路基路面工程第14章-沥青路面设计

第十三章内容回顾1.概述（沥青路面优缺点、损坏类型及原因、对沥青路面的基本要求、气候分区）2.沥青路面材料的结构与力学特性（蠕变、松弛、时温等效、劲度模量）3.沥青路面的稳定性与耐久性（高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、耐疲劳性能、抗老化性能）4、沥青路面的原材料（沥青标号）5、沥青混合料组成设计（沥青混合料配合比设计程序）6、沥青路面施工与质量控制（沥青路面施工工序）第1页，共43页。十四、沥青路面设计1.概述2.弹性层状体系理论简介3.沥青路面结构组合设计4、我国沥青路面设计方法5、外国沥青路面设计方法第2页，共43页。问题：沥青路面设计的内容有哪些？我国沥青路面设计采用什么设计指标？沥青路面应力分析主要采用什么方法？什么是设计弯沉？什么是计算弯沉？什么是容许拉应力？第3页，共43页。

1.概述沥青路面设计包括原材料的选择、混合料配合比设计和设计参数的测试与确定，路面结构层厚度计算，以及路面结构的方案比选等内容。路面设计除行车道部分的路面外，对高速公路、一级公路还应包括路缘带、硬路肩、加减速车道、紧急停车带、收费站和服务区的场由设计以及路面排水系统的设计，对其它各级公路应包括路肩加固、路缘石和路面排水设计。沥青路面设计内容第4页，共43页。

1．应根据路面使用要求与当地的自然条件，结合当地实践经验，将路基路面作为整体进行设计。2．应贯彻合理选材，方便施工，利于养护，节约投资的原则，结合当地经验进行路面结构方案的技术经济比较，选择技术先进、经济合理、安全可靠的方案。3．结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果，积极慎重地运用行之有效的新材料，新工艺和新技术。4、考虑环境保护、生态平衡、有利施工、养护人员健康5、尽可能选择有利机械化、工厂化施工的设计方案6、应从技术经济上论证是否有必要分期修建。沥青路面结构设计原则第5页，共43页。1、以经验或试验为依据的经验法（实验路和实验观测）:CBR法、AASHTO法2、以力学分析为基础，考虑环境、交通条件以及材料特性为依据的力学-经验法。基本思路是应用力学原理分析路面结构在荷载和环境下作用下的力学响应量，建立力学响应量与路面使用性能之间的关系模型，路面设计按照使用要求，运用关系模型完成结构设计。AI法、SHELL法、我国现行沥青路面设计方法沥青路面结构设计理论与方法第6页，共43页。1、《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)中规定：沥青路面设计以双轮组单后轴载100kN为标准轴载，以BZZ-100表示。标准轴载的计算参数按表2-7-1确定，凡轴载大于40kN的各级轴载(包括车辆的前轴和后轴)的作用次数均应换算成标准轴载P的当量作用次数(简称当量轴次)。轴载换算第7页，共43页。弹性层状体系是由若干个弹性层组成，上面各层具有一定厚度，最下一层为弹性半空间体：(1)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；(2)最下一层在水平方向和垂直向下方向为无限大，其上各层厚度为有限、水平方向为无限大；(3)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；(4)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位移连续而无摩阻力(称滑动体系)；（5）不计自重。

2.弹性层状体系理论第8页，共43页。双层弹性层状体系计算得到的圆面积均布荷载下轴线上垂直位移（弯沉）为：第9页，共43页。第10页，共43页。

3.沥青路面结构组合设计沥青路面结构沥青路面由沥青面层、基层、底基层、垫层等多层结构组成，沥青路面结构层次的合理选择和安排，是整个路面结构是否能在设计使用年限里承受行车荷载和自然因素的共同作用，同时又能发挥各结构层的最大效能，使整个路面结构经济合理的关键。第11页，共43页。(1)因地制宜，合理选材路面各结构层所用的材料，尤其是用量大的基、垫层材料，应充分利用当地的天然材料、加工材料或工业副产品，以减少运输费用和降低工程造价。同时还要注意吸取和应用当地路面设计在选择材料方面的成功经验。(2)方便施工，利于养护选择各结构层时还应考虑机具设备和施工条件，在可能的条件下，应尽量采用机械化施工、考虑建成通车后的养护问题。特别是对于高等级公路来说，要求平时养护工作量越少越好，以免影响大交通量的通行。沥青路面结构设计原则第12页，共43页。

(3)分期修建，逐步提高当资金不足时，一般应按近期使用要求进行路面设计(高速公路和一级公路除外)，先以满足近期需要为主。建造时必须注意使前期工程能为后期工程奠定基础，即能为后期工程所充分利用。(4)整体考虑，综合设计对土基、垫层、底基层、基层和面层都应看做是一个有机的整体。按照土基稳定、基层坚实、面层耐久的要求，充分发挥各结构层的作用，合理选用路面材料，确定适当的结构层厚度，使路面设计既能在整体上满足强度和稳定性的要求，又能做到经济、合理和耐久。第13页，共43页。可为单层、双层（表面层、下面层），三层结构（表面层、中面层、下面层）。表面层：要求平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久；中下面层：密水性、抗剥离性、抗疲劳裂缝；高速公路、一级公路一般选用三层沥青面层结构；二级、三级公路一般采用双层式沥青面层面层结构第14页，共43页。要求有较高的强度、稳定性和耐久性分为柔性基层（有机结合料稳定碎石、无机结合料稳定碎石）、半刚性基层（水泥、石灰、工业废渣等无机结合料稳定碎石）、刚性基层（低强度等级混凝土）各种基层结构厚度推荐值见表14-7基层结构第15页，共43页。主要适用于路基状况不良的情况下：1）地下水位高、排水不良，路基常处于潮湿及过湿状态；2）排水不良的土质路堑3）季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段4）基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。分为：防水垫层；排水垫层；防污垫层；防冻垫层。垫层结构第16页，共43页。1）面层和基层之间设置透层沥青或粘层沥青；采用半刚性基层时宜采用单层层铺法表处或稀浆封层表处进行封闭，当采用水泥混凝土刚性基层时，也应设粘层沥青。2）沥青面层由两层或三层组成，又不能连续摊铺时，则在铺上层之前彻底打扫有害物质，设粘层沥青；3）透层沥青、粘层沥青、单层表处下封层、稀浆封层下封层的材料规格，用量根据具体情况和规范要求选定。层间结合第17页，共43页。

4.我国沥青路面设计方法我国沥青路面设计方法采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以路表回弹弯沉值和沥青混凝土层弯拉应力、半刚性材料弯拉应力为设计指标进行路面结构厚度设计。设计指标与极限标准我国沥青路面设计采用路表设计弯沉作为设计控制指标。第18页，共43页。路面结构在经受设计使用期累计通行标准轴载次数后，沥青路面优于各级公路极限状态标准时，所必须具有的路表回弹弯沉值，称为设计弯沉值ld：ld=960Ne-0.2AcAs设计弯沉层低拉应力我国沥青路面是设计规范规定沥青面层、半刚性基层、下基层、刚性基层层底拉应力作为沥青路面结构设计的第2项设计控制指标：

σR=σsp/Ks第19页，共43页。路面厚度验算阶段主要考察拟定的路面结构在经受设计使用期当量标准轴载的反复作用之后，是否满足两项设计指标的要求：ls<ld

σm

<σR利用公式14-27和14-29计算ls和σm，同时满足要求的厚度才可以作为设计结果。路面结构厚度设计方程式与设计参数第20页，共43页。1）现场实测法2）查表法3）室内试验法4）换算法路基回弹模量结构层回弹模量由试验测得，应考虑下列因素：①测试方法简便，结果比较稳定；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；③模量值和强度用于厚度计算时，应较好地与设计方法相匹配。按照试验规程测得，也可采用劈裂试验结构层材料抗弯拉强度第21页，共43页。第22页，共43页。第23页，共43页。应用弹性层状体系理论计算双轮隙的路表弯沉时，由于弹性层状体系理论计算过程的复杂性，一般均需通过计算机进行求解。早期在计算机未能遍及时，许多科技工作者通过大量的研究工作，提出了多种图解法和表解法以及简化公式方法。计算弯沉和层底拉应力的计算第24页，共43页。1、三层路面结构计算弯沉和拉应力的简化计算公式

ld=1000l1F第25页，共43页。第26页，共43页。2、查图法理论弯沉aL为理论弯沉，取泊松比μ1=μ1=0.25，μ0=0.35第27页，共43页。第28页，共43页。1）设计步骤2）设计示例新建路面厚度设计第29页，共43页。要求在竣工后第一年的不利季节，用标准轴载BZZ-100轮隙下实测弯沉代表值lr必须小于验收弯沉值la。验收弯沉值la取为设计弯沉值，或计算弯沉值。实测弯沉值是多个样本的平均值，并考虑一定的保证率：lr=l+ZaS若不是在不利季节测定，要考虑温度修正：l20=lTK3路面竣工验收指标第30页，共43页。第31页，共43页。第32页，共43页。一、试验目的1．测定各类路基路面的回弹弯沉，用以评定其整体承载能力，供路面结构设计使用。2．沥青路面弯沉以路表温度20℃时为准，在其他温度测试时，对厚度大于5cm的沥青路面，弯沉值应予温度修正。路基路面回弹弯沉测试方法（贝克曼梁法）二、试验原理利用杠杆原理制成的杠杆式弯沉仪测定轮隙弯沉第33页，共43页。三、仪具与材料1．标准车：双轴、后轴双侧4轮的载重车，其标准轴荷载、轮胎尺寸、轮胎间隙及轮胎气压等主要参数应符合下表的要求。测试车可根据需要按公路等级选择，高速公路、一级及二级公路应采用后轴100kN的BZZ－100标准车；其他等级公路可采用后轴60kN的BZZ－60标准车。标准轴载等级BZZ－100BZZ－60后轴标准轴载P（kN）100±160±1一侧双轮荷载（kN）50±0.530±0.5轮胎充气压力（MPa）0.70±0.050.50±0.05单轮传压面当量圆直径（cm）21.30±0.519.50±0.5轮隙宽度应满足能自由插入弯沉仪测头得测试要求第34页，共43页。三、测试步骤（1）在测试路段布置测点，测点应在路面行车车道的轮迹带上，并用白油漆或粉笔画上标记。（2）将试验车后轮轮隙对准测点后约3～5cm处的位置上。（3）将弯沉仪插入汽车后轮之间的缝隙处，与汽车方向一致，梁臂不得碰到轮胎，弯沉仪测头置于测点上（轮迹中心前方3～5cm处），并安装百分表于弯沉仪的测定杆上。百分表调零，用手指轻轻叩打弯沉仪，检查百分表是否稳定回零。弯沉仪可以是单侧测定，也可以是双侧同时测定。

第35页，共43页。（4）测定者吹哨发令指挥汽车缓慢前进，百分表随路面变形的增加而持续向前移动。当表针转动到最大值时，迅速读取初读数L1。汽车仍在继续前进，表针反向回转，待汽车驶出弯沉影响半径（约3cm以上）后，吹口哨或挥动指挥红旗，汽车停止。待表针回转稳定后，再次读取终读数L2。汽车前进的速度宜为5km/h左右。第36页，共43页。四、测试结果路面测点的回弹弯沉值依下式计算：LT＝（d初－d终）×2式中LT—在路面温度T时的回弹弯沉值（0.01mm）；d初－车轮中心临近弯沉仪测头时百分表的最大读数(0.01mm)；d终－汽车驶出弯沉影响半径后百分表的终读数(0.01mm)。第37页，共43页。第38页，共43页。1、路面结构状况调查与判定(1)交通量：预测交通量增长趋势，确定年平均增长率。(2)路基状况调查：沿线路基土质、填挖高度、地面排水情况、地下水位，以确定路基土组和干湿类型。(3)路面状况：调查路面结构类型、组合和各层厚度，调查分析路面病害与原因(4)路面修建和养护历史调查。路面改建设计第39页，共43页。2、对原路面进行分段，每段不少与20个样本，得到各路段的计算弯沉值l0：第40页，共43页。3、利用计算弯沉值l0计算原路面综合回弹模量：4、拟定结构组合方案和设计层位，进行路面设计第41页，共43页。1、对某旧沥青路面进行质量评定