沥青路面设计2李老师.ppt

路基路面工程,第一部分 沥青路面设计,主 要 内 容,弹性层状体系理论概述 沥青路面的破坏状态与设计标准 新建沥青路面的结构厚度计算 沥青路面改建设计,第一节 弹性层状体系理论概述,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。,基本假设,第二节 沥青路面的破坏状态与设计指标,当路基土的承载能力较低，不能承受从路面传至路基表面的车轮压力，便产生较大的垂直变形即沉陷。,一、路面局部沉陷,（一）表现,在车轮作用下表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象,（二）起因,（三）设计指标,路基表面由车轮荷载作用产生的垂直应力，可用弹性层状体系理论求得,路基土的容许垂直压应力，其数值同土基的弹性模量和车轮荷载作用次数有关,二、车 辙,（一）表现,（二）起因,（三）设计指标,路面的纵向带状凹陷，是高级沥青路面的主要破坏型式,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，同荷载应力大小，重复作用次数以及结构层和土基的性质有关 。,或,三、疲劳开裂,（一）表现,（二）起因,（三）设计指标,路面无显著的永久变形，最初在荷载作用部位形成细而短的横向开裂，继而逐渐扩展成网状,较厚的沥青结构层受车轮荷载的反复弯曲作用，使结构层底面产生的拉应变（或拉应力）值超过材料的疲劳强度，底面便开裂，并逐渐向表面发展。稳定类整体性基层也会产生出疲劳开裂，甚至导致面层破坏。与重复应变（或应力）大小和路面的环境因素有关 。,或,四、推 移,（一）表现,（二）起因,（三）设计指标,车轮荷载引起的垂直力和水平力的综合作用，使结构层内产生的剪应力超过材料的抗剪强度。同时也与行驶车轮的冲击、振动有关。,受到较大的车轮水平荷载作用时，路面表面出现推移和拥起,车轮的垂直力和水平力的共同作用下，面层中可能产 生的最大剪应力,材料的容许剪应力,五、低温缩裂,（一）表现,（二）起因,横向间隔性的裂缝，严重时发展为纵向裂缝,路面结构中某些整体性结构层在低温（通常为负温度）时由于材料收缩受限制而产生较大的拉应力，当它超过材料相应条件下的抗拉强度时便产生开裂,（三）设计指标,低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力,某种温度下材料的容许拉应力,六、路面弯沉设计标准,路面弯沉：路面在垂直荷载作用下，产生的垂直变形。 我国现行的沥青路面设计方法采用设计弯沉作为路面整体刚度的设计指标。 1、能够反映路面各结构层及土基的整体强度和刚度 2、与路面的使用状态存在一定的内在联系 3、测定也比较方便。,路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，它是根据设计年限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型而确定的路面弯沉设计值，是路面厚度计算的主要依据。 路面设计弯沉值可以作为路面竣工后第一年不利季节、路面温度为20时在标准轴载l00kN作用下，竣工验收的最大回弹弯沉值，它与交通量、公路等级、面层和基层类型有关。,总结：理论分析法实质上就是把路面看成是一个工程结构物，据行车荷载作用下，在路面中所产生的应力、应变和位移量不超过路面任一结构层中材料的容许应力、应变和位移量来选择和确定路面结构层的组成和厚度，并以此来防止或减少各种路面破坏现象的发生，控制或限制路面的结构特性和使用品质在预定的设计使用年限内不恶化到某一规定的程度。 目前，在我国路面设计中，视路面结构类型不同，分别采用如下设计指标：,1.为了控制路基路面的总变形，防止网裂、沉陷、车辙，使路面具有足够的整体刚度和强度，采用路面设计弯沉值Ld作为路面整体刚度和强度的控制指标。即路面设计弯沉值Ld应大于或等于路表实际可能产生的回弹弯沉值Ls，即LsLd。 2.为了防止沥青混凝土面层和半刚性基层（底基层）的疲劳开裂，采用了沥青混凝土面层和半刚性基层（底基层）底面的容许拉应力R作为验算指标，此值应大于或等于路面相应结构层底面实际可能产生的最大弯拉应力m，即R m。,3.为了防止高温季节道路交叉口、停车厂等汽车经常启动、制动地方沥青面层产生推挤和拥包等破坏现象，采用了沥青面材料的容许剪应力R作为验算指标，其值应大于或等于面层破裂面上实际可能产生的剪应力，即： R ,第三节 沥青路面结构组合设计,一、一般考虑,（一）路线、路基和路面要做总体设计路基稳定、基层坚实、面层耐用,（二）因地制宜、合理选材,（三）方便施工、便于养护,（四）分期修建、逐步提高,（五）注意与排水设计相结合,4、典型沥青路面结构组合,四、结构层材料的容许拉应力,要求结构层底面的最大拉应力不大于结构层材料的容许拉应力，在路面设计中通常表示为： mR 结构层材料的容许拉应力是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力。 可用下式计算：,式中：R路面结构层材料的容许拉应力，MPa； sp结构层材料的极限抗拉强度，MPa； Ks抗拉强度结构系数。,抗拉强度结构系数：表征结构层材料的抗拉强度因疲劳而降低的，根据荷载应力与达到疲劳临界状态的荷载作用次数之间关系的疲劳方程可表示如下： 对沥青混凝土面层： 对无机结合料稳定集料类： 对无机结合料稳定土类： 式中：Aa沥青混合料级配类型的系数；细、中粒式沥青混凝土为 1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1 Ac公路等级系数。,五、查图法计算弯沉和结构层层底拉应力,查图法：在不具备电算条件时，可以通过查弯沉和弯拉应力诺模图的方法进行路表弯沉和结构层底部拉应力的计算。,双层体系双圆荷载轮隙弯沉(见上图)的理论弯沉系数L诺模图如图所示。计算时取1=0.25，0=0.35。 理论弯沉的计算公式为： 式中L为理论弯沉系数,当计算体系为弹性三层体系时，理论弯沉的表达式为： 式中理论弯沉系数L由弹性三层体系理论计算求得。将三层连续体系的电算结果绘成诺模图。计算时取泊松比1=2=0.25，0=0.35。 车轮荷载在路面面层和基层底面产生的弯拉应力，用弹性层状体系理论方法计算。,当双层体系理论表面作用圆形垂直均布荷载时(下图)，由弹性双层状体系理论求得上层底面的拉应力，其辐向应力与切向应力分别为： 式中r与t分别为辐向与切向弯拉应力系数，它们是E0/El、 h/的函数，其表达式为含有贝塞尔函数和指数函数的 广义积分。 在上层底面r0处，t r，在r=0处，r=t，数值最大。,在双圆均布垂直荷载作用下，当双层体系面层厚度不太大(H/2)时，最大弯拉应力通常发生在面层底面一个圆形荷载中心轴上（r=0,z=0）, (如图a)所示，其表达式为： 对于三层体系，在常用路面材料和厚度范围内，上层底面的最大弯拉应力一般也产生在z轴上(r=0)或靠近z轴，而中层底面的最大弯拉应力一般产生在r=1.5处，(如图b)所示。 三层体系上层或中层的弯拉应力表达式也如公式1，此时r与t是E0/ E1、E2/E1、h/及H/的函数。,八、 路基土回弹模量值的确定 （1）现场实测法 （2）查表法 （3）室内试验法 （4）换算法,九、新建路面结构设计步骤 新建沥青路面通常按以下步骤进行路面结构设计： 1.根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型，计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值。 2.按路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段(在一般情况下路段长度不宜小于500m，若为大规模机械化施工，不宜小于lkm)，确定各路段土基回弹模量值。,3.根据已有经验和规范推荐的路面结构，拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比试验及测定各结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度，确定各结构层材料设计参数。 4.根据设计弯沉值计算路面厚度。对高速公路、一级公路、二级公路沥青混凝土面层和半刚性基层材料的基层、底基层，应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求。,如不满足要求，或调整路面结构层厚度，或变更路面结构组合，或调整材料配合比，提高材料极限抗拉强度，再重新计算。 对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，尚应验算防冻厚度是否满足要求。,例14-3 甲乙两地之间计划修建一条四车道的一级公路，在使用期内交通量的年平均增长率为10%。该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为1.00，沿途有大量碎石集料，并有石灰供给。预测该路竣工后第一年的交通组成如表14-15所示，试进行路面结构设计。 解：1)轴载分析 路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载。 (1)以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次,轴载换算 轴载换算采用如下的计算公式： 计算结果如下表所示。 累计当量轴次 根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年限取15年，四车道的车道系数是0.40.5，取0.45。 累计当量轴次：,轴载换算结果表（弯沉）,（2）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次 轴载换算 验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为： 计算结果如下表所示。,轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）,累计当量轴次 参数取值同上，设计年限是15年，车道系数取0.45。 累计当量轴次： 2)结构组合与材料选取 由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计当量轴次约为1092万次左右。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(15cm)，基层采用水泥碎石(取25cm)，底基层采用石灰土(厚度待定)。,规范规定高速公路、一级公路的面层由二层至三层组成。查规范 “沥青混合料类型的选择(方孔筛)”，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5cm)，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土(厚度6cm)。 3)各层材料的抗压模量与劈裂强度 查P355表14-13、14-14，得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。 抗压模量取20的模量，各值均取规范给定范围的中值，得到20的抗压模量：细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式的为1200MPa，粗粒式的为1000MPa，水泥碎石为1500MPa，石灰土550MPa。,各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为1.4MPa，中粒式的为1.0MPa，粗粒式的为0.8MPa，水泥碎石为0.5MPa，石灰土0.225MPa。 4)土基回弹模量的确定 该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为1.00，查P352表14-9“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值(MPa)”查得土基回弹模量为40MPa。 5)设计指标的确定 对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。,(1)设计弯沉值 路面设计弯沉值根据公式(14-25)计算。该公路为一级公路，公路等级系数取1.0，面层是沥青混凝土，面层类型系数取1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数取1.0。 设计弯沉值为： (2)各层材料的容许层底拉应力,细粒式密级配沥青混凝土 ： 中粒式密级配沥青混凝土 ： 粗粒式密级配沥青混凝土 ：,水泥碎石： 石灰土： 6）设计资料总结 设计弯沉值为23.47（0.01mm），相关设计资料汇总如下表。 7）确定石灰土层厚度,设计资料汇总表,按设计弯沉值Ld计算石灰土层厚度： （1）计算综合修正系数F： （2）计算理论弯沉系数c,（3）求计算层厚度,细粒式沥青砼 h1=4cm E1=1400,中粒式沥青砼 h2=5cm E2=1200,粗粒式沥青砼 h3=6cm E3=1000,石灰土 h5=4cm E5=550,水泥碎石 h4=4cm E4=1500,土基 E0=40MPa,h1=4cm，E1=1400,H=？ E2=1200,En=E0=40,中层厚度计算公式： 查P360图（14-14）三层体系表面弯沉系数诺谟图： 因为,8）验算层底拉应力 （1）对细粒式沥青砼层底拉应力验算 换算成当量三层体系,h1=4cm，E1=2000,h2=5cm，E2=1800,h3=6cm，E3=1400,h4=25cm，E4=1500,h5=28.5cm，E5=550,h1=4cm，E1=2000,H=？，E2=1800,E0=40,E0,求层底最大拉应力,（2）求中粒式沥青砼层底拉应力验算 换算成当量三层体系,h1 E1,h2 E2,h3 E3,h4 E4,h5 E5,E0,h=？ E2,H=？ E3,E0,求层底最大拉应力,(3)对粗粒式沥青砼层底拉应力验算 换算成当量三层体系,h1 E1,h2 E2,h3 E3,h4 E4,h5 E5,E0,h=？ E3,H=？ E4,E0,求层底最大拉应力 (4)对水泥碎石进行层底拉应力验算 换算成当量三层体系,h1 E1,h2 E2,h3 E3,h4 E4,h5 E5,E0,h=？ E4,H=h5 E5,E0,计算层底最大拉应力 (5)对石灰土层底进行拉应力验算,换算成当量三层体系,h1 E1,h2 E2,h3 E3,h4 E4,h5