路基路面工程第14章.ppt

第一节 弹性层状体系理论概述 第二节 沥青路面的破坏状态与设计标准 第三节 沥青路面结构组合设计 第四节 新建沥青路面的结构厚度计算 第五节 路面结构剪应力计算 第六节 沥青路面改建设计,第十四章 沥青路面设计,内容： （1）材料选择 （2）配合比设计 （3）结构组合设计 （4）厚度验算 （5）方案比选 （6）其他路面构造的设计,力学模型： （1）弹性半空间体系 （2）弹性层状体系 （3）粘弹性层状体系 （4）弹性地基板 （5）弹性地基有限元 （6）非线弹性层状体系,荷载形式 层次结构 计算机程序,人物,14.1 弹性层状体系理论概述,一、基本图式与基本假定 力学模型：弹性层状体系 基本假定 （1）各层都是由均质，各向同性的弹性材料组成，位移、变形微小，这种材料的力学性能服从胡克定律 （2）土基在水平方向和向下深度方向均为无限，其上各层厚度均为有限，但水平方向仍为无限 （3）土层表面作用着轴对称圆形均布荷载（可以是垂直均布荷载，也可以是一般圆形荷载）同时在下层无限深处及水平无限远处应力、应变、位移都是零,（4）层间接触面满足一定的条件，可以是假定完全 连续，完全光滑，也可介于两者之间 （5）不计自重,2、基本原理（解题方法）,简化荷载：圆形均布荷载（垂直，水平）圆柱坐标（，Z） 三个法向分力： 三对剪应力： 轴对称荷载： 由弹性理论： 力平衡方程 ： ,物理方程（应力应变关系） 其中，G为剪切模量 几何方程（位移连续） ,式中，共有十个变量（再加上U(r),W(z)），十个方 程式，理论上结合边界条件即可解出未知值，但是实际 解法相当困难，一般采用应力函数求解 微分单元体相邻单元变形是协调的，物体在变形前后是 一个连续体，消去位移分量，可得变形连续方程：,单圆垂直均布荷载双层连续体系:表面荷载作用轴线上的垂直位移（即弯沉） 为：,称为垂直位移系数 （查诺谟图）,二、主应力计算（强度验算） 弹性体内任意点的三个主应力，由下式确定 解得式三个实根，即三个主应力,解得式三个实根，即三个主应力,14.2 沥青路面的破坏状态与设计标准,一、破坏模式 1、裂缝类路面结构的整体性受到破坏 2、变形类路面的表面形状发生改变 3、表层损坏类路面表层局部受到破坏,二、破坏状态 （一）沉陷：车轮作用下表面产生局部凹陷变形 产生原因：路基土承载不足，形成压缩与变形 设计标准：路基土的垂直应力， （二）车辙：车轮重复作用导致塑性变形的积累。 行车轮带处形成纵向带状凹陷 产生原因：车轮重复作用导致塑性变形的积累 设计标准：,（三）疲劳开裂： 路面在无显著永久变形下，形成短而细的横向裂缝，并逐渐扩展成网状，开裂宽度范围不断增大。 产生原因：车轮反复作用，结构层底面拉应变超过材 料的疲劳强度，底面看先开裂并向表面发展 设计标准： （四）推移：路面表面在较大水平荷载作用下出现推移与 拥包鼓起现象 产生原因：结构层内剪应力超过材料的抗剪强度 设计标准：面层中可能最大剪应力 适于：停车站、交叉口、紧急制动路段,（五）低温缩裂：低温时材料收缩受限产生较大拉应力，当 它超过材料当时的抗拉强度时便产生开裂 设计标准：低温收缩受约束产生的温度应力 （六）路面弯沉：垂直荷载作用下，产生的垂直变形 产生原因：整体刚度不足 设计标准：实测路面弯沉值小于设计弯沉值,14.3沥青路面结构组合设计,一、适应行车荷载的要求 、按交通要求选择面层等级和类型 、按各结构层的功能选择结构层次 、按各结构层的应力分布特性确定材料和厚度， 相邻结构层之间相对刚度比不宜过大。一般， 基层与面层模量比不小于0.3，土基与基层或 底层的模量比宜为0.080.4,二、在各种自然因素作用下稳定性好 三、考虑各结构层本身的特点 层次组合合理 适当的层厚和层数,四、路面结构组合示例,高速公路、一级公路：,细粒 或 中粒沥青混凝土 中粒 或 粗粒式沥青混凝土 粗粒式沥青混凝土 或 沥青碎石 水泥稳定类碎石或二灰稳定类碎石 二灰土 或 水泥土 土 基,细 粒或中粒沥 青混 凝 土 中粒或粗粒式沥青混凝土 水泥（二灰）稳定类碎石 级 配 碎 （砾） 石或砂砾 土 基,二级、三级公路：,沥 青 混 凝 土 沥 青 碎 石 水泥 或 二灰稳定类碎石 二灰（石灰）土或级配碎砾石 土 基,沥青表面处治或乳化沥青碎石 水泥（二灰）稳定类碎石 级 配 碎 （砾） 石或砂砾 土 基,沥 青 贯 入 式 或 沥 青 碎石 水 泥 （二灰）稳 定 类碎石 二灰（石灰）土级配碎砾石 土 基,14-4新建沥青路面的结构厚度计算,采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论,方法：,以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层弯拉应力、半刚性材料层弯拉应力为设计指标进行路面结构厚度设计,设计完后，路面结构的路表弯沉与结构层的弯拉应力均应满足设计指标的极限标准。,一、计算图式 、路面弯沉值计算图示,、沥青面层与半刚性材料层的底层拉应力计算图示,、三层弹性体系剪应力计算图示,二、路面容许弯沉和设计弯沉值 、容许弯沉值:路面在试用期末得罪不利季节，在设计标准轴载作用下容许出现的最大回弹弯沉值 临界破坏状态：外观等级 五级 以第四级弯沉值的底 限为临界状态,、路面设计弯沉值：由设计年限内每个车道的累积当量 轴次、公路等级、面层和基层类型确定，相 当于路面竣工后第一年不利季节，路面在标 准轴载100KN作用下测得的最大回弹弯沉值 Ld设计弯沉值，0.01mm; Ne设计年限内一个车道上累计当量轴次 Ac公路等级系数，高速、一级1.0，二级1.1，三、 四级1.2 As面层类型系数，沥青混凝土1.0，热拌沥青碎石、 上拌下贯、乳化沥青碎石1.1，沥青表处1.2， 中、低级1.3 Ab基层类型系数，半刚性基层厚度大于15cm 为1.0，级配碎石小于15cm为1.0，其他取1.6,路面厚度计算理论依据：（假设） 注：理论假设与实际状态存在差异，需要修正 令实测弯沉 ，计算路面厚度H,三、标准轴载于轴载换算 、标准轴载：路面结构设计中双轮组单轴100KN （BZZ100） 、计算参数：BZZ100计算参数 标准轴载P(KN) 100 单轮传压面当量圆直径 （cm）d 21.30 单轮荷载P(KN) 25 两轮中心距Rl（cm） 3 轮胎接地压强P(Mpa) 0.7 当量圆半径 （cm） 10.65,、轴载换算 （1）基本原则 a.换算以达到相同的临界状态为标准 b.对于某一种交通组成，不论以哪种轴载的标准进 行轴载换算，由换算所得的轴载作用次数计算的 路面厚度应该是相同的。,（2）现行规范轴载换算方法 a.当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时， 凡轴载大于25kN的各级轴载Pl的作用次数nl，按 下式换算成标准轴载P的当量作用次数N,C1轴数系数 C2轮组系数，单轮组6.4，双轮组1.0，四轮组0.38 m轴数 注：当轴间距大于3m时，C1取m 当轴间距小于3m时，,四、土基回弹模量的确定 1、现场承载板试验测定,2、查表法 （1）、确定临界高度 （2）、确定土的平均稠度 （3）、预测土基回弹模量,3、室内小型承载板试验测定 a、试件用直径15.2cm圆筒，承载板直径5cm，对试件 捶击，计算试件相应于90%，93%，95%，压实度 的模量值 b、建立室内小型承载板与现场承载板测定的回弹模量 之间的关系，然后将室内小型承载板结果换算成现 场承载板测定的回弹模量值，计算90%保证率代表值 c、确定最不利季节（北方春融期，南方雨季）路基土 平均最大含水量 d、根据平均最大含水量对实测的代表回弹模量进行折减,4、换算法 建立现场测定与室内实验的关系 得到 值换算关系式，确定E0值,五、路面材料设计参数值 1、我国现行公路沥青路面设计规范规定，各级公路各 层材料的计算模量采用抗压回弹模量，沥青砼和半 刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验测得的劈裂强度 对于沥青混合料，当用于以设计弯沉值计算路面结构 厚度时，采用200C的抗压模量；当用于验算层底拉应力时，采用150C的抗压模量,2、路面材料回弹模量测定方法,六、结构层材料的容许拉应力 极限抗拉强度Mpa：由劈裂强度试验确定，（沥青砼150C）， 对于水泥稳定类材料龄期90d； 对于二灰稳定类的龄期180d,七、路面厚度计算与层底拉应力验算： 1、弹性双层体系双圆荷载,2、弹性三层体系：双圆荷载,3、路面厚度计算：假定完全连续体系双圆均部荷载,设计时，先拟定某一层作为设计层，选定其他各层厚度； 当采用半刚性基层、底层结构时，可选其中任一层为设计层。,4、层底拉应力验算,八、多层体系的等效换算： 1、弯沉等效换算法：,2、弯拉应力等效换算算法： （1）计算上层底面弯拉应力：,（2）计算中层底面弯拉应力：,例一：现有五层体系，各层模量厚度如下表所列，请转换 三层体系，计算路面弯沉值和第一、二、四层底面 弯拉应力,1、表面弯沉 2、第一层底面拉应力 3、第二层底面拉应力 4、第四层底面拉应力,九、新建路面结构设计步骤 1、根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型， 设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值 2、按路基土类型与干湿类型，将路基划分为若干阶段， 确定土基回弹模量 3、拟定可能路面结构组合，根据配合比试验测定或选用 各结构层材料的抗压回弹模量，抗拉强度，确定各结 构层的材料设计参数 4、根据设计弯沉值计算路面厚度 5、整体性材料层应验算容许拉应力 6、季节性冰冻区验算防冻厚度,14-5 路面结构的剪应力计算,一、剪应力与抗剪强度,f摩擦系数，停车站 交叉口等缓慢制动 地点为0.2；偶尔 紧急制动为0.5； 诺谟图f=0.3,抗剪切结构强度系数，停车站交叉口等缓慢制动处 （f=0.2）， ；紧急制动处 （f=0.5） ，多层路面沥青路面面层 的剪应力时，需将多层路面按剪应力等效