第九章沥青路面设计

第九章沥青路面设计第9-1节沥青路面设计的任务、程序与原则一、设计任务沥青路面设计的任务是：确定合理的路面等级，选择适合的路面类型，进行结构组合设计、路面材料配合比设计及路面结构计算等。为确保路面设计质量，在路面设计之前，应进行专门的外业调查，搜集相关资料，以作为路面设计工作的依据。在外业调查时需收集的资料有：工程地质和水文地质条件，天然土湿度和水文资料，气象资料，路面材料产地和供应情况，当地路面使用经验和其他情况，交通量及交通组成情况，投资情况，施工单位的技术力量，机具设备、劳动力组成情况，原有路基路面状况等。在掌握了公路沿线的野外调查资料的基础上可按下列程序进行路面的设计工作：1．根据设计任务书的要求，并综合考虑国家政治、经济、国防、旅游、公路等级、交通量和交通组成、建设投资和其他方面的要求，确定合理的路面等级和面层类型。计算在设计年限内换算为标准轴载的单车道的累计当量轴次和路表设计弯沉值，容许拉应力值。2确定路基回弹模量值。按路基土组与干湿类型将路基划分为若干路段(每段长度一般情况下不宜小于500m，若为大规模机械化施工，不宜小于1km)，确定各路段土基回弹模量值。3．确定路面材料的回弹模量值。为了保证路面结构的强度与稳定性并充分发挥各结构层的功能，应考虑当地气候、土质、材料，施工等具体情况，拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案，根据实测或查表确定各结构层路面材料的回弹模量及设计参数。4根据设计弯沉值计算路面厚度。对于高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和整体性材料基层、底基层应验算其拉应力是否满足容许拉应力的要求。如不满足要求，应通过调整路面结构层厚度，或变更路面结构组合，或调整材料配合比以提高极阻抗弯拉强度后再重新计算：对季节性冰冻地区的高级和次高级路面，还应验算防冻厚度是否符合要求。1．进行技术经济比较，确定采用的路面结构方案。三、设计原则为使沥青路面设计先进，经济合理，路面安全适用并与周围环境协调，在设计工作中应遵循下列原则：1．应根据路面使用要求与当地的自然条件(包括气候、水文、土质等)，结合当地实践经验，按面层耐久、基层坚实、土基稳定的要求进行综合设计。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、强度高稳定性好、便于机械化和工厂化施工的路面结构方案。3．应从技术经济上论证是否有必要分期修建。对分期修建的路面工程，应合理设计结构层次与厚度，使前期工程能在后期被充分利用。高速公路和一级公路的路面不宜分期修建。4．应积极采用并推广新技术、新材料、新工艺、新设备、推行机械化施工。对高速公路和一级公路，应采用大型、高效成套的机械设备施工．以确保工程质量。对软土地区或高填方路基及可能产生较大沉降的路段，宜按分期修建或一次设计分期实施的原则进行设计。设计时应按远景交通量设计路面结构与厚度，修筑时可酌情减薄沥青面层厚度，待路基变形趋于稳定后，再根据路面实际情况加铺沥青面层至设计厚度。待路基变形趋于稳定后，再根据路面实际情况加铺沥青面层至设计厚度。第9-2节标准轴载与轴次换算一、标准轴载及其形式公路上行驶的车辆种类繁杂，不同车型和不同作用次数对路面影响不同，为方便路面设计，需将不同车型组合而成的混合交通量换算成某种统一轴载的当量抽次。这种统一的轴载，称为标准轴载。《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)中规定：沥青路面设计是以双轮组单后轴载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，凡轴载大干25kN．小于130kN的各级轴载P1(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)。二、轴次换算方法1．换算原则当把混合交通量中的各级轴载换算成标准轴载时，为了保证换算前与换算后的轴载对路面的作用效果相同，应该遵循弯沉等效或拉应力等效原则。等效原则是以某一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损坏程度为根据的。这是一个很复杂的关系，通常是通过实验路段观测来确定。它包括两方面的含义：第一，对于同——种路面结构，若一种车轮荷载作用了n1次，使路面达到极限破损状态，而另一种车轮荷载作用了n2次，使路面达到了同样的破损状态，则这两种车轮荷载的作用次数n1和n2，被称做是等效的。第二，对于同一交通组合(混合交通量)，通过等效换算后，则不论按哪种车轮荷载进行路面厚度计算，得到的结果均是相同的。上述轴载换算公式适用于单轴重25~130kN的范围内。在具体进行轴次换算时，各种主要汽车路面设计使用的计算参数可参考表2-1-9。三、累计当量轴次计算在沥青路面设计中既要考虑使用初期日交通量和远景交通量(即使用年限末期交通量)还要计算出路面设计使用年限内，设计车道累计承担多少次标准轴载的反复作用。路面使用年限末期的远景交通量是由有关部门根据国民经济发展规划给定，或根据交通部门的调查统计资料进行推算而得。我国有关调查统计资料表明，交通量的增长基本上符合几何级数的递增规律，即：例2-7-1某一级公路，竣工后第一年双向平均日交通星见表2-7-3，交通量年平均增长率r为7．5％，路面设计年限t＝15年，求累计当量轴次Ne。解：1．求各类车型的轴载换算系数第9-3节沥青路面设计指标一、路面结构的破坏模式与设计指标(一)路面结构的破坏模式沥青路面状况和使用品质由于环境的干、湿、冷、热的交替循环和行车荷载的反复作用而逐渐变坏，或完全丧失工作能力。为了保证路面结构性能在规定的使用年限内不恶化到某一程度。需要分析路面破坏的模式和产生的原因，并依此制定出相应的设计指标来控制路面设计。沥青路面破坏形态各异，破坏的原因是错综复杂的，根据损坏现象的成因及对路面使用性能的影响，路面的破坏可分为以下几种主要模式。1．沉陷沉陷是路面在车轮荷载作用下，其表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象．如图2-7-1所示。当沉陷严重超过了结构的变形能力，在结构层受拉区产生开裂而形成纵裂，并有可能逐渐发展成网裂。引起沉陷的主要原因是路基水文条件差而过于湿软，承载力显著降低，在车轮荷载作用下出现沉陷并导致路面的开裂、变形和破坏。用累积起来的残余变形总和也将会很大，足以影响车辆的正常行驶。路面的车辙与荷载应力大小，重复作用次数以及结构层和土基的性质有关。3．疲劳开裂开裂是沥青路面常见的破坏类型。开裂的种类和原因有几种，这里所说的开裂是路表无显著永久变形而出现的裂缝现象。疲劳开裂的特点是首先出现较短的纵向开裂，继而逐渐发展为网状开裂，开裂面积不断扩大。发生疲劳开裂的主要原因是：结构整体强度不足或在车轮荷载反复作用下，沥青结构层底面或半刚性基层底面产生的拉应力(或拉应变)超过材料的疲劳强度，底面便发生开裂，并逐渐扩展延伸到表面。4．推移推移是沥青路面材料沿行车方向发生剪切或拉裂破坏面出现推挤或拥起现象。如图2-7-2所示造成椎移的主要原因是：当沥青路面受到较大的水平荷载作用时(在车辆经常启动、制动的路段及弯道、坡度变化处等)，车辆荷载引起的竖向力和水平力的综合作用使结构层内的切应力或拉应力超过材料的抗剪或抗拉强度。向裂缝(因为路面的纵向约束远大于横向约束)。在冰凉地区，沥青面层及用水硬性材料稳定的整体性基层。冬季可能出现这种裂缝。低温裂缝的产生与荷载无关。路面材料的干缩裂缝或半刚性基层上沥青面层的反射裂缝，均为横向裂缝，另外路基不均匀沉陷、冻胀也会产生横裂和纵裂。模型和纵裂进一步发展会扩展成网裂。(二)设计指标根据路面在行车荷载和自然因素作用下所产生的应力、应变和位移量不超过路面任一结构层中材料的允许应力、应变和位移量来选定路面结构层的组合和厚度，以达到防止或减少各种路面破坏现象的发生，控制或限制路面结构的特性和使用品质在设计年限内不恶化到某一规定程度的目的。目前沥青路面的设计方法世界各个国家采用的标准不尽相同，有的方法采用一个指标，有的方法采用几个指标，但不少国家沥青路面的设计方法是采用路表设计弯沉值作为一项控制指标。这项指标能得到广泛采用，是因为路表弯沉不仅反映路面整个结构层及土基的整体强度和刚度，而且与路面的使用状态存在一定的内在联系，同时弯沉值的测定也很方便。我国沥青路面设计是根据路面结构类型不同分别采用以下指标：1．为了控制路基路面的总变形，防止网裂、沉陷、车辙，使路面具有足够的整体刚度和强度。采用路表设计弯沉值Ld作为路面整体刚度和强度的控制指标。即路面设计弯沉值Ld应大于或等于路表实际可能产生的回弹弯沉值Ls，即Ls≤Ld(2-7-4)2．为了防止沥青混合料面层和整体性材料基层的疲劳开裂，采用了沥青混凝土面层和整体性材料基层(即半刚性基层)底面的容许拉应力σR作为验算指标，此值应大于或等于路面中相应结构层底面实际可能产生的最大拉应力σm即σm≤σR(2-7-5)1．为了防止高温季节道路交叉口、停车场等汽车经常起动、制动的地方沥青面层产生推挤和拥包等破坏现象，采用了沥青面层材料的容许切应力作为验算指标，此值应大于或等于面层破裂面上实际可能产生的切应力τa，即τa≤τR（2-7-6）上述三项设计指标的使用范围为：(1)我国《公路沥青路面设计规范》以设计弯沉值作为路面结构设计的控制指标。对高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和整体性材料基层、底基层还应进行层底拉应力验算。(2)我国《城市道路设计规范》规定：1)除交通量小的支路上铺筑沥青混凝土面层时可仅用设计弯沉值指标设计外，在其他道路上铺筑沥青混凝土面层应采用上述三项指标设计。2)对沥青碎石面层采用设计弯沉值和切应力两项指标设计，对沥青贯人式、沥青表面处治和粒料路面，只用设计弯沉值指标设计。3)采用半刚性基层时，应对基层按拉应力指标设计。二、路面设计弯沉值计算所谓弯沉，是指在车轮荷载作用下路面产生的垂直位移(也称垂直变形)。路面材料是非线性弹塑性体，所以路面的弯沉有弹性弯沉、残余弯沉和总弯沉。针对一个固定的测点而言，当它受到车轮荷载的作用时，就产生竖向位移变形，在加荷过程中观测的变形位就是总弯沉；当车轮荷载卸除后，路面就向上回弹，在卸荷过程中观测到的变形值就是弹性(回弹)弯沉；总弯沉与弹性弯沉之差，就是残余弯沉，如图2-7-3所示。据观测，对于强度较高或使用多年而处于稳定状态的老路面，其残余弯沉仅为总弯沉的10％左右，可认为是处于或接近弹性工作状态。因此，可采用路面回弹弯沉L0来表征路面的强度。路面回弹弯沉值可用杠杆式弯沉仪由标准汽车按前进卸荷法进行测定。弯沉值的大小，反映了路面的强度，在相同车轮荷载下，路面弯沉值愈大，则路面抵抗垂直变形的能力愈弱，反之则强。实践表明，在路面达到相同破坏程度时．回弹弯沉值的大小同该路面的使用寿命即车设计弯沉值的确定是通过在使用了若干年，并在外观上有不同程度破坏的路面表面上，用标准轴载测定处于各种不同外观状态的回弹弯沉，建立回弹弯沉与路面外观状态的关系，并考虑到对公路的修建费用、使用、养护的要求加以确定的。调查测定发现，路面回弹弯沉值的大小与路面外观状态之间有着很明显的联系，即随着路面回弹弯沉值的增大，路面的外观状态明显变差。我国把公路沥青路面按外观特征分为五个类别，如表2-7-4所示。并把第四类外观状态定为路面的临界状态，以此状态下测定的回弹弯沉值的低限作为路面设计弯沉值界限的依据。由于在车辆荷载的重复作用下，路面上实际产生的弯沉值不可避免地要有所积累和增加，故在确定路面的设计弯沉值时，必须注意到设计弯沉的大小和路上通过的交通量及其轴载组合的密切关系。因此，当规定了路面的临界状态以后，要求承受的交通量大时，路面设计弯沉值就该定得小一些；要求承受的交通量小时，路面的设计弯沉值则可定得大一些。根据上述原则，并通过大量的调查测定发现，累计交通量与设计弯沉值之间存在良好的双对数相关关系，在此基础上又考虑了不同公路等级、面层和基层类型对设计弯沉值确定的影响，规范采用下列公式计算：式中：Ld——路面设计弯沉值，0.01mm，对沥青路面系指路面温度为20°C的值；N——累计当量轴次，次；Ac——公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0