第七章 沥青铺面结构设计

1、第七章 沥青铺面结构设计一、 引言1、 路面设计方法不过是对一些基本知识的集成，对路面理解的不同获侧重点的不同，可以有不同的集成方法，从而得到了不同的设计方法2、 任何一个设计过程虽然强调的是计算过程，但计算只是设计过程的一部分，不能将设计理解为计算，虽然定量的计算是必不可少的3、 除了计算以外，许多重要的设计内容都是以原则、准则等定性或半定性的方式给出的，这同样是设计的内容，同样是十分重要的。对高等级公路设计而言，这种准则尤为重要。这些准则与定量计算类似，也是必须满足的条件4、 理解设计方法l 路面设计不能解决道路使用中所遇到的所有问题，只是正常情况下遇到的普遍存在的问题，其他问题的解决还依

2、赖于道路整体设计中对路面的考虑l 路面结构设计方法中考虑的因素也是有限的，许多因素需要通过构造设计来解决，这体现了多样性l 材料因素对路面性能的影响是很大的，但结构设计时只考虑了力学参数，这是不够的，尤其对高速公路l 满足设计要求不是充分条件，只是必要条件。我们需要举一反三，但在工程设计中必须慎重l 随着情况的越发复杂，对问题和设计方法的理解应该是与时俱进的5、目前的设计方法根据其建立方法的不同可以分为几类l 经验法如CBR法，AASHTO法l 理论法SHELL法，AI法，我国方法l 基于性能的方法SHRP方法另一种更科学的分类方法l 经验法如早期的CBR法l 经验-分析法AASHTO法、末期

3、的CBR法l 分析-经验法SHELL法，AI法，我国方法l 基于性能的方法SHRP等6、大部分路面设计过程都可以归结为以下流程Monismith的传统流程我们提出的基于性能的最新流程环境因素材料来源环境系数材料选择土基状况交通参数材料特性设计结构组合设计力学和行为模型生成厚度设计道路等级：性能要求经济模型、标准总造价最小的优化结果总费用最小的优化结果面层厚度组合设计面层材料组成设计面层功能要求抗变形、疲劳要求输出完整的设计结果施工考虑输入概念设计：初期损坏考虑详细设计：厚度设计，经济优化，早期损坏考虑材料设计：耐久性、功能性、初期损坏考虑输出基层、垫层材料设计二、路面损坏分析与设计考虑1、路面

4、损坏分析路面的损坏可分为几种类型，即开裂类（疲劳裂缝、反射裂缝、低温裂缝）、变形类（车辙、沉陷）和表面损坏类（松散、坑槽、泛油）。l 疲劳裂缝荷载重复作用造成路面材料的疲劳，进而产生开裂，形成龟纹状的开裂。l 反射裂缝和低温开裂l 车辙沿轮迹带的狭长形凹陷。造成车辙的主要原因是混合料的高温稳定性相对于交通量而言不足，是塑性变形的累积，渠化交通和雨水的作用将加剧这种趋势。l 沉陷路面表面的局部凹陷，水文状况差、材料水稳定性差或局部压实不足所造成。l 波浪，拥包l 坑槽l 松散l 泛油2、 设计指标路面损坏的类型具有多样性，不同的损坏类型产生的原因和产生的后果各不相同，所以在设计中应该考虑不同因素

5、的影响，采用多种设计指标控制路面的不同损坏。这也是路面设计的主要特点之一。上述各类常见损坏类型中，一些是结构性损坏，一些与荷载的重复作用有直接的关系，还有一些与荷载的重复作用或与路面结构的关系不大。前两类损坏如疲劳开裂、车辙，后者如泛油、松散、温度裂缝等。在传统的路面结构设计中，主要考虑前两类，其他问题则通过材料设计、材料选择以及其他相关的设计手段加以避免。在结构设计中考虑的主要因素包括疲劳开裂和车辙；低温开裂、泛油、松散等损坏类型则在材料设计时考虑。实际上，我国的设计方法中，车辙也是在材料设计中考虑的。三、路面结构组合设计1、 轻交通中交通（<1000万ESAL）时的结构组合设计原则l

6、 按照道路等级和交通要求选择面层等级和类型n 路面的等级：高级路面、次高级路面、中级路面、低级路面n 高速及一、二级公路应采用高级路面，交通量较小时，二级公路也可以采用次高级路面，三级以下的公路采用次高级或中低级路面。交通量较大时，三级公路也可以采用高级路面。n 高级路面还包括水泥混凝土路面（P175）n 表中的热拌沥青碎石目前最好不要使用，不适用于高级路面类型，这是早期的分类n 二级公路一般情况下应该采用高级路面，除非交通量较小；实际上，目前许多二级路的交通量是非常繁重的l 按各结构层的功能选择结构层次n 高级路面一般应设计成两层，即磨耗层和联接层磨耗层垫层基层面层路基联结层上基层下（底）基

7、层上垫层下垫层n 次高级路面可以做成单层，也可以多层。表中沥青上拌下贯式指表层为拌和式表处，下层为贯入式n 贯入式路面单层的最大厚度为6cm，双层最大厚度为8cm。贯入式上面设一层表处是一种好的结构组合n 基层要有足够的强度、刚度和水稳定性l 按各结构层的应力分布特性n 从路面表面到下部，材料的抗力（强度和刚度）可以递减，因为应力分布如此n 相邻层次之间的模量比不宜太大，以减少疲劳裂缝或反射裂缝n 当采用半刚性基层时，基层模量一般大于面层，此时为倒装结构；这种结构可以有效地减小路面地弯沉，增大轻交通路面地抗力l 顾及各结构层次本身的特性当采用半刚性基层时，应考虑反射裂缝地影响，措施n 适当加厚

8、面层，以增强抵抗反射裂缝地能力n 下面层（联接层）采用开级配沥青混合料（沥青碎石），充作缓冲层l 考虑环境状况的不利影响n 确保基层、底基层、垫层和路基底水稳定性n 保证路面最小防冻厚度（P177，表11-2）l 适当的层数和厚度n 从材料最大粒径和施工工艺底要求，每一摊铺层的厚度不能太小，从压实考虑，也不能太大（P177，表11-3）n 对沥青混凝土，每一层最小摊铺厚度>=本层最大粒径（方孔筛）×3或最大粒径（圆孔筛）×21cm2、 重交通（>1000万ESAL）时的结构组合设计原则l 正确认识各结构层的作用，考虑各结构层对路面长期使用性能的影响n 面层，由磨

9、耗层和联接层组成，不仅起功能性作用，还在第一时间扩散荷载，承受复杂应力（剪、拉）和环境因素的作用n 基层，进一步扩散由面层传递下来的荷载，应具有足够的抵抗荷载力和水侵蚀的能力，尽可能小的干缩特性n 垫层，进一步扩散由基层传递下来的荷载，应具有足够的水稳定性n 路基，承担垫层传递下来的荷载，应具有足够的水稳定性l 沥青层应保证足够的厚度，交通量越大，沥青层的厚度应越大n 沥青层能够作为一个整体起作用，不管是作为面层还是基层。面层、基层的划分只是人为的、功能性的n 足够的厚度可以使沥青层真正形成一个完整的结构层n 靠增加基层厚度或模量来减小面层厚度的效果并不好，即便下层强度刚度很大，沥青层也需要足

10、够的厚度，以满足其功能需要n 对重交通路面而言，沥青层是主要承载层，不管是汽车荷载，还是环境荷载l 沥青层材料设计n 表面层必须具有足够的耐久性，并满足以下要求： 集料具有足够的纹理深度，面层具有适当的构造深度； 具有很强的高温抗变形能力； 具有足够的低温韧性； 具有足够的强度，具有扩散荷载的能力，能够抵抗荷载的重复剪切作用和其他疲劳作用； 具有很强的抗水作用能力。设计时沥青含量可取低限。常用的磨耗层材料有：u SMAu AK类面层材料u AC混合料u OGFC混合料，具有表面排水功能n 中面层的主要功能是 抗车辙； 抗低温缩裂； 抗渗。要实现这些功能，中面层必须满足以下要求： 具有很强的高温

11、抗变形能力； 具有足够的低温韧性； 具有很高的强度，以抵抗荷载的重复作用； 具有很强的抗水作用能力； 具有很强的耐久性。设计时沥青含量可取中限。常用的中面层材料是：u AC混合料，具有较强的抗车辙能力n 底面层在一般情况下极少出现可计量的永久变形，其主要功能是： 抗疲劳； 抗渗或排水。要实现这些功能，底面层必须满足以下要求： 具有很高的强度，以抵抗荷载的重复疲劳作用； 具有较强的抗水作用能力； 具有足够的耐久性。 设计时沥青含量可取高限。常用的底面层材料是：u AC混合料u 开级配排水层l 基层模量应具有适当的模量基层模量的不同意味着不同的材料n 模量太小时可能造成面层底面的弯拉应力太大，产生

12、弯拉疲劳损坏n 模量太大可能造成面层内的剪切应力太大，产生剪切疲劳损坏n 所以基层的模量最好与面层相同n 采用半刚性基层时，不是模量（强度）越大越好，有时需要将基层致裂常用的基层材料为：n 沥青混合料n 高质量级配碎石n 半刚性基层材料l 当采用半刚性材料作为基层或垫层时，应作适当的处理为了防止反射裂缝，或适当减小面层内的剪切应力，可对基层作适当处理n 致裂处理n 假设应力阻断层l 十分重视路面排水系统的设计n 路面排水系统n 表面排水层n 内部排水3、 结构组合示例见公路设计手册路面（姚祖康 主编）四、我国现行沥青路面设计方法1、设计指标和计算图式设计指标：路面表面回弹弯沉，沥青混凝土面层底

13、面弯拉应力，整体性基层底面弯拉应力，计算图式：三层路面结构2、弯沉计算l 计算弯沉n 路面理论弯沉，弯沉系数由P140、图10-7计算n 理论弯沉需要修正，修正系数F为： ，为与轴载有关的系数n 计算弯沉为l 设计弯沉n 容许弯沉使用年限末的弯沉，按照表11-4（P181）确定，选择临界状态，建立临界弯沉与荷载作用次数的关系，实际上是疲劳方程N：每个车道上的标准荷载累计作用次数，按照复利公式计算。车道系数见P182的表11-5。解释一下车道系数与横向分布系数。n 设计弯沉容许弯沉为使用年限末的弯沉，路面设计需要使用年限初的弯沉，所以应该将容许弯沉换算为设计弯沉。容许弯沉比设计弯沉大1.2倍，如

14、下图。Log llogN所以，n 基层考虑上式建立的年代比较久远，只适用于碎砾石柔性基层，对半刚性基层，上式应该除以1.6的系数。最后，Ab为基层类型系数，半刚性基层时，Ab=1；柔性基层时，Ab=1.6。Ac，对高速公路和一级公路都为1。n 关于新规范的说明3、应力计算l 路面应力计算按照P141、142的图10-8、10-9计算。l 容许应力计算n 材料的弯拉疲劳方程可以写成，fr为弯拉强度。我国采用劈裂强度代替弯拉强度n 不同材料的容许弯拉应力沥青材料：无机结合料稳定粒料：无机结合料稳定土：式中系数见交通部公路沥青路面设计规范（JTJ014-97），人民交通出版社。4、 轴载换算l 轴载的等效换算两种轴载作用于同一路面结构上，所造成的疲劳损耗相同，则称两种荷载的作用次数等效l 基于弯沉指标的等效换算假设甲乙两种荷载作用在路面结构上次，则其疲劳消耗为： 和 令D1=D2，则根据大量的弯沉实测结果，可知，代入上式，可得 或 式中，C1为轴型系数，C1=1+1.2(m-1), m为轴数C2为轮组系数，单轮组时C26.4，双轮组时C21.0。l 基于弯拉应力指标的等效换算推导过程与上面的过程类似，请同学