H柔性路面结构设计

柔性路面结构设计第八章1一、设计内容：1、路面结构层次的选择和组合；2、各结构层厚度的确定；3、各结构层的材料组成。二、设计方法：有经验法（试验）和理论法（力学分析）1、力学模型：1）弹性半空间体；2）弹性层状体系；（AC路面）3）粘弹性层状体系；4）弹性地基上的板。（CC路面）2、理论解：1）层状体系：①双层弹性体系（有单圆式、双圆式）②三层弹性体系（有单圆式、双圆式）③多层体系2）弹性地基上的板：②弹性半无限地基上的板——E地基三、我国现行柔性路面设计规范：采用双圆均布荷载作用下弹性层状体系理论①Winkler地基上的板——K地基28.1柔性路面的损坏模式和设计标准路面设计目标：在使用年限内，路面结构性能不恶化到某一程度（大修）路面损坏三大类型：1.裂缝类（纵向、横向、网状、块状）2.变形类（凹、凸、车辙、搓板、推挤、拥包）3.表面缺损类（露骨、松散、剥落、坑槽、泛油）一、沥青路面的主要损坏模式：1.沉陷：大变形。原因为路基水文条件差，过于湿软，产生大的竖直变形。2.车辙：纵向变形。原因为荷载重复作用，永久变形积累，尤其是高温下。3.推移：沿行车方向发生剪切和拉裂现象。原因为水平荷载引起。4.开裂：疲劳变形。原因为车辆荷载反复作用，使沥青结构层底面产生的拉应力大于疲劳强度，加上水的影响。5.低温缩裂和反射裂缝：沿路面纵向隔一定距离出现。6.松散和坑槽：大路表面集料的松动、离散现象。原因为面层材料粘结力不足或结合料含量少，汽车后轮的真空吸力及风雨带离形成坑槽。最主要的破坏模式为疲劳开裂、低温缩裂和车辙。3二、设计指标：1、疲劳开裂：以疲劳开裂作为临界状态设计，选择层底拉应力（拉应变）作为指标。以最大拉应力（或拉应变）小于容许拉应力（或拉应变）。疲劳寿命定义：出现疲劳开裂前路面材料所能经受的荷载重复作用次数。对水泥（或石灰等）稳定类基层，其底面的最大拉应力（或拉应变）小于容许拉应力（或拉应变）。2、车辙（永久变形）：以车辙为临界状态设计方法1）采用荷载作用下路基路面结构层内永久变形的总和小于等于永久变形量。2）或以路基顶面的竖向压缩应变作为指标。3、路表回弹弯沉：路表面在荷载作用下的回弹弯沉量反映了路基路面结构的整体刚度。试验表明，它同路面使用状态间存在一定关系，回弹弯沉大，相应的塑性变形量也大，出现疲劳开裂的机率高。根据路面使用状态和使用年限要求，可以确定一次标准荷载作用下的路面的容许回弹弯沉量。路面以回弹弯沉作为设计指标：上述三项为主要设计指标，对任一柔性路面都要满足。除此之外，还有三项次要指标，在特定的荷载、温度场合使用，指导面层材料的设计。44、面层剪切：在竖直、水平荷载共同作用下，面层结构中产生的5、面层断裂：受紧急制动产生的水平力作用时，产生很大的径向拉应力和水平向位移（推移）。6、低温缩裂：对寒冷地区低温时，面层材料收缩受阻产生的温度应力小于等于该温度时材料的抗拉强度。8.2弹性层状体系的应力和位移计算一、一般概念：1、力学图式：rzh1E1

µ1hiEi

µihnEn

µnh2E2

µ2pδδ将路基路面看作弹性层状体系。因为层状体系和竖直荷载都对称于荷载轴z，可以采用圆柱坐标来简化计算。zzdzrσzσrτzθσθτθrτrθτzrτθzτrzθdθr5在圆柱坐标中，体系的微分单元上作用有三个法向应力σr(径向）、σθ（切向）、σz（竖向）及三对剪应力τrz=τzr，τrθ=τθr，τzθ=τθz。此外，单元体还有三个位移分量：U(径向）、V（切向）、

W（竖向）。当作用在层状体系表面上的荷载为轴对称荷载时，各应力、应变和位移分量也对称于对称轴，即它们仅是r和z的函数，因而，τrθ=τθr=0，τzθ=τθz=0，三对剪应力简化为一对；同理，切向位移V=0。2、基本假定：1）多层的，每层均质，各向同性，无重量的线弹性材料组成。Ei,µi表示；2）最下层水平、竖向都是无限延伸的，其上各层在水平向无限，但厚度有限，为hi；3）各层分界上的应力和位移完全连续，层间的摩阻力为零（称滑动体系）；4）最下层无限深处的应力和位移均为零。当r→∞,z→∞时，σ、ε→∞。3、应力、应变关系式：物理方程：6体系内任一点的主应力可解下列一元三次方程求得：其中：I1为第一应力状态不变量；I1=σr+σθ+σzI2为第二应力状态不变量；I3为第三应力状态不变量；解出三个实根σ1、σ2、σ3；且σ1>σ2>σ3，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力；并按右式确定最大剪应力：至于水平荷载作用下，属非对称问题，求解更复杂，但现国内外都已求得其解，且求得了在竖向、水平荷载共同作用下的解。二、弹性双层体系解—弹性层状体系中最简单的情况将路基看成弹性将路基看成弹性半无限体，路面结构看成E、µ不同于路基的均质弹性层。1、单圆图式：zpE1、µ1E0、µ0δδr7当求算路表面荷载中心处的弯沉W0时，r/δ=z/δ=0，弯沉系数可利用电子计算机求得µ0=0.35，µ1=0.25时的值，并绘制成诺谟图，以便使用。2、双圆图式：zpE1、µ1E0、µ0δδδehr实用上已绘出µ0=0.35，µ1=0.25时的二、弹性三层体系解—弹将路基分为面层、基层和路基三个层次1、单圆图式：zpE1、µ1E0、µ0δδrE2、µ2hHABC82、双圆图式：zpE1、µ1E0、µ0δδrE2、µ2hHABCδD在竖向荷载作用下：在竖向、水平荷载综合作用下：四、应力和位移状况分析：2、路表弯沉：竖向应变的总和，70~90%系由路基提供。当各层E定时，H、h>2δ时，厚度增加对弯沉无显著影响。一般，基层厚度对弯沉的影响比面层大，E0影响比E2大得多，E0增大20%相当于E2增大100%的效果。1、路基应力：路基顶面的竖向应力σz受路面面层和基层厚度、模量的影响。增加基层的厚度或模量（特别是模量），收效比增加面层的为大。可参见P152图8-18。所以要弯沉减少，提高E0为宜，其次才是E2和H。93、面层底面拉应力σｒ1：E2对其影响极大，E2↑，σｒ1↓，H/δ↑，σｒ1↓

，当H/δ<2时，σｒ1变化较大。4、基层底面拉应力σｒ2：随E2↑而增大，随E0增大而减小，在h/δ大约0.5时，σｒ2达最大。所以面层不宜h↑=0.5δ(4-6cm）。5、路面表面最大剪应力τmax：与面层、基层、路基模量比和厚度比有关，但影响不大，应主要提高面层抗剪能力，或采用

E2较大的基层。8.3路面结构层次的组合一、组合的原则和方法：不同的路面结构组合会产生经济上和使用性能上的都不同的效果。层次多、厚度大的使用效果不一定就好，有时恰恰相反，根据实践经验和理论分析，结构层次的组合宜遵循下述几方面原则：1、一般考虑：3）方便施工、便于养护；1）路线、路基和路面要作总体设计；要求：路基稳定、基层坚实、面层耐用。2）因地制宜、合理选材；4）分期修建、逐步提高；5）注意与排水设计相结合。102、按各结构构层的功能选选择结构层次次：3、按各结构构层的应力分分布特性：面层：高强、耐磨、、热稳定性好好、不透水去去选择粘结力力强的结合料料和高强集料料。基层：承重层，要有有足够强度、、一定刚度和和水稳定性，，现在水泥或或石灰、粉煤煤灰。路基：土基回弹模量量>30MPa（高速公公路），其他他公路〉25MPa,城城市道路>20MPa稳定路基最经经济、最易办办到，也是最最主要的方法法是：加强排水和和达到要求的的压实度。轮载作用于路路面表面，其其竖向应力和和应变随深度度而递减，所所以各层材料料的强度和刚刚度要求也相相应降低。路路面各结构层层按自上而下下，强度、刚刚度递减的方方式组合。以以充分利用材材料，降低造造价。强度、刚度按按深度递减时时注意各结构构层之间的E不能相差太太大，否则上上层底面将出出现较大拉应应力，引起开开裂。基层同同面层的回弹弹模量比不应应小于0.3，土基与基基层的模量比比应为0.08~0.4。4、要顾及各各结构层本身身的结构特性性及与相邻层层次的互相影影响：保持层间结合合紧密，避免免产生滑移。。以保证结构构的整体性和和应力分布的的连续性。5、考虑水温温状况的影响响：选基层材料要要慎重，在潮潮湿和中湿路路段，应选水水温稳定性好好的材料，在在冰冻地区还还有防冻要求求，对路面有有最小防冻厚厚度要求，见见P159表表8-2。6、适当的层层数和厚度：：层数多能充分分利用材料，，但可能引起起施工及材料料制备困难，，所以不能过过多；层厚，，除考虑受力力外，有总厚厚度要求，层层厚过大时，，应分层施工工，自上而下下，宜由薄到到厚。11二、路面结构构组合示例：：公路名称沈大高速公路沪宁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）15~39砂砾（矿渣)30二灰土28水泥土8.4以以弯沉为设计计指标的路面面结构厚度计计算方法我国现行柔性性路面设计方方法是以双圆圆竖向均布荷荷载作用下的的弹性层状体体系理论，以以路表弯沉值值作为路面整整体刚度的控控制指标。对对高等级路面面（沥青混凝凝土面层、半半刚性材料基基层和底基层层）要验算层层底拉应力；；对常受水平平荷载作用的的停车站、交交叉口等路段段还要验算剪剪应力。一、设计弯弯沉值的确确定：轮载作用下下双轮轮隙隙中心e处处的路表回回弹弯沉值值大小，反反映了路基基路面结构构的整体承承载能力。。回弹弯沉沉值的大小小同该路面面结构的累累计荷载重重复作用次次数（即使使用寿命））成反比。。为此，需需要了解路路面结构在在使用期内内的弯沉变变化规律及及其与路面面结构损坏坏状态的关关系。121、路表弯弯沉的变化化规律：P161图图8-29表明路表表面竣工后后弯沉变化化曲线，l0为竣工后第第一年最不不利季节弯弯沉，从图图看出，路路表面的弯弯沉变化过过程分三个个阶段：第一阶段：：路面竣工后后一、二年年。由于交交通的荷载载的压密作作用以及半半刚性基层层材料的强强度增长，，路表弯沉沉逐渐减小小，大致在在竣工后第第二年达最最小值。第二阶段：：路面竣工后后两至四年年。由于在在交通荷载载的充分作作用、水温温状况变化化以及材料料不均等因因素影响下下，路面结结构内部的的微观缺陷陷因局部范范围的应力力集中而扩扩展，形成成小范围的的局部破损损，使结构构整体刚度度下降、弯弯沉增加。。此阶段以以弯沉不断断增大为主主要特征。。第三阶段：：路面竣工后后三、四年年至路面达达极限破坏坏状态。由由于结构内内部缺陷附附近局部区区域积蓄的的高密度能能量，已通通过前阶段段缺陷的扩扩展而转移移，形成新新的能量平平衡，路面面结构的整整体刚度达达成较低水水平的新的的相对稳定定，路表弯弯沉进入一一个比较稳稳定的缓慢慢变化阶段段，即结构构疲劳破坏坏的稳定发发展阶段，，一直延续续至结构出出现疲劳破破坏。2、使用期期末不利季季节的路表表回弹弯沉沉：将使用期末末不利季节节，在设计计标准轴载载作用下容容许出现的的最大回弹弹弯沉值定定义为容许许弯沉值lR。3、设计弯弯沉值：由于竣工后后第一年最最不利季节节的弯沉值值与最大刚刚度状态所所对应的弯弯沉值较接接近，故将将l0作为路面设设计弯沉ld。即:ld=l0=lR/ATAT为相对弯沉沉变化系数数，AT≈1.2013根据多年观观测调查资资料的分析析综合，可可由容许弯弯沉值与标标准轴载累累计作用次次数的关系系式，进一一步推得不不同公路等等级、不同同面层和基基层类型时时设计弯沉沉的计算公公式：式中：ld路面设计弯弯沉值（0.01mm）；Ne：设计年限限内一个车车道上累计计当量轴次次；Ac：公路等级级系数，高高速公路、、一级公路路为1.0，二级公公路为1.1，三、、四级公路路为1.2；As：面层类型型系数，沥沥青混凝土土面层为1.0，热热拌沥青碎碎石、上拌拌下贯或贯贯入式路面面为1.1，沥青表表面处治为为1.2，，中、低级级路面为1.3；Ab：基层类型型系数，对对半刚性基基层、底基基层总厚度度等于或大大于20cm时为为1.0，，若为面层层与半刚性性基层间设设置等于或或小于15cm级配碎石层层、沥青贯贯入碎石或或沥青碎石石的半刚性基层层时，可取取1.0，，柔性基层层、底基层层时取1.6，当柔柔性基层厚厚度大于15cm、、底基层为为半刚性下下卧层时，，可取1.6。二、轴载换换算：车辆的类型型不同，它它们的轴载载也不相同同，在计算算累计当量量轴次时，，需将各级级轴载换算算成标准轴轴载。1、当计算算路表弯沉沉和验算沥沥青层层底底拉应力时时：Pi：被换算车型型的各级（（单根）轴轴载（KN）；从大大于25KN计起。。14N：标准轴载的的当量轴次次（次/天天）；P：标准轴载（（KN）；；ni：被换算车型型的各级轴轴载作用次次数（次/天）；C1,i：被换算车型型各级轴载载的轴数系系数。当轴轴间距大于于3m时，，按单独的的一个轴计计算，轴数数系数即为为轴数m；；当轴间距距小于3m时，按双双轴或多轴轴计算，轴轴数系数为为C1,i=1+1.2(m-1);C2,i：被换算轴载载的轮组系系数。单轮轮组为6.4，双轮轮组为1.0，四轮轮组为0.38。2、当进行行半刚性基基层层底拉拉应力验算算时：C1,i'：被换算车型型各级轴载载的轴数系系数。当轴轴间距大于于3m时，，按单独的的一个轴计计算，轴数数系数即为为轴数m；；当轴间距距小于3m时，按双双轴或多轴轴计算，轴轴数系数为为C1,i'=1+2(m-1);C2,i'：被换算轴载载的轮组系系数。单轮轮组为18.5，双双轮组为1.0，四四轮组为0.09。。上述轴载换算公式仅适用用于单轴轴载载小于130KN的的轴载换算算。见P164例题8.3。15由于车道数数和车道宽宽度不同，，车轮轮迹迹在横向分分布的频率率也不同，，即路面横横向各点实实际所受轴轴载重复作作用次数也也随车道数数、车道宽宽度增加而而减少，所所以引人车车道系数η来考虑这一一影响。η值可查P164表8-5。所以，在设计年限内内一个车道道上累计当当量轴次次Ne可参照下式式计算：Ne：设计年限内内一个车道道上累计当当量轴次（（次）；t：设计年限限(a),参见表8-1；N1：路面竣工后后第一年的的平均日当当量轴次（（次/d））；Nt：设计年限最最后一年的的平均日当当量轴次（（次/d））；γ：设计年限内内交通量的的平均年增增长率（以以小数计））；η：车道系数，，参见表8-5。三、综合修修正系数：：通常理论计计算值与实实测弯沉值值之间存在在一定的偏偏差。原因因为路面材材料并非线线弹性体，，为此引入入一修正系系数F:16由大量试验验得综合修修正系数F同路面实实际弯沉值值、土基回回弹模量值值及轮载参参数（p、、δ）有关。。由此，弹性性三层体系系表面的回回弹弯沉为为：由于上两式式中包含了了F，而F又含有ls，故计算算时需用试试算法。先先定一个ls′,算出F，，再按上式式求出l，如ls′与ls相差较大大，则重新新假定ls′反复计算，，直到两者者相近为止止。当然也也可将F代代入上式，，直接解出出ls:例题：已知知p=0.7MPa,δ=10.65cm,E1=1500MPa,E2=700MPa,E0=45MPa,h1=10cm,lR=0.072cm,求h2。解：17四、多层路路面换算：：对于多层体体系可用电电子计算机机求解，当当条件不具具备时，可可换算为三三层（或双双层）体系系计算。进进行等效换换算。1、等效路路表回弹弯弯沉的结构构层换算：：E0HE2h1E1h2E2

µ2h1E1

µ1Hn-1En-1

µn-1E0

µ0……2、等效中中层底面弯弯拉应力的的结构层换换算：h2E2

µ2h1E1

µ1Hn-2En-2

µn-2E0

µ0……Hn-1En-1

µn-1E0Hn-1En-1H1En-2183、等效上上层底面弯弯拉应力的的结构层换换算：E0H2Ej+1H1EjHn-1En-1

µn-1h2E2

µ2h1E1

µ1Hj+1Ej+1

µj+1E0

µ0…………HjEj

µj例题：一五五层体系，，请换算成成三层体系系,以便便计算路面面弯沉值和和第一、第第二、第四四层层底拉拉应力，求求h。层位五层体系表面弯沉第一层层底拉应力第二层层底拉应力第四层层底拉应力E(MPa)h(cm)EhEhEhEh115006.515006.515006.5800?17.61500?29.8280010800?30.54800?21.42350010500?19.26425020250205353535353519五、路基土土E0和路面材料料Ei的回弹模量量值：常用承载板板试验和抗抗压试验得得到的荷载载—回弹变变形关系确确定。1、路基土土回弹模量量值E0：除了受加加荷方式和和应力状态态等因素影影响外，主主要取决于于土的类型型和性质以以及土的湿湿度和密实实度。路面面设计时，，应在最不不利季节通通过实测确确定回弹模模量值，但但在路基尚尚未修建的的情况下，，只能通过过经验来估估定。2、路面材材料回弹模模量值Ei：受材料来来源及组成成、施工工工艺、气候候和水文条条件等影响响，所以应应视现场的的具体条件件测试确定定。对高等级道道路，在初初设阶段，，应对拟选选材料通过过试验确定定；而在工工程可行性性研究和其其他等级道道路的初设设阶段，可可参见P171表8-8。进行路面厚厚度设计时时，对于沥沥青混合料料应采用20º时的抗压回回弹模量；；对于半刚刚性材料中中水泥稳定定粒料或细细粒料，采采用龄期为为三个月的的抗压回弹弹模量；而而对于石灰灰粉煤灰稳稳定粒料或或细粒料、、以及石灰灰稳定类材材料，则应应采用龄期期为六个月月的抗压回回弹模量。。20一、路面结结构层的拉拉应力验算算：结构层最大大的拉应力力小于等于于结构层材材料的容许许拉应力。。σｒ≤σR8.5路路面结构构层的应力力验算及防防冻厚度检检验1、结构层层的拉应力力计算：2、多层路路面换算：：见课件18-19页。3、结构层的计计算模量和强度度：进行结构层拉应应力验算时，各各层模量均采用用抗压回弹模量量。对于沥青混混凝土，应为15º时的抗压回弹模模量和劈裂强度度，水泥稳定类类材料，为龄期期90天的劈裂裂强度，对于二二灰稳定类和石石灰稳定类材料料，为龄期180天的劈裂强强度。4、结构层材料料的容许应力σR：Ks为抗拉强度度结构系数。根根据室内试验和和路况调查结果果由下列各式定定。Aα为沥青混凝土级级配类型系数。。细、中粒式为为1.0，粗粒粒式为1.1。。211、破坏面上剪剪应力和正应力力计算：由莫尔强度理论论定。二、路面结构层层的剪应力验算算：在车轮垂直和水水平荷载共同作作用下，破坏面面上的剪应力小小于等于路面材材料的容许剪应应力。τα≤τRτm由诺谟图求求得Τm(0.3)。水平荷载q=fp,其中f为为摩擦系数，对对停车场、交叉叉口等缓慢制动