第八章 柔性路面结构设计

.,第八章柔性路面结构设计,.,概述-路面结构层次,一、路面横断面,.,二、路拱横坡度,路拱形式：圆弧、抛物线、直线,.,三、路面结构层,1.面层的作用：,2.面层的种类：,3.面层的构成：,4.面层的结构,承受行车荷载保证行车通畅保证行车平稳舒适,沥青类水泥类砂石类块料类,多层沥青混合料双层水泥混凝土复合式结构带有磨耗层或保护层的砂石结构,横坡超高路肩,（一）面层,.,（二）基层,1.基层的作用:承受面层传下的行车垂直荷载，向垫层和土基扩散荷载,2.对基层的要求足够的刚度和强度，足够的抗水性，与面层相同的横坡，比面层宽,3.基层种类稳定类、粒料类,（三）垫层,1.垫层的作用排水、隔水、防冻、防基层污染、扩散应力,2.垫层材料颗粒材料、结合料稳定土,.,四、路面分类,按照力学特性分类刚性路面、柔性路面、半刚性路面,按照面层材料分类沥青路面、水泥路面、块料路面、砂石路面,五、柔性路面设计内容,1.路面结构层次的选择与组合,2.各层厚度的确定,3.各层材料的组成设计,六、柔性路面设计方法,1.经验法2.解析理论法,.,当路基土的承载能力较低，不能承受从路面传至路基表面的车轮压力，便产生较大的垂直变形即沉陷。,一、路面局部沉陷,（一）表现,在车轮作用下表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象,（二）起因,（三）设计指标,路基表面由车轮荷载作用产生的垂直应力，可用弹性层状体系理论求得,路基土的容许垂直压应力，其数值同土基的弹性模量和车轮荷载作用次数有关,第一节柔性路面的损坏模式和设计标准,.,二、车辙,（一）表现,（二）起因,（三）设计指标,路面的纵向带状凹陷，是高级沥青路面的主要破坏型式,是路面的结构层及土基在行车重复荷载作用下的补充压实，以及结构层材料的侧向位移产生的累积永久变形，同荷载应力大小，重复作用次数以及结构层和土基的性质有关。,或,.,三、疲劳开裂,（一）表现,（二）起因,（三）设计指标,路面无显著的永久变形，最初在荷载作用部位形成细而短的横向开裂，继而逐渐扩展成网状,较厚的沥青结构层受车轮荷载的反复弯曲作用，使结构层底面产生的拉应变（或拉应力）值超过材料的疲劳强度，底面便开裂，并逐渐向表面发展。稳定类整体性基层也会产生出疲劳开裂，甚至导致面层破坏。与重复应变（或应力）大小和路面的环境因素有关。,或,.,四、推移,（一）表现,（二）起因,（三）设计指标,车轮荷载引起的垂直力和水平力的综合作用，使结构层内产生的剪应力超过材料的抗剪强度。同时也与行驶车轮的冲击、振动有关。,受到较大的车轮水平荷载作用时，路面表面出现推移和拥起,车轮的垂直力和水平力的共同作用下，面层中可能产生的最大剪应力,材料的容许剪应力,.,五、低温缩裂,（一）表现,（二）起因,横向间隔性的裂缝，严重时发展为纵向裂缝,路面结构中某些整体性结构层在低温（通常为负温度）时由于材料收缩受限制而产生较大的拉应力，当它超过材料相应条件下的抗拉强度时便产生开裂,（三）设计指标,低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力,某种温度下材料的容许拉应力,.,第二节弹性层状体系理论概述,一、基本假设与解题方法,1）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；2）最下一层（路基）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；3）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；4）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无摩阻力（称滑动体系）；5）不计自重。,求解时，将车轮荷载简化为圆形均布荷载（垂直荷载与水平荷载），并在圆柱坐标体系中分析各分量。,（一）基本假设,（二）解题方法,.,二、多层体系一般解1、平衡方程,.,2表征各点应力、应变的物理方程3各点应变和位移的几何方程,43个主应力：5最大剪应力,.,图12-2圆柱坐标中微元应力分量,.,弯沉,表面弯沉系数,三、双层体系的解,.,图12-4双层体系表面垂直位移系数诺谟图,.,四、弹性三层体系解(1)表面弯沉(2)上、中层底面最大弯拉应力,图12-5双圆均布荷载下弹性三层体系,.,(3)上层表面最大剪应力根据摩尔-库伦原理，由莫尔应力圆可得,.,图12-9摩尔圆应力分析图,图12-10三层体系剪应力分析图,.,最大剪应力绘制诺谟图时,取f=0.3,当计算其他f值的m与1时,根据数值解结果整理得如下近似计算公式,.,五、多层体系的等效换算(1)路表弯沉等效换算法-双层,图12-13多层体系路表弯沉等效换算图,.,换算后上层的等效层厚度(双层）,(2)弯拉应力等效换算法1）上层底面弯拉应力等效换算,图12-14上层底面弯拉应力等效换算图,.,换算后三层体系中层的等效层厚度：2）中层底面弯拉应力等效换算上面各层按邻近中层结构层的模量进行等效厚度计算：,.,图12-15中层底面弯拉应力等效换算图,.,（3）面层剪应力等效换算法对于用作城市道路的沥青路面，需要验算沥青面层的抗剪强度，因此当按三层体系诺谟图计算面层剪应力时，需将多层体系按剪应力等效的原则换算为三层体系。,图12-16,.,第三节沥青路面结构组合设计,一、一般考虑,（一）路线、路基和路面要做总体设计路基稳定、基层坚实、面层耐用,（二）因地制宜、合理选材,（三）方便施工、便于养护,（四）分期修建、逐步提高,（无）注意与排水设计相结合,.,二、沥青路面结构组合的原则,（一）适应行车荷载作用的要求,各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律安排，以使各结构层材料的效能得到充分发挥。,结构层数既要体现强度和刚度沿深度递减的规律，又要考虑施工工艺、材料规格和强度形成原理,根据公路等级、交通量大小、重车所占的比例、选用沥青质量等因素，综合考虑确定沥青层厚度,基层、底基层厚度应根据交通量大小、材料力学性能和扩散应力的效果，发挥压实机具的功能以及有利于施工等因素选择,各类结构层具有满足施工要求的最小厚度和适宜厚度,（二）适当的层数和层厚,.,.,（三）考虑水温状况的影响,1.潮湿路段及中湿路段沥青路面的基层一般应选择水稳定性好的材料,2.在季冻地区，当冻深较大，路基土为易冻胀土时，路面结构中应设置防止冻胀和翻浆的垫层。路面总厚度的确定，除满足强度要求外，还应满足下表防冻厚度的要求,3.基层易于冲刷或路基路面排水不良应在面层中最少使用一层不透水的沥青混合料。,.,（四）适应复杂受力条件,5）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宜为0.080.40。,1）提高基层模量和厚度可以显著降低路基压应力，模量的影响大于厚度,2）对路面弯沉的影响，路基模量基层模量基层厚度面层模量面层厚度,3）采用大的基层模量、好的层间联结以及控制基层厚度大于2，面层厚度避开0.51.0可以减小面层层底拉应力。,4）基层底面拉应力随着基层模量的相对增大而增大，随着路基模量的增大而减小。面层厚度在0.5左右（46cm）时，基层底面拉应力最大；基层厚度在23（2540cm）时基层底面拉应力趋于稳定。,6）只有面层本身抗剪强度高和采用较高模量的基层才对控制剪切破坏有效，其他因素影响甚微。,.,（五）顾及各结构层本身的结构特性及其与相邻层次的互相影响,1.在冰冻地区和气候干燥地区，无机结合料稳定类基层的收缩常会在沥青路面上产生反射裂缝，可在层间加设一层柔性联结层，或者适当加厚面层。,2.在潮湿的粉土或粘性土路基上，不宜直接铺筑碎（砾）石等颗粒类材料。必要式，可在路基顶面设土工布隔离层，以防止基层污染或路面变形过大。,3.层间结合应尽量紧密，避免产生滑移，以保证结构的整体性和应力分布的连续性,4.沥青面层与基层间应设置沥青透层或沥青粘层，必要时使用下封层。,三、典型沥青路面结构组合,.,典型半刚性基层沥青路面,典型柔性基层沥青路面,.,.,第四节新建沥青路面的结构厚度计算,一、沥青路面厚度设计的基本方法,（一）经验法,CBR法、AASHTO法为代表,（二）理论法,Shell法、AI法、前苏联运输工程部方法以及我国沥青路面设计方法为代表,二、我国沥青路面厚度设计方法概述,（一）力学模型双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系,（二）路面整体刚度设计指标设计弯沉值,（三）路面抗弯拉验算指标层底容许拉应力,（四）路面抗剪验算指标面层容许剪应力,.,路表弯沉值计算图式,层底拉应力计算图式,剪应力计算图式,.,三、以设计弯沉Ld进行厚度设计,（一）路面临界破坏状态,（二）路面弯沉变化规律（实测）,.,LR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-容许弯沉,（三）容许弯沉与设计弯沉,容许弯沉与累计轴载次数的关系,Ld路面竣工后第一年不利季节、路面在设计标准轴载作用下，测得的最大回弹弯沉值-设计弯沉,AT相对弯沉变化系数，基于路面弯沉变化统计,公路等级系数；面层类型系数；基层类型系数,.,（四）路面设计状态下的计算弯沉,1.路面设计状态,最大刚度状态半刚性基层材料的龄期达到6个月实际弯沉值Ls，相当于设计弯沉Ld对应的使用时间。Ls=Ld,2.弯沉修正系数（实际弯沉值Ls=Ld和层状理论计算值L比较）,3.弹性三层体系理论值修正（计算弯沉）后的Ls做为设计弯沉Ld,P、标准车型的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径；L理论弯沉系数；,.,（五）应用,1.实际弯沉与设计弯沉的计算状态现同，取LdLs，反推F或L，由F或L求取结构组合（材料、模量和厚度组合）；,2.验算Ld与Ls的关系。,.,四、层底拉应力验算,应用条件结构中含有一般情况下呈现整体性或板体性，受荷时在底部产生拉应力的结构层（高速公路、一级公路、二级公路沥青混合料面层和半刚性基层材料的基层、底基层）,计算弯拉应力；,理论最大拉应力系数;,材料容许疲劳拉应力；,材料极限劈裂抗拉强度；,抗拉强度结构系数；,.,五、面层剪应力验算,计算剪应力，由车轮垂直和水平荷载确定,最大剪应力,其中：,查图或借助计算机求解,查图进行上式计算时，图中数据选取摩擦系数为0.3时得到，实际的计算要依实际摩擦系数对其修正,.,材料容许疲劳剪应力,对于紧急制动情况，采用动载测定粘聚力c2c,考虑疲劳：,停车站、交叉路口等缓慢制动处：,紧急制动时：,停车站在设计年限内停车的标准轴累计数。对交叉路口考虑到停车时车种的不同，每一次红灯停车轴数应按入交叉口等待通过的车轴数与车道内车种比例情况确定,.,六、土基回弹模量E0和路面材料参数的确定,（一）土基回弹模量值的确定,1.现场实测法,1）刚性承载板测定,EoL某点土基回弹模量；Eos某路段土基回弹模量设计值；、S分别为该路段实测土基回弹模量平均值与标准差；Za保证率系数，高速公路、一级公路为2，二三级公路为1.648，四级公路为1.5；K1不利季节影响系数，可根据当地经验选用。,.,2.室内实验法,取代表性土样在室内测定最佳含水量条件下小承载板（顶面法）的回弹模量E0值，考虑不利季节，不利年份的影响对其折减。,3.由CBR、压实度或地基反应模量K值换算,换算关系来自试验数据统计。,4.由土质、干湿类型和公路所处的自然区划查表,数据来源于全国大范围的数据统计。,.,（二）路面材料设计参数的确定,1.抗压回弹模量Ei,2.沥青混合料和稳定类基层材料抗弯拉强度,3.沥青混合料抗剪强度参数c、,1）由室内试验测定三轴试验或室内小承载板试验（水泥稳定类要达到三个月龄期，石灰稳定类要达到六个月龄期，标准试验温度为20，沥青混合料增加15试验用于层底拉应力验算。）,2）可行性研究阶段或二级以下公路的初步设计可以引用经验抗压回弹模量（规范列表）,1）由劈裂试验确定；,2）可行性研究阶段或二级以下公路的初步设计可以引用经验抗弯拉强度（规范列表）。,由三轴压缩试验通过绘制莫尔应力圆确定，试验温度为当地高温月份路表实际温度的平均值。,.,七、季冻区路面防冻总厚度验算,道路冻深：,a路面结构层材料的热物性系数,b路面横断面（填挖）系数,c路基潮湿类型系数,f最近10年冻结指数平均值（冬季负温度累积值）,.,1.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和设计弯沉值。2.按路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段（在一般情况下路段长度不宜小于500，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。3.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。4.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半刚性基层材料的基层、底基层，应验算拉应力要满足容许拉应力的要求。如不满足要求，或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。5.对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，尚应验算防冻厚度是否满足要求。,八、新建公路沥青路面结构设计程序,.,.,九、例题,例5I某一级公路，设计交通为100kN标准轴载2380次d。路线经过辽河平原，经勘测，沿线土质为粉质亚粘土，冻前地下水位为1.8m,多年平均最大踪深为12m。按设计标高要求，平均填土高为0.7m。请设计该路面。,.,.,.,.,.,第六节沥青路面补强设计旧砂石路面或沥青路面加铺沥青结构层,一、旧路面结构状况调查与评定,1.交通调查对于当前的交通量和车型组成进行实地观测。通过调查分析预估交通量增长趋势，确定年平均增长率；2.路基状况调查调查沿线路基土质、填挖高度、地面排水情况、地下水位，以确定路基土组和干湿类型；3.路面状况调查调查路面结构类型、组合和各层厚度，为此需开挖试坑进行量测和取样试验。量测路基和路面宽度。详细记载路表状况及路拱大小。对路面的病害和破坏应详加记述并分析产生原因；4.路面修建和养护历史调查,（一）路面结构状