第六章路面设计与施工1ppt课件.ppt

第六章路面设计与施工 内容 本章主要介绍沥青路面和水泥混凝土路面的设计与施工方面的内容 主要内容包括沥青路面和水泥混凝土路面的基本结构及特点 路面结构组合设计的原则及有关设计参数的选取 以及有关路面 重点是沥青路面 施工的基本知识 第一节概述 一 路面的作用及要求1 定义 路面就是用各种材料或混合料铺筑在路基上供车辆行驶的层状构造物 2 作用 为车辆能够以一定的速度 安全 舒适而经济的行驶 3 对路面的要求1 强度和刚度2 稳定性3 表面平整度4 表面抗滑性5 耐久性及不透水6 其他 避免扬尘 透水 降低噪音等 二 路面结构层次划分1 路面横断面1 槽式横断面2 全铺式横断面2 路拱横坡度路拱的作用及路拱横坡的取值 作用 排除路面水 坡度大小根据路面类型和当地自然条件确定 3 路面结构层次的划分及其作用1 面层对面层的要求 强度 刚度 承受并传递和荷载 平整 抗滑 为车辆行驶服务 耐磨 稳定性好 不透水等 2 基层承受由面层传递下来的车辆荷载垂直力 并进一步扩散到土基或垫层 要求 足够的强度和刚度 平整度 稳定性 3 垫层主要起隔水 排水 防冻作用 在满足要求的情况下 尽量选用当地便宜的材料 三 路面的分级与分类1 路面等级划分 2 路面分类柔性路面刚性路面半刚性路面四 汽车荷载作用力1 车轮作用在路面上的垂直力垂直静压力P的影响因素 1 汽车轮胎内压 2 轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形态 3 轮载的大小 轮胎与路面的接触形状近似于椭圆 在设计中以圆形接触面积来表示 该圆称为当量圆 当量圆的半径按式 6 1 计算 标准轴载BZZ 100的设计参数 轮载P 100 4kN p 700kPa 双圆均布荷载的当量圆直径为 0 213m 2 车轮作用于路面的水平力前进方向上的水平力和转弯时的侧向水平力 Qmax Pff为车轮与路面之间的附着系数 水平力对路面造成的影响 当路面面层材料抗剪强度不足时 在水平荷载作用下 会产生推移 拥包 波浪 车辙等破坏 3 车轮对于路面的其他作用力1 冲击力和震动力影响因素 车速 路面平整度 车辆的振动特性 冲击系数 动荷系数 震动轮载的最大值与静载的比值 2 轮载作用的瞬时性车轮通过路面上任意一点的时间 约为0 01 0 1s左右 动载作用下 路面变形量的减小 可以理解为路面结构刚度的相对提高 或者路面结构强度的相对增大 3 车辆荷载作用的重复性路面材料产生疲劳破环的主要原因 五 环境因素对路面体系的影响 1 温度的影响作用1 影响机理路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部的温度和湿度的升降而产生膨胀和收缩 由于温度和湿度在路基路面结构内部的变化沿深度方向是不均匀的 所以不同深度处胀缩的变化也是不同的 但这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实现时 路基路面结构内部就会产生附加应力 即温度应力和湿度应力 进而对路基路面产生破坏 2 路面结构内温度的变化路面结构层内温度的日变化与年变化曲线 3 影响温度变化的因素 内部 路面各结构层材料的热物理参数 如热传导率 热容量 对辐射热的吸收能力等 外部 主要是气象条件 如太阳辐射 气温 风速 降水 蒸发量等 2 湿度的影响作用1 对路基的影响冻胀翻浆 与温度作用共同进行 过大的湿度直接降低路基土的强度和稳定性2 做好路基路面排水的重要性 第二节沥青路面设计 一 概述1 设计任务 根据使用要求及气候如文 土质等自然条件 密切结合当地实践经验 设计确定经济合理的路面结构 使之能承受交通荷载和环境因素的作用 在预定的使用期限满足各级公路相应的承载能力 耐久性 舒适性 安全性的要求 经济技术合理的路面 满足一定的使用年限 2 设计内容 原材料的选择 混合料配合比设计和设计参数的测试与确定 路面结构层组合与厚度计算 以及路面结构的方案比选等内容 路面设计除行车道部分的路面外 对高速公路 一级公路还应包括路缘带 硬路肩 加减速车道 紧急停车带 收费站和服务区的场面设计以及路面排水系统的设计 对其它各级公路应包括路肩加固 路缘石和路面排水设计 3 设计方法 一类是以经验或试验为依据的经验法 以美国AASHTO为代表 一类是以力学分析为基础 考虑环境 交通条件以及材料特性为依据的理论法 前苏联 我国 4 设计理论 双圆均布荷载作用下的弹性层状体系理论 此外还有非线弹性理论 弹 粘 塑性理论等未用于规范 准备引入可靠度理论 三 沥青路面结构组合设计沥青路面结构层次的合理选择和安排 是整个路面结构是否能在设计使用年限里承受行车荷载和自然因素的共同作用 同时又能发挥各结构层的最大效能 使整个路面结构经济合理的关键 根据理论分析和多年的使用经验 在路面结构组合设计中要遵循下列原则 1 按交通特点和各结构层的功能选择结构层次考虑公路等级 交通量等对各结构层的要求安排结构层次 如根据公路等级选择路面等级 根据上面层选择中 下面层 考虑排水 抗车辙 等 2 适应行车荷载作用的要求1 作用在路面上的行车荷载 通常包括垂直力和水平力 路面在垂直力作用下 内部产生的应力和应变随深度向下而递减 水平力作用产生的应力 应变 随深度递减的速率更快 因此要求结构层安排应上强下弱 2 从经济上考虑 强度高 性能好的材料费用也高 可以采用上薄下厚 3 层间模量比要合理 一般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直为0 08 0 40 4 考虑施工方便合理 结构层数不宜太多 目前高速公路一般采用5 7层 同时满足结构层最小厚度要求 3 满足稳定性的要求1 温度稳定性保证最小防冻厚度2 高低温稳定性路面面层的选择南方以中粒式 粗粒式为宜 还要综合考虑路面透水问题 3 水稳定性设置排水垫层 中湿以上路段要用水稳定性好的材料作基层 垫层 4 考虑各结构层本身的结构特点 扬长避短 避免对相邻层次的影响 注意沥青路面的层间结合问题 以保证结构整体性 避免层间滑移 面层与基层结合是否紧密 对面层层底拉应力有很大影响 路面设计要求 面层耐久 基层坚实 土基稳定 路面设计原则 因地制宜 合理选材 方便施工 利于养护 进行多方案比选 保证技术先进 经济合理 有利与施工质量控制 四 路面设计标准及参数 1 标准轴载及当量轴次路面设计时使用累计当量轴次的概念 路上行驶的车辆类型很多 所以必需选定一种标准轴载 把不同类型轴载的作用次数换算为这种标准轴载的作用次数 考虑到我国公路汽车运输车辆的现状及发展趋势 我国路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载 以BZZ 100表示 标准轴载的计算参数按表6 6确定 当以设计弯沉值为设计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 包括车辆的前 后轴 Pi的作用次数ni 均按公式换算成标准轴载P的当量作用次数 当进行半刚性基层层底拉应力验算时 凡轴载大于50kN的各级轴载 包括车辆的前后轴 Pi的作用次数ni 均按换算成标准轴载P的当量作用次数N 2 路面容许弯沉值和设计弯沉值 路面容许弯沉值的定义 路面在使用期末的不利季节 在标准轴载作用下容许出现的最大回弹弯沉值 3 容许弯拉应力 R对于整体性路面材料 为防止其在使用寿命内出现疲劳开裂的破坏 还应进行弯拉应力验算 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 R R是指路面材料在车辆荷载反复作用下 达到临界破坏时的最大疲劳弯拉应力 4 路基土和路面材料抗压回弹模量 一般取路面的泊松比 0 25 路基的泊松比 0 0 35 1 路基土回弹模量值的确定 实测法 承载板法 在已经成型的路基上用大型承载板实测荷载 回弹变形关系曲线 利用弹性半空间理论公式计算E0值 换算法根据当地实测资料建立承载板与室内小型承载板或承载比 CBR 关系式 用后者反算E0 查表法先根据自然区划和路基土质 确定路基临界高度 判别路基干湿类型 论证 计算 求得路基平均稠度Bm值 查表确定土基回弹模量值 五 新建路面设计 1 新建路面的设计程序新建沥青路面通常按以下步骤进行路面结构设计 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Ne和设计弯沉值ld 根据路基土组与干湿类型 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1Km 确定各路段土基回弹模量值 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 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整体性基层材料的基层 底基层 应计算拉应力是否满足容许拉应力的要求 如不满足要求 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 上述计算应采用弹性多层体系理论编制的程序进行 六 旧路补强设计路面达到使用寿命 达到使用年限或交通量增加很快达到Ne 需对原有路面进行维修补强 主要工作包括 1 交通调查对交通量和交通组成进行调查 预估交通量的增长趋势 确定交通量的年增长率 计算Ne lR 2 路况调查 确定路基土组及干湿类型 调查路面的结构层次及各层厚度 分析产生破坏原因 原路面设计 施工和养护资料调查 3 弯沉测定与计算在确定各段路面的计算弯沉值时 应根据下列因素进行路段划分 在一个路段内土组 干湿类型应相同 在一个路段内各测点弯沉值应较为接近 且测点数不少于20点 车道 路段的最小长度不宜过小 4 补强厚度计算同新建路面厚度计算 第三节水泥路面设计 一 概述水泥混凝土路面 包括普通混凝土 钢筋混凝土 连续配筋混凝土 预应力混凝土 装配式混凝土和钢纤维混凝土等面层和基 垫 层所组成的路面 目前采用最广泛的是就地浇筑的普通混凝土路面 简称混凝土路面 所谓普通混凝土路面 是指除接缝区和局部范围 边缘和角隅 外不配置钢筋的混凝土路面 混凝土路面具有以下优点 1 强度高 混凝土路面具有很高的抗压强度和较高的抗弯拉强度以及抗磨耗能力 2 稳定性好 混凝土路面的水稳性 热稳性均较好 特别是它的强度能随着时间的延长而逐渐提高 不存在沥青路面的那种 老化 现象 3 耐久性好 由于混凝土路面的强度和稳定性好 所以它经久耐用 一般能使用20 40年 而且它能通行包括履带式车辆等在内的各种运输工具 4 有利于夜间行车 混凝土路面色泽鲜明 能见度好 对夜间行车有利 混凝土路面结构设计内容 混凝土面板厚度设计 混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 路面结构层组合设计 路肩设计 混凝土路面的钢筋配筋率设计 混凝土路面也存在一些缺点 主要有以下几方面 1 对水泥和水的需要量大 修筑0 2m厚 7m宽的混凝土路面 每1000m要耗费水泥约400 500t和水约250t 尚不包括养生用的水在内 这对水泥供应不足和缺水地区带来较大困难 2 有接缝 一般混凝土路面要建造许多接缝 这些接缝不但增加施工和养护的复杂性 而且容易引起行车跳动 影响行车的舒适性 接缝又是路面的薄弱点 如处理不当 将导致路面板边和板角处破坏 3 开放交通较迟 一般混凝土路面完工后 要经过28天的保湿养生 才能开放交通 如需提早开放交通 则需采取特殊措施 4 修复困难 混凝土路面损坏后 开挖很困难 修补工作量也大 且影响交通 二 普通水泥混凝土路面的构造1 土基和基层 1 土基理论分析表明 通过刚性面层和基层传到土基上的压力很小 一般不超过0 05MPa 因此 混凝土路面下的路基必须密实 稳定和均匀 路基一般要求处于干燥或中温状况 过湿状态或强度与稳定性不符合要求的潮湿状态的路基必须经过处理 路基的不均匀支承 可能由下列因素所造成 1 不均匀沉陷 湿软地基未达充分因结 土质不均匀 压实不充分 填挖结合部以及新老路基交接处处理不当 2 不均匀冻胀 季节性冰冻地区 土质不均匀 对冰冻敏感性不同 路基潮湿条件变化 3 膨胀土 在过于或过湿 相对于最佳含水量 时压实 排水设施不良等 二 基层1 混凝土面层下设置基层的目的是 基层的作用及设置基层的重要性 1 防唧泥 2 防冰冻 在季节性冰冻地区 用对冰冻不敏感的粒状多孔材料铺筑基层 可以减少路基的冰冻深度 从而减轻冰冻的危害作用 3 减小路基顶面的压应力 并缓和路基不均匀变形对面层的影响 4 防水 在湿软土基上 铺筑开级配粒料基层 可以排除从路表面渗入面层板下的水分以及隔断地下毛细水上升 5 为面层施工 如立侧模 运送混凝土混合料等 提供方便 6 提高路面结构的承载能力 延长路面的使用寿命 三 排水要求高速公路和一级公路的路面排水一般由路肩排水 中央分隔带排水和路面表面渗入水的排除等组成 现代水泥混凝土路面的使用经验表明 路肩必须设置边坡与板底连通的排水盲沟 以利于将路面板接缝处的渗水排出路肩 水泥混凝土路面的破坏除超载外 水害也是主要原因 四 接缝的构造与布置接缝设置的原因 由于气温的变化 混凝土板会产生不同程度的膨胀和收缩 为避免这种收缩或膨胀形成过大温度应力导致板的断裂 故需设置接缝 2 接逢的类型及作用 横缝 缩缝 胀缝 施工缝 和纵缝 缩缝保证板因温度和湿度的降低而收缩时沿该薄弱断面缩裂 从而避免产生不规则的裂缝 胀缝保证板在温度升高时能部分伸张 从而避免产生路面板在热天的拱胀和折断破坏 同时胀缝也能起到缩缝的作用 3 横缝的构造横向接缝是垂直于行车方向的接缝 共有三种 缩缝 胀缝和施工缝 缩缝采用假缝形式 只在板的上部锯缝 横缝的间距即为板长 施工缝用于前后施工的接头处 是真缝 胀缝构造复杂 要求高 也最容易出问题 4 纵缝的构造纵缝平行于路面行车方向 间距一般为3 4 5m 即为板的宽度 为防治板沿两侧路拱横坡滑动 可在纵缝内设置拉杆 5 交叉口接缝注意板块划分与设置 尽量避免板角出现锐角 避免错缝 五 水泥混凝土路面设计方法1 设计理论弹性半空间地基上的小挠度弹性薄板理论 以有限元方法计算荷载应力和温度应力 按荷载应力和温度应力综合作用所产生的疲劳损坏确定面板的厚度 2 设计参数 标准轴载与轴载换算以BZZ 100为标准轴载 轴重大于40KN的轴载换算公式 交通分级 设计基准期和累计作用次数设计基准期 计算路面结构可靠度时 考虑各项基本度量与时间关系所取用的基准时间 路面分类 工作状态 力学模型 水泥混凝土路面结构特征 1 力学特征 刚性路面 弹性阶段 弹性地基板 水泥混凝土路面结构特征 2 主要损坏类型 面板弯拉应力大于水泥砼弯拉强度 断裂 水泥混凝土路面结构特征 3 设计标准 水泥混凝土路面设计主要过程如下 1 根据相关的设计资料 确定设计车道的标准轴载日作用次数和交通等级 进行路面结构组合设计 初拟路面结构 包括路床 垫层 基层和面层的材料类型和厚度 并依据水泥混凝土面层厚度建议范围 依据交通等级 公路等级和所选变异水平等级初选混凝土板厚度 2 分别计算荷载疲劳应力和温度疲劳应力 当荷载疲劳应力同温度疲劳应力之和与可靠度系数的乘积小于且接近于混凝土弯拉强度标准值 即满足式 的要求时 则初选厚度可作为混凝土板的计算厚度 否则 应改选混凝土板厚度 重新计算 直到满足式 为止 设计厚度依计算厚度按10mm向上取整 第四节路面施工技术 本节主要学习内容 半刚性基层材料特性及其强度影响因素 沥青路面施工工艺及质量控制要点 水泥混凝土路面施工工艺质量控制要点 一 半刚性基层材料的特性及其强度影响因素 1 常见的半刚性基层材料类型 石灰稳定类 水泥稳定类 二灰 石灰 粉煤灰 稳定类 工业废渣 炉渣 钢渣 粉煤灰等 稳定类等 2 半刚性基层材料特点 具有较高的强度 抗压强度和抗弯拉强度 且强度和模量会随龄期不断增长 稳定性好 结构自身成板体 荷载作用下变形小 耐冻性好 主要缺点 易产生收缩开裂 耐磨性差 只适于作基层 3 强度形成机理 无机结合料在水的参与下与土发生了一系列物理化学作用 从而使土的性质发生根本的变化 如石灰和土之间发生了离子交换 结晶 火山灰和碳酸化四个方面的作用 水泥与土之间主要有水泥的水化作用 离子交换作用 化学激发作用等 4