第11章 沥青路面结构设计(路基路面工程)

第11章沥青路面设计,2,沥青路面是目前最常用的高级路面之一。本章主要介绍沥青路面的破坏状态与设计标准、结构设计基础理论，我国现行柔性路面结构设计方法等内容。通过学习要具备一般柔性路面结构设计的能力。11.1概述11.2沥青路面破坏状态与设计标准11.3弹性层状体系理论11.4沥青路面结构组合设计11.5我国现行柔性路面结构设计方法11.6外国沥青路面结构设计方法（了解）,本章内容,3,11.1.1路面设计的目的与任务1）路面设计的任务：根据使用要求及气候、水文、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，在预定的使用期限内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。2）具体目标：路面结构的使用性能随环境和交通荷载的反复作用而逐渐变坏具体目标：控制或限制其使用性能在预定的使用年限内不致恶化到低于某一规定的程度分析沥青路面损坏的模式和产生原因，并找到能预估荷载与环境作用下各种损坏出现和结构特征变坏的方法确定设计标准与设计基础。,11.1概述,4,3）设计内容：原材料的选择混合料配合比设计路面结构层组合与厚度计算*重点内容*路面结构的方案比选,5,1）经验与半经验法：A、基础与依据：以已往修建和使用经验为基础。B、建立过程：依经验确定路面厚度(行车荷载/路基承载力/路面材料强度);修建试验路，实地观察，数据收集；数据整理，建立厚度h荷载/路基/材料的关系经验公式；随材料发展，不断修正。C、特点通用性不佳适用范围问题：随环境差异，交通量增长、新材料发展经验公式需外延试验路费时费钱。,11.1.2设计方法分类,6,2）理论法/解析法：A、理论基础：以结构分析为基础。按设计荷载所产生的应力、应变、位移量不超过路面任一结构层中材料所容许的范围组合型式与尺寸选择。B、特征：合适力学模型计算应力/应变/位移：弹性半空间体、弹性层状体系、粘弹性层状体系、弹性地基上的板、有限元等；结构层中材料的力学性质与力学参数的表征；定义以基本应力/应变/位移表征的设计标准/指标；用简便的方式表示设计体系与设计步骤。注：影响因素复杂，材料结构性质变异性大，对荷载环境的影响认识还不充分，结构分析与使用性能间尚未能建立定量内在联系解析法还存在不足需经验法予以补充修正。,7,C）基本分析框架：交通环境路基材料可靠度初拟路面结构和混合料组成输入各种损坏模式分析疲劳变形开裂设计指标与设计标准损坏分析力学模型设计决策设计结果方案比选,11.1.2设计方法分类,8,由于沥青路面损坏模式多种多样，各种损坏对路面使用性能有不同性质和程度的影响。为了给沥青路面的结构设计提供依据，我国现行公路养护技术规范JTJ07396将沥青路面的损坏归纳为以下几类：裂缝路面结构整体受到损坏；变形路表形状改变；表层损坏路面表层损坏。,11.2沥青路面的破坏状态与设计标准,9,11.2.1破坏状态与设计标准,1）沉陷：路基压实，改善路基水温状况A、定义：路面在车轮作用下表面产生较大的凹陷入变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象。B、原因与影响因素：路基土的压缩、路基土承载能力不足、路基水温状况不良C、设计指标与设计标准：路基土的垂直压应力或垂直压应变。路基表面由车轮荷载产生的垂直应力弹性层状体系路基土容许垂直压应力土基性质/车轮荷载作用次数,10,2）车辙：提高强度、施工质量A、定义：路面的结构层及土基在行车荷载重复作用之下的补充压实，以及材料的侧向位移产生的永久变形出现在行车轮带处，形成路面的纵向带状凹陷高级路面主要破坏型式B、原因与影响因素：荷载大小、重复作用次数、结构层与土基性质C、设计指标与设计标准：路面各结构层包括土基的残余变形总和：左：路面的计算总残余变形弹性层状体系+经验公式右：容许总残余变形使用要求路基表面的垂直变形：左：路基表面的垂直应变弹性层状体系右：路基表面容许垂直应变经验公式,11.2.1破坏状态与设计标准,11,3）疲劳开裂：A、定义：由行车荷载的反复作用引起的，路面在无显著永久变形情况下沿轮迹带出现的裂缝。B、特点与原因：无显著变形细短横向裂缝网状，加剧面层底面疲劳开裂向表面发展；稳定类基层疲劳开裂反射裂缝；C、疲劳寿命/曲线/方程：D、设计指标与设计标准：结构层底面的拉应力或拉应变：左：结构层底面最大拉应力或拉应变弹性层状体系右：结构层底面容许拉应力或拉应变疲劳方程,11.2.1破坏状态与设计标准,12,4）推移：A、定义：沥青路面受到车轮水平荷载作用时，路面表面可能出现推移或拥起。B、原因与影响因素：结构层抗剪强度不足C、设计指标与设计标准：面层抗剪强度标准（温度状况）。左：面层中可能产生的最大剪应力弹性层状体系右：材料容许剪应力参考路面温度状况注：常用于城市道路特定路段的沥青路面设计。,11.2.1破坏状态与设计标准,13,5）低温开裂：材料设计，加铺应力吸收层A、定义：路面结构中某些整体结构层在低温时由于材料收缩受到限制而产生较大拉应力，当其超过材料相应条件下的抗拉强度时就会产生开裂。B、原因与特点：横向，严重时才会发展为纵向，间距610m；与荷载无关；C、设计指标与设计标准：低温时结构层材料收缩受到限制而产生的温度应力应不大于该温度时的容许拉应力。注：与荷载无关；材料本身性质所决定。,11.2.1破坏状态与设计标准,14,6）路面弯沉：A、定义：路面在垂直荷载作用下产生的垂直变形测量方便、反映了路面各结构层及土基的整体强度、刚度、路面的使用性能。B、原因与影响因素：路面各结构层及土基的整体强度、刚度，路面的使用状态C、设计指标与设计标准：路面弯沉路面设计弯沉值Ld：表征路面整体刚度大小的指标，是根据设计所限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级、面层基层类型而确定的路面弯沉设计值，是路面厚度设计的主要依据，可作为路面竣工验收的最大弯沉验收标准。,11.2.1破坏状态与设计标准,15,1）力学模型：多层弹性层状体系；2）荷载：双圆垂直均布荷载/单圆垂直均布荷载；3）设计指标与标准：A、整体刚度，路面弯沉我国新建公路沥青路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标：B、疲劳开裂对沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层应进行层底拉应力的验算：C、水平力与推移，抗剪强度我国城市道路设计规范中还增加一项剪应力指标：,11.2.2我国现行设计方法与设计标准,16,14.3.1引言-分析目标14.3.2基本假定14.3.3基本体系与理论方法14.3.4公式简化与查图法计算弯沉与层底拉应力（方法与例题）14.3.5多层体系等效换算（方法与例题）,11.3弹性层状体系理论,17,沥青路面结构多层体系不同材料结构层应力应变关系非线性，且变形随应力作用的时间而变化，应力卸除后常有一部分变形不能恢复。沥青路面非线性的弹-粘-塑性体行车荷载瞬时性路面结构中产生的应力很小视为线性弹性体应用弹性层状体系理论进行分析。,11.3弹性层状体系理论,18,1）力学模型：多层弹性层状体系；2）荷载：双圆垂直均布荷载/单圆垂直均布荷载；3）设计指标与标准：A、整体刚度，路面弯沉B、疲劳开裂C、水平力与推移，抗剪强度4）简化力学模型：低级路面双层体系上层：路面双圆荷载路面弯沉下层：路基单圆荷载上层：面层双圆荷载路面弯沉高级路面三层体系中层：基层层底拉应力下层：路基剪应力,11.3.1引言-分析目标,19,1）多层弹性层状体系：由若干个弹性层组成，上面各层具有一定的厚度，最下一层为弹性半空间体；,11.3.2基本假定,20,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，应力-应变符合虎克定律；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；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；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，而层间无摩阻力（称滑动体系）；不计自重：路面结构在承受行车荷载之前，初应力为零，不计路面自重对应力的影响。,2）基本假定,21,1）由弹性力学：微元体应力分量：r、z、rz=zr，r=r=0，z=z=0；（轴对称性）则：平衡方程：物理方程：几何方程：,11.3.3基本体系与理论方法（以单圆荷载为例）,22,由变形连续方程，并引入应力函数=(r,z)；将应力分量表示为应力函数的函数结合物理方程、几何方程将位移分量也表示成应力函数的函数。平衡方程、变形连续方程、边界条件解出应力函数：可以求得各应力与位移分量，以双层体系单圆荷载为例：注：结果比较复杂，需借助计算机求解。工程中为方便起见，可化简：可事先计算，将结果绘成诺谟图，以后设计时查图求解。,23,2）主应力计算：为验算路面结构层的强度主应力。由据弹性力学，用圆柱坐标表示的空间问题的三个主应力同各应力分量之间的关系为下式的解：三个主应力1/2/3式中：，第一应力状态不变量；，第二应力状态不变量；，第三应力状态不变量。最大剪应力：,24,1）双层体系单圆荷载解：将路基看成弹性半无限体，其上的路面结构为一层均质弹性层，即构成弹性双层体系（P383）计算图式与计算点：简化结果：表面荷载中心处的垂直位移为,11.3.4公式简化与查图法计算弯沉与层底拉应力,A,注：理论弯沉系数体系表面单位荷载作用在轴线上的垂直位移。设计计算方法：查诺模图法,25,例1已知：，求荷载作用面下中轴处的弯沉。解：由题有：查图14-4（P383），在纵轴上处作水平线，在横轴上处作竖直线，两者交点同图中曲线相截，沿曲线查得：所以，荷载作用面下中轴处的弯沉为：,沥青路面设计例题：,26,例2已知：，荷载作用面下中轴处的弯沉限定为0.1cm，求面层应有的厚度h。解：由题与公式14-16，有：查图14-4（P383），在纵轴上处作水平线，同图中曲线相交，从交点作一竖线与横轴相交于0.66。即有，则,沥青路面设计例题：,27,沥青路面设计习题：,28,注：沥青路面设计主要内容：1）任务确定；(路面等级、路面类型、累计作用轴次)2）结构层次组合设计，层厚初拟；3）材料组成设计与材料设计参数；4）结构设计指标标准的确定；5）路面弯沉结构层厚度设计；6）应力验算；7）对季节性冰冻地区，验算防冻厚度是否满足要求8）城市道路尚应验算抗剪强度；9）经济分析，方案比选。,11.4沥青路面结构层组合设计,29,沥青路面各结构层的选择和安排，应使整个路面结构既能抵抗行车荷载和自然因素的作用，又能发挥各结构层的最大效能。沥青路面结构设计时应根据使用要求及当地自然环境条件，结合当地实践经验进行路基路面综合设计；按合理选材、方便施工、利于养护的原则，比较并选择路面结构设计方案；对于分期修建的路面工程，应通过技术经济论证，合理设计层次与厚度，使前期工程在后期能得到充分利用；为确保工程质量，应尽量选用便于机械化、工厂化施工的结构设计方案。,11.4沥青路面结构层组合设计,30,结构组合设计时考虑车辆荷载作用的应力分布和环境因素对路面材料的影响，土基及路面各结构层之间相互制约的关系，以及施工要求和工作特性等综合分析的基础结构组合设计。1）面层/基层结构类型/厚度应与交通量/结构层功能相适应：2）适应车辆荷载的作用与各结构层应力分布规律：3）考虑结构层本身结构特性,保证层间结合紧密稳定4）在各种自然因素下稳定性好：5）适当的结构层数和厚度：,11.4.1结构组合设计原则,31,1）面层/基层结构类型/厚度应与交通量/结构层功能相适应：面层直接承受车辆荷载和自然因素的作用，应选用粘结力强的结合料和高强耐磨的集料。对于交通量大、路面等级高的沥青面层，应选用强度较高的半刚性材料基层，必要时可分上、下基层。需设置垫层时，可选用砂砾、碎石及工业废渣等粒料及稳定类村料。选用结构层组合时，要考虑所选结构是否与各层本身功能要求相适应。,32,2）适应车辆荷载的作用与各结构层的应力分布规律：车辆荷载垂直力，路面结构内产生的应力和应变随深度的增加而减小水平力，产生的应力及应变则随深度的增加而很快消失各结构层的强度和刚度必须与这种应力应变沿深度变化的布规律相适应。相邻层材料的模量比是合理确定结构层层数、选定适宜结构层材料的重要依据为使刚度不同的结构层平缓地过渡到下层和上基，改善层间接触面的应力状态注意两相邻层刚度的递减规律当相邻两层刚度相差较大时，上层底面将山现较大的弯拉应力，从而影响到使用寿命。基层与面层的模量比应不小于0.3，垫层与基层的模量比应保持在0.20.5以内，土基与基层或底基层的模呈比宜为0.080.4。,33,3）考虑结构层本身结构特性，保证层间结合紧密稳定：为了保证结构的整体件和结构层之间应力传递的连续性，要求层间的结合紧密稳定。不同的接触条件产生的应力分布不一样，而且相差很大，将直接影响到面层的使用寿命；为保证层间联结坚固，非沥青类基层应浇洒透层沥青。应注意各结构层材料所具有的不同特性，组合时应注意相邻层次间的相互影响，采取措施限制或消除相互间的不利影响。半刚性基层上铺筑薄沥青面层采取防止反射裂缝的措施；潮湿的粉土或粘性土土基上，不宜直接铺筑松散粒料(碎、砾石)基层，以防相互掺杂而污染基层，或导致过大变形；沥青混凝土或热拌沥青碎石之类的高级面层与粒料基层或稳定上基层间应设沥青碎石或沥青贯入式中间层。,34,4）在各种自然因素下稳定性好：保证沥青路面稳定性在结构层选择和组合方面总的要求：不因潮湿而使路面结构强度大幅度降底，也不因干燥而松散不因高温而失去强度稳定性，也不致因低温冻胀而开裂翻浆进行结构组合设计时，不同类型地区考虑重点有所不同：中湿地区，结构组合设计的重点是保证水稳定性良好，应慎重选择基层材料；冰冻地区结构组合设计时的重点是保证路面结构具有足够的冰冻稳定性，在措施上可考虑设置隔离层(最小防冻厚度要求)；湿热多雨地区，做好地表排水和地下水处理，防止由于水分不能蒸发，使基层和土基的稳定性发生变化；对于干旱地区，则主要应注意防止材料松散，并要求保持一定的湿度。,35,5）适当的结构层数和厚度：路面结构层数愈多，应愈能体现强度随深度递减的变化规律，但过多的层数将使施工和材料选择更加复杂。在满足强度要求的前提下，层数不宜过多；各结构层的适宜厚度应按压实机具所能达到的效果选定；每层压实厚度以小于20cm为宜，超过应分层摊铺碾压。为保证各结构层的稳定性，公路沥青路面设计规范及城市道路设计规范提出了路面最小厚度要求。,37,遵循就地取材、分期修建和因地制宜的原则，满足以上各项要求，并依据一般的规律，参照当地的使用经验，即可拟出若干既能满足交通要求又经济合理的结构层组合方案，以满足结构分析和确定路面厚度的需要，并通过经济分析评价选择最佳方案。所拟订的方案应包括如下内容：结构层次、各结构层的类型和初拟厚度；对各结构层材料组成和技术指标的要求；对施工工艺和施工质量的要求。,11.4.2结构组合方案,38,细粒式沥青砼细粒式沥青砼细粒式沥青砼中/粗粒式沥青砼沥青碎石中/粗粒式沥青砼水泥稳定砂砾水泥稳定砂砾水泥稳定砂砾砂砾砂砾水泥稳定土沥青表处沥青封层沥青碎石水泥稳定砂砾沥青碎石砂砾/石灰土水泥稳定砂砾/泥灰结碎石砂砾,结构组合方案示例,39,2）双层体系双圆荷载解：计算图式与计算点：简化结果：双层体系双圆荷载轮隙理论弯沉注：:理论弯沉系数:理论弯拉应力系数设计计算方法：查图法,公式简化与查图法计算弯沉与层底拉应力,A,40,3）三层体系双圆荷载解：（P358）计算图式与计算点：简化结果：表面弯沉：上层底面主拉应力：中层底面主拉应力：注：理论弯沉系数：理论弯拉应力系数：理论弯拉应力系数设计计算方法：查图法,公式简化与查图法计算弯沉与层底拉应力,A,B,C,41,例11.1已知：，双圆，求荷载作用下轮隙中间处表面弯沉值、面层和基层的主拉应力和。解：由题有：(1)三层双圆均布荷载诺模图，按用法示意：查得，；则表面弯沉系数为：所以，荷载作用下轮隙中间处表面弯沉值为：,沥青路面设计例题：,42,(2)查上层底面弯拉应力系数诺谟图，按用法示意，查得则上层底面拉应力系数为：所以，荷载作用下上层底面拉应力为：(3)查下基层底面弯拉应力系数诺谟图：则基层底面拉应力系数为：所以，荷载作用下基层底面拉应力为：,43,1）等效换算的原因与原理：原因：计算复杂，难以实现原则：等效换算，换算前后多层体系的弯沉/应力值不变。原理：在弯沉系数/拉应力系数相等的条件下，把一个模量为Ei，厚度为hi的结构层换算成为另一个Ej厚度hj的结构层，将多层体系三层体系路面结构力学设计。,多层体系等效换算,44,2）多层体系表面弯沉等效换算：,多层体系等效换算,45,3）多层体系弯拉应力等效换算：A、等效中层底面弯拉应力的结构层换算：B、等效上层底面弯拉应力的结构层换算：上层：下层：,多层体系等效换算,46,沥青路面设计例题：,例11.2现有一五层体系，各层的模量与厚度如下表所列，请转换为三层体系，以便计算路面弯沉值/第一、二、四层底面的弯拉应力。,47,解：由题有：(1)表面弯沉第一层不变，第二、三、四层转换为的中层：(2)第一层底面弯拉应力第一层不变，第二、三、四层转换为的中层：,48,(3)第二层底面弯拉应力第一、二层转换为的上层，第三、四层转换为的中层：(4)第四层底面弯拉应力第一、二、三层转换为的上层：上述计算结果列于表中。,49,沥青路面设计例题：,例11.3在上题中，如果不知道第二层的层厚，限定路面表面弯沉值不大于0.08cm，轮胎接触压力为，要求对路面结构第二层的层厚进行设计；并计算第一、二、三、四层层底拉应力。解：1）层厚确定。首先对多层路面体系进行等效换算，有：,50,由有：查图，按用法示意，查得：则由表面弯沉系数：有：再查图，当时，有：则：所以，取路面结构第二层的层厚,51,2）计算层底拉应力由上，进行多层体系等效换算，结果如下表所示：,52,A）面层底面拉应力：（略）B）第二层底面拉应力：（略）C）第三层底面拉应力：查中层弯拉应力系数图，按用法示意，查得，；则上层底面拉应力系数为：所以，荷载作用下上层底面拉应力为：D）第四层底面拉应力：查底层弯拉应力系数图：，；则基层底面拉应力系数为：所以，荷载作用下基层底面拉应力为：,53,1）力学模型：多层弹性层状体系；2）荷载：双圆垂直均布荷载/单圆垂直均布荷载；3）设计指标与标准：A、整体刚度，路面弯沉B、疲劳开裂C、水平力与推移，抗剪强度4）简化力学模型：低级路面双层体系上层：路面双圆荷载路面弯沉下层：路基单圆荷载上层：面层双圆荷载路面弯沉高级路面三层体系中层：基层层底拉应力下层：路基剪应力,11.5我国现行新建柔性路面结构设计方法,54,1）计算图式：我国公路和城市道路沥青路面厚度计算均采用回弹弯沉指标；计算点位置在单后轴双轮组轮隙中心处。2）应力计算点：注：多层体系换算：,11.5.1计算图式,A,B,C,55,1）现有路面回弹弯沉：A、测试方法：杠杆式弯沉仪=贝克曼梁（5.4=3.6+1.8；3.6=2.4+1.2）+标准轴载汽车前进卸荷法测定(5km/h)。B、特点：弯沉值的大小反映了路基路面的强弱；在达到相同程度的破坏时，回弹弯沉大小同该路面的使用寿命-轮载累计重复作用次数成反比关系由该关系路面使用寿命路面所容许的最大弯沉值。,11.5.2路面允许弯沉与设计弯沉,56,2）容许弯沉：A、定义：路面在使用期末的不利季节，在设计标准轴载作用下容许出现的最大回弹弯沉值，记为LR。B、容许弯沉与路面使用寿命的关系：超载修正,11.5.2路面允许弯沉与设计弯沉,57,3）路面设计弯沉：A、定义：根据设计所限内每个车道通过的累计当量轴载作用次数、公路等级、面层和基层类型确定的，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，记为Ld。B、物理意义：Ld是与作用寿命达到时容许弯沉相匹配的，设计时，即路面刚修建完时，受标准荷载作用之下应具有的回弹弯沉；是路面结构设计时的标准，也可以作为路面竣工验收标准。C、LdLs关系：反映路表弯沉在使用期间的变化(影响因素复杂)D、设计弯沉Ld：式中：Ld单位0.01mm，Ac/As-公路等级/面层类型,11.5.2路面允许弯沉与设计弯沉,58,4）弯沉值的修正：设计时取Ls=Ld，但存在误差，需修正。1、实测弯沉和理论弯沉关系：弯沉综合修正系数F：2、应用：已知Ld，求Lhi：由Ls=LdFLhi已知路面结构，求Ls：因F中含有Ls试算法，取：,11.5.2路面允许弯沉与设计弯沉,59,1）标准轴载：我国路面设计以双轮组单轴载100KN-标准轴载2）轴载换算：等效换算轴载P1作用N1次换算成轴载P2作用N2次，换算前后轴载对路面作用达到相同效果。换算原则：换算以达到相同的临界状态为标准；对某一种交通组成，不论以哪种轴载的标准进行轴载换算，由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度是相同的。3）轴载换算：（半理论，半经验）P378-379以设计弯沉值为设计指标及沥青层底拉应力验算：Pi25kN进行半刚性基层层底拉应力验算：Pi50kN累计当量轴次P401,11.5.3标准轴载与轴载换算,60,在进行路面结构设计时，必须确定土基与路面结构各层材料的回弹模量，沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度。1.路基土回弹模量值路基土的回弹模量值除受加荷方式和应力状态等因素的影响外，还与土的性质、密实度、含水量及土基所处的干湿状态有关。路面设计时，应在最不利季节采用现场承载板试验确定土基顶面回弹模量，在路基尚未修建完工的情况下，通过有关参考资料估计土基的回弹模量。A、现场实测法：不利季节，刚性承载板，现场土基实测E0法一：刚性承载板：法二：土基弯沉测定法：弯沉测定简便快捷建立两者关系土基回弹模量值的确定与修正：（实验保证率、季节修正）,11.5.4结构层材料参数的确定,61,B、查表法：无实测条件时：确定临界高度：自然区划临界高度（表14-9）拟定平均稠度：临界高度干湿类型平均稠度（表14-10）预测土基回弹模量:自然区划+平均稠度+表14-11回弹模量C、室内实验法：室内实验法：取代表性土样在室内根据最佳含水量条件下得小承载板回弹模量E0考虑不利季节/年份乘以折减系数折减系数：查表确定。D、换算法：多元回归分析建立现场测定与室内试验的关系E0L0、E0CBR的相关换算关系式室内实验其它指标关系式E0。,11.5.4结构层材料参数的确定,62,2.路面材料设