基路面工程沥青路面设计下PPT课件

1、第1 14 4章 沥青路面设计 第一节概述 第二节弹性层状体系理论简介 第三节沥青路面结构组合设计 第四节 国内沥青路面设计方法 第五节 国外沥青路面设计方法简介第1页/共36页学习要点 重点掌握国内沥青路面组合设计的基本步骤、基本计算公式和设计指标标准； 掌握沥青路面结构组合设计基本原则； 了解道路层状体系理论； 了解国外沥青路面设计方法。第2页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 1.沉陷破坏结构性车辙一、沥青路面破坏状态与设计标准路面结构层路面结构层路基路基路基过度变形路基过度变形层底拉裂层底拉裂面层拉裂面层拉裂破坏原因：土基承载力不足轮载作用下过度变形破坏形式：轮载下表面产生严重

2、凹陷，凹陷两侧隆起，沉陷继续发展，形成路面纵向裂缝甚至网裂控制指标：路基表面垂直应力或垂直应变控制标准：z0 z0或z0 z0第3页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 2.车辙破坏失稳型车辙一、沥青路面破坏状态与设计标准路面结构层路面结构层路基路基面层面层永久永久变形变形边沿拉裂边沿拉裂面层拉裂面层拉裂破坏原因：轮载下基层永久变形或面层高温侧向位移破坏形式：轮载下表面产生纵向带状凹陷两侧微隆起，车轮外侧有微裂缝控制指标：结构层残余变形总和（车辙深度）控制标准：lre lre第4页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 3.疲劳开裂破坏一、沥青路面破坏状态与设计标准疲劳裂缝疲劳裂缝h

3、 h1 1h h2 2h hi ih hn n面层面层基层基层底基层底基层垫层垫层x xy yo路基路基m疲劳裂缝疲劳裂缝裂缝发展方向裂缝发展方向破坏原因：轮载反复作用结构层承受反复弯拉应力作用，超过疲劳强度破坏形式：横向开裂逐步发展形成网裂控制指标：结构层底弯拉应力或拉应变控制标准：r R或r R第5页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 4.表面剪切破坏推移（拥包）一、沥青路面破坏状态与设计标准h h1 1h h2 2h hi ih hn n面层面层基层基层底基层底基层垫层垫层路基路基mF Fx xF Fy y剪切推移剪切推移剪切推移剪切推移破坏原因：轮载水平力反复作用面层发生剪切破

4、坏破坏形式：表面发生波浪形式的变形，表面剪切推移的结果控制指标：面层抗剪强度控制标准：max R第6页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 5.低温缩裂破坏一、沥青路面破坏状态与设计标准x xh h1 1h h2 2h hi ih hn n面层面层基层基层底基层底基层垫层垫层y yo路基路基m温缩裂缝温缩裂缝裂缝发展方向裂缝发展方向温缩裂缝温缩裂缝温度骤降温度骤降破坏原因：环境温度降低温度应力超过抗拉强度破坏形式：有间隔的横向开裂控制指标：温度应力控制标准：rt RT第7页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 1.路面主要破坏类型变形破坏：轮载反复作用下累积变形不断发展而破坏强度破

5、坏：结构层内或层间应力超过材料强度而破坏二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（一）主要破坏形式及对应控制指标 2.路面设计控制指标控制变形（刚度要求）：路表回弹弯沉控制应力（强度要求）：层底拉应力第8页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 1.路表回弹弯沉概念 设计标准轴载作用下垂直方向的回弹变形总位移。二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（二）路表回弹弯沉指标及设计标准 2.路表弯沉组成 A.路面结构层垂直回弹变形,占总变形90%; h h1 1h h2 2h hi ih hn nE E1 1, ,1 1E E2 2, ,2 2E Ei i, ,i iE En n, ,n nx

6、 xy y oE E0 0, ,0 0lsmh h1 1h h2 2h hi ih hn nE E1 1, ,1 1E E2 2, ,2 2E Ei i, ,i iE En n, ,n nx xy y oE E0 0, ,0 0lsm第9页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（二）路表回弹弯沉指标及设计标准 3.选用原因可表征路面整体刚度弱强可表征路基工作状况。与路面使用寿命具有紧密关系可简单地用贝克曼梁量测。第10页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 4.弯沉设计标准二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（二）路表弯沉指标及设计标准根据

7、大量路面弯沉测定，交通量调查，数据分析整理，获得沥青路面弯沉标准与累积交通量的相关关系;经过反复测试与验证，得到路面弯沉设计标准计算公式ld=600Ne-0.2AcAsAbld:设计弯沉值，单位0.01mm Ab:基层类型系数，对半刚性基层=1.0；柔性基层=1.6;对于混合式基层采用线性内插确定基层类型系数 Ab=(HF+2)/20， HF半刚性基层或底基层之上柔性结构层总厚度（cm）第11页/共36页淮盐高速路面结构组合设计淮安盐城高速公路路面结构设计弯沉细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石24cm？水泥稳定碎石63cm 水泥稳定碎石63cm 级配碎石15cm土 基细粒

8、式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土8cm？水泥稳定碎石34cm 水泥稳定碎石34cm 二灰土20cm土 基细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石12cm级配碎石15cm？水泥稳定碎石32cm 水泥稳定碎石32cm 水泥稳定碎石20cm细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石10cm？水泥稳定碎石35cm 水泥稳定碎石35cm 级配碎石20cm土 基土 基柔性路面柔性路面半刚性基层沥青路面半刚性基层沥青路面夹层式组合基层沥青路面夹层式组合基层沥青路面组合基层沥青路面组合基层沥青路面 双向四车道高速公路：Ac=1.0；沥青混凝土面层，As=1

9、.0;设计年限15年内弯沉与沥青层底拉应力验算Ne=2.87107次，Ab=(4+6+10+2)/20=1.1ld=600Ne-0.2AcAsAb =600 (2.87107) -0.2 1.0 1.0 1.1 =21.28 0.01mm第12页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 1.层底拉应力概念 设计标准轴载作用下路面结构层层底处于受拉状态的水平向正应力二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（三）层底拉应力指标及设计标准 2.结构层拉应力分析 A.半刚性基层路面，沥青层底主要承受压应力，半刚性基层或底基层承受拉应力，并起主要控制作用; B.柔性基层或组合基层路面，基层柔性材料不承

10、受拉应力，沥青面层层底承受拉应力，并起主要控制作用; h h1 1h h2 2h hi ih hn nE E1 1, ,1 1E E2 2, ,2 2E Ei i, ,i iE En n, ,n nx xy y oE E0 0, ,0 0lsmh h1 1h h2 2h hi ih hn nE E1 1, ,1 1E E2 2, ,2 2E Ei i, ,i iE En n, ,n nx xy y oE E0 0, ,0 0lsm第13页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（三）层底拉应力指标及设计标准 3.选用原因沥青路面主要强度破坏形式即为层底

11、拉应力疲劳破坏，层底拉应力可用于表征个别结构层发生的极限破坏状态；例如：半刚性基层沥青路面基层出现严重的松散，路面发生结构破坏现象。原因：基层产生过大拉应力而造成基层疲劳开裂，进而导致沥青路面失去整体性。第14页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 4.层底容许拉应力二、我国沥青路面设计规范中设计指标的选定（三）层底拉应力指标及设计标准 容许拉应力：路面承受行车反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力; 容许拉应力R（最大疲劳应力）极限抗拉强度sp（如劈裂强度、弯拉强度）经过大量验证研究，得到R与sp的关系式：R= sp / KsKs:抗拉强度结构系数。不同结构层Ks计算公式v沥青混凝土

12、层： Ks 0.09Ne0.22/Acv无机结合料稳定集料层二灰碎石： Ks 0.35Ne0.11/Acv无机结合料稳定细粒土层二灰土： Ks 0.45Ne0.11/Ac第15页/共36页淮盐高速路面结构组合设计淮安盐城高速公路路面结构容许拉应力沥青混凝土Ks 0.09Ne,A0.22/Ac =0.09(2.87107) 0.22 / 1.0 =3.93细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石24cm？水泥稳定碎石63cm 水泥稳定碎石63cm 级配碎石15cm土 基细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土8cm？水泥稳定碎石34cm 水泥稳定碎石34cm

13、二灰土20cm土 基细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石12cm级配碎石15cm？水泥稳定碎石32cm 水泥稳定碎石32cm 水泥稳定碎石20cm细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石10cm？水泥稳定碎石35cm 水泥稳定碎石35cm 级配碎石20cm土 基土 基柔性路面柔性路面半刚性基层沥青路面半刚性基层沥青路面夹层式组合基层沥青路面夹层式组合基层沥青路面组合基层沥青路面组合基层沥青路面Ks 0.35Ne,B0.11/Ac =0.35(1.53107) 0.11 / 1.0 =2.16Ks 0.45Ne,B0.11/Ac =0.45(1.53107)

14、0.11 / 1.0 =2.78水泥稳定碎石二灰土 设计年限15年内弯沉与沥青层底拉应力验算Ne,A=2.87107次;设计年限15年内半刚性基层层底拉应力验算Ne,B=1.53107次第16页/共36页淮盐高速路面结构组合设计淮安盐城高速公路路面结构容许拉应力细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石24cm？水泥稳定碎石63cm 水泥稳定碎石63cm 级配碎石15cm土 基细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土8cm？水泥稳定碎石34cm 水泥稳定碎石34cm 二灰土20cm土 基细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石12cm级配碎石1

15、5cm？水泥稳定碎石32cm 水泥稳定碎石32cm 水泥稳定碎石20cm细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石10cm？水泥稳定碎石35cm 水泥稳定碎石35cm 级配碎石20cm土 基土 基柔性路面柔性路面半刚性基层沥青路面半刚性基层沥青路面夹层式组合基层沥青路面夹层式组合基层沥青路面组合基层沥青路面组合基层沥青路面材料类型材料类型劈裂强度劈裂强度/MPa容许拉应力容许拉应力/MPaAK-131.400.36AC-201.000.25AC-250.800.20水泥稳定碎石水泥稳定碎石0.500.23二灰土二灰土0.200.07第17页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方

16、法 两个设计指标构成的方程式 设计弯沉 ld：lsld 容许拉应力R ： m R 两式同时满足时，设计层的厚度即为最终设计厚度 不能同时满足时，调整设计层厚度、材料类型或层位三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（一）厚度设计验算方程式第18页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（二）路表弯沉ls计算 1.路表弯沉ls计算公式： ll为理论计算值，可以通过计算软件如Bisar计算得到理论弯沉系数理论弯沉系数102312121,nncEEEEEEhhhf36. 0038. 0)()2000(63. 1pElFS弯沉综合修正系数：弯沉综合修正系数：l l

17、s s单位为单位为0.010.01mmmm；单位为单位为cmcmFlFEpllcs12100036. 0038. 0)()2000(63. 1pElFSFlFEpllcs121000)62. 0/1(36. 00200063. 12000pEllls路表弯沉路表弯沉最终最终计算公式计算公式第19页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（二）路表弯沉ls计算 2.路表弯沉ls修正原因： 弹性层状体系理论弯沉计算基于大量假设条件 实际情况下基层或土基的模量、材料特性和参数等方面与理论假设存在差异 理论计算结果与实际弯沉存在误差，因此必须修正36. 0038

18、. 0)()2000(63. 1pElFSFlFEpllcs121000)62. 0/1(36. 00200063. 12000pEllls路表弯沉路表弯沉最终最终计算公式计算公式第20页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （二）路表弯沉ls计算 3.路表弯沉验算位置 只需验算两轮轮隙中心位置A点h h1 1h h2 2h hi ih hn nE E1 1,1 1E E2 2,2 2E Ei i,i iE En n,n np=p=0.707MPa0.707MPax xy y 3=3=0.3195m0.3195mAE E0 0,0 0lsr=3/2

19、=r=3/2=10.975cm10.975cmr rA A第21页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（二）路表弯沉ls计算)62. 0/1(36. 00200063. 12000pEllls 4.路表弯沉 ls简单算例v 当量荷载圆半径 单位为10.65cm,Bisar计算得到A点理论弯沉ll为39.40.01mm，土基回弹模量E0=36MPa，标准轴载胎压p=0.707MPa，试计算路表弯沉 ls )01. 0(94.17707. 03665.1020004 .3963. 165.102000)62. 0/1(36. 0mmls第22页/共36页

20、第4 4节 国内沥青路面设计方法三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（三）结构层层底拉应力m计算 1.结构层层底拉应力m计算公式：其中，p为轮胎压力mmp 理论最大拉应力系数理论最大拉应力系数).,;.,(102312121nnmEEEEEEhhhf 结构层层底拉应力m可以采用计算软件（如Bisar）计算，弹性层状体系计算获得的层底拉应力无需再次修正第23页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法 三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数 （三）结构层层底拉应力m计算h h1 1h h2 2h hi ih hn nE E1 1,1 1E E2 2,2 2E Ei i,i iE En n,n

21、np=p=0.707MPa0.707MPax xy y 3=3=0.3195m0.3195mAE E0 0,0 0mCCCr=3/2=r=3/2=10.975cm10.975cmr rA(C)A(C)B B 2.层底拉应力验算位置 两轮轮隙中心下层底位置C点 单圆圆中心下层底位置B点v 验算各层最大值拉应力第24页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（四）结构层设计参数 1.路基回弹模量E0： (1)现场测定法（参见书P393-394）v 刚性承载板法v 落锤弯沉仪法 (2)室内试验法（参见书P398）v 最佳含水量下小型承载板测得E0v 根据土基稠

22、度，获得不利季节折减系数 (3) 换算法（参见书P398）v 根据现场测定或室内试验，获得E0相关的经验公式v 根据经验公式计算回弹模量E0第25页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（四）结构层设计参数 1.路基回弹模量E0： (4)查表法临界高度法确定平均稠度v 确定临界高度H1 、 H2 与 H3（可查表1-9）v 根据H0与临界高度关系（表14-10） 确定路基干湿状态v 根据路基干湿状态稠度建议值，拟定土的平均稠度v 根据自然区划,土质类型,平均稠度预估路基回弹模量H H0 0H H1 1H H2 2H H3 3w wc cw wc3c3w

23、 wc2c2w wc1c1路床顶部路床顶部地下水位地下水位第26页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（四）结构层设计参数 2.结构层回弹模量Ei试验方法确定 为适应不同设计指标对应的最不利环境温度： （1）以弯沉为设计或验算指标时，采用20oC的抗压回弹模量 （2）以沥青层或半刚性材料结构层为设计或验算指标时，采用15oC的弯拉回弹模量 参考沥青路面设计规范JTGD50-2004 （3）无结合料结构层（如级配碎石）只采用抗压回弹模量第27页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法三、路面结构厚度设计之方程式与设计参数（四）结构层设计参数 3.结构

24、层材料弯拉极限强度sp试验方法确定 （1）弯拉极限强度可采用15oC的劈裂强度 （2）劈裂强度采用间接拉伸（劈裂）试验测定 参考沥青路面设计规范JTGD50-2004第28页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法四、新建路面厚度设计步骤（一）设计弯沉与容许弯拉应力计算 2.容许弯拉应力R： R= sp / Ks沥青混凝土层： Ks 0.09Ne0.22/Ac无机结合料稳定集料层二灰碎石： Ks 0.35Ne0.11/Ac无机结合料稳定细粒土层二灰土： Ks 0.45Ne0.11/Ac 1.设计弯沉ld： ld=600Ne-0.2AcAsAb Ac、As取值参见书P390；Ab（基层类型系数

25、）参见沥青路面设计规范JTG-D50-2004，柔性基层Ab =1.6，半刚性基层Ab =1.0，组合基层Ab =(HF+2)/20 HF：半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚度（cm） 第29页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法四、新建路面厚度设计 （二）确定土基回弹模量E0 （三）制定路面结构组合方案 拟定路面结构组合方案、设计层及其试算厚度 测定设计参数Ei和sp （四）计算路表弯沉ls和结构层层底拉应力m （五）验算设计指标与设计标准，确定结构层厚度 取同时满足两种设计指标的设计层厚度为最终厚度 （六）季节性冰冻地区进行防冻层厚度验算 （七）技术经济分析，选定最佳路面结构方案第3

26、0页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法四、新建路面厚度设计内容根据Ne计算公式不同划分1.表面弯沉设计指标验算1365 1)1(NNte)62. 0/1(36. 00200063. 12000pEllls35. 4211)(PPnCCNiiKi* * * *根据新规范（根据新规范（JTGD50-2006JTGD50-2006）要求：要求：各级轴载（各级轴载（包括包括P P 40kN40kN或或P25kNP25kN）都要求进行当量轴载换算。都要求进行当量轴载换算。 (1)轴载换算Ne采用公式 (2)设计弯沉计算公式： ld=600Ne-0.2AcAsAb (3)弹性层状体系表面弯沉理论值

27、ll计算（各结构层采用20 oC的抗压回弹模量） (4)理论弯沉修正获得ls： (5)表面弯沉验算： ls ld?第31页/共36页第4 4节 国内沥青路面设计方法四、新建路面厚度设计注意事项2.沥青层层底拉应力设计指标验算1365 1)1(NNte35. 4211)(PPnCCNiiKi* * * *根据新规范（根据新规范（JTGD50-2006JTGD50-2006）要求：要求：各级轴载（各级轴载（包括包括P P 40kN40kN或或P25kNP25kN）都要求进行当量轴载换算。都要求进行当量轴载换算。 (1)轴载换算Ne采用公式 (2)容许拉应力计算公式： R= sp / Ks沥青混凝土层： Ks 0.09Ne0.22/Ac (3)弹性层状体系计算沥青层层底拉应力m（各结构层采用15 oC的抗压回弹模量） (4)容