（市政工程专业论文）沥青路面结构组合设计及其在城市道路设计中的应用.pdf

沥青路面结构组合设计及其在城市道路设计中的应用 摘要 随着国民经济的高速发展，公路建设和城市道路建设步入了史无前例的黄金时 代。在道路建设中，由于路面结构的造价占道路总投资相当重的比例，同时路面结构 不仅承受车载的作用，同时还要进经受环境条件的考验，常是最容易损坏的部分，再 加上路面结构的新材料、新技术、新工艺不断推陈出新，使得路面结构的设计研究成 为公路界十分关心的技术问题之一。 与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振 动小、燥声低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等诸多优点而被广泛应用， 特别是在目前的城市道路大建设中已成为常用路面结构而加以推广。 在沥青路面设计中，结构组合设计是其核心内容，本文通过对国内外沥青路面设 计方法的广泛了解，根据城市道路的特点及长期公路、城市道路设计经验，将公路路 面设计的方法应用于城市道路路面设计，结合合肥市蒙城北路( 城市快速路) 路面的 设计实例，对城市道路路面结构组合设计进行了详细的论述。包括：设计基本参数的 确定，机动车道路面结构组合，各结构层材料及其参数的选用，不良地质的处理，路 面竣工验收指标、施工注意事项等。并按照公路工程的检测要求，通过弯沉试验对路 面各层进行了验收检验。检测结果完全满足设计要求。目前，合肥市蒙城北路( 城市 快速路) 已建成通车，运营状况良好。 在蒙城北路施工全过程中，作为项目技术负责人及施工期间的设计代表，参与了 设计、施工的全过程，对如何将规范贯彻于设计，再将设计实现于施工，有着深刻的 感悟，这次毕业论文的撰写，实际上也是自己设计的一次阶段性总结，同时也可供同 行在同类设计中参考。 目前，正值城市路网大建设时期，沥青路面以其众多的优点而成为首选路面结构， 必将在将来的设计、施工中得到不断翻新和优化。如何从经济、适用、美观等综合效 益考虑沥青路面结构的组合设计将是未来一段时间我们不断探索和研究的方向。 关键词：沥青路面结构、组合设计、城市道路、材料及参数、竣工验收 c o m b i n a t i o nd e s i g no fa s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ea n d i t sa p p l i c a t i o ni nt h ed e s i g no fu r b a nr o a d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o na n du r b a nr o a d c o n s t r u c t i o nh a v ee n t e r e da nu n p r e c e d e n t e dg o l d e nt i m e f i r s t l y , i nr o a dc o n s t r u c t i o n , t h e c o s to fp a v e m e n ts t r u c t u r es h a r e st h et o t a li n v e s t m e n tav e r yg r e a tc o m p a r i s o n ；s e c o n d l y , t h ep a v e m e n ti st h em o s te a s i l yd a m a g e dp a r to ft h er o a db e c a u s ei ts u p p o r t st h ea p p l i e d t r a f f i cl o a d sa n di ts u f f e r st h et e s to fe n v i r o n m e n tc o n d i t i o n ；t h i r d l y , t h en e wm a t e r i a l 、 n e w t e c h n i q u ea n dt h en e wc r o f to ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r ed e v e l o pt h en e wf r o mt h eo l d c o n t i n u o u s l y a l lt h e s ee n a b l et h er e s e a r c ha n dd e s i g no fp a v e m e n ts 缸啦n l r et ob eo n eo f e x t r e m e l yt e c h n i c a lq u e s t i o n sc o n c e r n e di nr o a dp r o f e s s i o n i nc o n t r a s tt ot h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，a s p h a l tp a v e m e n ti sw i d e l yu s e db e c a u s e i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss m o o t hs u r f a c e 、j o i n t l e s s 、d r i v i n gc o m f o r t a b l e 、w e a r a b l e 、 s l i g h tv i b r a t i o n 、l o wn o i s e 、s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o d 、c a nb em a i n t a i n e dc o n v e n i e n t l ya n d c o n s t r u c t e db ys t a g e sf e a s i b l y n o wt h ea s p h a l tp a v e m e n th a sb e c o m et h ec o m m o n l yu s e d p a v e m e n ts t r u c t u r ei nt h el a r g e - s c a l ec o n s t r u c t i o no f u r b a nr o a d i nt h ed e s i g no fa s p h a l tp a v e m e n tt h eg o r ec o n t e n t si ss t r u c t u r ec o m b i n a t i o nd e s i g n a c c o r d i n gt ot h ew i d e s p r e a du n d e r s t a n d i n go fa s p h a l tp a v e m e n td e s i g nm e t h o d 、t h e c h a r a c t e r i s t i c so fu r b a nr o a d 、l o n g - t e r md e s i g ne x p e r i e n c eo fh i g h w a ya n du r b a nr o a dt h i s p a p e ra p p l i e st h ed e s i g nm e t h o d so fh i g h w a yt ot h ed e s i g no fu r b a nr o a d r e g a r d i n gt h e e x a m p l eo fh e f e im e n g c h e n gn o r t hr o a d ( u r b a ne x p r e s s w a y ) p a v e m e n td e s i g na st h es t u d y o b j e c t , t h i sp a p e ra l s oh a sc a r r i e do nt h ed e t a i l e de l a b o r a t i o nt ot h ep a v e m e n ts t m c t u r e c o m b i n a t i o nd e s i g nm e t h o do fu r b a nr o a d t h i sa r t i c l ei n c l u d e sf o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： d e t e r m i n a t i o no fb a s i cd e s i g np a r a m e t e r s ；c o m b i n a t i o no fm o b i l et r a f f i cl a n e sp a v e m e n t s t r u c t u r e ；s e l e c t i o no fe a c hs t r u c t u r e sm a t e r i a la n di t sp a r a m e t e r s ；d i s p o s a lo fu n f a v o r a b l e g e o l o g y ；i n d e xo fp a v e m e n tf i n a la c c e p t a n c e ；n o t i c eo fc o n s t r u c t i o na n ds oo n a c c o r d i n g t ot h eh i g h w a ye n g i n e e r i n ge x a m i n a t i o nc r i t e r i o n ，t h ea c c e p t a n c ei n s p e c t i o no fp a v e m e n t s e a c hl e v e lh a sc a r r i e do nt h r o u g hd e f l e c t i o ne x p e r i m e n t t h ee x a m i n a t i o nr e s u l ti n d i c a t e di t c o m p l e t e l ys a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u e s t a tp r e s e n t , t h eh e f e im e n g c h e n gn o r t hr o a d ( u r b a n e x p r e s s w a y ) h a so p e n e dt ot r a f f i ca n dt h eo p e r a t i o ns t a t u so f t h er o a di sw e l l a st h ep r o j e c tt e c h n o l o g yp e r s o ni nc h a r g ea n dt h ed e s i g nr e p r e s e n t a t i v eip a r t i c i p a t e d i nt h ed e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o nt h r o u g ha l lc o n s t r u c t i o no ft h em e n g c h e n gn o r t hr o a d i h a v et h ep r o f o u n du n d e r s t a n d i n ga b o u th o wt oc a r r yo u tt h ec r i t e r i o ni nt h ed e s i g na n d a c h i e v et h ed e s i g ni nt h ec o n s t r u c t i o n i nf a c tt h i sg r a d u a t i o nt h e s i si sm yd e s i g ns u m m a r y a n da tt h es a m et i m ei tc a nb er e f e r r e db yc o l l e a g u e si nt h es i m i l a rd e s i g n a tp r e s e n t , t h et i m eo ft h eu r b a nr o a dg r e a tc o n s t r u c t i o n , t h ea s p h a l tp a v e m e n t b e c o m e st h ef i r s tc h o i c eo ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r eb e c a u s ei th a sm a n ya d v a n t a g e s i nt h e f u t u r e ，a s p h a l tp a v e m e n tw i l lb er e n o v a t e da n do p t i m i z e de n d l e s s l yi nt h ed e s i g na n dt h e c o n s t r u c t i o n h o wt oc o n s i d e rt h ec o m b i n a t i o nd e s i g no f a s p h a l tp a v e m e n tf r o me c o n o m i c 、 a p p l i c a b i l i t y 、a e s t h e t i c sw i l lb eo u re x p l o r ea n dr e s e a r c hd i r e c t i o n sc o n t i n u o u s l yi nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r e ；c o m b i n a t i o nd e s i g n ；u r b a nr o a d ；m a t e r i a la n d p a r a m e t e r ；f i n a la c c e p t a n c e 表格清单 表1 - 1 国外典型分析方法特点摘要2 表3 1 各结构层最小厚度1 4 表3 - 2 沥青层推荐厚度1 4 表4 - 1 抗滑技术指标1 8 表4 2 热拌沥青混合料水稳定性技术指标1 8 表4 - 3 各类沥青路面选用的沥青标号1 9 表4 - 4 道路石油沥青技术要求2 0 表4 5 沥青混合料用粗集料规格2 l 表4 - 6 沥青混合料质量技术要求2 1 表4 7 租集料与沥青的粘附性、磨光值的技术要求2 2 表4 8 沥青混合料用细集料质量要求2 2 表4 - 9 沥青混合料用矿粉质量要求2 3 表4 1 0 热拌沥青混合料种类2 3 表4 一1 1 粗型和细型密级配沥青混凝土的关键性筛孔通过率2 4 表4 1 2 密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围2 4 表4 一1 3 水泥稳定类材料的压实度及七天抗压强度2 6 表4 一1 4 骨架密实型水泥稳定类集料级配2 6 表4 1 5 悬浮密实型水泥稳定类集料级配2 6 表4 1 6 石灰料煤灰稳定类材料的压实度及七天抗压强度2 6 表4 - 1 7 骨架密实型石灰粉煤灰稳定集料级配参考表2 7 表4 1 8 悬浮密实型石灰粉煤灰稳定碎石的集料级配范围2 7 表4 1 9 石灰稳定类基层、底基层的压实度及七天抗压强度2 7 表4 2 0 常用基层、底基层的最小厚度和适宜厚度2 8 表4 - 2 1 容许工后沉降2 9 表5 - 1 城市道路等级系数( a 。) 表3 4 表5 - 2 混合式路面基层类型系数( a b ) 表3 4 表5 - 3 合肥市城市道路沥青路面推荐基本结构3 7 表5 4 合肥市材料试验设计参数汇总表4 1 表5 5 合肥市设计参数参考表4 2 表5 - 6 安徽省一级公路典型柔性路面结构4 2 表5 7 华东地区重要交通道路沥青路面典型结构4 3 表5 - 8 上海市( 高速公路，快速路) 沥青路面典型结构4 3 表5 9 郑州市( 快速路、主干道) 沥青路面典型结构一4 3 表5 - 1 0 河南省( 高速、一级路) 沥青路面典型结构4 3 表6 - 1 合肥市城市道路沥青路面推荐基本结构及选用路面结构4 5 表6 - 2 路面结构层主要技术参数表4 9 表6 3 改性沥青的技术要求5 0 表6 4 优质道路石油沥青技术要求5 l 表6 5 沥青面层用粗集料质量要求5 1 表6 - 6 沥青面层用细集料质量要求一5 2 表6 7 沥青面层用的集料规格5 2 表6 8 沥青面层用矿粉质量技术要求5 2 表6 9 粗型和细型密级配沥青砼的关键性筛孔通过率5 3 表6 - 1 0 沥青混合料矿料级配及沥青用料范围，5 3 表6 1 1 沥青混合料技术招标5 4 表6 - 1 2 改性沥青混合料的施工温度5 5 表6 1 3 普通沥青混合料的施工温度5 5 表6 一1 4 压路机碾压速度5 7 表6 - 1 5 石灰的技术指标5 8 n 甜 1 2 3 4 表表表表附附附附 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金理王些太堂 或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：力7 年7 月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。 本人授权 金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者躲刎诉 签字日期：a 卿年，z 月z 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢例 导师签名：7 刁二；暇p 呵 签字日期：口7 年硐厶目 电话： 邮编： 致谢 本人在合肥工业大学土建学院近五年的工程硕士研究生课程学习和撰写学 位论文的过程中，自始至终得到了导师王国体教授的悉心指导，无论从课程学 习、论文选题，还是资料收集、论文成稿，都倾注了王老师的心血；在此由衷 地感谢王老师在学业指导及各方面所给予我的关心和支持。教授广博的学识、 严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀以及为人师表的处世态度，让我收益良 多。老师对待工作的敬业精神、对待科学的治学精神以及对待学生平易近入的 做人品质，将会一直影响我今后的工作和学习。 同时，真诚感谢土建学院的全体老师，你们的教诲为本文的撰写提供了许 多必要条件和学习机会；感谢我的第二导师吴立人教授高工在百忙中在课程学 习和学位论文撰写过程中给予了热心指导：感谢安徽省港航勘测设计院的领导 给了我学习深造的机会；感谢合肥市蒙城北路道路排水工程设计组以及项目办、 施工、监理单位给予我的大力帮助。 由衷地感谢在日常学习、工作、生活中一直默默关心和支持我学业的父母、 爱人、孩子、朋友们。 谢谢你们! 作者：刘圣保 二o o 七年十月十日 第一章沥青路面概述 1 1 概述 沥青路面是用沥青材料作为胶结料修筑面层与各类基层、底基层和垫层所 组成的路面结构。 与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐 磨、振动小、燥声低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等诸多优点， 因而获得越来越广泛的应用。 沥青路面在使用过程中必须具有五点特性： 具有一定的强度和刚度：足够的强度使路面在荷载的作用下不产生破坏 或开裂，足够的刚度使路面在荷载的作用下不致于产生过大的变形。 具有一定的稳定性：高温稳定性使路面在高温时不致于产生永久变形， 低温稳定性使路面低温时能抵抗低温开裂，水稳定性使路面在行车荷载和水的 综合作用下不致于发生松散、唧泥等破坏现象。 具有一定的耐久性：在低于极限荷载的作用下，经受重复拉应力( 或拉 应变) 作用而不致于疲劳破坏，满足一定的疲劳寿命( 导致路面材料最终破坏 的荷载作用次数) 要求。 具有一定的平整性；路面应保持一定的平整度，以减少振动冲击力，提 高行车速度和增进行车舒适性、安全性，增强运输效益。 具有一定的抗滑性：保证车轮与路面有一定的附着力而不产生车辆打滑 和滑溜，保证行车安全。 1 2 国外典型沥青砼路面设计方法： 路面设计总是以保证设计期( 分析期) 内路面不发生过量损坏为目标的。 为了达到这一目标，各国的道路工作者进行了不懈的努力和艰苦的探索，在不 同时期提出了不同设计方法和设计思路。在路面设计和分析领域，1 9 6 2 年以前 的四项重大成果对路面分析设计理论起到了重大作用。这四项重大研究成果是： ( 1 ) b u r m i s t e r 在1 9 世纪4 0 年代初进行的关于路面分析的工作； ( 2 ) b e n k e l m a n 在w a s h o 道路试验期间发明的弯沉仪( b e n k e l m a n 梁) ； ( 3 ) h v e e m 关于路面弯沉和疲劳损坏的研究； ( 4 ) a a s h o 道路试验。 目前，国际上有影响的分析设计方法大多与上述4 项成果有关。这些分析 设计方法按照设计议程或主要设计参数的来源被分为经验设计法和理论设计法 ( 力学法) ；主要设计参数来自于试验或回归分析的设计方法被称为经验设计 法，如c b r 设计法、a s s h t o 设计法；主要设计参数来自于力学计算的则称 为理论设计法，如s h e l l 设计法、a i 设计法等。 目前，国外典型分析设计方法特点摘要如下表： 表i l 国外典型分析设计方法特点摘要 方法主要贡献 主要缺陷 】建立了c b r 设计法； 1 交通量的考虑非常薄弱； c b r 2 适于重载路面设计； 2 控制的损坏类型在现代沥青路面上已 3 c b r 指标被广泛使用很少出现 1 建立了影响广泛的设计方法； 1 p s i 主要受平整度影响，与结构的关 2 提出了路面服务能力的概念和 系不大； p s i 指标； 2 设计方程形成时间距今过于久远。考 3 给出了荷载换算的概念和方法； 虑因素简单，适用性待验证： a a s h t o 4 积累了大量第一手数据3 s n 物理概念不清，不能准确表征路面 结构组成； 4 环境因素考虑不充分； 6 原试验材料代表性不够 1 结构控制指标与路面使用性能无关： 1 基于力学设计方法的典范；2 轴载换算关系与设计指标不对应： s h e l l a i 2 设计控制指标明确3 湿度影响没有充分考虑： 4 没有考虑损坏指标之问的叠加影响 1 系统展示了力学经验方法的完1 车辙的增量叠加方法过于简单； 整架； 2 重交路面的损坏机理不够明确，开裂 2 梳理、建议了大量的力学经验模指标简单； 从s h t 0 2 0 0 2 型； 3 湿度的影响没有充分考虑； 3 完善的排水考虑； 4 没有考虑损坏指标之间的叠加影响； 4 完善的荷载和临界荷位考虑 5 环节太多，设计过程复杂 1 实践了基于性能的思想； 1 设计过程与力学法类似，未能做到基 于性能； 2 提出了基于流变学指标的规范和 s u p e r p a v e试验设备； 2 核心模型不可靠，尚需改进； 3 试图将结构设计与材料设计结合 3 不能考虑多种车辆的综合作用； 4 湿度影响没有充分考虑： 起来 5 没有考虑损坏指标之间的叠加影响 1 提出了完整的基于性能的路面厚1 路面性能模型的敏感性较差； 度设计过程： 2 交通环境对路面性能影响的分离过程 o p a c 2 0 0 0 2 分别给出了荷载、环境引起的损比较勉强，模型中缺少反映路面结构的 坏预测模型；参数 3 完善的全寿命费h j 分析 2 1 3 我国的路面研究历程 长期以来，路面研究一直是我国道路研究的重点领域。2 0 世纪6 0 7 0 年代， 我国曾组织全国力量进行了路面状况的调查，以寻求建立适合我国条件的路面 设计方法。1 9 8 6 年，我国颁布了柔性路面设计规范，采用公路自然区划反映不 同地区道路材料力学性能的差异；规范以路面回弹弯沉为设计指标，以整体性 材料底面的弯拉应力为验算指标。在路面设计实践中普遍采用“强基薄面”的 指导思想，以节约道路初期造价。在强基薄面思想的指导下，随着交通量的增 加，自然越来越多地使用半刚性基层，以有效减小路面弯沉。但在随后的应用 中发现，此时规范的容许弯沉指标实际上只适合柔性基层( 碎砾石基层) 的路 面设计，对半刚性基层沥青路面不起控制作用。在这种背景下，“七五”期间 ( 1 9 8 6 1 9 9 0 年) ，国家科技攻关项目中设立了专项进行半刚性基层沥青路面 的研究。以这期间的相关研究成果为基础，建设部于1 9 9 1 年颁布了城市道路路 面设计规范，增加了沥青面层的剪切指标，试图控制面层的车辙，但没有得到 广泛应用。 “八五”期间交通部组织了路面可靠度技术的研究项目，先后研究了水泥 路面和沥青路面的变异性，提出了路面可靠度的计算方法。与此同时，开展了 道路沥青和沥青混合科路用性能的研究，研究建议采用t 跏和t 1 2 作为评价沥 青高温和低温性能的指标。“九五”期间，我国在沥青路面领域没有组织全国性 的研究，各地根据各自的条件开展了许多雷同的研究课题，总体上没有明确的 研究方向。 根据“七五”、“八五”的相关研究成果，交通部于1 9 9 7 年颁布了公路沥 青路面设计规范( j t j0 1 4 9 7 ) 。该版规范沿袭了1 9 8 6 年规范的基本框架和 指标，采用设计弯沉代替原先采用的容许弯沉，分别给出了适合于碎砾石基层 和半刚性基层的弯沉控制标准，给出了相应于不同指标的荷载换算方法。与以 往的规范一样，考虑了气候条件对材料性能的影响，依据地区划分和土基类型 的划分来确定土基的回弹模量。混合料的抗拉强度采用劈裂试验进行测试，材 料的模量均采用抗压回弹模量。该方法以路面的设计弯沉、沥青面层底面的弯 拉应力、基层底面的弯拉应力为设计的控制标准。该方法的结构设计及其验算 可采用按多层弹性体理论编制的专用设计程序进行，使用简单，便于掌握。 我国各个时期的路面设计规范对指导我国的路面建设起到了重要作用，但 许多标准形成的时间较早，对高速重载条件下的适用性需要进一步研究。另一 方面，我国路面设计方法虽然采用了多个指标，但由于材料参数的选取比较宽 泛，导致实际起控制作用的指标一般仅为一个，对路面结构组合设计的指导性 较差。 我国一直采用弯沉作为路面设计的指标，因为它简单、直观、容易测量和 验证。但就其理论依据和经随后的进一步实践应用，此方法有其诸多缺陷： 弯沉作为一个综合指标，难以确切表明所控制的层次或损坏类型。理论 分析表明，路面弯沉的绝大部分来自于路基，但路面结构的实测结果无法体现 这一结论。 作为一个设计指标，其设计标准应该一致，但弯沉指标对于不同路面结 构( 半刚性基层，碎砾石基层) 的设计标准是不一致的，这本身就说明了弯沉 没有准确反映路面损坏的本质特点。 弯沉指标不能准确反应结构的受力状况，同样弯沉的路面结构，其内部 受力状况可能相差悬殊。 弯沉作为路面设计的指标，实际检测时稳定性差也是其重要的缺陷。 为了弥补弯沉指标的不足，我国规范又增加了沥青层及其他整体性层次底 面的弯拉应力指标。一方面，采用弯拉应力指标不是一个合理的选择，与沥青 混合料的疲劳破坏之间缺少相似性，另一方面因为参数选择的不相容导致这些 指标实际上不起控制作用。 随着公路建设的不断发展，沥青路面技术水平的不断提高，特别是近十年 来国家对路网建设大量投入，9 7 规范部分内容已不满足实际要求，为此交通部 组织完成了公路沥青路面设计规范( j j gd 5 0 - - 2 0 0 6 ) ，比较9 7 规范，新规 范强调按实际情况做好交通荷载分析与预测，按照全寿命周期成本的理念进行 路面设计。采取了防治早期损坏的技术措施，加强了材料、混合料和路面结构 组合设计的要求。细划了半刚性基层混合料级配类型，调整了集料级配范围， 改进了路面厚度计算方法中参数取值和旧路补强公式。 我国沥青路面的技术实践大体上可以分为3 个阶段：第一阶段大体在1 9 9 6 年以前，这个阶段的实践总体上比较成功，路面上的主要问题以及研究的重点 是防止半刚性基层引起的反射裂缝。第二阶段大体是1 9 9 7 年一一2 0 0 1 年，这 个阶段的主要问题是片面地追求路面平整度，造成路面压实度不足，空隙率过 大，产生了大量的“水损坏”，研究的重点是治水。第三阶段大致是2 0 0 2 年至 今，这个阶段的特点是为了减少水损坏而采用了不同类型的密实型混合料，同 时大大提高了路面的整体强度，而出现的路面问题则主要是车辙。 第二章沥青路面应力分析及设计原理 由于沥青路面是多层体系，故在研究沥青路面的设计方法时。较为理想的 力学模型是层状体系理论，目前一般沥青路面设计方法应用的是轴对称垂直作 用下的层状体系基本理论。 2 。1 层状体系的理论分析 2 1 1 基本图式与基本假定 多层体系在圆形均布垂直荷载作用下的计算图式如图2 1 所示。图中荷载p 表示单位面积上的垂直荷载，r 为荷载圆面积的半径，h i 、h 2 、h 。1 为各层 厚度，e l 、e 2 e n - i 为各层弹性模量，i s 1 、p2 、un _ l 为各层泊松比。 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，这种材料的力学性能服 从虎克定律： ( 2 ) 假定土基在水平方向和向下深 度方向均为无限，其上的各层厚度均为 有限，但水平方向仍为无限； 2 l ，e l ，p 1 ，h j z 2 e 2 p2 ，h 2 z 3 ，e 3 ，u 3 ，h3 z , - i , e - i u rjh r t - - - j k e r , - i i j 口 1 图2 - 1计算图 ( 3 ) 上层表面作用着轴对称圆形均布荷载，同时在下层无限深度处及水平 无限远处应力和应变都是零： ( 4 ) 层间接触假定完全连续。 2 1 2基本原理 根据弹性理论，对于轴对称空间体，其几何方程为： 铲罟；f 一= 争；占：= 鲁；“= 署+ 罟 q 。， orr ozdzor 其物理方程为： f ，= 面1 h 一k + 仃：) 】 铲去h 一p ，也) 】 铲刍【o - 0 - 。( 7 一- o r ) 】 b ：挚掣。 ( 2 2 ) 式中：g 一一剪切模量，g = 2 ( l l + a ) ； u 一一弹性体的泊松比。 轴对称空间课题微分单元的平衡微分方程为： 堡+ 生+ 生二鱼：o 刁7o z 7 ( 2 3 ) 堕+ 坠+ 量：o a zo r， 从式( 2 - 1 ) 式( 2 - 3 ) 看出，三式中共有十个变量，并且已有十个方程 式，结合边界条件即可解出未知量值。但这种解法相当困难，甚至不可能得到 应力分量。因此，一般采用应力函数求解。 研究物体的变形一般是取物体内部的一块微分单元体，各相邻单元体的变 形应是协调的，即物体在变形前是个连续体，在变形后也应是一个连续体。 消去位移分量，可得变形连续方程为： v 2 咿吾p ，啊) + 研i 萨0 2 0 = 。 v 2 盯尹吾+ 南吾筹 v 2 南等= 。 v 2 r 扩7 t zr + 研1 瓦0 2 0 = 。 ( 2 4 ) 式中：o 一一第一应力不变量，凹2 0 r + + o z 。 形变连续方程又称相容条件，由圣维南( b d e s a i n t v e n a n t ) 于1 8 6 4 年提出。 实际上形变分量必须满足变形连续方程，才能保证位移分量的存在。如果任意 选取形变分量的函数式而不满足变形连续方程，则由几何方程求出的位移分量 将互不相容。这表示形变以后的物体不再连续而将发生相互脱离或互相侵入的 情况。式( 2 - 4 ) 四个相容条件是相互等效或自然等于零。 采用应力函数法求解轴对称课题主要有l o v e 函数法及s o u t h w e l l 函数法。 l o v e 函数法求解如下： 设应力函数妒= 妒( ，z ) 并给定， 6 咿瓢v 2 妒一割 咿丢( 伊弓警 旷毫( 帅妒矿一割 = 孙刊v 2 矿一剖 ( 2 5 ) 将式( 2 - 5 ) 代入平衡微分方程式( 2 - 3 ) 和变形连续方程式( 2 - 4 ) ，除平 衡微分方程中第一个恒等于零外，其余全部转化为重调和方程，即 v 2 v 2 口= 0 ( 2 - 6 ) 如果应力函数妒是重调和方程的解，则能满足平衡微分方程和变形连续方 程。并可由式( 2 - 5 ) 求得应力分量，再由物理方程求得应变分量。位移分量可 由下式求得。 “：_ ! 旦 ( 2 7 ) ea raz w ：掣卜咖2 缈一矧 协s ， 重调和方程的求解可采用分离变量法。对于多层体系中某一层j ，可以求 解其应力函数。根据亨格尔变换理论： f r v 4 妒( r ，z ) 厶g ，) d ，= f r v 2 勺2 妒( ，z ) ) 厶皓，) 打 g r ) d r 巨管弦删帕胁 由于妒( ，z ) 满足重调和方程，所以有： 巨砖班。 解以上方程式，可得应力函数为： 万g ，z ) ，= 【0 ，+ c ，：) e 和+ ( b j + q z ) e 母j ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 厶力o妒 力 v g p ：万 ? 刁 协 一髟扩一髟 求上式的孕格尔惩受珙得： 妒p ，z l = r ，+ c ，z ) e 4 z + 幢+ d jz ) e - g z k 皓r ) f d 手 ( 2 1 2 ) 式中：一一参数； j o ( ；、r ) 一一第一类零阶贝塞尔函数5 a j ，b j ，c j ，d j 一一积分常数，可由每一层的边界条件和层间结合条件等确 定。下标j 表示同该层次相应的计算参数。 将应力函数式( 2 - 1 2 ) 代入l o v e 应力函数与应力关系式得： c r r = 一f 陋一0 + 2 一善z ) 0 1 e ：- a + 0 + 2 z + 掌z ) ck 。) 善山g ，p 善+ ，1 _ u = 2 rp e - z + 2 ) j og r ) d 善一吾u o z = r 陋+ ( 1 2 + 善z ) d 】e 一和一阻一( 1 - 2 z 一善z ) c 】p 如 善山g r ) d e r ，= r b - ( 2 u 一善z ) d 】e 一。2 + - + ( 2 + 善z ) c 】e z ) 善以皓r ) d e ( 2 13 ) ：一生坐u e ，= 一生笋r 陋+ ( 2 4 1 + fz ) d 】e - z _ 阻一( 2 - 4 t fz ) c 】e z ) 善山g ，弦f 式中：u = 【o 陋一0 一f z ) d 】e 和一阻+ ( 1 + 善z ) c 】e 2 以g ，) d 手 2 1 3 积分常数计算 对n 层体系共有4 n 个积分常数。由以上算式可以看出，多层体系的应力( 变) 计算的关键是要确定对应于各个层次的积分常数，然后通过贝塞尔函数的无穷 积分计算，便可完成全部计算分析工作。确定积分常数，可以根据相应的边界 条件与层间结合条件来进行。在圆形均布荷载作用下，多层体系顶面( j = 1 ，z = o ) 有以下边界条件： p ：) 1 - 一p 【：，) ，= 0 ( 2 1 4 ) 在第j 层与第j + 】层之间的结合面上( x = i ) ，若这两层完全连续，则有 以下连续条件： ( o r ：l = ( 吒) 川 【f ：，i = ( 。l + 。 ( “l = ( “) 川 wl = ( w l + ， ( 2 15 ) 在第j 层与第j + l 层之间的结合面上，若这两层完全光滑，则有以下连续 条件： ) ，= p ；l + ( f z r ) 1 = 【f ：，) j + 。= o l = ( 吮。 此外，在地基的无限深处，应力与位移皆满足 b ：，。，“，w ) ，= o 则要求应力函数p r - - , 。| - o 因e ”i - ：。= 一， ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 即：h n = c n = 0( 2 1 8 ) 则对于n 层体系，还有4 n 一2 个待定积分系数，而根据界面连续条件可以建 立4 n 一4 个方程式，根据边界荷载条件可以建立2 个方程式，因此全部积分系数 均可以求解。确定待定积分系数，用矩阵法便于使用计算机分析计算。为此可 将应力和位移中包含有a ，b ，c ，d ，的系数写成矩阵形式； p ：1 0 ，) ， 0 l ( w l = m h ，e j ，乃，1 ) a j b j c j d j 式中：q2 乃一乃一一 m 一一4 4 的矩阵。 根据连续条件，可以写成： f 4 m “一”) 拄 l l 【b = 吖川，e j 。- 。h j + ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 由式( 2 - 2 0 ) 可以看出，第j 层积分常数可由第j + l 层的积分常数求得。 通过逐层计算，可以将第1 层的积分常数与第n 层的积分常数联系起来， 并利用下式可得： = 【c 】 0 吃 0 d 。 由多层体系顶面的边界条件代入( 2 - 1 4 ) 得： 则： 彳l e f 5 1 + 蜀一c , o 一2 j * 1e 4 4 i + d i ( i 一2 j ) = 1 1 p f “l b l + c l ( 2 le f 6 - + d i ( 2 _ f 1 ) = 0 ：) = = ：；：! 。：- ，( 。1 - 。一2 ；z 。i p 一“1 芝2 ，l f o 舭吲斟 。l 扯p 】 d ij卦 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 因此，在计算积分常数时，可按以下步骤进行计算： ( 1 ) 形成矩阵f c ； ( 2 ) 形成矩阵 f ； ( 3 ) 计算b 。，d 。； ( 4 ) 由下而上逐层计算各层的积分常数。 在积分常数确定之后，通过贝塞尔函数与无穷积分数值解可计算应力分量 及位移分量。 2 2 计算分析结果及其在设计中应用 沥青路面常有面层、基层、底基层及土基组成，经对这种常用的四层路面 体系的典型结构进行计算分析，沥青路面内应力应变状态为： 1 路基应力 铺设路面结构层的主要目的是扩散车轮荷载，以减少传给路基的应力值。 过大的应力值使路基出现剪切破坏或出现塑性变形，进而导致路面结构破坏。 对刚度不同的双层体系分析：沿荷载截面中轴上路基竖向应力随深度而变 化，在路面厚度不变的情况下，随路面材料刚度的增长( e i e o ) ，路基的应力 急剧减少，特别是路基顶面处的应力值降得更快。如在两层分界面处，按均质 半无限体( e 1 e 0 = i ) 计算所得的路基应力约为竖向应力的6 8 ，而设置模量 增大9 倍的面层后，路基应力约为竖向应力的3 0 。 o 兀川 l = 、【rj 历a 历 利用三层体系的数值解可以分析基层或面层的厚度和刚度对路基顶面竖向 应力的影晌：面层和路基的刚度不变时，竖向应力随基层刚度和厚度的增加而 减少。路基应力随面层刚度的增加而减少。面层刚度很大时，基层厚度对路基 应力的影响很小。 由此可见，为把路基应力降到某一容许值，可以采用增加面层或基层厚度 或刚度的办法，其中增加刚度比增加厚度效果大。该规律对于设计沥青路面的 意义为：采用粒料基层时，由于本身的模量值很低，只能通过增加厚度来减少 路基应力；而采用刚度较大的稳定类基层，则可明显减少路基应力，并且在相 同的路基类型和容许应力( 弯沉) 条件下，其厚度可比粒料基层减少很多。这 也是当前普遍使用半刚性基层的理论根据。 2 路面弯沉 路面弯沉是路基和路面结构不同深度处竖向应变的总和。对于一般路面来 说，弯沉值的7 0 - - 9 5 由路基提供。各点的应变是三向应力状态的函数，因 此，影响路基应力的诸因数也会影响路面弯沉。 增加面层或基层的厚度都可减少路面弯沉；但在面层或基层厚度较薄时， 增加厚度对降低弯沉量的影响比层厚大时显著得多：也可通过增