第十三_十四章__沥青路面.ppt

第十三章沥青路面与设计,13-1概述13-2沥青路面材料的力学特性、稳定性和耐久性13-3沥青路面原材料13-4沥青路面的施工与质量控制13-5弹性层状体系理论概述13-6沥青路面的破坏状态与设计标准13-7沥青路面结构组合设计13-8我国沥青路面设计方法13-9路面结构的剪应力计算13-10沥青路面改建设计,目录（contents）,13-1概述,一、基本概念,13沥青路面与设计,1.沥青路面用沥青材料做结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。（广义定义）在柔性基层、半刚性基层上，铺筑一定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。（狭义定义）,2.柔性基层采用热拌沥青混合料、沥青贯入碎石，以及不加任何结合料的粒料类等材料铺筑的基层。,3.半刚性基层采用无机结合料稳定集料或土类材料铺筑的基层。,13-1概述,一、基本概念,4.刚性基层采用普通混凝土、碾压式混凝土、贫混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土等材料做的基层。,5.层间结合层在沥青面层之上或基层之上或沥青层之间铺筑的防止雨水下渗、层间滑动、松散，有利于应力传递的功能性层次（封层、稀浆封层、微表处、应力吸收膜、应力吸收层等）。,6.垫层介于路基和基层之间，是改善土基的温度和湿度状况，以保证面层和基层的强度、刚度和稳定性不受土基水温状况变化影响的结构层。,13沥青路面与设计,沥青砼面层15cm,二灰碎石基层25cm,石灰土或固化剂处理（垫层）20cm,冲击压实处理路床（影响深度80cm）,封层1cm,防水联接层1.5cm,拟定的沥青路面结构,一般面层分为两层或三层,13-1概述,一、基本概念,13沥青路面与设计,13-1概述,二、沥青路面的基本特点,1.表面平整、耐磨、行车舒适；无接缝；施工期短；护维修简便；适宜于分期修建；不易扬尘。,2.属于柔性路面，其强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性。沥青路面的抗弯拉强度较低，要求路面的基础应具有足够强度和稳定性。,3.宜在沥青路面下设置沥青混合料的联结层，提高路面的抗弯拉和抗疲劳开裂的能力。,4.在温度稳定性、耐久性等方面存在不足之处(与水泥混凝土路面相比较)。,13沥青路面与设计,5.按密实或嵌挤原则组成的各类沥青面层，对组成材料的规格和性能以及混合料的组成各有不同的要求，不同组成的混合料，其路用性能不同。,6.沥青及沥青混合料的物理力学性质受温度、荷载大小和荷载作用时间长短的影响很大。7.沥青路面的透水、透气性小，必需提高基层的水稳性能。8.沥青路面在寒冷地区应设置防冻层。,13-1概述,二、沥青路面的基本特点,13-1概述,三、沥青路面的分类,1.按施工工艺的分类,（1）层铺法用分层洒布沥青，分层铺撒矿料和碾压的方法。,（2）路拌法在路上用机械将矿料和沥青材料就地拌和、摊铺碾压成型。,（3）厂拌法规定级配的矿料和沥青材料在工厂用专用设备加热拌和，然后运到工地摊铺碾压成型。,13沥青路面与设计,13沥青路面与设计,13-1概述,三、沥青路面的分类,2.按沥青路面技术特性分类,（1）沥青表面处治：用沥青和集料按层铺法或拌和法铺筑而成厚度不超过3cm的沥青路面。,（2）沥青贯入式：用沥青贯入碎（砾）石而成的。结构层厚度不同，分为深贯入(厚6-8cm)和浅贯入(厚4-6cm)。为了克服沥青贯入式路面的缺点，可采用上拌下贯沥青路面。,13沥青路面与设计,（3）沥青碎石(AM)：是指碎石同沥青相拌和后构成的一种沥青面层或基层。按最大粒径的尺寸分为：粗粒式、中粒式和细粒式。,（4）沥青混凝土(AC)：是由掺入矿粉、具有良好级配的集料同沥青均匀拌和后铺筑而成的一种密实型结构层。,13-1概述,三、沥青路面的分类,2.按沥青路面技术特性分类,（5）沥青玛碲脂碎石(SMA)由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛碲脂填充间断级配的沥青混合料。,13沥青路面与设计,SMA主要功能：1)抗滑性能好；2)有很好的高温稳定性和耐久性（寿命长20%以上）；3)对带钉轮胎的磨耗抗力好；4)可用于铺筑底面层，也可以铺筑表面层，特别用于铺薄面层；5)摊铺和压实性能好。,13沥青路面与设计,13-1概述,四、沥青路面的损环类型及其成因,1裂缝,沥青路面出现的裂缝，按其成因不同分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝三种类型。裂缝是高等级公路沥青路面最主要的破损形式。,2.车辙,车辙是渠化交通引起的沥青路面损坏类型之一。当车辙达到定深度，辙槽积水，极易导致交通事故。车辙一般是在温度较高的季节，车辆反复碾压下产生塑性流动而逐渐形成的。,3松散剥落,4表面磨光,13沥青路面与设计,是矿料从沥青表面脱落，通常是由于沥青的老化、水和冰冻的作用及沥青粘附性能差引起。,13沥青路面与设计,五、对沥青路面的基本要求,沥青路列而层直接承受车辆和大气因素的作用，而沥青材料的物理、力学性质受气候和时间因素的影响很大，这是沥青路面使用中的一个重要特点。针对这一特点，沥青路面必须满足：,1高温稳定性,2低温抗裂性,3耐久性,4抗滑能力,5防渗能力,13沥青路面与设计,13-1概述,选择依据：1)根据任务书要求2)工程特点3)材料供应情况4)施工机具、劳力和施工技术条件等选择原则：根据路面使用要求和施工的具体条件，按技术经济原则综合考虑,六、沥青路面类型的选择,13沥青路面与设计,13-1概述,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,一、沥青混合料强度特性表征沥青混合料的力学强度参数有：抗压强度、抗剪强度、抗拉（包括弯拉）强度。1.抗剪强度摩尔(MohrCoumbnb)强度理论材料在外力作用下不产生剪切破坏条件为：,13沥青路面与设计,c和是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过直接剪切试验，三轴试验或拉、压试验确定。粘结力取决于：(1)沥青的粘度；(2)沥青用量；(3)温度和剪切速率；(4)细料。,由拉、压试验确定时有：,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,一、沥青混合料强度特性,2.抗拉强度抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供测定：直接拉伸试验间接拉伸试验即劈裂试验抗拉强度由下式计算确定沥青混合料在常温下，抗拉强度随沥青含量和加荷速率的增加而增加，随针入度和温度的增加而下降沥青混合料在负温下，抗拉强度随沥青针入度和温度的降低会略有下降,13沥青路面与设计,一、沥青混合料强度特性,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,3.抗弯拉强度路面材料的抗弯拉强度通常采用三分点加载。材料的抗弯拉强度按下式计算：沥青混合料的抗弯拉强度取决于所用材料的性质及结构破坏过程的加荷状况。另外，温度状况对抗弯拉强度有很大的影响。,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,一、沥青混合料强度特性,二、沥青混合料的应力应变特性1)应力应变关系沥青及沥青混合料的应力应变关系具有随温度和荷载作用时间而变化的特性，具有粘弹性性状。随施加荷载的大小和作用时间的不同，表现出不同的弹性性质、粘弹性性质和粘弹塑性性质。沥青及沥青混合料的力学特性受温度与加载时间的影响较大。,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,蠕变是材料在应力保持不变时，变形随作用时间而发展的过程应力松弛是变形物体在恒定应变下应力随时间而自动降低的过程（内部流动的结果）松弛时间保持该阶跃变形条件下，施加产生阶跃变形的应力随时间逐渐下降，直到施加阶跃变形前的应力状态所需要的时间,13沥青路面与设计,二、沥青混合料的应力应变特性,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,2)劲度模量劲度模量沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力与总应变的比值当加荷时间短或温度较低时，材料处于弹性状态。加荷时间很长或温度较高时，则表现为粘滞性状态。中间过渡段兼有弹一粘性状态。温度与加荷时间对劲度的影响具有等效互换性。,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,三、沥青混合料的抗疲劳性能（p337）疲劳对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳疲劳破坏疲劳的出现，是由于材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中而出现微损伤，在应力重复作用之下微量损伤逐步累积扩大，终于导致结破坏，称为疲劳破坏疲劳强度在一定的重复作用次数下，材料结构出现疲劳破坏的重复应力值,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,疲劳寿命在一定的重复应力作用下，材料结构出现疲劳破坏的重复作用次数疲劳极限材料在应力重复作用一定次数(例如106107次)后，疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。当重复应力低于此值时，材料可经受无限多次的作用而不出现破坏疲劳试验方法控制应力试验材料的疲劳破坏往往以试件出现断裂为标志。控制应变试验并不会出现明显的疲劳破坏现象，可以以劲度模量下降到初始模量值的50作为疲劳破坏的标准。,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,采用控制应力试验方法可以用以下方程估算材料的疲劳寿命采用控制应变试验方法可以用以下方程估算材料的疲劳寿命但是从试验结果看来，有同控制应力试验方法相反的规律，即随着温度的升高(即劲度降低)，材料的疲劳寿命反而增加。厚的面层（15cm以上），应采用控制应力试验方法薄面层（5cm以下），应采用控制应变试验方法,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,四、沥青路面的温度稳定性（高温稳定性和低温抗裂性）1.大气的温度在一年四季和一昼夜之间发生着周期性的变化，2.受大气直接影响的路面温度也相应地在一年之间和一日之间发生着周期性的变化。3.路表面温度变化与气温变化大致是同步的，但是由于部分太阳辐射热被路面所吸收，路表面的温度较气温高，尤其是沥青路面，由于吸热量高，温度增值的幅度超过水泥混凝土路面。4.面层结构内不同深度处的温度同样随气温的变化呈周期性变化，升降的幅度随深度的增加而减小，其峰值的出现也随深度的增加而越来越滞后。5.一年四季面层不同深度处的温度还随气温的变化而经历着年变化。,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,五、沥青路面的高温稳定性沥青混合料高温稳定性指混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。车辙路面结构及土基在行车荷载作用下的补充压实，以及结构层中材料的侧向位移产生的累积永久变形。1.沥青混合料的高温稳定性的影响因素(1)集料级配；(2)集料的颗粒形状；(3)沥青的品种；(4)混合料的沥青含量；(5)混合料剩余空隙率；(6)环境；,2车辙的形成机理及影响因素,(1)失稳型车辙,(2)结构型车辙,(3)磨耗型车辙,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,沥青混合料车辙的影响因素,13沥青路面与设计,常用评价方法：(1)无侧限抗压强度法以沥青混合料在不同温度下的抗压强度比值来表示热稳定性控制塑性变形指标(2)马歇尔试验以沥青混合料在60条件下的马歇尔稳定度和流值来评价高温稳定性,3.沥青混合料高温稳定性的评价,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,(3)三轴试验以材料的抗剪强度参数，粘结力和内摩阻力来定义其稳定性(4)蠕变试验方法以作用应力和累积变形量的比值（蠕变模量）来定义其稳定性(5)轮辙试验模拟车轮荷载在路面上行驶而形成车辙的构成试验方法,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,4.提高高温稳定性的措施1)提高内摩阻力的方法(1)增加粗颗粒含量或减少剩余空隙率，使粗矿料形成空间骨架结构(2)采用具有丰富的棱角和发达的纹理构造，能形成紧密的嵌挤作用，有利于增强稳定性2)提高粘结力的方法(1)适当提高沥青材料的粘稠度（特别是采用改性沥青）(2)控制沥青与矿粉的比值，严格控制沥青用量(3)采用具有活性的矿粉，改善沥青与矿料的相互作用(4)在沥青中掺入聚合物（天然橡胶、合成橡胶、聚异丁烯、聚乙烯等）,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,六、沥青路面的低温抗裂性沥青路面的低温抗裂性指沥青混合料抵抗温度变化（降温）生产的收缩应力的能力。按产生原因分类：1)低温开裂2)温度疲劳开裂3)温缩型反射裂缝,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,1.影响低温抗裂性的因素(1)环境温度与荷载作用的时间；(2)沥青性质及沥青混合料结构；(3)抗拉强度与劲度模量。,六、沥青路面的低温抗裂性,2.提高沥青路面低温抗裂性的措施,1)使用稠度较低、温度敏感性低的沥青2)减小空隙率，减缓沥青的老化3)增加沥青层厚度减少或者减缓路面开裂4)采用沥青路面面层上用沥青橡胶混合料铺设10mm的薄层，构成应力吸收膜，提高路面抗拉强度和减少温度对路面开裂的影响。,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,5)在沥青路面面层与基层之间，用沥青橡胶混合料铺设应力吸收膜，能有效的防止路面的反射裂缝。6)在沥青中掺入橡胶等高聚物，也能大大提高混合料的低温抗裂性能。,六、沥青路面的低温抗裂性,2.提高沥青路面低温抗裂性的措施,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,七、沥青路面的水稳性沥青路面的水稳性指沥青混合料抵水作用的能力。1.影响水稳性的原因(1)沥青混合料的空隙率(2)沥青与碎石之间的粘结力(3)没有路面结构排水和不设置有效的防水层(4)降水量、交通量和交通组成，以及行车速度。,13沥青路面与设计,2.评定指标与方法1)沥青与矿料的粘附性试验2)沥青混合料的水稳性试验(1)浸水马歇尔试验；(2)浸水车辙试验；(3)冻融劈裂试验。,沥青与矿料粘附性试验,七、沥青路面的水稳性,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,3.减少沥青路面水破坏的措施1)沥青面层的各层都用空隙率应不大于5%的沥青混凝土2)提高沥青与矿料的粘结力，加入消石灰和水泥、抗剥落剂等3)提高压实标准，增加现场空隙率控制指标4)路面结构中设排水层或防水层,七、沥青路面的水稳性,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,八、沥青路面的耐老化性能（p342）,沥青材料在沥青混合料的拌和、摊铺、碾压过程中以及沥青路面的使用过程中都存在老化问题。老化过程一般分为二个阶段，即施工过程中的热老化和路面使用过程中的长期老化。沥青路面碾压成型后，沥青混合料的抗老化能力不仅与沥青材料有关，除了与光、氧等自然气候条件有关外、也与沥青在混合料中所处的形态有关，如混合料空隙率大小、沥青用量等。沥青混合料的老化将导致沥青路面路用性能的降低。,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,1.沥青的老化过程,沥青的老化过程,八、沥青路面的耐老化性能（p342）,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,1.沥青的老化过程,八、沥青路面的耐老化性能（p342）,(1)运输和贮存过程的老化,(2)拌和过程的热老化,(3)施工期的老化,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,1.沥青混合料老化试验和评价,八、沥青路面的耐老化性能（p342）,(1)短期老化的试验方法,短期老化的试验方法应体现松散混合料在拌合、贮存和运输中受热而挥发和氧化的效应以模拟沥青混合料施工阶段的老化效果。SHRP(StrategicHighwayResearchProgram),中文译作美国公路战略研究计划。根据以往研究，提出了三种方法，烘箱老化法延时拌合法、微波加热法。,(2)长期老化试验方法,SHRP提出了三种方法：加压氧化处理(三轴仪压力室内）、延时烘箱加热，红外线/紫外线处理,13沥青路面与设计,13-2沥青路面材料力学特性、稳定性和耐久性,13-3沥青路面原材料,一、对原材料的要求1.沥青材料沥青标号选择应考虑道路所在地区的气候条件、交通量以及混合料的类型。（1）石油沥青沥青路面一般采用道路石油沥青，或经过乳化、稀释、调和、改性等工艺加工处理的石油沥青产品作为结合料，有时也采用煤沥青，但是由于煤沥青对人体健康有害，已很少采用。我国道路石油沥青以针人度为指标分为7个标号。每种标号的沥青分为A、B、C三个等级,13沥青路面与设计,（1）石油沥青,13沥青路面与设计,13-3沥青路面原材料,（2）乳化石油沥青,乳化沥青（英:Emulsifiedbitumen，美:Asphaltemulsion，Emulsifiedasphalt）是由石油沥青与水在乳化剂、稳定剂等作用下经过乳化加工制的的沥青产品，也称沥青乳液。由于它能在常温条件下施工，并且具有节约能源、保护环境、简化施工等方面的优点，使用范围逐步扩大。乳化沥青的种类有阳离子乳化沥青、阴离子乳化沥青和非离子乳化沥青；按其破乳速度的快慢，又可分为快裂、中裂、慢裂。,乳化沥青适用于沥青表面处治、沥青贯入式、冷拌沥青混合料等各类路面，也可用于修补裂缝，用作透层油、粘层油和沥青封层。,13沥青路面与设计,13-3沥青路面原材料,（3）改性沥青,改性沥青是掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂(改性剂)，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善制成的沥青结合料。改性沥青其机理有两种，一是改变沥青化学组成，二是使改性剂均匀分布于沥青中形成一定的空间网络结构。对于气候条件恶劣，交通特别繁重的路段，使用普通道路石油沥青不能满足使用要求时，可以使用改性沥青。使用改性沥青通常对改善沥青路面高温及低温稳定性有明显效果。改性沥青一般采用聚合物、天然沥青或其他改性剂对基质石油沥青进行改性。,1)热塑性橡胶类，如苯乙烯一丁二烯一苯乙烯嵌段共聚物SBS；2)橡胶类，如丁苯橡胶(SBR)；3)热塑性树脂类，如乙烯一醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯(PE)等。,13沥青路面与设计,目前改性道路沥青主要用于机场跑道、防水桥面、停车场、运动场、重交通路面、交叉路口和路面转弯处等特殊场合的铺装应用。近来欧洲将改性沥青应用到公路网的养护和补强，较大地推动了改性道路沥青的普遍应用。改性沥青防水卷材和涂料主要用于高档建筑物的防水工程。,（3）改性沥青,但鉴于改性后的材料价格通常比普通石油沥青高27倍，用户对材料工程性能尚未能充分把握，改性沥青产量增长缓慢。,改性沥青属高分子聚合物，一般常用观察检验工具为荧光显微.,13沥青路面与设计,2.粗集料对粗集料性质的要求主要有：强度、磨耗性、形状、表面纹理及矿料同沥青间的粘附性等。1）公称粒径：2）最大粒径：3）级配：,3.细集料沥青混合科中的细集料可用天然砂、人工砂及石屑。,4.填料对矿粉不要求太细，过细了施工的和易性差，对水的稳定性也降低，但过粗会使矿料与沥青间的作用不充分，不利于性能的改善。,13沥青路面与设计,13-3沥青路面原材料,二、沥青混合料的组成设计（p352第五节）1.沥青混合料的分类,热拌沥青混合料适用于各种等级公路沥青路面的面层或基层。沥青混合料按集料公称最大粒径、矿料级配、空隙率大小可分为以下几类：,(1)密级配沥青混凝土混合料(AC)，适用于各级公路沥青面层的任何层次(2)沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)。适用于表面层、中间层或加铺磨耗层。(3)半开级配沥青碎石混合料，设计空隙率为612(AM)。适用于三级及三级以下公路，表面应设防水上封层。(4)密级配沥青稳定碎石混合料，设计空隙率为36(ATB)。也称为大粒秤沥台碎石混合料、适用于基层。(5)排水式沥青稳定碎石混合料，设计空隙牟大于18(ATPB)。适用于排水基层。(6)排水式好级配磨耗层，设计空隙率大于18(OGFC)。适用于高速公路排水式沥青路面磨耗层。,13沥青路面与设计,2.沥青混合料配合比设计阶段包括：1)目标配合比设计阶段2)生产设计配合比设计阶段3)生产配合比验证阶段3.沥青混合料配合比设计内容：确定沥青混合料的材料品种、矿料级配和沥青用量4.配合比设计的目标：1)高温稳定性2)低温抗裂性3)耐久性4)抗滑性5)抗疲劳性6)工作度（施工的和易性）,13沥青路面与设计,13-3沥青路面原材料,5.配合比的设计方法与步骤：1)材料准备：2)矿质混合料的配合比组成设计：(1)确定沥青混合料类型；(2)确定矿料的最大粒径D（根据层厚h）；(3)确定矿质混合料的级配范围；(4)矿质混合料配比计算。,13沥青路面与设计,13-3沥青路面原材料,3)通过马歇尔试验确定沥青混合料的最佳沥青用量：(1)制备试件；(2)测定物理、力学指标；(3)马歇尔试验结果分析。a.绘制沥青用量与物理力学指标关系图；以沥青为横坐标，以密度、空隙率、饱和度、稳定度、流值为纵坐标。,13沥青路面与设计,13-3沥青路面原材料,b.求取对应于稳定度最大值的沥青用量a1、对应于密度最大的沥青用量a2以及对应于规定空隙率范围中值沥青用量a3，并计算三者的平均值OAC1；c.求取各项指标符合沥青混合料技术要求的沥青用量OACminOACmax的中值OAC2；d.综合考虑OAC1和OAC2。确定最佳沥青用量。4)进行水稳性检验：5)抗车辙能力检验：,13沥青路面与设计,13-3沥青路面原材料,13-4沥青路面的施工与质量控制,热拌沥青混合料施工,沥青混合料摊铺机,13沥青路面与设计,沥青混合料拌和,沥青混合料拌和与运输,观看教学短片：短片中涉及沥青路面和水泥路面设计与施工内容，使同学们能更好的学习和理解沥青路面和水泥路面的相关知识。,13沥青路面与设计,13-5沥青路面设计方法与（弹性层状体系）理论,一、沥青路面设计任务与内容,沥青路面的设计任务：确定经济合理的路面结构，使之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、安全性和环保的要求。路面设计内容：1.原材料选择；2.混合料配合比设计和设计参数测试与确定；3.路面结构层组合与厚度计算；4.路面结构的方案比选。,13沥青路面与设计,二、沥青路面结构设计理论与方法,世界各国的沥青路面设计方法，可分为经验法和力学一经验法两大类。经验法主要通过村试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构(结构层组合、厚度和材料性质)、车辆荷载(轴载大小和作用次数)和路面使用性能三考之间的关系。力学-经验法应用力学原理分析路面结构在荷载与环境作用下的力学响应量(应力、应变、位移)，建立力学响应量与路面使用性能之间的关系模型、路面设计按使用要求，运用关系模型完成结构设汁。,我国现行的公路沥青路面设计规范采用弹性层状体系作力学分析基础理沦，以双圆垂直均布荷载作用下的路面整体沉降(弯沉)和结构层的层底拉应力作为设计指标，以疲劳效应为基础，处理轴载标准化转换与轴载多次重复作用效应。,13沥青路面与设计,三、交通参数,1路面设计年限,2车辆型号,13沥青路面与设计,3交通量,4轴载、标准轴载和当量换算,1）标准轴载参数,三、交通参数,13沥青路面与设计,2）轴载当量换算（p378）,4轴载、标准轴载和当量换算,三、交通参数,以设计弯沉值为设计指标及沥青层层底拉应力验算时：当进行半刚性基层的层底拉应力验算时：在设计年限内，一个车道上的累计当量轴次Ne可按下式计算：,13沥青路面与设计,5交通等级,三、交通参数,13沥青路面与设计,三、弹性层状理论体系简介,（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。,一、基本假设（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；,13沥青路面与设计,三、弹性层状理论体系简介,二、解题方法,由于层状体系和竖直荷载都轴对称于荷载轴，可以采用圆柱坐标来简化计算。在圆柱坐标(，z)中，体系的微分单元上作用有：三个法向应力(径向)、(切向)、z(竖向)三对剪应力z=z，=，z=z。当作用荷载为轴对称荷载时：=0，z=z=0。,13沥青路面与设计,平衡方程物理方程几何方程,13沥青路面与设计,136沥青路面的破坏状态与设计标准,一、沥青路面的主要破坏模式1.沉陷路面在车轮荷载作用下,其表面产生较大凹陷变形（有时凹陷两侧伴有隆起现象）。2.车辙路面在行车轮带处形成凹陷（高级路面的主要破坏形式）。3.疲劳开裂路面在正常使用情况下，路表无显著永久变形而出现的裂缝。4.推移（剪切变形）沥青路面材料沿行车方向发生剪切或拉裂破坏而出现推挤和拥起的现象（拥包、波浪）。5.低温缩裂（反射裂缝）低温时，材料因收缩产生拉应力超过材料的强度所致，同荷载因素无关。沿着路面纵向一定距离出现的间隔性横向裂缝。6.松散和坑槽松散是路表面集料的松动、散离现象；坑槽是松散材料散失后形成的凹坑。,13沥青路面与设计,一、沥青路面的主要破坏模式,13沥青路面与设计,二、沥青路面的设计指标1.疲劳开裂面层底面拉应力(或拉应变)作为指标：水泥(或石灰等)稳定类基层：2.车辙（永久变形）采用荷载作用下路基路面结构层内永久变形的总和于等于容许永久变形量作为设计标准：,13沥青路面与设计,有些设计方法，采用路基顶面的竖向压缩应变作为指标：3.路表回弹弯沉采用荷载作用下的路表回弹弯沉量小于容许回弹弯沉量作为设计标准：以上三项指标为主要指标，具有全局性意义。,二、沥青路面的设计指标,13沥青路面与设计,4.面层剪切滑移面层结构中产生的剪应力小于等于特定环境下(主要是温度)材料的抗剪强度：5.面层断裂径向拉应力小于等于面层材料的抗拉强度：,二、沥青路面的设计指标,13沥青路面与设计,6.低温缩裂这是一项同荷载因素无关的设计指标。低温时，面层材料因收缩受阻而产生的温度应小于等于该温度时材料的抗拉强度：该三项仅影响面层的次要指标，指导面层材料组成设计。,二、沥青路面的设计指标,13沥青路面与设计,13-7沥青路面结构组合设计,结构组合设计：沥青路面通常由沥青面层、基层、底基层、垫层等多层结构组成。结构组合设计是按照当地设计前提条件（交通组成、环境、土基条件、材料特性），根据对路面的基本要求和设计原则，依照弹性层状体系理论对应力应变分析的结论，对用不同材料组成的路面各结构层进行合理安排。,结构组合设计的原则：1.一般考虑1)路线、路基和路面要作总体设计；2)因地制宜、合理选材；3)方便施工、便于养护；4)分期修建、逐步提高；5)注意与排水设计相结合。,13沥青路面与设计,2.根据各结构层功能选择结构层次3.各结构层模量和强度应同轮载应力和应变沿深度的分布相适应4.顾及各结构层本身的特性及其与相邻层次的相互影响5.考虑水温状况的影响6.适当的层数和层厚,结构组合设计的原则：,13沥青路面与设计,一、沥青面层结构,沥青面层可为单层、双层三层。双层结构分为表面层、下面层；三层结构分为表面层、中面层、下面层。表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久的服务功能，同时应具有高温抗车辙、低温抗开裂、抗老化等品质。中下面层应具有一定的密水性、抗剥离性，高温或重载条件下，沥青混合料具有较高的抗剪强度；下面层应具有良好的抗疲劳裂缝的性能和兼顾其他性能要求。,13沥青路面与设计,一、沥青面层结构,13沥青路面与设计,一、沥青面层结构,13沥青路面与设计,二、沥青路面基层结构,沥青路面的基层按材料和力学特性的不同可以分为柔性基层(有机结合料稳定碎石，或无结合料稳定碎石)、半刚性基层(水泥、石灰、工业皮渣等无机结合料稳定碎石)和刚性基层(低强度等级混凝土)三种。各种基层有不同的特点，各有适用的场合。,13沥青路面与设计,二、沥青路面基层结构,13沥青路面与设计,三、沥青路面垫层结构,沥青路面垫层结构位于基层以下，主要用于路基状况不良的路段，以确保路面结构不受路基中滞留的自由水的浸蚀以及冻融的危害。通常认为路基处于以下状况，应专门设置垫层。(1)地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段；(2)排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段；（3）季节性冰冻地区的中期、潮湿路段可能产生冻胀需设防冻垫层的路段；(4)基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。,13沥青路面与设计,三、沥青路面垫层结构,从垫层的设置目的与功能出发，垫层可分为以下几类：(1)防水垫层；(2)排水垫层；(3)防污垫层：(4)防冻垫层。,13沥青路面与设计,四、沥青路面层间结合,(1）沥青面层与基层之间应设置透层沥青或粘层沥青，当采用半刚性基层时，为防止粒料松散和雨水下渗，宜采用单层层铺法表处或稀浆封层表处进行封闭。当采用水泥混凝土刚性基层时，也应设粘层沥青。(2)沥青面层由两层或三层组成又不能连续摊铺时，则在铺上层之前彻底清扫下层表面的灰尘、泥土、油污等有可能破坏层间结合的有害物质，然后设粘层沥青。(3)透层沥青、粘层沥青，单层表处下封层，稀浆封层下封层的材料规格、用量应根据地区气候特点，施工季节和结构类型的不同，按公路沥青路面施工技术规范的要求选定。,13沥青路面与设计,13-8我国沥青路面设计方法,一、设计方法与计算图式我国沥青路面设计方法采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层弯拉应力、半刚性材料层弯拉应力为设计指标进行路面结构厚度设计。设计完成后，路面结构的路表弯沉与各结构层的弯拉应力均应满足设计指标的极限标准。,13沥青路面与设计,计算图式,一、设计方法与计算图式,13沥青路面与设计,二、设计弯沉的确定轮载作用下双轮轮隙中心处的路表回弹弯沉值大小，反映了路基路面结构的整体承载能力。在达到相同损坏程度时，回弹弯沉值的大小同该路面结构的累计荷载重复作用次数(即使用寿命)成反比。弯沉测定方法：弯沉仪、自动弯沉仪、落锤式弯沉仪等。,13沥青路面与设计,1.使用期未不利季节的路表回弹弯沉容许弯沉值将路面于使用期末不利季节，在设计标准轴截作用下容许出现的最大回弹弯沉值。容许弯沉值与路面使用寿命的关系可通过调查测试确定。路面破坏状况的确定取决于路面使用性能要求或达到使用性能要求的经济能力。我国外观等级分为五级，以第四外观等级作为路面临界破坏状态。,二、设计弯沉的确定,13沥青路面与设计,沥青路面外观等级描述,二、设计弯沉的确定,13沥青路面与设计,2.设计弯沉值路面容许弯沉值作为设计指标存在的问题：1)对于施工的检验标准不明确；2)设计指标与无损伤状态下的设计参数不一致。采用设计弯沉的意义：1)设计弯沉与路面设计参数相配合；材料设计参数是在材料无疲劳损伤时获得的，在路面设计计算时的路面的疲劳损伤不明显。2)设计控制与验收指标统一。使竣工验收时，路面结构的状态与标准有可比性。,二、设计弯沉的确定,13沥青路面与设计,影响弯沉变化的因素:路基路面结构层的材料性质、施工因素、环境因素、湿度、温度、结构组合、交通组合等。相对弯沉AT将竣工的路表弯沉l0取为1，将其后各年标准状态下的弯沉值lT与l0的比值设计弯沉ld与竣工验收弯沉l0及容许弯沉lR之间有下列关系,2.设计弯沉值,二、设计弯沉的确定,13沥青路面与设计,设计弯沉值：根据设计年限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级、路面结构类型而确定的路表设计弯沉值。式中：Ne设计年限内一个车道的累计当量轴次Ac公路等级系数；As面层类型系数；Ab路面结构类型系数,2.设计弯沉值,二、设计弯沉的确定,13沥青路面与设计,三、标准轴载与轴载换算,标准轴载我国路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载。即BZZ100。等效换算原则：1.换算以达到相同的临界状态为标准2.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等的。,13沥青路面与设计,四、综合修正系数,应用弹性层状体系理论求得的理论值与实测弯沉值之间存在一定偏差。偏差呈现的规律：当路基刚度较低时，由理论公式算得的面层厚度偏大；而当路基刚度较高时，则由理理论算得的面层厚度偏薄。主要原因：路面的力学性质与弹性层状体系的假设存在一定差别。力学计算模型、土基模量、材料特性和参数等方面在理论假设和实际状态之间存在一定差异。,13沥青路面与设计,综合修正系数F实际弯沉或实际弯沉系数与理论计算弯沉或理论弯沉系数之比：综合修正系数F同实际弯沉值、土基回弹模量及轮载参数的相关关系较密切：按设计弯沉计算厚度时，实际弯沉等于设计弯沉。,四、综合修正系数,13沥青路面与设计,五、土基回弹模量值的确定,现场实测法：承载板方法：不利季节用刚性承载板在现场土基上实测00.5mm（路基软弱时测至1mm）的变形压力曲线，按下式计算E0弯沉测定方法：选择典型路段测试回弹弯沉与承载板测试回弹模量，建立回弹模量E0与回弹弯沉l0的关系。由弯沉计算土基模量的理论公式由实测回弹弯沉计算回弹模量,13沥青路面与设计,查表法（新建公路）：步骤：a.确定分界稠度；b.确定土的平均稠度；c.预测土基回弹模量值。室内试验法：取代表性土样在室内根据w0条件下，求得小承载板模量值，考虑不利季节影响，乘以折减系数确定E0。换算法：建立E0与压实度K，c的试验关系式，根据土基稳定含水量时的c及压实度K可求得相应的E0。,五、土基回弹模量值的确定,13沥青路面与设计,六、路面材料设计参数值,路面材料参数测试方法：压缩试验、劈裂试验、弯拉试验等。确定材料参数考虑的因素：1)测试方法简便，结果比较稳定2)测得的模量值和强度应较好地反映各种路面材料的力学特性3)模量值和强度用于厚度计算时，应较好地与设计方法相匹配，设计厚度与实际经验相吻合。,13沥青路面与设计,现规范进行沥青路面设计时：1)各层材料的计算模量均采用抗压回弹模量；2)沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验测得的劈裂强度；3)以弯沉计算厚度时，采用20的抗压模量；4)验算层底拉应力时，以15为标准温度，采用15的抗压模量；,六、路面材料设计参数值,13沥青路面与设计,5)计算路表弯沉时，抗压回弹模量6)计算层底应力时考虑模量的最不利组合；计算层以下各层的抗压回弹模量计算层及以上各层的抗压回弹模量,六、路面材料设计参数值,13沥青路面与设计,七、结构层材料的容许拉应力,结构层材料的容许拉应力是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力。可按下式计算式中：sp材料由劈裂试验确定的极限强度（Mpa）Ks抗拉强度结构系数。,13沥青路面与设计,对沥青混凝土：对无机结合稳定集料对无机结合料稳定土类式中：Ac公路等级系数,七、结构层材料的容许拉应力,13沥青路面与设计,八、路面结构厚度设计方程与设计参数,1.设计方程,13沥青路面与设计,八、路面结构厚度设计方程与设计参数,2.计算路表弯沉,13沥青路面与设计,八、路面结构厚度设计方程与设计参数,3.计算结构层底拉应力,注：计算时可以采用手算：查诺谟图；也可以采用计算机计算（参考路面结构计算软件程序）,13沥青路面与设计,九、新建路面结构设计步骤,根据设计任务书要求，确定路面等级和面层类型，计算Ne和Ld按路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段，确定土基E0.根据已有经验和规范推荐的