第十四章 沥青路面设计

1、路基路面工程路基路面工程 第十四章第十四章 沥青路面设计沥青路面设计 主主 要要 内内 容容 n弹性层状体系理论概述弹性层状体系理论概述 n沥青路面的破坏状态与设计标准沥青路面的破坏状态与设计标准 n沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计 n新建沥青路面的结构厚度计算新建沥青路面的结构厚度计算 n沥青路面改建设计沥青路面改建设计 第一节第一节 弹性层状体系理论概述弹性层状体系理论概述 p h1 hi Ei i E1 1 En n 弹性层状体系示意图 1）各层是连续的、完全弹性的、均匀的、）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；各向同性的，以及位移和形变是微小

2、的； 2）最下一层在水平方向和垂直向下方向）最下一层在水平方向和垂直向下方向 为无限大，为无限大， 其上各层厚度为有限、水平方其上各层厚度为有限、水平方 向为无限大；向为无限大； 3）各层在水平方向无限远处及最下一层）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；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）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（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）；位移连续而无摩阻力（称滑动体系）； 5）不计自重。）不计自重。 基本假设基本假设 第二节第二节

3、 沥青路面的破坏状态与设计指标沥青路面的破坏状态与设计指标 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。轮压力，便产生较大的垂直变形即沉陷。 一、路面局部沉陷一、路面局部沉陷 （一）表现（一）表现 在车轮作用下表面产生的较大凹陷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变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象 （二）起因（二）起因 （三）设计指标（三）设计指标 zz00 z0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 路基表面由车轮荷载作用产生的垂直应力，可用弹性

4、层状体系理论求得 z0 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 有关有关 二、车二、车 辙辙 （一）表现（一）表现 （二）起因（二）起因 （三）设计指标（三）设计指标 路面的纵向带状凹陷，是高级沥青路路面的纵向带状凹陷，是高级沥青路 面的主要破坏型式面的主要破坏型式 是路面的结构层及土基在行车重复荷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，料的侧向位移产生的累积永久变形， 同荷载应力大小，重复作用次数以及同荷载应力大

5、小，重复作用次数以及 结构层和土基的性质有关结构层和土基的性质有关 。 rere LL re L路面的计算总残余变形，由残余变形经验公式确定路面的计算总残余变形，由残余变形经验公式确定 re L容许总残余变形，由使用要求确定容许总残余变形，由使用要求确定 00EE 或或 路基表面的垂直应变，可由弹性层状体系理论求得路基表面的垂直应变，可由弹性层状体系理论求得 0E 0E 路基表面容许垂直应变路基表面容许垂直应变 ，由路基残余变形和荷载应力、，由路基残余变形和荷载应力、 应力重复次数及路基弹性模量之间经验关系确定。应力重复次数及路基弹性模量之间经验关系确定。 三、疲劳开裂三、疲劳开裂 （一）表现

6、（一）表现 （二）起因（二）起因 （三）设计指标（三）设计指标 路面无显著的永久变形，最初在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，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

7、力）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大小和路面的环境因素有关 。 rR rR 或或 结构层底面的拉应变和拉应力结构层底面的拉应变和拉应力 r r 、 结构层材料的容许疲劳拉应变和拉应力结构层材料的容许疲劳拉应变和拉应力 R R 、 四、推四、推 移移 （一）表现（一）表现 （二）起因（二）起因 （三）设计指标（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。过材料的抗剪强度。同时也与行驶车轮的冲击、振动有关。 受

8、到较大的车轮水平荷载作用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时，路面表面出现推移和拥起 max R max车轮的垂直力和水平力的共同作用下，面层中可能产 车轮的垂直力和水平力的共同作用下，面层中可能产 生的最大剪应力生的最大剪应力 R 材料的容许剪应力材料的容许剪应力 五、低温缩裂五、低温缩裂 （一）表现（一）表现 （二）起因（二）起因 横向间隔性的裂缝，严重时发展为纵向裂缝横向间隔性的裂缝，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为负温度）时由于材料收缩受限制而产生较 大的拉应

9、力，当它超过材料相应条件下的抗大的拉应力，当它超过材料相应条件下的抗 拉强度时便产生开裂拉强度时便产生开裂 （三）设计指标（三）设计指标 rttR rt低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力 低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力 tR某种温度下材料的容许拉应力 某种温度下材料的容许拉应力 六、路面弯沉设计标准六、路面弯沉设计标准 n 路面弯沉：路面在垂直荷载作用下，产生的垂直变路面弯沉：路面在垂直荷载作用下，产生的垂直变 形。形。 n 我国现行的沥青路面设计方法采用设计弯沉作为路我国现行的沥青路面设计方法采用设计弯沉作为路 面整体刚度的设计指标。面整体刚度的设计指标。 1、能够反

10、映路面各结构层及土基的整体强度和刚度、能够反映路面各结构层及土基的整体强度和刚度 2、与路面的使用状态存在一定的内在联系、与路面的使用状态存在一定的内在联系 3、测定也比较方便。、测定也比较方便。 n路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标， 它是根据设计年限内一个车道上预测通过的累计它是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、面层和基层类型而确定的当量轴次、公路等级、面层和基层类型而确定的 路面弯沉设计值，是路面厚度计算的主要依据。路面弯沉设计值，是路面厚度计算的主要依据。 n路面设计弯沉值可以作为路面竣工后第一年不利路面设计

11、弯沉值可以作为路面竣工后第一年不利 季节、路面温度为季节、路面温度为20时在标准轴载时在标准轴载l00kN作用作用 下，竣工验收的最大回弹弯沉值，它与交通量、下，竣工验收的最大回弹弯沉值，它与交通量、 公路等级、面层和基层类型有关。公路等级、面层和基层类型有关。 n总结：理论分析法实质上就是把路面看成是一个总结：理论分析法实质上就是把路面看成是一个 工程结构物，据行车荷载作用下，在路面中所产工程结构物，据行车荷载作用下，在路面中所产 生的应力、应变和位移量不超过路面任一结构层生的应力、应变和位移量不超过路面任一结构层 中材料的容许应力、应变和位移量来选择和确定中材料的容许应力、应变和位移量来选

12、择和确定 路面结构层的组成和厚度，并以此来防止或减少路面结构层的组成和厚度，并以此来防止或减少 各种路面破坏现象的发生，控制或限制路面的结各种路面破坏现象的发生，控制或限制路面的结 构特性和使用品质在预定的设计使用年限内不恶构特性和使用品质在预定的设计使用年限内不恶 化到某一规定的程度。化到某一规定的程度。 n目前，在我国路面设计中，视路面结构类型不同，目前，在我国路面设计中，视路面结构类型不同， 分别采用如下设计指标：分别采用如下设计指标： 1.为了控制路基路面的总变形，防止网裂、沉陷、为了控制路基路面的总变形，防止网裂、沉陷、 车辙，使路面具有足够的整体刚度和强度，采用车辙，使路面具有足够

13、的整体刚度和强度，采用 路面设计弯沉值路面设计弯沉值Ld作为路面整体刚度和强度的控作为路面整体刚度和强度的控 制指标。即路面设计弯沉值制指标。即路面设计弯沉值Ld应大于或等于路表应大于或等于路表 实际可能产生的回弹弯沉值实际可能产生的回弹弯沉值Ls，即，即LsLd。 2.为了防止沥青混凝土面层和半刚性基层（底基层）为了防止沥青混凝土面层和半刚性基层（底基层） 的疲劳开裂，采用了沥青混凝土面层和半刚性基的疲劳开裂，采用了沥青混凝土面层和半刚性基 层（底基层）底面的容许拉应力层（底基层）底面的容许拉应力R作为验算指标，作为验算指标， 此值应大于或等于路面相应结构层底面实际可能此值应大于或等于路面相

14、应结构层底面实际可能 产生的最大弯拉应力产生的最大弯拉应力m，即，即R m。 3.为了防止高温季节道路交叉口、停车厂等汽车为了防止高温季节道路交叉口、停车厂等汽车 经常启动、制动地方沥青面层产生推挤和拥包经常启动、制动地方沥青面层产生推挤和拥包 等破坏现象，采用了沥青面材料的容许剪应力等破坏现象，采用了沥青面材料的容许剪应力 R作为验算指标，其值应大于或等于面层破裂作为验算指标，其值应大于或等于面层破裂 面上实际可能产生的剪应力面上实际可能产生的剪应力，即：，即： R 第三节第三节 沥青路面结构组合设计沥青路面结构组合设计 一、一般考虑一、一般考虑 （一）路线、路基和路面要做总体设计（一）路线

15、、路基和路面要做总体设计路基稳定、基层坚实、面层耐用路基稳定、基层坚实、面层耐用 公路等级公路等级路面等级路面等级面层类型面层类型设计设计 年限年限 设计年限内累计标准设计年限内累计标准 轴次（万次轴次（万次/一车道）一车道） 高速、一级公路高速、一级公路高级路面高级路面沥青混凝土、沥青混凝土、SMA15400 二级公路二级公路高级路面高级路面沥青混凝土、沥青混凝土、SMA12200 次高级路面次高级路面热拌沥青石、沥青贯入式热拌沥青石、沥青贯入式10100200 三级公路三级公路次高级路面次高级路面热拌沥青石、沥青贯入式热拌沥青石、沥青贯入式810100 四级公路四级公路中级路面中级路面水结

16、碎石、泥结碎石、级配水结碎石、泥结碎石、级配 碎（砾）石、半整齐石块碎（砾）石、半整齐石块 5 10 低级路面低级路面粒料改善土粒料改善土5 （二）因地制宜、合理选材（二）因地制宜、合理选材 （三）方便施工、便于养护（三）方便施工、便于养护 （四）分期修建、逐步提高（四）分期修建、逐步提高 （五）注意与排水设计相结合（五）注意与排水设计相结合 二、沥青路面结构组合的原则二、沥青路面结构组合的原则 （一）适应行车荷载作用的要求（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。构层

17、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，又要考虑施工 工艺、材料规格和强度形成原理工艺、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

18、有满足施工要求的最小厚度和适各类结构层具有满足施工要求的最小厚度和适 宜厚度宜厚度 （二）适当的层数和层厚（二）适当的层数和层厚 公公 路路 等等 级级沥青层沥青层推荐厚度（推荐厚度（cm）公公 路路 等等 级级沥青层沥青层推荐厚度（推荐厚度（cm） 高速公路高速公路1218三级公路三级公路24 一级公路一级公路1015四级公路四级公路12.5 二级公路二级公路510 结构层类型结构层类型施工最小厚度（施工最小厚度（cm）结构层的适宜厚度（结构层的适宜厚度（cm） 沥青混凝土沥青混凝土 热拌沥青碎石热拌沥青碎石 粗粗 粒粒 式式5.068 中中 粒粒 式式4.046 细细 粒粒 式式2.52.

19、54 沥青石屑沥青石屑1.51.525 沥青砂沥青砂1.01.01.5 沥青贯入式沥青贯入式4.048 沥青上拌下贯式沥青上拌下贯式6.0610 沥青表面处治沥青表面处治1.0层铺层铺13，拌和，拌和24 水泥稳定类水泥稳定类15.01620 石灰稳定类石灰稳定类15.01620 石灰工业废渣类石灰工业废渣类15.01620 级配碎、砾石级配碎、砾石81015 泥结碎石泥结碎石81015 填隙碎石填隙碎石101012 （三）考虑水温状况的影响（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

20、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下表防冻厚度的要求 路基路基 类型类型 路路 基基 土土 质质粘粘 性性 土、细土、细 亚亚 粘粘 土土粉粉 性性 土土 基垫层类型基垫层类型 道路冻深道路冻深(cm) 砂石类砂石类稳定土类稳定土类 工工 业业 废料类废料类 砂砂 石石 类类稳定土类稳定土类 工工 业业 废料类废料类 中中 湿湿 501004045354030

21、35455040453040 100150455040453540506045504045 150200506045554050607050604550 大于大于200607055655055707560705065 60100455540503545506045554050 潮潮 湿湿 100150556050554550607055655060 150200607055655055708065706065 大于大于2007080657555708010070906580 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

22、不透水的沥青 混合料。混合料。 （四）适应复杂受力条件（四）适应复杂受力条件 5）基层与面层的模量比应不小于）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，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）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）对路面弯沉的影响，路基模量基层模量基层模量基层厚度基层厚度 面层模量面层模量面层面层 厚度厚度 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）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

23、，面层厚 度避开度避开0.51.0 可以减小面层层底拉应力。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）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。面层厚度在大而减小。面层厚度在0.5 左右（左右（46cm）时，基层底面拉应力最大；时，基层底面拉应力最大； 基层厚度在基层厚度在23 （2540cm）时）时基层底面拉应力趋于稳定。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）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。效，其他因素影响甚

24、微。 （五）顾及各结构层本身的结构特性及其与相邻（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。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。必要式，可在路

25、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。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三、典型沥青路面结构组合 第四节第四节 新建沥青路面的结构厚度计算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、沥青路面厚度设计的基本方法 （一）经验法（一）经验法 CBR法、法、AASHTO法为代表法为代表 （二）理论法（二）理论

26、法 Shell法、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二、我国沥青路面厚度设计方法概述 （一）力学模型（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（二）路面整体刚度设计指标设计弯沉值设计弯沉值 （三）路面抗弯拉验算指标（三）路面抗弯拉验算指标层底容许拉应力层底容许拉应力 （四）路面抗剪验算指标（四）路面抗剪验算指标面层容许剪应力面层容许剪应力 三、路面容许弯沉和设计弯沉值三、路面容许弯沉和设计弯沉值 1.

27、路面容许弯沉路面容许弯沉 现有路面回弹弯沉值是用杠杆式弯沉仪和具有标现有路面回弹弯沉值是用杠杆式弯沉仪和具有标 准轴载的规定汽车按前进卸荷法测定的。准轴载的规定汽车按前进卸荷法测定的。 弯沉值的大小反映了路基路面的强弱，在相同车弯沉值的大小反映了路基路面的强弱，在相同车 轮荷载下，路面的弯沉值愈大，则路面抵抗垂直变轮荷载下，路面的弯沉值愈大，则路面抵抗垂直变 形的能力愈弱，反之则强。形的能力愈弱，反之则强。 在达到相同程度的破坏时，回弹弯沉大小同该路在达到相同程度的破坏时，回弹弯沉大小同该路 面的使用寿命即轮载累计重复作用次数成反比关系。面的使用寿命即轮载累计重复作用次数成反比关系。 定义定义

28、：路面在使用期末的不利季节，在设计标准：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。轴载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定容许弯沉值与路面使用寿命的关系可通过调查测定 确定。我国对公路沥青路面按外观特征分为五个等确定。我国对公路沥青路面按外观特征分为五个等 级，级，如下表所示如下表所示，并把第四外观等级作为路面临界，并把第四外观等级作为路面临界 破坏状态，以第四级路面的弯沉值的低限作为临界破坏状态，以第四级路面的弯沉值的低限作为临界 状态的划界标准。状态的划界标准。 外外 观观 等等 级级外外 观观 状状 况况路路 面面

29、 表表 面面 外外 观观 特特 征征 一一好好坚实、平整、无裂纹、无变形坚实、平整、无裂纹、无变形 二二较较 好好平整、无变形、少量发裂平整、无变形、少量发裂 三三中中平整、无变形、有少量纵向或不规则裂纹平整、无变形、有少量纵向或不规则裂纹 四四较较 坏坏无明显变形，有较多纵横向裂纹或局部网裂无明显变形，有较多纵横向裂纹或局部网裂 五五坏坏连片严重龟（网）裂或拌有车辙、沉陷连片严重龟（网）裂或拌有车辙、沉陷 n路面达到某种临界状态时，累计交通量同容许路面达到某种临界状态时，累计交通量同容许 弯沉值之间存在良好的双对数关系。弯沉值之间存在良好的双对数关系。 LR=650Ne (r=0.77，n=

30、50) n路面设计弯沉值路面设计弯沉值是根据设计年限内每个车道通是根据设计年限内每个车道通 过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类 型确定的，相当于路面工后第一年不利季节、型确定的，相当于路面工后第一年不利季节、 路面在标准轴载路面在标准轴载100kN作用下，测得的最大回作用下，测得的最大回 弹弯沉值。弹弯沉值。 式中：式中：AT相对弯沉变化系数，基于路面弯沉变化统计相对弯沉变化系数，基于路面弯沉变化统计 Ne设计年限内一个车道上累计当量轴次；设计年限内一个车道上累计当量轴次； Ac公路等级系数，高速公路、一级公路为公路等级系数，高速公路、一级公路为1

31、.0，二级公路为，二级公路为1.1，三、，三、 四级公路为四级公路为1.2； As面层类型系数，沥青混凝土面层为面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；热拌沥青碎石、乳化沥青碎；热拌沥青碎石、乳化沥青碎 石、上拌下贯或贯人式路面为石、上拌下贯或贯人式路面为1.1;沥青表面处治为沥青表面处治为1.2；中低级路面；中低级路面 为为1.3； Ab基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度等于或大于基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度等于或大于20cm 时，时，Ab=1.0，若面层与半刚性基层之间设置等于或小于，若面层与半刚性基层之间设置等于或小于15cm级配级配 碎石层、沥青贯人碎石、沥青碎石的半刚

32、性基层结构时，仍为碎石层、沥青贯人碎石、沥青碎石的半刚性基层结构时，仍为 1.0；柔性基层、底基层或柔性基层厚度大于；柔性基层、底基层或柔性基层厚度大于15cm，底基层为半刚，底基层为半刚 性下卧层时为性下卧层时为1.6。 0.2 600 dRTecsb LLANA A A dRT LLA 容许弯沉与设计弯沉的关系容许弯沉与设计弯沉的关系 n路面厚度是根据弹性多层体系理论、层间接触状路面厚度是根据弹性多层体系理论、层间接触状 态为完全连续，在以双圆均布荷载作用下，轮隙态为完全连续，在以双圆均布荷载作用下，轮隙 中心实测路表弯沉值中心实测路表弯沉值Ls等于设计弯沉值等于设计弯沉值Ld的原则的原则

33、 进行计算，即进行计算，即Ls=Ld，由于力学计算模型，土基，由于力学计算模型，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 状态之间存在一定的差异，理论弯沉值和实测弯状态之间存在一定的差异，理论弯沉值和实测弯 沉值之间存在一定误差，因此需要对理论弯沉值沉值之间存在一定误差，因此需要对理论弯沉值 进行修正。进行修正。 式中：式中：Ls路面实测弯沉值，路面实测弯沉值，0.01mm； p、标准车型的轮胎接地压强标准车型的轮胎接地压强(MPa)和和 当量圆半径；当量圆半径； F弯沉综合修正系数；弯沉综合修正系数； c理论弯沉系数；理论弯沉系数； 1 0

34、2 3 1 2121 , n n c E E E E E Ehhh f 36.0 0 38.0 0 2000 63.1 2 1000 p EL F F E p L s cs （四）应用（四）应用 1.计算弯沉与设计弯沉的计算状态现同，取计算弯沉与设计弯沉的计算状态现同，取 LdLs，反推，反推c ，由，由c求求取结构组合（材料、取结构组合（材料、 模量和厚度组合）；模量和厚度组合）； 2. 验算验算Ld与与Ls的关系。的关系。 四、结构层材料的容许拉应力四、结构层材料的容许拉应力 n要求结构层底面的最大拉应力不大于结构层材要求结构层底面的最大拉应力不大于结构层材 料的容许拉应力，在路面设计中通

35、常表示为：料的容许拉应力，在路面设计中通常表示为： mR n结构层材料的容许拉应力是路面承受行车荷载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。反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力。 n可用下式计算：可用下式计算： s sp R K 式中：式中：R路面结构层材料的容许拉应力，路面结构层材料的容许拉应力，MPa； sp结构层材料的极限抗拉强度，结构层材料的极限抗拉强度，MPa； Ks抗拉强度结构系数。抗拉强度结构系数。 n抗拉强度结构系数：表征结构层材料的抗拉强度抗拉强度结构系数：表征结构层材料的抗拉强度 因疲劳而降低的，根据荷载应力与达到疲劳临界因疲

36、劳而降低的，根据荷载应力与达到疲劳临界 状态的荷载作用次数之间关系的疲劳方程可表示状态的荷载作用次数之间关系的疲劳方程可表示 如下：如下： 对沥青混凝土面层：对沥青混凝土面层： 对无机结合料稳定集料类：对无机结合料稳定集料类： 对无机结合料稳定土类：对无机结合料稳定土类： 式中：式中：Aa沥青混合料级配类型的系数；细、中粒式沥青混凝土为沥青混合料级配类型的系数；细、中粒式沥青混凝土为 1.0，粗粒式沥青混凝土为，粗粒式沥青混凝土为1.1 Ac公路等级系数。公路等级系数。 ceas ANAK/09. 0 22. 0 ces ANK/35. 0 11. 0 ces ANK/45. 0 11. 0

37、五、查图法计算弯沉和结构层层底拉应力五、查图法计算弯沉和结构层层底拉应力 n查图法：在不具备电算条件时，可以通过查查图法：在不具备电算条件时，可以通过查 弯沉和弯拉应力诺模图的方法进行路表弯沉弯沉和弯拉应力诺模图的方法进行路表弯沉 和结构层底部拉应力的计算。和结构层底部拉应力的计算。 n双层体系双圆荷载轮隙弯沉双层体系双圆荷载轮隙弯沉(见上图见上图)的理论弯沉的理论弯沉 系数系数L诺模图如图所示。计算时取诺模图如图所示。计算时取1=0.25， 0=0.35。 n理论弯沉的计算公式为：理论弯沉的计算公式为： 式中式中L为理论弯沉系数为理论弯沉系数 L E p l 0 2 n当计算体系为弹性三层体

38、系时，理论弯沉的表达当计算体系为弹性三层体系时，理论弯沉的表达 式为：式为： 式中理论弯沉系数式中理论弯沉系数L由弹性三层体系理论计算求得。将三由弹性三层体系理论计算求得。将三 层连续体系的电算结果绘成诺模图。计算时取泊松比层连续体系的电算结果绘成诺模图。计算时取泊松比 1=2=0.25，0=0.35。 n车轮荷载在路面面层和基层底面产生的弯拉应力，车轮荷载在路面面层和基层底面产生的弯拉应力， 用弹性层状体系理论方法计算。用弹性层状体系理论方法计算。 L E p l 1 2 n当双层体系理论表面作用圆形垂直均布荷载时当双层体系理论表面作用圆形垂直均布荷载时(下下 图图)，由弹性双层状体系理论求

39、得上层底面的拉应力，由弹性双层状体系理论求得上层底面的拉应力， 其辐向应力与切向应力分别为：其辐向应力与切向应力分别为： 式中式中r与与t分别为辐向与切向弯拉应力系数，它们是分别为辐向与切向弯拉应力系数，它们是E0/El、 h/的函数，其表达式为含有贝塞尔函数和指数函数的的函数，其表达式为含有贝塞尔函数和指数函数的 广义积分。广义积分。 n在上层底面在上层底面r0处，处，t r，在，在r=0处，处，r=t，数，数 值最大。值最大。 tt rr p p n在双圆均布垂直荷载作用下，当双层体系面层厚度不在双圆均布垂直荷载作用下，当双层体系面层厚度不 太大太大(H/2)时，最大弯拉应力通常发生在面层

40、底面时，最大弯拉应力通常发生在面层底面 一个圆形荷载中心轴上（一个圆形荷载中心轴上（r=0,z=0）, (如图如图a)所示，所示， 其表达式为：其表达式为： n对于三层体系，在常用路面材料和厚度范围内，上层对于三层体系，在常用路面材料和厚度范围内，上层 底面的最大弯拉应力一般也产生在底面的最大弯拉应力一般也产生在z轴上轴上(r=0)或靠近或靠近 z轴，而中层底面的最大弯拉应力一般产生在轴，而中层底面的最大弯拉应力一般产生在r=1.5 处，处，(如图如图b)所示。所示。 n三层体系上层或中层的弯拉应力表达式也如三层体系上层或中层的弯拉应力表达式也如公式公式1， 此时此时r与与t是是E0/ E1、

41、E2/E1、h/及及H/的函数。的函数。 mm p 1.弯沉等效换算法弯沉等效换算法 n将多层体系按照弯沉相等的原则换算为双层体将多层体系按照弯沉相等的原则换算为双层体 系的方法称作等弯沉换算法。系的方法称作等弯沉换算法。 n当采用三层体系为计算体系时，需将多层体系当采用三层体系为计算体系时，需将多层体系 按照弯沉等效的原则换算为三层体系。按照弯沉等效的原则换算为三层体系。 n换算时将多层体系的第一层作为上层，其厚度换算时将多层体系的第一层作为上层，其厚度 和模量保持不变，将第和模量保持不变，将第2至至n-1层作为中层并把层作为中层并把 它们换算为第它们换算为第2层模量的等效厚度，再加上模层模

42、量的等效厚度，再加上模 量不变的下层半空间体，则得到一个弯沉等效量不变的下层半空间体，则得到一个弯沉等效 的三层体系的三层体系(见下图见下图)。 六、多层路面的等效换算六、多层路面的等效换算 n中层厚度的换算公式为：中层厚度的换算公式为： 2.弯拉应力等效换算法弯拉应力等效换算法 n当采用三层体系计算多层路面的结构层底部弯拉应当采用三层体系计算多层路面的结构层底部弯拉应 力时，需将多层路面按照拉应力相等的原则换算为力时，需将多层路面按照拉应力相等的原则换算为 含有上层、中层和下层半空间体的弹性三层体系。含有上层、中层和下层半空间体的弹性三层体系。 换算后使用三层体系相应层的弯拉应力计算诺模图换

43、算后使用三层体系相应层的弯拉应力计算诺模图 求算拉应力。求算拉应力。 4.2 2 1 3 2 / EEhhH k n k k n根据对电算结果的分析归纳得出计算上层和中层根据对电算结果的分析归纳得出计算上层和中层 弯拉应力的多层路面换算方法：弯拉应力的多层路面换算方法： 1)计算上层底面弯拉应力的换算方法计算上层底面弯拉应力的换算方法 n上层是指换算为三层体系之后的上层。当计算第上层是指换算为三层体系之后的上层。当计算第i 层底面的弯拉压力时，需将层底面的弯拉压力时，需将i层以上各层换算为模层以上各层换算为模 量量Ei、厚度、厚度h的一层即所谓上层，换算公式为：的一层即所谓上层，换算公式为：

44、n将将i+1层至层至n-1层换算为模量层换算为模量Ei+1、厚度为、厚度为H的一的一 层即中层，换算公式为：层即中层，换算公式为： 4 1 / ik i k k EEhh 9.0 1 1 1 / ik n ik k EEhH h1 E1 hi Ei hi+1 Ei+1 hn-1 En-1 En h Ei H Ei+1 En 多层体系弯拉应力换算图示多层体系弯拉应力换算图示 2)计算中层底面弯拉应力计算中层底面弯拉应力 n此时即为计算路基之上的此时即为计算路基之上的n-1层的弯拉应力，就是中层的弯拉应力，就是中 层为层为H=hn-1，而上层则为，而上层则为n-2层以上各层换算为模量层以上各层换算

45、为模量 En-2的换算厚度，换算公式为：的换算厚度，换算公式为： 4 2 2 1 / nk n k k EEhh 七、七、 轴载换算与累计当量轴次轴载换算与累计当量轴次 标准轴载计算参数标准轴载计算参数 当以设计弯沉为指标以及验算沥青层层底拉应当以设计弯沉为指标以及验算沥青层层底拉应 力时，凡轴载大于力时，凡轴载大于25KN的各级轴载（包括车辆的各级轴载（包括车辆 的前、后轴）的前、后轴）Pi的作用次数的作用次数ni ，均应按下式换，均应按下式换 算成标准轴载为算成标准轴载为P的当量作用次数的当量作用次数N。 标准轴载标准轴载BZZ-100标准轴载标准轴载BZZ-100 标准轴载标准轴载P/k

46、N100 单轮传压面当量圆直单轮传压面当量圆直 径径d/（cm） 21.3 轮胎接地压力轮胎接地压力p/MPa0.70两轮中心距（两轮中心距（cm）1.5d 式中：式中： 标准轴载的当量轴次（次标准轴载的当量轴次（次/日）；日）； 被换算车辆的各级轴载作用次数被换算车辆的各级轴载作用次数 （次（次/日）；日）； 标准轴载（标准轴载（kN）；）； 被换算车辆的各级轴载（被换算车辆的各级轴载（kN）；）； 4.35 12 1 k i i i P NCCn P N in P Pi 轴数系数，当轴间距大于轴数系数，当轴间距大于3m时，按单时，按单 独的一个轴载计算，但间距小于独的一个轴载计算，但间距小

47、于3m时，按双轴时，按双轴 或多轴计算，轴数系数或多轴计算，轴数系数 =1+1.2（m-1)，m 为轴数。为轴数。 轮组系数，单轮组为轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为，双轮组为1， 四轮组为四轮组为0.38； 被换算车辆的类型数。被换算车辆的类型数。 当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴 载大于载大于50kN的各级轴载（包括车辆的前后轴）的各级轴载（包括车辆的前后轴） 的作用次数的作用次数 ，均应按下式换算，均应按下式换算 2C 1C k Pi in 1C 换算成标准轴载换算成标准轴载P的当量作用次数的当量作用次数 。 式中：式中： 轴数系数，当轴间距

48、小于轴数系数，当轴间距小于3m的双轴或的双轴或 多轴，多轴， ，m为轴数；为轴数； 轮组系数，单轮为轮组系数，单轮为18.5，双轮组为，双轮组为1.0， 四轮组为四轮组为0.09。 设计车道上标准轴载在使用年限（设计车道上标准轴载在使用年限（t 年）内的累计作年）内的累计作 用次数用次数 ： N 8 12 1 k i i i P NCCn P 1 C 2 C 11 21Cm eN 136511 e N N 式中：式中： 为车道系数，可参照下表确定。为车道系数，可参照下表确定。 车道特征车道特征车道系数车道系数车道特征车道特征车道系数车道系数 单车道单车道1.0四车道四车道0.40.5 双车道双

49、车道 有分隔带有分隔带0.5六车道六车道0.30.4 无分隔带无分隔带0.60.7 八、八、 路基土回弹模量值的确定路基土回弹模量值的确定 （1）现场实测法）现场实测法 （2）查表法）查表法 （3）室内试验法）室内试验法 （4）换算法）换算法 九、新建路面结构设计步骤九、新建路面结构设计步骤 n新建沥青路面通常按以下步骤进行路面结构设计：新建沥青路面通常按以下步骤进行路面结构设计： 1.根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层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。和设计弯沉值。 2.按路基土

50、类与干湿类型，将路基划分为若干路按路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路 段段(在一般情况下路段长度不宜小于在一般情况下路段长度不宜小于500m，若为，若为 大规模机械化施工，不宜小于大规模机械化施工，不宜小于lkm)，确定各路段，确定各路段 土基回弹模量值。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。弹模量、抗拉强度

51、，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，应验算拉应力是否满足容材料的基层、底基层，应验算拉应力是否满足容 许拉应力的要求。许拉应力的要求。 n如不满足要求，或调整路面结构层厚度，或变更如不满足要求，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。限抗拉强度，再重新计算。 n对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，尚应对于季

52、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。验算防冻厚度是否满足要求。 n例例14-1 已知轮载已知轮载p=0.7MPa，双圆荷载的，双圆荷载的 直径直径d=21.3cm，双层连续体，双层连续体 系系,E0=50MPa，E1=200MPa，h=24cm。 试分别按查图法和简化公式方法以及弹性层试分别按查图法和简化公式方法以及弹性层 状体系理论计算双圆荷载轮隙中心处及相当状体系理论计算双圆荷载轮隙中心处及相当 单圆荷载中心处的弯沉值。单圆荷载中心处的弯沉值。 n解：查图法解：查图法 n按双圆荷载计算：按双圆荷载计算： n查查P359图图14-13得得 则弯沉值为：则弯沉值为：

53、 25. 0200/50/,25. 265.10/24/,65.10 10 EEhcm 435. 0 L cm E p l L 131. 044. 0 50 65.107 . 022 0 n例例14-2 已知轮载已知轮载p=0.5MPa，双圆荷载半径，双圆荷载半径 =9.75cm，三层连续体系的计算模量分别为，三层连续体系的计算模量分别为 E1=800MPa，E2=300MPa，E3=40MPa， 上层上层H1=6cm，中层，中层H2=16cm。试计算双圆。试计算双圆 荷载轮隙中心处的弯沉值。荷载轮隙中心处的弯沉值。 n 解：查图法解：查图法 615. 0 75. 9 6 ,375. 0 80

54、0 300 1 1 2 Hh E E n查查P360图图14-14得得=12.10 n又又 查图得查图得k1=0.52 n n查图得查图得k2=1.1 n弯沉值为：弯沉值为： 615. 0,13. 0 300 40 2 0 h E E 13.0,615.0,64.1 75.9 16 2 02 E EhHH cmkk E p l084. 01 . 152. 01 .12 800 75. 95 . 022 21 1 n例例14-3 甲乙两地之间计划修建一条四车道的甲乙两地之间计划修建一条四车道的 一级公路，在使用期内交通量的年平均增长率一级公路，在使用期内交通量的年平均增长率 为为10%。该路段处

55、于。该路段处于IV7区，为粉质土，稠度区，为粉质土，稠度 为为1.00，沿途有大量碎石集料，并有石灰供，沿途有大量碎石集料，并有石灰供 给。预测该路竣工后第一年的交通组成如表给。预测该路竣工后第一年的交通组成如表 14-15所示，试进行路面结构设计。所示，试进行路面结构设计。 n解：解：1)轴载分析轴载分析 n路面设计以双轮组单轴载路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载。为标准轴载。 n(1)以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉 应力中的累计当量轴次应力中的累计当量轴次 n轴载换算轴载换算 n轴载换算采用如下的计算公式：轴载换算采用如下的计算公式： n计

56、算结果计算结果如下表如下表所示。所示。 n累计当量轴次累计当量轴次 n根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年 限取限取15年，四车道的车道系数是年，四车道的车道系数是0.40.5， 取取0.45。 n累计当量轴次：累计当量轴次： 35. 4 1 21 k i i i P P nCCN 轴载换算结果表（弯沉）轴载换算结果表（弯沉） 车车 型型Pi（KN）C1C2ni（次（次/日）日） 三菱三菱T653B前轴前轴29.316.43009.2 后轴后轴48.01130012.3 黄河黄河JN163前轴前轴58.616.4400250.4 后轴后轴114.0114

57、00707.3 江淮江淮HF150前轴前轴45.116.440080.2 后轴后轴101.511400426.8 解放解放 SP9200 前轴前轴31.316.430012.3 后轴后轴78.031300305.4 湘江湘江HQP40后轴后轴73.221400205.9 东风东风EQ155前轴前轴26.516.44007.9 后轴后轴56.72.2140074.6 2092.3 35.4 21 P P nCC i i 35.4 2 1 1 P P nCCN i i k i 万次次10928 .10918939 1 . 0 45. 03 .209236511 . 0136511 15 1 NN

58、t e （2）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当 量轴次量轴次 n轴载换算轴载换算 n验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式 为：为： n计算结果计算结果如下表如下表所示。所示。 8 1 21 P P nCCN i k i i 轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力） 车车 型型PiC1C2ni 黄河黄河JN163 前轴前轴58.6118.5400102.9 后轴后轴114.0114001141.0 江淮江淮HF150后轴后轴101.511400450.6 解放解放SP9200后轴后轴

59、78.031300123.3 湘江湘江HQP40后轴后轴73.22140065.9 东风东风EQ155后轴后轴56.73140012.8 1896.5 8 21 P P nCC i i 8 2 1 1 P P nCCN i i k i n累计当量轴次累计当量轴次 n参数取值同上，设计年限是参数取值同上，设计年限是15年，车道系数取年，车道系数取 0.45。 n累计当量轴次：累计当量轴次： n2)结构组合与材料选取结构组合与材料选取 n由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计当由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计当 量轴次约为量轴次约为1092万次左右。根据规范推荐结构，并万次左右。

60、根据规范推荐结构，并 考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构 面层采用沥青混凝土面层采用沥青混凝土(15cm)，基层采用水泥碎石，基层采用水泥碎石(取取 25cm)，底基层采用石灰土，底基层采用石灰土(厚度待定厚度待定)。 万次次9909897132 1 . 0 45. 05 .189636511 . 0136511 15 1 NN t e n规范规定高速公路、一级公路的面层由二层至三规范规定高速公路、一级公路的面层由二层至三 层组成。查规范层组成。查规范 “沥青混合料类型的选择沥青混合料类型的选择(方孔方孔 筛筛)”，采用三层式沥青面层，