面设计方法 国现行沥青路面设计方法（ 2006） 青路面典型结构 第一章 我国 3路 8年规范 城市道路 设计规范 矿道路设计规范 林区道路设计规范 7 86LR c 2. 0l A 0 ( )2P 弹层 1 ) 1N N 3 6 5 m PR 0 1 2 层 0 整基 3路 一 、 轴载 4 . 3 5 1 C n ( )P 251C 轴载系数 轴距 3 m 按单独轴 15cm 路面实测弯沉 三 旧路改建 10 弯沉测定 标轴车 时 换算 1、0 1 0 0 1 0 0() 弯沉及轴重 2、 0 0 1 2 3()l l Z S K K K1K 季节系数 2K 温度系数 3K 湿度系数 3、 12021000m 1m p ,相同时，汽车与承载板测得弯沉之比，一般实测，无时，取1m=m 旧路 计算与旧路接触层弯拉应力时 2 h 各补强层等效为沥青补强层的总等效厚度 0 11 1()n 1E 抗压模量 其他材料 15时抗压模量 计算其他层弯拉及弯沉时 2m=1 4、 补强厚度计算 补强层按 n+1层弹性体系计算 以弯拉为控制指标 二级及以上 验算补强层底拉应力 7 国外典型柔性路面设计解析法 11 7 国外典型柔性路面设计解析法 计法 英荷 司所设研究所提出。理论较完善 63 67 78年 一、 路面模型 三层弹性体系 层间连接 多层 电算 1968年，垂直）及 1973年， 平荷载、层间三种情况）程序 单圆或双圆 二、 设计标准 1 路 基表面压应变z双圆轴线处 2 沥青层内的水平拉应变 是否在层底，取决于 C 系数 211()EC h m C 133现在层底 C133h 200于1 ） 2h200于1部 两项次要标准： 2） 任何整体基层内容许拉应力（或应变） 3） 路表总变形 其他次要标准： 1） 基层或底基层无结合料材料最小模量 2） 沥青层低温缩裂 12 三、 容许的设计标准值 1 2 0 . 2 52 . 8 1 0z N (50保证率 ) 实验结果 =采用 85 为 5 式已考虑 的影响（实际路实验含横向分布） 2 r 沥青层容许水平拉应变 r随 N、沥青模量及混合料类型而变 由室内小梁疲劳实验可得 N 当21 1522 m， 21 1 0C 3 水泥稳定类 容许拉应力 (1 0 . 0 7 5 l o g )s 极限强度 4 道路容许永久变形 车辙深度 高速路 10 一般路 30 其它 粒料材料取决于路基模量和粒料基层厚度 、 考虑已设计因素 1 荷载 80单轴重 20地压力 P= 21d 速度 50 60 /h 加荷时间 13 轴载换算 8 4 42 . 4 1 0 ( )80 拟换算轴载境 温度 建立平均温度（年加权平均气温）与沥青层温度的关系 湿度 取最不利季节参数 3 材料特性 路基 7 23 1 0 ( ) B R m 21 0 ( ) R m松散材料 取决厚度2 3E k E 2h 以 2 2k4 整体材料 9 1 0 2 0 1 0 动 （ ） 沥青混合料 劲度模量 沥青含量，沥青劲度及混合料空隙 5S S 1 + ( )n 1 C 混合料剥落空隙率 V 集料体积 14 沥青体积 4 0n = 0 五、 设计步骤 拟定厚度模量，计算所需值，进行比较 六、 车辙 1 影响因素 沥青层厚度 沥青劲度中的粘滞度部分 交通量 沥青层平均压力 实验室得到 m, 应用到路上 加入载修正系数） 2 轴载换算 W 1 A 总等 效 A 比例系数，随图 15 3 沥青劲度中的粘滞度部分 b,T , w 见上 沥青粘滞度 ，取决于沥青的温度和沥青的特性（是温差 入度 和针入度指数的函数） t 车轮通过时间，取 t=4 沥青层各分层的平均应力 i 平 均 平 均 0 轮胎压力 i 第 面垂直位移差 16 1 第 5 车辙的计算 1i E 平 均 动态影响修正系数 因 以 1 m 1 h S 平 均 1总变形 1 2 h h 17 7 2 I 1955 共 8版 全厚式 经验法 1981年 9版 一、 路面模型 多层 三、四层 单轴 80 18p= 、设计标准 1 t 沥青层 底面拉应变 2 c 路基表面的垂直压应变 1、t1 N 路面开裂时的荷载作用次数 t 加荷时拉应变 a,b 系数，根据疲劳实验得出，修正后用于现场 H 或乳化沥青 层 层 未处理粒料基层及底基层 四 层 三 层 18 3 3 . 2 9 1 0 . 8 5 41 8 . 4 ( ) 4 . 3 2 5 1 0 ( ) ( )tN c E N 18用时等效的单轴作用次数 E 沥青混合料的劲度模量 S 10 4 . 8 4 0 . 6 9 空隙率 沥青体积率 2、 c 1 1()mc l N l,m 系数，与设计 方法有关 三 、设计考虑因素 1 轴载 采用结构系数 耐用指数 情况 () 车 辆 数 卡 车 系 数 轴 数卡 车 系 数 荷 载 等 效 系 数车 辆 数 计算或查表 4 环境条件 考虑沥青层内温度 月平均路面温度 1 3 4M M P T = M M A T 1 6z 4 z 4 + +z 路面深度（英寸） z=1/3 沥青层厚 3 材料特性 态模量 19 2 0 0 v 7 0 , F ( P , f , V , , T , V ) 200P 通过 200号筛集料的概率，取 5% f 加载频率 空隙率 70,F 华氏 70时沥青粘度 T 温度 沥青用量 乳化沥青 T,，硬化时间 未处治粒料 劲度模量 2 1k,2k 系数 一般取 000 120000，2k= 第一应力不变量 1 2 31 ()3 土基 2r 0 C B R ( )m通水平 10000 60 10000 1000000 75 1000000 8705 四、 结构设计法 1 全厚式 2 乳化沥青基层 AL h (乳化沥青层厚 ) 20 8 国外典型柔性路面设计经验法 计法 0年代诞生于加州 核心 材料参数用 示 一、 验 二、 计法 路面吸水后 土基材料侧向移动 不均匀沉陷 土基压实不够 过大弯沉 原因：面层厚度小或基层强度 式 根据半空间作用圆形均布载 3 . 1 l o g C 1 4 . 4 A ( )0 . 5 7 C B R C 重复作用系数 A 轮胎接地面积 P 接地压力 深度 2） 三、 日本柔性路面设计方法（见单日本法） 日本道路应用 1 设计程序 2 交通量的计算 21 2英国 29 号道路指标 提出 1960 1965 年修订 70年第二版 一、 轮载与交通量 80 二、 路基条件 三、 路面厚度 1 底基层厚 2 基层厚 3 面层 四、 典型结构 五、 82 年新法 沥青层底拉应变及车辙 22 计指南 一、 验路 58 61 美 伊利诺斯州 6个环道实验 第一环 不行车 第二环 行轻车 三到六 实验路段 284段不同结构组合的 得 264种 2 辆轻型货车和 104 辆牵引车与半挂车 在实验路上每天行驶 15 小时 共做了 1114000（一百一十一万 四千 次） 获得了大量数据 其中最重要的包含以下四个方面 （一） 路面耐用性 工作状态 以路面 供汽车行驶 的能力用现时耐用指数 2P S I 5 . 0 3 1. 9 1 l o g (1 S V ) 0 . 0 1 C P 1. 3 8 ( R D ) （ 2 平均坡度变化 车辙深度 C 裂缝面积 P 修补的面积 一般认为 面需大修 面完全不合格 （二） 本方程式 001l o g ( ) ( l o g l o g ) G 在任何时间内的耐用性的损失 结构厚度和荷载变量 的函数 加权的交通因素（累计轴载计算时） 厚度和荷载的函数 23 P 任一已知时间的耐用性 0C 初时耐用性（ 1C 最低耐用性（ 3 . 2 3125 . 1 9 3 . 2 320 . 0 8 1 ( L L )0 . 4( S N 1 ) L5 . 9 3 9 . 3 6 4 . 3 324 . 7 9121 0 ( S N 1 ) L( L L ) 结构数 1L 单轴重或双轴组重 2L 轴数 单 1 双轴 2 （三） 荷载作用次数的关系 将式，中 取单轴 1880标准荷载 则 1L=18 2L=1 则得 5 . 1 910940 . 4( S N 1 ) （ 2 l o g 9 . 3 6 l o g ( S N 1 ) 0 . 2 （ 2 1 1 2 2 3 3S N a D a D + a D（ 2 1D，2D，3D 路面，路基，底基层厚度（ 1a,2a,3a 路面，路基，底基层结构（垂直）系数 由 试 验 得到 参 3基本公式（ 2 g lo g 代入式 25 . 1 9Gl o g 9 . 3 6 l o g ( S N + 1 ) 0 . 2 +10940 . 4S N 1 （ ）(2 24 上式反映了 任 一时刻累计当量轴次 W，与 及 关系 再利用001 lo g ( ) 取0C=1C=P 设计 主要 繁重交通 P=得 G= 要 P= G= 合（ 2 即得到 关系 将其结果绘制成诺漠图 3四 )、车辆当量换算 前已导出 l o g l o g 将（ 2代入 1 2 2l o g 5 . 9 3 9 . 3 6 l o g ( 1 ) 4 . 7 9 l o g ( ) 4 . 3 3 l o g L L L （ 2 对标准载1L=18 2L=1 上式为 18 18l o g 5 . 9 3 9 . 3 6 l o g ( 1 ) 4 . 7 9 l o g (1 8 1 ) （ 2 则其他单轴1L=x 2L=1 则（ 2为 18l o g 5 . 9 3 9 . 3 6 l o g ( 1 ) 4 . 7 9 l o g ( 1 ) x （ 2 （ 2-（ 2 181 8 o g 4 . 7 9 l o g x 1 4 7 9 l o g 1 8 1x 单 （ ） - . ( + ) +（ 2 同法可得 双轴公式 181 8 o g 4 . 7 9 l o g x 2 4 7 9 l o g 1 8 1 4 3 3 l o g 2x 双 （ ） - . ( + ) - . +（ 2 根据公式（ 2 （ 2将表 3b 25 等效系数 如应用式（ 2 =22100 并取 ，则得 G=2 5 . 1 920270 . 4 0 . 8 7 8( 4 1 ) 18 5 . 1 910940 . 4 0 . 6 5 8( 4 1 ) 18222 2 1 1 1l o g 4 . 7 9 l o g 0 2 ( - ) = 0 . 4 7 3 61 8 1 0 . 6 5 8 0 . 8 7 8 （ ） +. 2218l o g 0 . 3 2 0 9 即 将表 3得知当 n=t= n=且随轴载增大， n 值有增大趋势 如将表中结果平均， n=t=n=者总平均 单轴间换算公式可近似表示为 4 18 1L()L （ 2 26 二、 计法 1 设计变量 （ 1） 设计年限 路条件 分析年限（年） 公路条件（年） 分析年限 市区大交通量 郊区大交通量 30 50 20 50 小交通量路面 小交通量集料路面 15 25 10 20 （ 2） 轴载 80 3） 可靠度 （ 4） 环境 （ 5） 服务能力 （ 6） 有效土基回弹模 量 27 （ 7） 路面结构数 2 基本设计条件 虑路面设计状态 路面临界状态指标 P= P=设计交通量 按系数换算为总或每日 土基承载力 S 3或 2 10碎 石 100 85 280 地区系数 R 根据地形，降雨量，气候，地下水位，冰冻深度等因素 3路面厚度的确定 28 陈列图 N 各层厚 三、 计指南 1） 基本公式（ 2 001 l o g ( ) = ( l o g - l o g ) 得 1 94 . 2 pl o 2 1 . 5l o g 9 . 3 6 l o g ( 1 ) 0 . 2 2 . 3 2 l o g M 8 . 0 7 10940 . 4( S N 1 ) 式中： 土基回弹模量 保证率系数 估计交通量的标准差 一般为 N 路面结构数 1 1 2 2 2 3 3 3S N a D + a D m + a D m2m，3m 基层，底基层材料的排水性系数 2 . 3 2 2 . 3 2 l o g M 8 . 0 7 l o g ( )3000 000 2 ) 13000 则为式（ 2 原式 若 土基回弹模量以 以 则 2 . 3 2 2 . 3 2o g ( ) l o g ( )3 0 0 0 2 0即原 =3相当于000 20 (2可表为 2 . 3 2l o g N l o g N + l o g ( )20 2 . 3 2 1 0 N ( )E （ 2 29 2) 对等值系数 4） 放弃难以估计的地区系数 R 将之反映在 A , 虑 12个月内变化 12 2 n i1 )E 各月 5） 引入（）项 反映交通量预估的偏差 30 31 9 国外典型刚性路面设计方法 前苏联法 一 、基本体系与计算公式 弹性地基薄板 根据荷位不同，又可分为 1、 舍赫捷尔法 1939年提出无限大板 解 弯矩 挠度 荷载 0 (1 )2C 系数，随 ,R 而 变 P 荷载 R 荷载圆半径 203 2106 (1 )1(1 )距荷载 0 ()M B A p() B p 挠度 00(1 ) 1 0 A, 变系数 2、 巴布科夫法 荷载弯矩计算式 中心0 ( 0 . 0 5 9 2 0 . 2 1 3 7 l g )M R p 0 . 0 0 5 0 . 2 1 l g )QM r p( 0 . 0 6 7 0 . 1 8 l g )rM r p 3、 柏特批可夫法 板中02100 . 3 1 6 p h中板 边02100 . 5 7 0 . 7 1 )p h边 （ 32 板角00 . 1 523 1 0 1 . 7 7 91)10角 （103001( 1 )1 . 9 16 ( 1 )二、板厚计算 06B y K K RM 最大计算弯矩 混凝土极限抗弯拉强度 0K 混凝土工作条件系数，与板厚，气候区有关 混凝土龄期增长系数 0K 混凝土均值系数 0K=0.8 交通重复影响系数 0 31 计指南 性路面设计方法 一、设计标准 1、 计期 0 P 方法仍是建立 同路面结构和轴载作用的关系式 同时 2、引入可靠度概念 3、环境对 影响 冻胀 4、结构特性影响 如路面排水，接缝传荷能力 二、设计方程 33 三、设计参数 1、设计期 高限 当地该路面能达到的年限 低限 两次改建间的间隔时间 2、交通 80 同 沥青路面 3、地基等效反应模量 根据路基湿度变化 由回弹模量转化 4、砼抗弯拉强度和弹模 以 280 3 3 ( )c 5、路面排水系数 按路面排水质量分为五级 优、良、中、差、很差 按湿度对路面的影响程度分为五级 6、传荷能力系数 J 四、 设计步骤 1、确定地基等效反应模量 K 与垫层类型及厚度、脱空情况：路基土模量的季节变化（各月模量值） 2、板厚设计 图 4 C P S I D 34 35 36 37 38 计法 一、设计标准 1、指标 （ 1）砼板疲