第十三章 柔性路面设计C

1、1 13-7 路面结构组合设计路面结构组合设计 路面结构层次的合理选择和安排路面结构层次的合理选择和安排，是整个路面结构，是整个路面结构 是否能在设计使用年限中承受行车荷载和自然因素的是否能在设计使用年限中承受行车荷载和自然因素的 共同作用，同时又发挥各结构层的最大效能，是整个共同作用，同时又发挥各结构层的最大效能，是整个 路面经济合理的关键。路面经济合理的关键。 在路面结构组合设计中，要遵循下列原则：在路面结构组合设计中，要遵循下列原则： 1 1、适应行车荷载作用的要求；、适应行车荷载作用的要求； 2 2、在各种自然因素作用下稳定性好；、在各种自然因素作用下稳定性好； 3 3、考虑各结构层的

2、特点；、考虑各结构层的特点； 2 一、适应行车荷载作用的要求一、适应行车荷载作用的要求 1 1、荷载种类、荷载种类：作用在路面上的行车荷载，通常包括垂直：作用在路面上的行车荷载，通常包括垂直 力和水平力。力和水平力。 路面在垂直力作用下，内部产生的应力和应变随深度向路面在垂直力作用下，内部产生的应力和应变随深度向 下而递减；下而递减； 水平力作用产生的应力、应变，随深度递减的速率更快；水平力作用产生的应力、应变，随深度递减的速率更快； 路面表面还同时承受车轮的磨耗作用。路面表面还同时承受车轮的磨耗作用。 因此要求：因此要求：路面路面面层面层应具有足够的强度和抗变形能力应具有足够的强度和抗变形能

3、力, , 在在其下各层其下各层的强度和抗变形能力可自上而下逐渐减小。的强度和抗变形能力可自上而下逐渐减小。 3 2 2、组合规律、组合规律：在进行路面结构组合时，各结构层应按照强：在进行路面结构组合时，各结构层应按照强 度和刚度自上而下递减的规律安排，度和刚度自上而下递减的规律安排，以使整个结构层材以使整个结构层材 料的效能得到充分发挥。料的效能得到充分发挥。 结构层结构层适宜厚度适宜厚度，沥青层沥青层推荐厚度。推荐厚度。 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0.30.3， 路基与基层或底基层的模量比宜为路基与基层或底基层的模量比宜为0.080.080.400.40。 按各结构

4、层的功能选择结构层次：按各结构层的功能选择结构层次： 面层：高强、耐磨、热稳定性好、不透水，选择粘结力强的面层：高强、耐磨、热稳定性好、不透水，选择粘结力强的 结合料和高强集料。结合料和高强集料。 基层：承重层，要有基层：承重层，要有足够强度、一定刚度和水稳定性足够强度、一定刚度和水稳定性，现在水，现在水 泥或石灰、粉煤灰。泥或石灰、粉煤灰。 路基：回弹模量路基：回弹模量30MPa（高速公路），其他公路（高速公路），其他公路25MPa,城城 市道路市道路20MPa 4 5 6 二、在各种自然因素作用下稳定性好二、在各种自然因素作用下稳定性好 1、如何保证沥青路面的水稳定性，是路面结构层选择与组

5、如何保证沥青路面的水稳定性，是路面结构层选择与组 和需要解决的重要问题。和需要解决的重要问题。 2 2、在季节性冰冻地区，当冻深较大，路基土为易冻胀土时，、在季节性冰冻地区，当冻深较大，路基土为易冻胀土时， 常常产生冻胀和翻浆。路面总厚度的确定，除满足强度常常产生冻胀和翻浆。路面总厚度的确定，除满足强度 外，还应满足防冻厚度的要求，外，还应满足防冻厚度的要求，路面最小防冻厚度路面最小防冻厚度。 3 3、在冰冻地区和气候干燥地区，无机结合料稳定土或粒料、在冰冻地区和气候干燥地区，无机结合料稳定土或粒料 基层常常产生收缩裂缝。基层常常产生收缩裂缝。 7 8 三、考虑各结构层的特点三、考虑各结构层的

6、特点 为了保证路面结构的整体性和结构层之为了保证路面结构的整体性和结构层之 间应力传递的连续性，应尽量使结构层间应力传递的连续性，应尽量使结构层 之间结合稳定。之间结合稳定。 9 总之，进行路面设计时，要按照总之，进行路面设计时，要按照面层耐久、基面层耐久、基 层坚实、路基稳定层坚实、路基稳定的要求，贯彻因地制宜、合的要求，贯彻因地制宜、合 理选材、方便施工、利于养护的原则，以及以理选材、方便施工、利于养护的原则，以及以 上结构组合原则，结合当地经验拟定几种路面上结构组合原则，结合当地经验拟定几种路面 结构方案，进行分析比较。结构方案，进行分析比较。 并并优先选用便于机械化施工和质量管理的方案

7、优先选用便于机械化施工和质量管理的方案， 做到技术先进，经济合理。做到技术先进，经济合理。 10 路面结构组合示例：路面结构组合示例： 公路名称公路名称沈大高速公路沈大高速公路沪宁高速公路沪宁高速公路广佛高速公路广佛高速公路 累计轴次（万次）180028001900 面层（cm）5中粒+5粗粒+5沥碎4中粒+6粗粒+6沥碎4中粒+5粗粒+6沥碎 基层（cm）20水泥砂砾（矿渣）30二灰碎石25水泥碎石 底基层（cm）1539砂砾（矿渣)30二灰土28水泥土 11 13-8 以弯沉为设计指标的路面结构厚度计算方法以弯沉为设计指标的路面结构厚度计算方法 我国现行柔性路面设计方法是我国现行柔性路面设

8、计方法是以双圆竖向均布荷载作用下以双圆竖向均布荷载作用下 的弹性层状体系理论的弹性层状体系理论，以路表弯沉值作为路面整体刚度的控制，以路表弯沉值作为路面整体刚度的控制 指标。对高等级路面（沥青混凝土面层、半刚性材料基层和底指标。对高等级路面（沥青混凝土面层、半刚性材料基层和底 基层）要基层）要验算层底拉应力验算层底拉应力；对常受水平荷载作用的停车站、交；对常受水平荷载作用的停车站、交 叉口等路段还要叉口等路段还要验算剪应力验算剪应力。 12 一、路面弯沉、拉应力的计算图式一、路面弯沉、拉应力的计算图式 A点是点是路表路表弯沉的计算点，位于双圆均布荷载的轮隙中间弯沉的计算点，位于双圆均布荷载的轮

9、隙中间 13 应力最大点在应力最大点在B和和C两点之间两点之间 可分别计算点可分别计算点B、D、C、E的应力，然后确定最大应力。的应力，然后确定最大应力。 14 弯沉值弯沉值的大小反映了路基路面的强弱，在相的大小反映了路基路面的强弱，在相 同车轮荷载作用下，路面的弯沉值愈大，则同车轮荷载作用下，路面的弯沉值愈大，则 路面抵抗弯沉变形的能力愈弱，反之则强。路面抵抗弯沉变形的能力愈弱，反之则强。 在达到相同程度的破坏时，弯沉值大小同该在达到相同程度的破坏时，弯沉值大小同该 路面的使用寿命即轮载累计重复作用次数成路面的使用寿命即轮载累计重复作用次数成 反比关系。反比关系。 二、容许弯沉与设计弯沉值二

10、、容许弯沉与设计弯沉值 15 1、路表弯沉的变化规律：、路表弯沉的变化规律： 路表面的弯沉变化过程分三个阶段：路表面的弯沉变化过程分三个阶段： 第一阶段：第一阶段：路面竣工后一、二年。由于交通的荷载的压密作用路面竣工后一、二年。由于交通的荷载的压密作用 以及半刚性基层材料的强度增长，以及半刚性基层材料的强度增长，路表弯沉逐渐减小路表弯沉逐渐减小，大致在，大致在 竣工后第二年达最小值。竣工后第二年达最小值。 第二阶段：第二阶段：路面竣工后两至四年。由于在交通荷载的充分作用、路面竣工后两至四年。由于在交通荷载的充分作用、 水温状况变化以及材料不均等因素影响下，水温状况变化以及材料不均等因素影响下，

11、路面结构内部的微路面结构内部的微 观缺陷因局部范围的应力集中而扩展，形成小范围的局部破损，观缺陷因局部范围的应力集中而扩展，形成小范围的局部破损， 使结构整体刚度下降、弯沉增加使结构整体刚度下降、弯沉增加。此阶段以。此阶段以弯沉不断增大弯沉不断增大为主为主 要特征。要特征。 16 第三阶段：第三阶段：路面竣工后三、四年至路面达路面竣工后三、四年至路面达极限破坏状态极限破坏状态。由于。由于 结构内部缺陷附近局部区域积蓄的结构内部缺陷附近局部区域积蓄的高密度能量高密度能量，已通过前阶段，已通过前阶段 缺陷的扩展而缺陷的扩展而转移，形成新的能量平衡转移，形成新的能量平衡，路面结构的整体刚度，路面结构

12、的整体刚度 达成达成较低水平的新的相对稳定较低水平的新的相对稳定，路表弯沉进入一个，路表弯沉进入一个比较稳定的比较稳定的 缓慢变化阶段缓慢变化阶段，即结构疲劳破坏的稳定发展阶段即结构疲劳破坏的稳定发展阶段，一直延续至，一直延续至 结构结构出现疲劳破坏出现疲劳破坏。 17 容许弯沉值的确切含义：容许弯沉值的确切含义：路面在路面在使用期末的使用期末的 不利季节不利季节，在设计标准轴载作用下，在设计标准轴载作用下容许连续容许连续 出现的最大弯沉值出现的最大弯沉值。 容许弯沉值与容许弯沉值与累积当量轴次累积当量轴次的关系式如下：的关系式如下： 2、容许弯沉与设计弯沉的含义：、容许弯沉与设计弯沉的含义：

13、 18 19 路面设计弯沉值是根椐设计年限内每个车道通过路面设计弯沉值是根椐设计年限内每个车道通过 的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型确的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型确 定的，相当于定的，相当于路面竣工后第一年不利季节路面竣工后第一年不利季节、路面、路面 在标准轴载在标准轴载100KN作用下作用下，测得的最大弯沉值。，测得的最大弯沉值。 路面设计弯沉值的计算公式如下：路面设计弯沉值的计算公式如下： bsced AAAN 2 . 0 600 20 21 L ss F 弯沉综合修正系数：弯沉综合修正系数： 通常理论弯沉值与实测弯沉值之间存在一定的偏差。原通常理论弯沉值与实测弯沉值之

14、间存在一定的偏差。原 因为路面材料并非线弹性体，为此引入一修正系数因为路面材料并非线弹性体，为此引入一修正系数F: 论弯沉系数；分别为理论弯沉值和理 L , 际弯沉系数；分别为实际弯沉值和实 ss , 36. 0 0 38. 0 )() 2000 (63. 1 p E F s 由大量试验得，综合修正系数由大量试验得，综合修正系数F同路面实际弯沉值、路基同路面实际弯沉值、路基 回弹模量值及轮载参数（回弹模量值及轮载参数（p、）有关。）有关。 22 F E p F E p LL 1 s 0 s 2 1000 2 1000 或 由此，弹性三层体系表面的弯沉值为：由此，弹性三层体系表面的弯沉值为： 2

15、3 三、标准轴载与轴载换算三、标准轴载与轴载换算 路面设计时使用路面设计时使用累计当量轴次累计当量轴次的概念。的概念。 我国路面设计以双轮组单轴载我国路面设计以双轮组单轴载l00kN为标准轴载，以为标准轴载，以 BZZ-100表示。表示。标准轴载的计算参数标准轴载的计算参数。 当把各种轴载换算为标准轴载时，为使换算前后轴载对当把各种轴载换算为标准轴载时，为使换算前后轴载对 路面的作用达到相同的效果，应该遵循原则：换算以达路面的作用达到相同的效果，应该遵循原则：换算以达 到到相同的临界状态相同的临界状态为标准；为标准； 24 25 当以当以设计弯沉值为设计指标设计弯沉值为设计指标及及沥青面层层底

16、拉应力沥青面层层底拉应力 验算验算时，凡轴载大于时，凡轴载大于25kN的各级轴载的各级轴载Pi的作用次的作用次 数数ni，按公式换算成标准轴载按公式换算成标准轴载P的当量作用次数的当量作用次数N 35. 4 1 21 P P nCCN i k i i 26 27 当进行当进行半刚性基层层底拉应力验算半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载时，凡轴载大于大于50kN的的 各级轴载各级轴载Pi的作用次数的作用次数ni，按公式换算成标准轴载按公式换算成标准轴载P的当量作的当量作 用次数用次数N : C 1轴数系数，轴数系数， C1=1+2(m-1), m是轴数。是轴数。 C 2轮组系数，单轮组为轮组系数，

17、单轮组为1.85，双轮组为，双轮组为1.0，四轮组为，四轮组为 0.09。 8 1 21 P P nCCN i k i i 28 在在设计年限内设计年限内一个车道上一个车道上累计当量轴次累计当量轴次N Ne可参照下式计算：可参照下式计算： 或 1 365 1)1( NN t e t t t e NN 1 1 365 1)1( ）（ N Ne ：设计年限内一个车道上累计当量轴次（次）；设计年限内一个车道上累计当量轴次（次）； t t：设计年限设计年限(a)； N N1 ：路面竣工后第一年的平均日当量轴次（次路面竣工后第一年的平均日当量轴次（次/d） ； N Nt ：设计年限最后一年的平均日当量轴

18、次（次设计年限最后一年的平均日当量轴次（次/d） ； ：设计年限内交通量的平均年增长率（以小数计）设计年限内交通量的平均年增长率（以小数计） ； ：车道系数，车道系数， 累计当量轴次累计当量轴次Ne 29 四、路基回弹模量值的确定四、路基回弹模量值的确定 弹性理论中表征材料性质的参数是弹性理论中表征材料性质的参数是弹性模量和泊松比弹性模量和泊松比。 在应用弹性层状体系理论进行路面计算时，必须确定路在应用弹性层状体系理论进行路面计算时，必须确定路 基土和路面材料的弹性模量值。基土和路面材料的弹性模量值。 工程上通常确定路基土和路面材料回弹模量采用工程上通常确定路基土和路面材料回弹模量采用承载板承

19、载板 试验试验或弯沉测定的方法值，并将这种回弹模量作为弹性或弯沉测定的方法值，并将这种回弹模量作为弹性 模量。模量。 确定路基回弹模量确定路基回弹模量E0的常用方法有以下几种：的常用方法有以下几种： 现场现场实测法、查表法、换算法实测法、查表法、换算法 、室内实验法、室内实验法 承载板试验承载板试验 在路基表面，用承载板采用逐级加载、在路基表面，用承载板采用逐级加载、 卸载的方法，测出每级荷载相应的回弹卸载的方法，测出每级荷载相应的回弹 变形值，通过计算确定路基回弹模量。变形值，通过计算确定路基回弹模量。 30 31 1、现场实测法现场实测法 现场实测法是在现场实测法是在不利季节不利季节，采用

20、刚性承，采用刚性承 载板直接在现场路基上实测载板直接在现场路基上实测E0。 用大型承载板测定路基用大型承载板测定路基00.5mm（路基路基 软弱时测至软弱时测至lmm）的变形压力曲线，按的变形压力曲线，按 下式计算土基回弹模量。下式计算土基回弹模量。 32 )1.(. 4 1000 2 00 i i L p D E E0路基回弹模量，路基回弹模量，MPa； 0土的泊松比，取土的泊松比，取0.35； D承载板直径，承载板直径，30cm； pi承载板压力，承载板压力， MPa ； Li相应于荷载时的回弹变形值，相应于荷载时的回弹变形值，0.01mm。 33 0 2 0 0 0 )1.( 2 100

21、0 L P E L 弯沉仪测定弯沉仪测定时：时： P、测定车单轮轮载接地压强测定车单轮轮载接地压强(MPa)与与 当量圆半径，当量圆半径，cm； L0轮系中心处的弯沉值，轮系中心处的弯沉值，0.01mm 0均匀体弯沉系数，取均匀体弯沉系数，取0.712。 34 弯沉仪弯沉仪 将弯沉仪置于稳定的平台上，测头置于压力机的将弯沉仪置于稳定的平台上，测头置于压力机的 下承台上，安置百分表，并于测头处置下承台上，安置百分表，并于测头处置一百分表一百分表( 用以测量下承压台的位移用以测量下承压台的位移)，启动压力机，使承压，启动压力机，使承压 台微升（或下降）同时读记弯沉仪和测头处百分台微升（或下降）同时

22、读记弯沉仪和测头处百分 表读数，表读数，计算出位移值计算出位移值，量值范围，量值范围0.2-4.0mm，每，每 次测定应反复次测定应反复5次，精度在次，精度在0.02mm内。内。 35 回弹模量设计值的计算回弹模量设计值的计算 100 / )(KSZEE as Eos某路段路基回弹模量设计值。某路段路基回弹模量设计值。 Eo 、S分别为该路段实测路基回弹模量平均值与分别为该路段实测路基回弹模量平均值与 标准差。标准差。 Za保证率系数，保证率系数， 高速公路、一级公路为高速公路、一级公路为2， 二、三级公路为二、三级公路为1.648，四级公路为，四级公路为1.5。 K1 不利季节影响系数，可根

23、据当地经验选用。不利季节影响系数，可根据当地经验选用。 36 2、查表法、查表法 1）确定临界高度）确定临界高度 临界高度临界高度指在不利季节，路基分别处于干燥、中湿或指在不利季节，路基分别处于干燥、中湿或 潮湿状态时，潮湿状态时，路床路床表面距地下水位或地表积水水位的表面距地下水位或地表积水水位的 最小高度。最小高度。 2）拟定土的平均稠度）拟定土的平均稠度 在新建公路的初步设计中，因无法实测求得的平均稠在新建公路的初步设计中，因无法实测求得的平均稠 度，可根据路基临界高度，判断各路段土基的干湿类度，可根据路基临界高度，判断各路段土基的干湿类 型，利用型，利用表表14-7和和14-8论证得到

24、各路段上的平均稠度论证得到各路段上的平均稠度 值。值。 3）预测土基回弹模量预测土基回弹模量 路床路床 路面结构层以下路面结构层以下0.8m范围内的路基部分，在结构上分范围内的路基部分，在结构上分 为上路床（为上路床（00.30m）和下路床（）和下路床（0.30m0.80m）。）。 37 路基部位 填料最小强度填料最大粒 径 （cm） 高级路面其他路面 上 路 床 （ 0 30cm） 8610 下路床（30 80cm） 5410 上路堤（80 150cm） 4315 下路堤 (150cm） 3215 38 39 40 41 3、换算法、换算法 根据路基稳定含水量及根据路基稳定含水量及压实度压实

25、度Kh（或或K1），），可得到相应的可得到相应的 土基回弹模量土基回弹模量E0值。值。 土基野外和室内土基野外和室内E0与压实度与压实度K（重型重型Kh 、轻型轻型K1 ）、）、c 的的试验关系式试验关系式。 土基野外与土基野外与室内室内CBR与与E0的关系的关系。 CBR(California bearing ratio) 是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方 法。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用法。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用 高质量标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百

26、分数表示高质量标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBR 值。值。 42 压实度压实度 指的是土或其他筑路材料压实后的指的是土或其他筑路材料压实后的干密度干密度与与标准最大干密标准最大干密 度度之比，以百分率表示。之比，以百分率表示。 干密度干密度指指土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度，即土的孔隙中完全没有水时的密度，称干密度，即 ：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。：固体颗粒的质量与土的总体积之比值。 标准最大干密度标准最大干密度指的是按照标准指的是按照标准击实试验击实试验方法，土或其他方法，土或其他 筑路材料在最佳含水量时得到的干密度。筑路材料在最佳含水量时得到的干密度。 43 44 45 五、路面材料设计参数值五、路面材料设计参数值 材料模量值是材料模量值是表征材料刚度特性的指标表征材料刚度特性的指标。目前我国常用的路。目前我国常用的路 面材料设计方法有压缩试验、劈裂试验、弯拉试验。面材料设计方法有压缩试验、劈裂试验、弯拉试验。 设计时采用设计时采用何种试验及其模量值何种试验及其模量值应考虑下列因素：应考虑下列因素： 1)测试方法简便，结果稳定；测试方法简便，结果稳定； 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；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，应较好的与设计方法相匹配，模量值和强度用于