路面工程的分类、计算及设计步骤

1、路面工程的分类、计算及设计步骤路面是支承在路基之上的各个结构层的总称，它包括面层、基层、垫层等层次路面直接承受荷载和自然因素的作用面层 面层直接承受行车荷载的垂直力、水平力、以及车身后所产生的真空吸力的反复作用，同时受到降雨和气温变化的不利影响最大，是最直接地反映路面使用性能的层次。因此，面层应具有较高的结构强度、刚度和稳定性，并且耐磨、不透水，其表面还应具有良好的抗滑性和平整度。道路等级愈高、设计车速愈大，对路面抗滑性、平整度的要求愈高。 修筑高等级道路面层所用的材料主要有沥青混合料和水泥混凝土等。 5.1 概述5.1.1 路面结构组成基层 基层主要承受面层传递的车轮垂直力的作用，并把它扩散

2、到垫层和土基，基层还可能受到面层渗水以及地下水的侵蚀。故需选择强度较高，刚度较大，并有足够水稳性的材料。 用来修筑基层的材料主要有：水泥、石灰、沥青等稳定土或稳定粒料(如碎石、砂砾)，工业废渣稳定土或稳定粒料，各种碎石混合料或天然砂砾。 垫层 并非所有的路面结构中都需要设置垫层，只有在土基处于不良状态，如潮湿地带、湿软土基、北方地区的冻胀土基等，才应该设置垫层，以排除路面、路基中滞留的自由水，确保路面结构处于干燥或中湿状态。 修筑垫层的材料，强度不一定很高，但隔温、隔水性要好，一般以就地取材为原则，选用粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等松散颗粒材料，或采用水泥、石灰煤渣稳定的密实垫层。一些发达国家

3、采用聚苯乙烯板作为隔温材料。路面分类 按材料分：沥青混合料类、水泥混凝土类 按强度构成分：密实类、嵌挤类 从力学性能分：柔性路面、刚性路面 5.1.2 路面类型与等级 刚性路面指水泥混凝土路面。包括素水泥混凝土和钢筋混凝土路面等。它的强度高，刚性大，板体性好，有较强的扩散应力的能力。路面结构计算采用弹性地基板理论。柔性路面主要指各类沥青路面。它的刚度较小，在荷载作用下弯沉变形较大，抗剪、抗弯拉强度较低。土基和基层的强度对路面结构整体强度有较大的影响。此类路面有弹性，柔性较好，路面无接缝，有较好的行车舒适性能。路面结构计算采用弹性层状体系理论。路面等级 分为高级、次高级、中级和低级路面四级。5.

4、1.3 路拱横坡通过设置路拱横坡，将路表水向两侧排流 。路拱横坡度的大小，应考虑行车平稳和有利于横向排水两方面的要求。路面、路肩的横向坡度范围 5.1.4 对路面的基本要求1.足够的强度和刚度2.良好的稳定性(水、温) 结构性能( )3.耐久性4.平整度5.表面抗滑性能使用性能(Present Servieability Index、Running Quality Index、Texture Depth) 5.2 沥青路面一.定义 沥青路面是在柔性基层、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。5.2.1 沥青路面特点沥青混合料沥青混凝土 (Asphalt Concrete) 沥

5、青碎石(Asphalt Macadam)沥青玛蹄脂(Stonefilled Mastic Asphalt)二.特点 表面平整无接缝，行车振动小，噪音低，开放交通快，养护简便，适宜于路面分期修建。 沥青路面的缺点是温度敏感性较高。夏季强度下降，若控制不好会使路面发软泛油或推移剪裂破坏。低温时沥青材料变脆可能引起路面开裂。5.2.2 路面材料的强度与稳定性一.强度和应力-应变力学参数 抗压强度抗剪强度抗(弯)拉强度应力-应变: 劲度模量，弹性模量应力应变关系沥青混合料的弹、粘、塑性性质劲度模量作为表征弹-粘塑性材料的性质指标，劲度模量：二、稳定性 沥青混合料的稳定性通常指高温稳定性、低温稳定性和水

6、稳性三个方面。稳定性试验 各项指标的试验应按现行公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ052-2000)规定的方法执行。5.2.3 沥青路面设计经验法(AASHTO，CBR)理论法（AI，Shell)设计方法 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006 )规定：新建路面、改建路面，都采用理论法。基本假设：1.各层连续，完全弹性，各向同性，位移、形变微小；2.无限远处，应力、形变、位移为0；3. 层间接触，连续或滑动；4. 不计自重。弹性层状体系理论结构对称荷载对称轴对称弹性空间课题将各应力分量,代入平衡方程,变形连续方程中:积分变换法求解例：圆形均布垂直荷载下双层体系垂直位移(弯沉)单圆

7、图示令 -弯沉系数。计算或查图14-4(P335)则，理论弯沉式中： -弯沉系数。计算或查图14-13(P359)双圆图示单圆叠加,理论弯沉N层弹性层状体系计算图示弹性层状体系理论可求出任一位置应力、变形。 -计算软件BISAR(Shell)1.沉陷、车辙、弹簧垂直力作用，整体强度不足2. 推移、搓板、拥包垂直力、水平力综合作用， 抗剪强度不足3. 纵、横、网裂疲劳开裂，低温裂缝，其它4. 松散、泛油、啃边材料选择，施工质量 沥青路面的损坏状况5.2.3.1沥青路面的破坏状态与设计标准路面设计只针对最容易损坏点(控制点)进行分析、计算。综合考虑前三种损坏，制定控制指标。1.公路(1) 路面结构

8、表面综合弯沉 -反映结构整体强度和 刚度，且与使用状态存在一定联系。 要求： 控制第1类破坏。ls沥青路面设计标准(2) 整体性结构层拉应力 但 要求： 控制第3类破坏 半刚性基层沥青混凝土路面*整体性结构层 5.2.3.2 沥青路面设计路面设计主要包括以下三方面内容：1).结构层组合设计 根据路面等级，结合考虑当地交通、气候和路用材料特点，拟定路面各结构层。可做23个组合设计方案，加以比较并择优选取。2).路面材料配合比设计 对选定的路面结构层(面层、基层、垫层)所用的材料，进行原材料选择，混合料配合比设计，包括目标配合比设计、生产配合比设计和试拌试铺试验路检验。3).路面结构计算由设计年限

9、累计交通量，确定路面设计弯沉值，以它为指标来进行路面厚度计算。对高速公路，一级、二级公路沥青混凝土面层和半刚性基层，应验算拉应力是否满足相应的容许拉应力的要求。在季节性冰冻地区，尚应验算防冻厚度是否满足要求。一. 组合设计原则 充分考虑道路所承担的交通荷载特点、当地的自然环境、材料供用情况，以路面结构达到最佳的工作状态，方便施工为原则。二. 结构层数、类型1.面层 沥青面层通常由双层或三层组成。 5.2.3.3 路面结构组合设计2.基层 选择基层结构类型时，应充分考虑材料供用及各类基层的特点及适用性。 适宜各公路等级的基层类型公路等级基 层底基层高速公路、一级公路沥青碎石水泥稳定碎石石灰粉煤灰

10、稳定碎石级配碎石 水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料、石灰稳定粒料、水泥稳定土、石灰粉煤灰稳定土、级配粒料、天然砂砾二级及二级公路以下水泥稳定粒料石灰粉煤灰稳定粒料石灰稳定粒料级配碎砾石 水泥稳定土、石灰粉煤灰稳定土、天然砂砾、石灰稳定土、 注：粒料包括碎石、砾石、砂砾3.垫层并非所有路段都需要设置垫层，只有在路基处于不良状态，如潮湿地带、湿软土基、冻胀土基等，才应该设置垫层。垫层材料可选用粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等粒料以及水泥或石灰煤渣稳定类、石灰粉煤灰稳定类等。垫层厚度一般为20cm，并结合防冻要求设置(路面最小防冻厚度)。4.自然因素 湿热多雨地区路表水排除与防渗、地下水的处理，表面层

11、防滑、防渗，如采用SMA-13，AC-13或AC-16。中面层考虑足够的抗变形能力，特别是高温条件下抵抗变形的能力，可采用AC-20、AC-25、ATB-25(密级配沥青碎石)。基层应选择水稳性好，抗冲刷性强的材料，如贫混凝土、沥青碎石，水泥稳定碎石等。 干旱缺水地区，基层宜少用水硬性材料（如水泥），砂石路面可用干压碎石。 在季节性冰冻地区应设置防止冻胀和翻浆的垫层。此外，路面总厚度必须大于当地的冰冻深度。三、结构组合层间连续 层与层之间应洒透层沥青、粘层油或钉子石等。相邻层次的相互影响 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006 )规定：对于半刚性基层沥青路面结构，基层与沥青面层的模量比

12、宜在1.53之间；基层与底基层的模量比不宜3；底基层与土基模量比宜在2.512.5之间。 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006 ) 二指标设计方法 5.2.3.4 新建路面厚度设计 1. 路面弯沉 采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度指标，进行路面厚度设计。路面弯沉标准 LsLd式中： Ls轮隙中心路表的实际弯沉，0.01mm； Ld路面的设计弯沉，0.01mm。式中： Ne设计年限内设计车道上通过的累计当量轴次； Ac公路等级系数； As面层类型系数； Ab基层类型系数。1)设计弯沉Ld Ld=600Ne-0.2AcAsAb (5.8)2)

13、实际弯沉Ls 图中A点的弯沉值可以根据弹性层状体系理论计算。而实际弯沉(Ls)为理论弯沉(Lc)乘以修正系数F，即：式中：p、 标准轴载轮胎接地压强和当量圆半径， F 弯沉综合修正系数； E0土基弹性模量，MPa； 理论弯沉系数，由弹性层状体系理论计算得出。拉应力均应满足小于容许拉应力的要求： 1)层底最大拉应力 2. 路面结构层底拉应力验算2) 容许拉应力式中： 劈裂抗拉强度，MPa 抗拉强度结构系数。 对于沥青混凝土面层：对于无机结合料稳定集料：对于无机结合料稳定细料土类：抗拉强度结构系数：式中： Ac 公路等级系数； Aa 沥青混凝土类型系数。3.沥青路面结构设计参数交通荷载参数(1)标

14、准轴载及轴载换算 以双轮组单轴载100kN为标准轴载(BZZ-100)。标准轴载的计算参数 标准轴载BZZ-100标准轴载BZZ-100双轮组单轴重P(KN)100双圆图示当量圆直径d(cm)21.3轮胎接地压强p(MPa)0.7两轮中心距(cm)1.5d) 以设计弯沉为指标计算路面厚度及验算沥青层层底拉应力时，各级轴载(包括车辆的前、后轴)Pi的作用次数ni，均按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N： 式中： C1轴数系数； C2轮组系数。) 验算半刚性基层层底拉应力时，各级轴载（包括车辆的前后轴）Pi的作用次数ni，按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N：式中： 轴数系数； 轮组系数。(2

15、)累计当量轴次设计年限 (t年)内设计车道上的累计当量轴次Ne按下式计算：式中： N1第一年双向日平均当量轴次(次/日)； 设计年限内交通量的平均年增长率(%) ； 设计车道的车轮轮迹横向分布系数(Tab.5.9)。新建公路初步设计时： 查表法、室内试验法、换算法等。当路基建成后： 在不利季节实测各路段土基回弹模量代表值。材料性质参数土基回弹模量E0)查表法 根据土类、自然区划和干湿类型，平均稠度wc，查公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)附表F。)室内试验法 取代表性土样，按照公路土工试验规程(JTJ051)小承载板法试验步骤测定土的回弹模量。承载板法 按照公路路基路面现场测试规

16、程(JTJ059)规定，采用直径30cm的刚性承载板，在土基表面逐级加载和卸载，测出与每级荷载pi相对应的回弹变形li，绘制 曲线，取其直线段。)换算法土的回弹模量E0，土基稳定含水量wc，压实度(重型Kh)，CBR值各指标间的相关关系式 (表14-11和表14-12)。)现场实测法土基回弹模量E0：式中： D承载板直径，D=30cm； 土的泊松比，取0.35； pi、li各级压强(MPa)与其相对应的回弹变形值(0.01mm)，(li1mm，p0.7MPa)。路段路基回弹模量设计值：式中： 高速、一级公路为2，二、三级公路为1.645； K1季节影响系数。 ( -高速、一级公路为2，二、三级

17、公路为1.645) 用标准车停驻在土基表面，测定轮隙中心下的回弹弯沉值，按下式计算土基回弹模量E0：式中： p轮胎接地压强(MPa)与当量圆半径(cm)； l0回弹弯沉代表值0.01mm ， 弯沉测定法 计算路面厚度时，各层材料采用20抗压回弹模量验算层底拉应力时，采用15抗压回弹模量、 15劈裂强度。路面材料的泊松比均取0.25，即 =0.25；路面材料设计参数参见公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006 ) (3) 路面材料设计参数值小结新建路面厚度设计方法5.2.3.4 沥青路面补强设计 1)对现有路面结构状况进行调查，旧路面强度评定；2)根据使用要求及工程实际情况，选用水泥混凝土

18、加铺结构，或者沥青混凝土加铺结构；3)确定原路面的当量回弹模量；4)拟定几种可能的结构组合，确定各补强层的材料参数；5)计算设计层厚度，对季节性冰冻地区的潮湿、过湿路段还应验算防冻厚度；6)根据各方案的计算结果，进行技术经济比较，确定采用的补强方案；7)地表或地下排水不良路段，应采取措施改善或增设排水设施； 在旧路面上加铺补强层，可以提高路面的承载能力，改善使用性能。 补强设计包括如下主要内容：现有路面状况调查对于当前的交通量和车型组成进行实地观测，并预估交通量增长趋势，确定年平均增长率；公路新建和养护的有关技术资料、现有路况、病害种类与程度、排水与积水状况以及有无积雪、积沙等； 路面结构、宽

19、度、各层厚度。对面层、基层、垫层等应分层取样试验，判断其结构层或材料是否可以利用；路床范围内路基土的压实度、分层含水量与土质类型等。原路面强度评价桩号段长段长 在不利季节进行，采用标准轴载(BZZ-100)汽车测定原有路面的弯沉。测点间距一般为2050m。原路面分段分段时应考虑下列因素：)同一路段路基的干湿类型与土质基本相同；)同一路段内各测点的弯沉值比较接近;)各路段的最小长度应与施工方法相适应，一般不小于500m，机械化施工时不应小于1km。各路段的计算弯沉计算回弹弯沉按下式计算：式中： 实测弯沉的平均值(0.01mm)； S 实测弯沉的标准差(0.01mm)； Za保证率系数，高速、一级

20、公路:1.645，其它公路取1.5； K1、K2季节影响系数、湿度影响系数； K3温度修正系数。 如果 ，需进行补强设计旧沥青路面上加铺沥青混凝土面层1)旧沥青路面的顶面当量回弹模量值2)补强层厚度设计组合设计设计控制指标-5.3 水泥混凝土路面 一、定义水泥混凝土路面(Cement Concrete Pavement)是指以水泥混凝土板作为面层，下设基层、垫层所组成的路面结构，又称刚性路面。 PC(plain concrete)CCP RC(reinforced concrete） RCC（rolled compact concrete) SFRC(steel fiber reinforce

21、d concrete)5.3.1 概述二、构造特点 混凝土随温度、湿度的变化而发生变形，导致混凝土路面产生收缩、膨胀或翘曲。如果板的尺寸过大，这些变形会受到约束，使板内产生较大的应力，而出现开裂、拱胀，甚至断裂等破坏。为减少温、湿度影响产生的应力，防止出现不规则的裂缝，混凝土路面(除连续配筋混凝土路面外)需要在纵、横两个方向设置接缝，将板体划分成一定尺寸的矩形板。 混凝土路面强度高，稳定性好，使用寿命长，适用于繁重交通道路。但需设置许多接缝，这些接缝增加了施工的复杂性，并且影响行车的舒适性，接缝又是路面的薄弱点。5.3.2 混凝土路面构造设计5.3.2.1 路面组合基层 基层应具有足够的抵抗冲

22、刷的能力和一定的刚度。适宜各交通等级的基层类型交通等级 基层类型特重交通 贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土重交通 水泥稳定粒料或沥青稳定碎石中等或 水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料或者轻交通 级配粒料注: 混凝土预制块面层应采用水泥稳定粒料基层。湿润和多雨地区，路基为低透水性细粒土的高速公路、一级公路或者承受特重交通、重型交通的二级公路，宜选用排水基层。 面层一般采用素混凝土。 面板的平面尺寸较大、形状不规则，或路面结构下埋有地下设施、高填方、软土地基、填挖交界段的路基有可能产生不均匀沉降时，应采用钢筋混凝土面层。 承受重载、大交通的高等级公路可选用连续配筋混凝土面层。 二级及二级以下公路、服

23、务区停车场，可选用碾压混凝土作面层。 标高受限制路段、收费站、混凝土加铺层、桥面铺装等处，可选用钢纤维混凝土面层。 服务区停车场、二级及二级以下公路桥头引道沉降未稳定段的路面，可选用由矩形或异形混凝土预制块铺砌的面层。 面层厚度由计算确定。5.3.2.2 接缝设计 接缝是路面的薄弱环节，混凝土路面既要设置接缝，又应尽量使接缝数量减少，并且从接缝构造上设法保持两侧面板的整体性，以提高传荷能力。 混凝土路面的接缝可分为四种类型：横向缩缝、胀缝、横向施工缝和纵缝。 接缝设计主要解决三个问题：(1)接缝设置的合理间距；(2)接缝构造及荷载传递；(3)纵、横缝的布置。1. 横向缩缝 设置横向缩缝是为了减

24、少混凝土的收缩应力和温度翘曲应力，避免混凝土板出现不规则的裂缝。 缩缝采用假缝形式，在混凝土浇筑后达到一定抗压强度(碎石混凝土6.012.0MPa，砾石混凝土9.012.0MPa)，用切缝机切割一槽口，以诱导路面板的收缩变形沿缩缝展开，形成规则的接缝。 横向缩缝间距即混凝土板长度，素混凝土面层一般为4.55.5m；碾压混凝土或钢纤维混凝土面层一般为610m；钢筋混凝土面层一般为615m。 不设传力杆假缝(如图a) 有一定的传荷能力，它通过断裂面处的嵌锁作用进行荷载的传递，它的最大优点是施工方便，适用于轻型、中等交通道路； 板厚中央加设传力杆，可以大大加强接缝传荷能力，有效防止错台，在特重和重交

25、通道路、收费广场以及邻近胀缝或自由端部的3条缩缝，应采用设传力杆假缝形式，其构造如图b)所示。2. 胀缝 设置胀缝的目的是为混凝土板的膨胀提供伸长的余地，从而避免产生过大的热压应力，引起路面板在高温季节拱胀和折断。应尽可能少设。 胀缝处板需要完全断开，缝壁必须垂直，下部设弹性填缝板，上部灌填缝料3. 横向施工缝 每天完工或因天雨等原因不能继续施工，必须设置横向施工缝，其位置最好设在缩缝或胀缝处。 设在缩缝处的施工缝，应采用加传力杆的平缝形式。设在胀缝处的施工缝，其构造与胀缝相同：4. 纵向接缝 路面分幅铺筑时，应设纵向施工缝(见图a)；一次铺筑宽度大于4.5m时，应设置纵向缩缝(见图b)。弹性

26、地基上的弹性薄板5.3.3 刚性路面设计理论板挠曲面微分方程：平衡条件：Z=0，My=0，Mx=0板中心挠曲面微分方程：地基模型(Fig.5.13)：K地基： E地基： 小挠度弹性薄板理论-应力、应变分析5.3.4 混凝土路面应力分析 荷载应力+温度应力混凝土随温度、湿度的变化而产生收缩、膨胀或翘曲。温度均匀升降 (胀缩应力) 升 降 温度坡差 (翘曲应力) 为了减少温度、湿度影响产生的应力，防止出现不规则裂缝，混凝土路面不得不在纵、横两个方向设置许多接缝。平面分块设计 混凝土路面一般采用矩形板，原则上取车道宽度作为板宽。 板的长度与面层类型和板厚有关：素混凝土面层一般为4.55.5m；碾压混

27、凝土或钢纤维混凝土面层一般为610m；钢筋混凝土面层一般为615m。一、荷载应力 轴载在混凝土面层内产生的应力，采用半无限地基上弹性小挠度薄板的力学模型，应用有限元法进行分析计算。1. 临界荷位 为了简化计算工作，通常选取使面层板内产 生最大应力和最大疲劳损伤的荷载位置作为应力计算时的临界荷位。2. 荷载疲劳应力 标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力，按下式计算：式中： kr接缝传荷能力的应力折减系数； kf疲劳应力系数； 标准轴载Ps在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力； h混凝土面层的厚度(m)； r混凝土面层的相对刚度半径(m)； kc考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系

28、数：综 合 系 数 kc 高速公路 一级公路 二级公路 三、四级 1.30 1.25 1.20 1.10二、温度应力在临界荷位处的温度疲劳应力，按下式计算式中：a、b、c回归系数，按所在地区的公路自然区划查表确定； 最大温度梯度时混凝土面层的温度翘曲应力(MPa)； 混凝土线胀系数(1/)，通常可取为110-5/； Tg最大温度梯度，查表5.4.9-2取用； Bx温度应力系数，可按l/r和h查图确定； l板长，即横缝间距(m)。温度应力系数一、设计依据公路水泥混凝土路面设计规范 水泥混凝土路面设计己引入可靠度概念。路面结构可靠度可定义为，在规定的时间内，在规定的条件下，路面使用性能满足预定水平

29、要求的概率。5.3.5 混凝土路面设计方法1、可靠度设计标准 可靠度设计标准2.主要设计参数的变异系数CV变异系数Cv的变化范围 变 异 水 平 等 级 低 中 高水泥混凝土弯拉强度、弯拉弹性模量 Cv0.10 0.10Cv0.15 0.15Cv0.20基层顶面当量回弹模量 Cv0.25 0.25Cv0.35 0.35Cv0.55水泥混凝土面层厚度 Cv0.04 0.04Cv0.06 0.06Cv0.083.设计依据 水泥混凝土路面结构以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，即： 式中： 行车荷载疲劳应力(MPa)； 温度梯度疲劳应力(MPa)； 水泥混凝土弯拉强度标准值

30、(MPa)； 可靠度系数，根据目标可靠度及变异水平等级确定。 可 靠 度 系 数 变异水平等级 目 标 可 靠 度 (%) 95 90 85 80 低 1.201.33 1.091.16 1.041.08 中 1.331.50 1.161.23 1.081.13 1.041.07 高 1.231.33 1.131.18 1.071.11二、设计内容 设计内容主要包括：结构组合设计 拟定结构层次，选定各层材料类型及厚度。材料组成设计 按照交通等级所规定的抗折强度及其它技术性能的要求，通过理论和经验计算得到混凝土配合比。平面分块设计 路面板通常划分成矩形板。交叉口，车道宽度变化处等特殊路段，应进行个别设计接缝设计 按照接缝功能，并基于方便施工的原则，进行接缝构造设计。水泥混凝土路面厚度设计 计算荷载疲劳应力( )与温度疲劳应力( )产生的综合应力，在足够的可靠度水平下，不超过混凝土的抗弯拉强度。 水泥混凝土路面设计参数 水泥混凝土路面设计需要确定荷载参数和材料