沥青、水泥路面设计

1,中交四航院讲座,长安大学 公路学院王选仓 教 授2008年9月,2,第一部分 我国公路沥青路面、水泥混凝土路面设计 1、沥青路面设计 1.1 沥青路面结构厚度设计方法的发展历程 1.2 设计理论与指标体系 1.3 沥青加铺层结构设计 1.4 长寿命路面设计理念,3,第一部分 我国公路沥青路面、水泥混凝土路面设计 2、水泥混凝土路面设计 2.1 设计依据 2.2 结构组合设计 2.3 材料组成 2.4 混凝土板应力分析及厚度计算 2.5 双层混凝土板应力分析 2.6 加铺层结构设计,4,第二部分 国内外典型路面设计方法及规范比较 1、柔性路面设计方法 1.1 SHELL设计方法 1.2 AI设计方法 1.3 AASHTO设计方法 1.4 CBR设计方法 1.5 港口道路、堆场铺面设计方法 1.6 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,5,第二部分 国内外典型路面设计方法及规范比较 2、刚性路面设计方法 2.1 AASHTO设计方法 2.2 PCA设计方法 2.3 日本设计方法 2.4 港口道路、堆场铺面设计方法 2.5 英国港口及其他工业重型铺面设计方法,6,第三部分 公路工程新结构、新材料、新工艺 1、路面结构 1.1 长寿命沥青路面结构研究 1.2 ATB+SMA复合路面层结构研究 2、路面材料 2.1 改性沥青 2.2 露石混凝土水泥混凝土路面 2.3 刻槽路面 2.4 OGFC路面,7,2.5 高效预应力混凝土路面研究 2.6 柔性纤维混凝土和聚合物混凝土路面2.7 连续配筋混凝土路面2.8 复合式路面2.9 橡胶颗粒沥青混合料2.10 生态公路2.11 预制混凝土路面2.12 裸石混凝土2.13 彩色半柔性路面2.14 半刚性彩色路面2.15 彩色透水路面2.16 荧光路面2.17 压入式彩色路面,8,第三部分 公路工程新结构、新材料、新工艺3、新工艺 3.1 温拌沥青混合料 3.2 旧混凝土路面再生利用 3.3 抑制冻结铺装 3.4 明色铺装 3.5 双层施工法 3.6 涂层铺装 3.7 彩色铺装 3.8 步道铺装 3.9 融雪铺装施工 3.10 边坡防护,9,我国公路沥青路面、水泥混凝土路面设计,长安大学 公路学院王选仓 教 授2008年9月,10,1、沥青路面设计,1,2,3,4,沥青路面结构厚度设计方法的发展历程,设计理论与指标体系,沥青加铺层结构设计,长寿命路面设计理念,11,1.1 发展历程,12,1.1 发展历程,58年规范,路面模型与指标 环境条件 ：以湿润系数为基础的道路气候分区图 土基条件： 以E0（形变模量）决定于含水量计算值 材料条件： E1（形变模量）,13,1.1 发展历程,66年规范,路面模型与指标 环境条件 ：以温度与湿润系数为基础的道路气候分区图 土基条件：以E0（形变模量）决定于含水量计算值，大型测定或反算 材料条件： E1（形变模量）大型测定或反算,14,1.1 发展历程,15,1.1 发展历程,78年规范,路面模型与指标 环境条件 ：综合考虑地形与气候条件的公路自然区划气候分区图 土基条件：以Ecy（弹性模量）决定于含水量计算值，以1mm线性归纳法为准 。 材料条件： Ely(形变模量)，(由试验路确定),16,1.1 发展历程,17,1.1 发展历程,86年规范,路面模型与指标 环境条件 ：综合考虑地形与气候条件的公路自然区划气候分区图 土基条件：以E0（弹性模量），弯沉、弯拉以春季含水量计算值为准，剪切以夏 季高温计算值为准。,18,1.1 发展历程,材料条件：,沥青面层：弯沉指标： E1,压以20为准，整层或室内测定。弯拉指标：E1,弯和S以1015为准，用梁测定。剪切指标： E1,压、C和以七月平均路面温度为准。,整体性基层： E1,压、 E1,弯和S室内测定。,粒料基层： E1,压整层测定。,19,1.1 发展历程,20,1.1 发展历程,97年规范,路面模型与指标 环境条件 ：综合考虑地形与气候条件的公路自然区划气候分区图 土基条件：以E0回弹模量根据土基潮湿状态查表、室内试验或换算得到。,21,1.1 发展历程,材料条件：E1（形变模量）大型测定或反算沥青沥青混合料：E1抗压回弹模量，20、15室内测定；SP15 圆柱体劈裂强度。整体性半刚性材料：E抗压回弹模量，室内测定；SP， 圆柱体劈裂强度。,22,1.1 发展历程,23,1.1 发展历程,历史发展表明，沥青路面设计理论体系与方法、我国的设计规范的合理制定，是与一定历史时期的经济、设计、施工、试验水平等诸多因素协调发展的。设计方法的完善必须有成熟技术的支持；一定要与当时路面建设发展相适应、解决当时关键技术问题。规范不是最新、最先进的技术；而是成熟技术的总结。,24,1.1 发展历程,国内高等级公路沥青路面结构,25,1.1 发展历程,国内高等级公路沥青路面结构,26,1.1 发展历程,国内高等级公路沥青路面结构,27,1.2 设计理论与指标体系沥青路面设计规范（JTG D50-2006),8.0.1 路面结构设计采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行计算，路面荷载及计算点如图8.0.1所示。,28,1.2 设计理论与指标体系,规范条文8.0.2 路面结构层厚度的确定应满足结构整体刚度（即承载力）与沥青层或半刚性基层、底基层抗疲劳开裂的要求： 1 轮隙中心处（A点）路表计算弯沉值ls 应小于或等于设计弯沉值ld.即: 2 轮隙轮隙中心（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉应力m应小于或等于容许拉应力R ，即：,29,1.2 设计理论与指标体系,规范条文 8.0.3 高速公路、一级公路、 二级公路的路面结构，以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。三级公路、四级公路的路面结构以路表面设计弯沉值为设计指标。有条件时，对重载交通路面宜检验沥青混合料的抗剪切强度。,30,1.2 设计理论与指标体系,设计标准 （1）柔性基层及混合式基层： 弯沉计算、弯拉验算 混合式基层路面设计弯沉值： ld=780N-0.2 AcAs （2）半刚性基层及贫砼基层： 弯拉计算、反算弯沉控制 贫混凝土基层的抗拉强度结构系数： Ks=0.51N-0.07/Ac,31,1.2 设计理论与指标体系,规范条文8.0.5 设计弯沉值应根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按式(8.0.5-1)计算确定。 式中：ld 设计弯沉值（0.01mm）； Ne设计年限内一个车道累计当量轴次(次)； Ac公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1, 三、四级公路为1.2； As面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；热拌和冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1。 Ab路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0；柔性基层沥青路面为1.6。,32,1.2 设计理论与指标体系,基层类型系数说明原规范的说明己论述了半刚性基层和柔性结构层的路面结构系数Ab分别为1.0和1.6的来源。对采用柔性结构层和半刚性基层组合而成混合式基层的路面，是从柔性向半刚性过渡的结构，设计弯沉值应界于二者之间，路面结构系数Ab可采用内插的方法处理。对于交通量较大的柔性路面结构，目前尚处于研究阶段，缺乏工程实践经验，因此采用柔性路面结构时，应结合国外经验和国内实际，慎重为之。,33,1.2 设计理论与指标体系,规范条文8.0.6 沥青混凝土层、半刚性材料基层、底基层以拉应力为设计或验算指标时，材料的容许拉应力应按式（8.0.6-1）计算：式中：R路面结构层材料的容许拉应力(MPa); S沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度(MPa)； KS抗拉强度结构系数。,34,规范条文 1 对沥青混凝土的极限劈裂强度，系指15时的极限劈裂强度；对水泥稳定类材料系指龄期为90d的极限劈裂强度；对二灰稳定类、石灰稳定类材料系指龄期为180d的极限劈裂强度；对水泥粉煤灰稳定类材料系指龄期为120d的极限劈裂强度。 2 对沥青混凝土层的抗拉强度结构系数，按下式计算： 对无机结合料稳定集料类的抗拉强度结构系数，按下式计算： 对无机结合料稳定细粒土类的抗拉强度结构系数，按下式计算：,1.2 设计理论与指标体系,35,1.2 设计理论与指标体系,设计参数 目前设计参数选取需注意的问题 设计等级 试验方法 抗压回弹试验的模量取值 弯拉试验的模量与强度取值,36,1.2 设计理论与指标体系,规范条文8.0.7 路面设计中各结构层的材料设计参数应根据公路等级和设计阶段的要求确定。 1 高速公路、一级公路施工图设计时应选取工程用路面材料实测设计参数；各级公路采用新材料时，也必须实测设计参数。 2 高速公路、一级公路初步设计或二级及二级以下公路设计时可借鉴本地区已有的试验资料或工程经验确定。 3 可行性研究阶段可参考附录E确定设计参数。,37,8.0.9 以路表弯沉值为设计或验算指标时，设计参数采用抗压回弹模量，对于沥青混凝土试验温度为20；计算路表弯沉值时，抗压回弹模量设计值E应按式(8.0.9)计算。,1.2 设计理论与指标体系,规范条文,8.0.8 半刚性材料的设计参数应按公路工程无机结合料稳定材料试验规程(JTJ057)的规定测定。沥青混合料的设计参数应按公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ052)的规定测定。,式中： 各试件模量的平均值(MPa)；,S各试件模量的标准差；,Za保证率系数，取2.0。,38,计算层底应力时应考虑模量的最不利组合。在计算层底拉应力时，计算层以下各层的模量应采用式(8.0.9)计算其模量设计值；计算层及以上各层模量应采用式(8.0.10)计算其模量设计值E：,1.2 设计理论与指标体系,规范条文,8.0.10 以沥青层或半刚性材料结构层层底拉应力为设计或验算指标时，应在15条件下测试沥青混合料的抗压回弹模量；半刚性材料应在规定龄期(水泥稳定类材料龄期为90d，二灰稳定类、石灰稳定类材料为180d，水泥粉煤灰稳定类为120d)测定抗压回弹模量。,39,1.2 设计理论与指标体系,规范条文,8.0.11 各地区应建立劈裂强度、回弹模量与龄期的相关关系，以及快速养生方法等预估规定龄期的材料强度、模量的换算关系，经充分论证后作为设计参数的取值依据。,40,1.2 设计理论与指标体系,规范条文,8.0.12 轮隙中心路表回弹弯沉的计算,路表计算弯沉值应按式(8.0.12-1)计算：,式中：,41,1.2 设计理论与指标体系,规范条文,8.0.13 层底拉应力计算,层底拉应力以单圆中心 (B点)及双圆轮隙中心 (C点)为计算点，并取较大值作为层底拉应力。按式（8.0.13）计算层底最大拉应力：,42,1.2 设计理论与指标体系,规范条文,8.0.14 路面各结构层的厚度可按计算法或验算法确定。,1、计算法：根据路用性能要求或工程经验确定路面结构组合类型，先拟定某一层作为设计层，然后根据混合料类型与施工工艺要求确定其它各层的厚度，按8.0.4规定的流程计算设计层厚度。设计层厚度应不小于最小施工厚度。,2、验算法：根据本地区典型结构确定路面结构组合类型，然后根据混合料类型与施工工艺拟定各结构层的厚度，按8.0.4规定的流程进行结构验算，验算通过后即可作为备选结构。,43,1.2 设计理论与指标体系,规范条文,8.0.15 路面交工时应在不利季节以BZZ-100标准轴载作用下，实测轮隙中心处路表弯沉值，其弯沉代表值应符合式(8.0.15-1)的要求。即：,式中：l0j实测某路段的代表弯沉值(0.01mm);,la路表面弯沉检测标准值(0.01mm)。按最后确定的路面结构厚度与材料模量计算的路表面弯沉值。不是设计弯沉。,1、检测代表弯沉值应用标准轴载BZZ-100的汽车实测路表弯沉值，若为非标准轴载应进行换算。对半刚性基层结构宜用5.4m的弯沉仪；对柔性结构可用3.6m的弯沉仪测定。,44,2、测定弯沉时应以13公里为一评定路段。检测频率视公路等级每车道每1050m测一点，高速公路、一级公路的每公里检查不少于80个点，二级公路及其以下每公里检查不少于40个点。,1.2 设计理论与指标体系,规范条文,检测时，当沥青厚度小于或等于50mm时，可不进行温度修正；其他情况下均应进行温度修正。若在非不利季节测定，应考虑季节修正。,3、路段内实测路表弯沉代表值（0.01mm）按式（8.0.15-2）计算：,45,1.2 设计理论与指标体系,说明,当弯沉在非不利季节测定时，应根据当地经验考虑季节影响系数的修正K1。考虑与相关规范的关系，设计规范将竣工弯沉值改为实测路表面代表弯沉值，竣工弯沉值由相关规范确定。另外，实测路表面代表弯沉值可根据三倍均方差原则处理个别过大或过小测点，然后再计算。,路面弯沉值是以20为测定沥青弯沉值的标准状态，当沥青面层厚度小于或等于50mm时不需温度修正；当路面温度在202，也不进行温度修正；其它情况下测定弯沉值均应进行温度修正。,46,1.3 沥青加铺层结构设计,47,1.3 沥青加铺层结构设计,沥青面层最小结构厚度,48,1.3 沥青加铺层结构设计,为延缓旧路面板接缝（裂缝）的反射，应在调平层与沥青面层之间铺设聚酯长丝无纺土工布。使用土工合成材料的适宜范围为：铺设前接缝处平均弯沉小于或等于0.42mm。选用土工合成材料时，其上最小结构层厚度50mm。,49,1.3 沥青加铺层结构设计,加铺沥青面层应进行剪切应力验算，以避免面层出现车辙、波浪、推挤、滑移和剪裂等破坏。验算旧砼板与沥青层界面之间的抗剪稳定性。,式中：1由弹性层状体系理论计算的水平和垂直荷载作用下界面 剪切应力（MPa）； 1a砼板与沥青层界面的抗剪强度（MPa）。,50,验算沥青加铺层层间的抗剪稳定性。,式中：2amax由弹性层状体系理论计算的水平和垂直荷载作用下沥青层间界面剪切应力（MPa）； 2a沥青混合料的抗剪强度（MPa）。,1.3 沥青加铺层结构设计,式中：c、沥青混合料的粘结力和内摩阻角； a破坏面上有效法向应力， Kv沥青混合料剪切强度结构系数缓慢制动（f=0.2）： Kv=0.2Ne0.15 紧急制动（f0.5）Kv1.0,51,1.4 长寿命路面设计理念,传统路面存在的问题,52,2,3,服务周期长,维修方便且费用低,1.4 长寿命路面设计理念,长寿命路面的特点,53,1.4 长寿命路面设计理念,从长寿命路面概念可以看出，其结构设计必须保证路面结构在长达40年以上寿命期内不发生结构性破坏，损坏仅发生在表面层。这就对路面结构设计提出了很高的要求。,54,1.4 长寿命路面设计理念,长寿命路面设计标准：表面功能层寿命应达到8年以上；主要承重层寿命应达到40年以上；各层强度控制指标选用相应规范进行验算。,55,长寿命路面结构设计流程图,56,长寿命路面厚度确定流程图,57,长寿命路面结构实例,改性沥青砼面层 4cm,水泥砼面层 28cm,二灰碎石基 层18cm,灰土或固化剂处理路床 20cm,冲击压实处理路床（影响深度80cm）,厚度53.5cm,应力吸收层2cm,柔性垫层1.5cm,58,2、水泥混凝土路面设计,水泥砼设计,加铺层结构设计,设计依据,双层混凝土板应力分析,混凝土板应力分析及厚度计算,结构组合设计,材料组成,公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002,59,2.1 设计依据,各级公路水泥混凝土路面结构的设计安全等级及相应的设计基准期、目标可靠指标和目标可靠度，应符合表1-1的规定。各安全等级路面的材料性能和结构尺寸参数的变异水平等级，宜按表1-1的建议选用。材料性能和结构尺寸参数的变异水平分为低、中和高三级。各变异水平等级主要设计参数的变异系数变化范围，应符合表1-2的规定。,60,2.1 设计依据,表1-1 可靠度设计标准,61,2.1 设计依据,表1-2 变异系数Cv的变化范围,62,2.1 设计依据,水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，其表达式采用式1-1。,式1-1,式中：r可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平等级按表1- 3确定； pr行车荷载疲劳应力（MPa）； tr温度梯度疲劳应力（MPa）； fr水泥混凝土弯拉强度标准值（MPa ） 。,63,2.1 设计依据,表1-3 可靠度系数,注：变异系数在表1-2所示的变化范围的下限时，可靠度系数取低值；上限时，取高值。,64,2.1 设计依据,将2轴6轮以上客、货车辆分为3大类：整车类，细分为单后轴货车、双后轴 货车和大客车3类；半挂车类，细分为3轴、4轴、5轴和5轴以上3类；全挂车类，细分为4轴、5轴、6轴和6轴以上3类。各类车辆的轴型分为单轴、双联轴和三联轴3种。水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴-轮型和轴载的作用次数，按式（1-2）换算为标准轴载的作用次数。,式1-2,式1-3,或,65,2.1 设计依据,式1-4,式1-5,或,式中：Ns100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；Pi单轴-单轮、单轴-双轮组、双轴-双轮组或三轴-双轮组轴型级轴载的总重（KN）；n 轴型和轴载级位数；Ni各类轴型级轴载的作用次数； 轴-轮型系数，单轴-双轮组时，取1；单轴-单轮时，按式（1-3）计算；双轴-双轮组时，按式（1-4）计算；三轴-双轮组时，按式(1-5)计算。,66,2.1 设计依据,水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为4级，分级范围如表1-4。,表1-4 交通分级,67,2.1 设计依据,水泥混凝土的强度以28d龄期的弯拉强度控制。当混凝土浇筑后90d内不开放交通时，可采用90d龄期的弯拉强度。各交通等级要求的混凝土弯拉强度标准值不得低于表1-5的规定。,表1-5 混凝土弯拉强度标准值,68,2.1 设计依据,表1-6 水泥混凝土抗折与抗压强度关系表,69,2.1 设计依据,表1-7 水泥混凝土各龄期抗压强度汇总表,70,2.1 设计依据,在季节性冰冻地区，路面的总厚度不应小于表1-8规定的最小防冻厚度。,表1-8 水泥混凝土路面最小防冻厚度（m）,注：冻深小或填方路段，或者基、垫层为隔温性能良好的材料，可采用低值；冻深大或挖方及地下水位高的路段，或者基、垫层为隔温性能较差的材料，应采用高值； 冻深小于0.50m的地区,一般不考虑结构层防冻厚度。,71,2.1 设计依据,水泥混凝土面层的最大温度梯度标准值Tg，可按照公路所在地的公路自然区划按表1-9选用。,表1-9 最大温度梯度标准值Tg,注：海拔高时，取高值；湿度大时，取低值。,72,2.2 结构组合设计,73,2.2 结构组合设计,路基路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承。高液限粘土及含有机质细粒土，不能用做高速公路和一级公路的路床填料或二级和二级以下公路和上路床填料；高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于3的低液限粘土，不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时，应掺加石灰或水泥等结合料改善。,74,2.2 结构组合设计,地下水位高时，宜提高路堤设计标高。在设计标高受限制，未能达到中湿状态的路基临界高度时，应选用粗粒土或低剂量石灰或水泥稳定细粒土做路床或上路床填料；未能达到潮湿状态的路基临界高度时，除采用上述填料措施外，还应采取在边沟下设置排水渗沟等降低地下水位的措施。路基压实度应符合公路路基设计规范（JTJ013）的要求。多雨潮湿地区，对于高液限土及塑性指数大于16或膨胀率大于3的低液限粘土，宜采用由轻型压实标准确定的压实度，并在含水量略大于其最佳含水量时压实。岩石或填石路床顶面应铺设整平层。整平层可采用未筛分碎石和石屑或低剂量水泥稳定粒料，其厚度视路床顶面不平整程度而定，一般为100500mm。,75,2.2 结构组合设计,垫层遇有下述情况时，需在基层下设置垫层：季节性冰冻地区，路面总厚度小于最小防冻厚度要求（表1-6）时，其差值应以垫层厚度补足；水文地质条件不良的土质路堑，路床土湿度较大时，宜设置排水垫层；路基可能产生不均匀沉降或不均匀变形时，可加设半刚性垫层。垫层的宽度应与路基同宽，其最小厚度为150mm。防冻垫层和排水垫层宜采用砂、砂砾等颗粒材料。半刚性垫层可采用低剂量无机结合料稳定粒料或土。,76,2.2 结构组合设计,基层 基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。基层类型宜依照交通等级按表2-1选用。混凝土预制块面层应采用水泥稳定粒料基层。,77,2.2 结构组合设计,表2-1 适宜各交通等级的基层类型,78,2.2 结构组合设计,湿润和多雨地区，路基为低透水性细粒土的高速公路和一级公路或者承受特重或重交通的二级公路，宜采用排水基层。排水基层可选用多孔隙的开级配水泥稳定碎石、沥青稳定碎石或碎石，其孔隙率约为20。基层的宽度应比混凝土面层每侧至少宽出300mm（采用小型机具施工时）或500mm（轨模式摊铺机施工时）或650mm（滑模式摊铺机施工时）。路肩采用混凝土面层，其厚度与行车道面层相同时，基层宽度宜与路基同宽。级配粒料基层的宽度也宜与路基同宽。各类基层厚度和适宜范围见表2-2。,79,2.2 结构组合设计,表2-2 各类基层厚度的适宜范围,80,2.2 结构组合设计,碾压混凝土基层应设置与混凝土面层相对应的接缝。贫混凝土基层在其弯拉强度超过1.8MPa时，应设置与混凝土面层相对应的横向缩缝；一次摊铺宽度大于7.5m时，应设置纵向缩缝。基层下未设垫层，上路床为细粒土、粘土质砂或级配不良砂（承受特重或重交通时），或者为细粒土（承受中等交通时），应在基层下设置底基层。底基层可采用级配粒料、水泥稳定粒料或石灰粉煤灰稳定粒料，厚度一般为200mm。排水基层下应设置由水泥稳定粒料或者密级配粒料组成的不透水底基层，厚度一般为200mm。底基层顶面宜铺设沥青封层或防水土工织物。,81,2.2 结构组合设计,面层水泥混凝土面层应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。面层一般采用设接缝的普通混凝土；面层板的平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路基等有可能产生不均匀沉降时，应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。其他面层类型可根据适用条件按表2-3选用。,82,2.2 结构组合设计,表2-3 其他面层类型选择,83,2.2 结构组合设计,普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或钢纤维混凝土面层板一般采用矩形。其纵向和横向接缝应垂直相交，纵缝两侧的横缝不得相互错位。纵向接缝的间距按路面宽度在3.04.5m范围内确定。碾压混凝土、钢纤维混凝土面层在全幅摊铺时，可不设纵向缩缝。横向接缝的间距按面层类型和厚度选定： 普通混凝土面层一般为46m，面层板的长宽不宜超过1.30，平面尺寸不宜大于25m2； 碾压混凝土或钢纤维混凝土面层一般为610m； 钢筋混凝土面层一般为615m。普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或配筋混凝土面层所需的厚度，可参照表2-4所示参考范围并按相关公式计算确定。,84,2.2 结构组合设计,表2-4 水泥混凝土面层厚度的参考范围,85,2.2 结构组合设计,钢纤维混凝土面层的厚度按钢纤维掺量确定，钢纤维体积率为0.61.0时，其厚度为普通混凝土面层厚度的0.650.75倍。特重或重交通时，其最小厚度为160mm；中等或轻交通时，其最小厚度为140mm。复合式路面沥青上面层的厚度一般为2580mm。除混凝土预制块面层外，各种混凝土面层的计算厚度应满足式（1-1）的要求。面层设计厚度依计算厚度按10mm向上取整。采用碾压混凝土或贫混凝土做基层时，宜将基层与混凝土面层视作分离式双层板进行应力分析。,86,2.2 结构组合设计,路面表面构造应采用刻槽、压槽、拉槽或拉毛等方法制作。构造深度在使用初期应满足表2-5的要求。,表2-5 各级公路水泥混凝土面层的表面构造深度（mm）要求,87,2.2 结构组合设计,路肩路肩铺面结构应具有一定的承载能力，其结构层组合和材料选用应与行车道路面相协调，并保证进入路面结构中的水的排除。路肩铺面可选用水泥混凝土面层或沥青面层。路肩水泥混凝土面层的厚度通常采用与行车道面层等厚，其基层宜与行车道基层相同。选用薄面层时，其厚度不宜小于150mm，基层应采用开级配粒料。路肩沥青面层宜选用密实型沥青混合料。其基层可选用无机结合料稳定粒料或级配粒料。行车道路面结构不设内部排水设施时，沥青面层和不透水基层的总厚度不宜超过行车道面层的厚度，基层下应选用透水性粒料填筑。,88,2.2 结构组合设计,路面排水行车道路面应设置双向或单向横坡，坡度为12。路肩铺面的横向坡度值宜比行车道路面的横坡值大12。行车道路面结构设置排水基层或垫层时，应在排水基层或垫外侧边缘设置纵向集水沟和带孔集水管，并间隔50100m设置横向排水管。排水基层的纵向边缘集水沟，路肩采用水泥混凝土面层时，可设在路肩下或路肩外侧边缘内；路肩采用沥青面层时，可设在路肩内侧边缘内。排水垫层的纵向边缘集水沟设在路床边缘。,89,2.2 结构组合设计,带孔集水管和孔径通常采用100150mm。集水沟的宽度通常采用300mm。集水沟的深度应能保证集水管管顶低于排水层底面，并有足够厚度和回填料使集水管不被施工机械压裂。沟内回填料宜采用与排水基层或垫层相同的透水性材料，或者不含细料的碎石或砾石粒料。回填料与沟壁间应铺设无纺反滤织物。横向排水管不带孔，其管径与集水管相同。集水沟和集水管的纵坡宜与路线纵坡相同，但不得小于0.25%。横向排水管的坡度不宜小于5%。横向排水管出口端应设端墙。端头用镀锌铁丝网或格栅罩住，出水口应进行冲刷防护。在横向排水管上方的路肩边缘处应设置标志，标明出水口位置。,90,2.3 材料组成,垫层材料,基层材料,面层材料,91,2.3 材料组成,垫层材料防冻垫层所用砂、砂砾材料中通过0.075mm筛孔的细粒含量不宜大于5%。排水层材料的级配应满足下述渗滤标准：垫层材料通过率为15%时的粒径D15不小于路床土通过率为15%时的粒径d15的5倍（D155d15）；垫层材料通过率为15%时的粒径D15不大于路床土通过率为85%时的粒径d85的5倍（D155d85）；垫层材料通过率为50%时的粒径D50不大于路床土通过率为50%时的粒径d50的25倍（D5025d50）；垫层材料的均匀系数（D60 / D10）不大于20。,92,2.3 材料组成,基层材料贫混凝土碾压混凝土沥青混凝土沥青碎石基层水泥稳定粒料、级配碎石或砾石石灰粉煤灰稳定粒料多孔隙水泥稳定碎石多孔隙沥青稳定碎石黑色下卧层,93,2.3 材料组成,面层材料 水泥混凝土厚度大于280mm的普通混凝土面层钢纤维混凝土碾压混凝土混凝土预制块,94,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,荷载应力分析 选取混凝土板的纵向边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位。标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按式(4-1)确定。,95,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,式4-1,式中： pr标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力(MPa)； ps标准轴载PS在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力(MPa)，按式6-2计算确定； kr考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时，kr=0.870.92(刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值)；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时，kr=1.0；纵缝为设拉杆的企口缝时，kr=0.76O.84； kf考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按式6-3计算确定； kc考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查表6-1确定。,96,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,表4-1 综合系数Kc,97,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,标准轴载PS在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力按式(4-2)计算。,式4-2,式中： ps标准轴载PS在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力(MPa)； r 混凝土板的相对刚度半径(m) ； h混凝土板的厚度(m)； Ec水泥混凝土的弯拉弹性模量(MPa)； Et基层顶面当量回弹模量(MPa)，按式6-5计算。,98,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,设计基准期内的荷载疲劳应力系数按式(4-3)计算确定。,式4-3,式中： Kf 设计基准期内的荷载疲劳应力系数； Ne设计基准期内标准轴载累计作用次数； 与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057；碾压混凝土和贫混凝土，=0.065；钢纤维混凝土,按式(4-4)计算确定。,式4-4,式中： f钢纤维的体积率()； lf 钢纤维的长度(mm)； df 钢纤维的直径(mm)。,99,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,新建公路的基层顶面当量回弹模量可按式(4-5)计算确定。,式4-5,式4-6,式4-7,100,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,式4-8,式4-9,式4-10,101,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,式中： Et基层顶面的当量回弹模量(MPa)； E0路床顶面的回弹模量(MPa)； Ex基层和底基层或垫层的当量回弹模量(MPa)，按式(4-6)计算； E1、E2基层和底基层或垫层的回弹模量(MPa)； hx基层和底基层或垫层的当量厚度(m)，按式(4-7)计算； Dx基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度(MN-m)，按式(4-8)计算； h1、h2基层和底基层或垫层的厚度(m)； a、b与ExE0有关的回归系数，分别按式(4-9)和式(4-10)计算。 底基层和垫层同时存在时，可先按式(4-6)式(4-8)将底基层和垫层换算成具有当量回弹模量和当量厚度的单层，然后再与基层一起按上述各式计算基层顶面当量回弹模量。无底基层和垫层时，相应层的厚度和回弹模量分别以零值代入上述各式进行计算。,102,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,在旧柔性路面上铺筑水泥混凝土面层时，原柔性路面顶面的当量回弹模量可按式(4-11)计算确定。,式4-11,式中： W0以后轴重100kN的车辆进行弯沉测定，经统计整理后得到的原路面计算回弹弯沉值(0.01mm)。,103,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,温度应力分析在临界荷位处的温度疲劳应力按式(4-12)确定。,式4-12,式中： tr临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)； tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)，按式4-13确定； kt考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按式4-13确定。,104,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力按式(4-13)计算。,式4-13,式中： tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)； c混凝土的线膨胀系数(1)，通常可取为110-5； Tg最大温度梯度，查表3.0.8取用； Bx综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，可按lr和h查用图6.1确定； l板长，即横缝间距(m)。,105,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,图4.1 温度应力系数Bx,106,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,温度疲劳应力系数可按式(4-14)计算确定。,式4-14,式中： a、b和c回归系数，按所在地区的公路自然区划查表4-2确定。,表4-2 回归系数a、b和c,107,2.4 混凝土板应力分析及厚度计算,混凝土板厚度计算流程 首先，根据相关的设计依据，进行行车道路面结构的组合设计(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)，并按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。然后，参照图4.2所示的混凝土板厚度计算流程，分别按前述公式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，直到满足要求为止。设计厚度依计算厚度按10mm向上取整。,108,图6.2 混凝土板厚度计算流程图,109,2.5 双层混凝土板应力分析,荷载应力分析双层混凝土板的临界荷位仍为板的纵向边缘中部。标准轴载PS在临界荷位处产生的上层和下层混凝土板的荷载疲劳应力pr1和pr2，分别按式(4-1)计算确定；但结合式双层板仅需计算下层板的荷载疲劳应力pr2。其中，应力折减系数、荷载疲劳应力系数和综合系数的确定方法，与单层混凝土板完全相同。 标准轴载PS在临界荷位处产生的分离式双层板上层和下层的荷载应力或者结合式双层板下层的荷载应力，分别由式(5-1)和式(5-2)确定。,110,2.5 双层混凝土板应力分析,式5-1,式5-2,式中： pr1、pr2双层混凝土板上层和下层的荷载应力(MPa)； Ec1、Ec2双层混凝土板上层和下层的弯拉弹性模量(MPa)； h01、h02双层混凝土板上层和下层的厚度(m)； hx下层板中面至结合式双层板中性面的距离(m)，按式5-3公式计算确 定； ku层间结合系数，分离式时，ku =0；结合式时，ku =1； Dg双层混凝土板的截面总刚度(MN-m)，按式5-4计算确定； rg双层混凝土板的相对刚度半径(m)，按式5-5计算确定。,111,2.5 双层混凝土板应力分析,下层板中面至结合式双层板中性面的距离可按式(5-3)计算。,式5-3,双层混凝土板的截面总刚度为上层板和下层板对各自中面的弯曲刚度以及由截面轴向力所构成的弯曲刚度三者之和，按式(5-4)计算。,式5-4,112,2.5 双层混凝土板应力分析,双层混凝土板的相对刚度半径按式(5-5)计算。,式5-5,113,2.5 双层混凝土板应力分析,温度应力分析 双层混凝土板上层和下层的温度疲劳应力tr1和tr2分别按式(4-12)计算确定，但分离式双层板仅需计算上层板的温度疲劳应力tr1，结合式双层板仅需计算下层板的温度疲劳应力tr2。其中，温度疲劳应力系数的确定方法与单层混凝土板完全相同。 分离式双层混凝土板上层的最大温度翘曲应力按式(5-6)计算。,114,2.5 双层混凝土板应力分析,式5-6,式5-7,式5-8,式中： tm1分离式双层混凝土板上层的最大温度翘曲应力(MPa)； Bx1分离式双层混凝土板的温度应力系数，可近似按式(5-7)和(5-8)计算确定； Bx上层混凝土板的温度应力系数，按lrg和h01查图4.1确定； Cx混凝土板的温度翘曲应力系数，按lrg查图4.1确定；其他符号意义同前。,115,2.5 双层混凝土板应力分析,结合式双层混凝土板下层的最大温度翘曲应力按式(5-9)计算确定。,式5-9,式5-10,式5-11,式中： tm2结合式双层混凝土板下层的最大温度翘曲应力(MPa)； Bx2结合式双层混凝土板的温度应力系数，可按式(5-10)和式(5-11)计算； Bx混凝土板的温度应力系数，按lrg 和(h01+ h02)查图4.1确定； 其他符号意义同前。,116,结合式混凝土加铺层结构设计,分离式混凝土加铺层结构设计,沥青加铺层结构设计,2.6 加铺层结构设计,1,2,3,117,2.6 加铺层结构设计,分