道路结构设计原理

半柔性复合路面设计,目录,半柔性复合路面的概念及特点半柔性复合路面材料的试验研究半柔性复合路面的破坏状态半柔性复合路面结构设计,半柔性复合路面的概念及特点,半柔性复合路面的概念半柔性复合路面是指在开级配的大孔隙基体沥青混合料中,灌入以水泥为主要成分的特殊浆体而复合形成的一种路面结构,它兼具有沥青路面与水泥混凝土路面的优点,具有优良的高温稳定性能和抗疲劳性能,具有较好的低温抗裂性能和水稳定性。,半柔性复合路面的概念及特点,半柔性路面结构,图片上半部为半柔性路面结构,半柔性复合路面的概念及特点,半柔性复合路面的特点半柔性复合路面在材料强度机理方面具有其特有的长处。与普通沥青混凝土路面不同,半柔性复合路面属于密实骨架嵌挤型结构。填充其空隙的水泥混合胶浆胶结后形成的强度和密实性与沥青混合料骨架结构共同抵抗汽车荷载的作用和防水。高温稳定性能大大优于普通沥青混凝土路面,又由于以具有一定柔性的沥青混合料作为骨架结构,其低温抗裂性能也都优于普通水泥混凝土路面,而且可以不设或少设温度缝,行车平稳舒适。具有耐油污,耐酸、可着色等特性,既具备沥青路面和水泥路面的优点又屏蔽了两者的缺点。,半柔性复合路面材料的试验研究,试验研究步骤：,试件成型及灌浆方法间接拉伸动态劲度模量试验劈裂强度试验高温稳定性试验,半柔性复合路面材料的试验研究,1、试件成型及灌浆方法,半柔性复合路面混合料的马歇尔试件成型分三个步骤：（1）成型母体沥青混合料马歇尔试件；（2）灌浆水泥胶浆；（3）在标准养生室中养生。,半柔性复合路面材料的试验研究,灌浆前后的马歇尔试件,在振动台上马歇尔试件灌浆,拆模后刮去试件上多余水泥浆,半柔性复合路面材料的试验研究,2、间接拉伸动态劲度模量试验,路面材料的劲度模量是体现路面材料力学性质的重要指标，反映了材料的应力-应变特性，是路面结构设计中进行力学验算或厚度计算的一个重要参数。,胶浆灌注过程,刮去表面多余的胶浆,半柔性复合路面材料的试验研究,采用间接拉伸动态加载试验测定半柔性路面混合料（基体沥青混合料设计空隙率为25）的动态劲度模（简称动模量）。试件采用从轮碾机上成型的板状试件上用钻机钻取的试件，试件尺寸为直径100mm，高度45mm，采用气动伺服沥青混合料材料机(即MTS810材料试验系统)，见图2.10，试验温度分别为15和20，加载速率为2mm/min，试件加载见图2.11。,半柔性复合路面材料的试验研究,（1）试验结果根据我国公路沥青路面设计规范（JTGD502006）推荐的沥青混合料设计参数参考值。沥青混合料的动态劲度模量与静态抗压回弹模量（简称静模量）存在一定的数值关系，即动模量大约是静模量的2.5倍。（2）试验结果分析1)半柔性复合路面材料具有较高的模量，15的静模量为2290.7Mpa，20的为2136.8MPa都大于沥青混合料的静模量，体现出了其柔中掺刚的特性。,半柔性复合路面材料的试验研究,2)在试验温度为15和20时，测得的半柔性复合路面材料动模量分别为5726.6MPa和5342.0MPa，换算得到的静模量分别为2290.7MPa和2136.8MPa，在数值上仅差不足200MPa，远小于沥青混合料的400MPa600MPa，故知温度对半柔性复合路面材料的模量影响不大，进一步表明其温度敏感性较小。3)试验数据表明半柔性复合路面材料的动模量为5300MPa5800MPa，对应的静模量为2000MPa2300MPa，可作为后续的路面结构厚度计算参数。,半柔性复合路面材料的试验研究,3、劈裂强度试验,按车辙试件成型方法成型试件，然后用钻心机取出样试件，再用切割机切至规定高度。制备好的试件尺寸为：直径100mm，高度为40mm的圆柱体试件。试验采用DL多功能路面路基材料强度测试仪对三个试件进行劈裂强度试验，试验条件和方法参照沥青及沥青混合料试验规程（JTJ052-2000）中条文进行，试验结果如表所示。,半柔性复合路面材料的试验研究,劈裂强度试验结果,数据表明，半柔性复合路面材料的劈裂强度（1.724MPa）大于细粒式沥青混凝土的值（1.2MPa1.6MPa），这也就表明了其较好的抗裂性能。,半柔性复合路面材料的试验研究,4、高温稳定性试验,车辙试验是评价沥青混合料高温抗车辙较直观、有效的方法。,车辙试验后的半柔性路面材料试件,车辙试验后的沥青混凝土试件,半柔性复合路面材料的试验研究,我国新实施的公路沥青路面施工技术规范（JTGF40-2004）对沥青混合料车辙变形作了相关规定，如表2.6。标准规定对于年最高平均气温在30以上的地区，上面层动稳定度不得低于800次/mm，从图2.12可看出，车辙试验后半柔性复合路面材料的变形非常小,而沥青混凝土具有明显的变形，如图2.13所示。从试验结果看，半柔性复合路面材料的动稳定度在20000次以上，远远超过了规定值。可见半柔性复合路面材料具有绝对的优势，相对变形比较小，从而证明了半柔性混合料可以提高和改善路面抵抗高温变形能力，具有优良的高温稳定性。,半柔性复合路面的破坏状态,半柔性复合路面由于环境因素的不断影响和行车荷载的反复作用，经过一段时间的使用，便会产生破坏而失去原有的使用能力。,（1）表面裂缝半柔性复合路面产生表面裂缝主要是由于半柔性复合路面材料本身的收缩造成的，与荷载作用无关。一般情况下，表面裂缝是不会影响该路面的正常使用，如图3.1所示。,半柔性复合路面的破坏状态,（2）线状裂缝线状裂缝包括横向裂缝和纵向裂缝两种：与道路中线近于垂直的裂缝是横向裂缝；与道路中线大致平行的裂缝为纵向裂缝。如图3.2和图3.3所示。分析可能导致半柔性复合路面产生裂缝的原因是：a、地基沉降，承载力不足；b、荷载和温度的共同作用所引起；c、半柔性面层与基层之间存在坚硬颗粒，导致应力集中，发生剪应力破坏，产生裂缝。,（3）针孔针孔即由于空气的影响在路表面出现小孔，针孔现象是半柔性复合路面特有的损坏模式。分析可知，灌浆充分可以预防针孔的产生。,半柔性复合路面的破坏状态,（4）表面松散半柔性复合路面的表面松散由于化学物质侵蚀破坏和物理磨损破坏，该种路面由于过度磨损导致的表面松散很少见，实验研究表明，有机酸物质、EDTA及镁盐是主要的侵蚀物质。,（5）沉陷沉陷是半柔性复合路面在车轮作用下路表面产生的较大凹陷变形，见图3.4。造成其凹陷的主要原因是路基土的压缩。,半柔性复合路面的破坏状态,半柔性复合路面结构设计,半柔性复合路面结构设计的任务是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，使之能够承受交通荷载和环境因素的作用，并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。,当前世界各国的路面设计方法，可概括地分为两类：一类是以经验或试验为依据的经验法；另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的力学-经验法。,半柔性复合路面结构设计,4.1水泥混凝土路面综述,水泥混凝土路面是采用水泥混凝土作为面层材料的一种路面结构。这种路面具有刚度大、强度高、耐久性好和日常养护工作量小的优点。由于水泥混凝土的脆性性质和体积敏感性，因而这种路面需设置各种接缝，并且它对超载敏感，损坏后难于修复。此外，还存在挖掘和修复困难、施工后不能立即开放交通、行车舒适性不及沥青路面，以及噪声较大等缺点。,半柔性复合路面结构设计,水泥混凝土路面破坏,水泥混凝土路面修补,半柔性复合路面结构设计,适用范围路面结构的面层材料如果具有以下特性：（1）路面板具有较高的弹性模量及力学强度，大大高于基层和土基的相应模量和强度，在车轮荷载作用下变形小；（2）面层材料的抗弯拉强度远小于抗压强度，约为其1/71/6；（3）面层与基层或土基之间的摩阻力一般不大，所以在力学图式上可以把其路面结构看作是弹性地基板，用弹性地基板理论进行分析计算；（4）疲劳断裂是其最主要的破坏模式。则这种路面结构可以参照水泥混凝土路面的设计方法和理论进行设计。,半柔性复合路面结构设计,4.2柔性路面设计综述沥青路面是用沥青材料作结合料粘接矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。它具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短、养护维修简便，适宜于分期修筑等优点，因而获得越来越广泛的应用。但由于沥青材料具有粘弹塑性等特殊性能，受温度的影响很大。在冬季低温下，沥青混合料抵抗变形能力大大降低，表现出脆性，在荷载作用下，出现低温开裂的现象。而在夏季高温情况下，由于车辆荷载的反复作用，导致沥青路面出现波浪、拥包等剪切变形，更严重者，会产生永久变形而出现车辙。,半柔性复合路面结构设计,沥青路面破坏,沥青路面高温破坏,半柔性复合路面结构设计,适用范围路面结构的面层材料如果具有以下特性：（1）面层材料是粘弹性材料，具有一定的应力松弛性能，但受温度影响较大，在车轮荷载作用下变形较大；（2）面层材料的弹性模量远小于水泥混凝土，约为12001800MPa；（3）路面抗弯拉强度较低，其强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性；（4）车辙和裂缝是其最主要的破坏模式，所以用弹性层状体系理论进行分析计算。则这种路面结构可以参照沥青混凝土路面的设计方法和理论进行设计。,半柔性复合路面结构设计,4.3半柔性复合路面结构设计理论,弹性层状体系理论作为半柔性复合路面结构的设计理论。主要从以下四个方面考虑：1)半柔性复合路面材料具有较高的抗压回弹模量（18002200MPa）和较大的劈裂强度（1.52.0MPa），体现了其刚柔并济的特性，但仍偏于柔性。2)研究表明，通过半柔性复合路面材料和沥青混凝土以及水泥混凝土应力应变关系曲线对比可以看出，半柔性复合路面材料在达到强度峰值以后，呈现塑性破坏，与普通沥青混合料的特征一致，而与水泥混凝土这类刚性材料的脆性破坏形成鲜明对比，如图5.7和图5.8。3)经分析可知，该路面的主要破坏模式是疲劳开裂，与柔性路面的裂缝相似，与刚性路面的疲劳断裂有本质的不同。,半柔性复合路面结构设计,各种材料的应力应变曲线图,半柔性复合路面材料单轴压缩应力应变曲线,半柔性复合路面结构设计,4.4半柔性复合路面结构设计标准,半柔性复合材料面层和半刚性材料层的层底拉应力作为控制结构层疲劳开裂的设计指标，以路基表面的垂直压应变作为验算指标，仍然采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状理论体系进行厚度计算。其主要原因有以下四点：(1)半柔性复合路面具有优良的高温稳定性。(2)半柔性复合路面无接缝或少设接缝且其结构响应特点同沥青路面的一致。(3)半柔性复合路面的温度应力较小，对其路面结构的影响不大。(4)半柔性复合路面的主要破坏模式主要是因为路面结构层的最大拉应力超过该层材料的容许拉应力导致疲劳开裂。,半柔性复合路面结构设计,设计标准,(1)为防止半柔性复合路面材料面层和半刚性基层、底基层的疲劳开裂，拉应力设计指标半柔性复合路面材料面层或半刚性材料层层底计算点的拉应力m应小于或等于该层材料的容许拉应力r，即：mr,半柔性复合路面结构设计,(2)为控制路基土的压缩引起路面的沉陷，路基垂直压应变验算标准路基表面由车轮荷载作用产生的垂直应变z小于或等于路基的容许垂直压应变z，即:,半柔性复合路面结构设计,4.5半柔性复合路面结构组合特性研究,路面结构组合原则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，是整个路面结构经济合理的关键。,半柔性复合路面结构设计,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：按公路等级和交通需求选择面层等级和类型；适应行车荷载作用的要求；在各种自然作用下稳定性好；考虑结构层的特点。,半柔性复合路面结构设计,半柔性复合路面组合设计,路面设计的一般原则认为：劲度大的混合料越厚越好，劲度小的混合料越薄越好。在给定荷载下，混合料抗弯曲能力是劲度(E)和路面厚度(h)的函数。对于较厚的路面因其h大，高模量将会大幅度减小层底拉应变，因此，高模量混合料对厚层结构的疲劳寿命有利。依据该原则，半柔性复合路面材料面层材料具有较高的模量，劲度较大，若该层较厚，则有可能减少疲劳裂缝的出现。,半柔性复合路面结构设计,为了增加路面的使用寿命，路面结构组合设计应根据路面受力特性，对各结构层分层设计。,半柔性复合路面基层的主要作用1)承受行车荷载的作用，它作为道路的主要承重层，与面层一起将行车荷载的反复作用传到底基层、垫层和路基。2)半柔性复合路面材料具有柔中掺刚的特性，因此要求基层要起连续、均匀支承的作用，以使面层获得可靠的支持。3)缓解土基不均匀冻胀或不均匀体积变形对面层的不利影响。4)为面层施工机械提供稳定的行驶面和工作面。,半柔性复合路面结构设计,半柔性复合路面基层的基本要求1)有足够的强度和刚度。2)有足够的水稳定性和抗冻性（冰冻地区）。3)有足够的平整度。4)基层应与面层结合良好。