_沥青路面设计

1第十四章沥青路面设计第一节概述第二节弹性层状体系理论简介第三节沥青路面结构组合设计第四节我国沥青路面设计方法第五节外国沥青路面设计方法简介第一节概述一、沥青路面设计的内容沥青路面设计包括交通量实测、分析与预测，材料选择，混合料配合比设计，设计参数的测试与确定，路面结构组合设计与厚度计算，路面排水系统设计和其他路面工程设计。并进行路面结构方案的技术经济综合比较，提出推荐方案。二、沥青路面结构设计理论与方法1.经验法通过试验路的实测数据，建立路面结构（结构层组合、厚度和材料性质）、车辆荷载（轴载大小和作用次数）和路面使用性能之间的关系。2.力学—经验法应用力学原理分析路面结构在荷载与环境作用下的力学响应量（应力、应变、位移），建立力学响应量与路面使用性能之间的关系模型。3.我国沥青路面设计规范采用弹性层状体系作力学分析基础理论，以双圆垂直均布荷载作用下的路面整体沉降（弯沉）和结构层的层底拉应力作为设计指标，以疲劳效应为基础，处理轴载标准化转换与轴载多次重复作用效应。四、沥青路面交通等级1.路面设计年限2.标准轴载及轴载当量换算我国路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载。1)当以弯沉进行厚度设计及沥青层层底拉应力验算时式中：N——标准轴载的当量轴次，次/日；ni——被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日；P——标准轴载100KN；Pi——被换算车辆的各级轴载，KN；k——被换算车辆的类型数；C1——轴载系数，C1=1+1.2(m-1),m是轴数。当轴间距大于3米时，按单独的一个轴载计算，当间距小于3米时，按双轴或多轴计算。C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。不计25KN以下轴载35.4211)(PPnCCNiiKi2)当进行半刚性基层层底拉应力验算时不计小于50KN的轴载81'2'1')(kiiiPpnccN式中：C1´──轴数系数；当间距小于3米时，按双轴或多轴计算C1´=1+2(m-1),m是轴数。C2´──轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。上述轴载换算公式，适用于单轴轴载小于或等于130kN的各种车型的轴载换算。换算原则：第一，换算以达到相同的临界状态为标准，即对同一种路面结构，甲轴载作用N1次后路面达到预定的临界状态，乙轴载作用使路面达到相同临界状态的作用次数为N2，此时甲乙两种轴载作用是等效的；第二，对某一种交通组成，不论以哪种轴载的标准进行轴载换算，由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度是相同的。沥青路面的设计交通量，应在实测各类相关车型轴载谱的基础上，参照项目可行性研究报告等有关交通量预测资料，考虑未来各种车型的组成论证确定各种车型的代表轴载，进行不同车型的轴载换算，计算交工后第一年双向日平均当量轴次N1。3.设计年限累计当量标准轴载数NeNt[()]113651设计年限（t）内一个车道通过的累计标准当量轴次Ne，可通过路面营运第一年双向日平均当量轴次N1和设计年限内交通量年平均增长率γ，按下式计算：4.交通等级第二节弹性层状体系理论简介1、各层连续、弯曲弹性、均匀、各向同性，位移、形变微小；2、最下一层（土基）在水平方向和垂直方向无限大，其上各层厚度有限，水平方向无限大；3、各层在水平方向无限远处，及最下层向下无限深处，应力、形变、位移为零；4、层间接触情况，或者完全连续（连续体系）或层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力（滑动体系）；5、不计自重一、基本假设二、解题方法ph1hiEiμiE1μ1Enμn弹性层状体系示意图第三节沥青路面结构组合设计基本原则：面层耐久、基层坚实、土基稳定具体要求：1.适应行车荷载作用的要求从上至下，从薄到厚，从强到弱，表层抗滑、抗磨耗2.在各种自然因素作用下稳定性好水稳定性和温度稳定性；3.考虑结构层的特点上下层匹配，总体上强度足够；4.考虑防冻、防水要求5.层间结合良好一、沥青面层结构表面层：平整度、抗滑耐磨、高温抗车辙、低温抗开裂、抗老化中面层：稳定性、抗剪性能下面层：抗疲劳裂缝性能表面层宜选用密实型中粒式或细粒式沥青混合料(AC13、AC16)，空隙率控制在3%~5%。对于重交通和特重交通等级，可采用改性沥青混合料或者SMA13。中、下面层宜选用密实型中粒式或粗粒式沥青混合料(AC20、AC25)。对于重交通和特重交通等级，可采用改性沥青混合料或者SMA20。沥青层的最小压实厚度与混合料的公称最大粒径值有关，若小于最小厚度，则压实效果不好。二、沥青路面基层结构1.柔性基层沥青处治的级配碎石和无结合料的级配碎石。2.半刚性基层3.刚性基层基层结构的厚度应满足强度与刚度的设计要求。基层的厚度应大于混合料最大粒径的4倍，同时考虑压实机具的功能，通常取能一次压密的最佳厚度的倍数。三、沥青路面垫层结构可选用粗砂、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。强度要求不一定高，但水稳定性和隔温性能要好。排水垫层应与边缘排水系统相连接，垫层宽度应铺筑到路基边缘或与边沟下的渗沟相连接。采用碎石和砂砾垫层时，一般最大粒径应不超过结构层厚度的1/2，以保证形成骨架结构。垫层的作用：改善土基的湿度和温度状况，保证面层和基层的强度、刚度和稳定性不受土基水温变化而造成不良影响。将基层传下的车辆荷载加以扩散，以减小土基的应力和变形。同时阻止路基土挤入基层。防冻厚度的设计，一般多采用经验厚度和经验公式加以确定。防冻厚度与路基潮湿类型、路基土类、道路冻深以及路面结构层材料的热物理性能有关。若根据交通量计算的结构层总厚度小于最小防冻层厚度，则应增加防冻垫层使其满足最小防冻厚度的要求。在排水垫层下设土工织物反滤层，以防止路基污染粒料垫层，降低排水功能。四、沥青路面层间结合沥青路面各结构层之间应紧密结合，不因层间滑动或松散而丧失结构的整体效应。沥青面层与基层之间应设置透层沥青或黏层沥青。当采用半刚性基层时，为防止粒料松散和雨水下渗，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，也应设黏层沥青。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清扫下层表面的灰尘、泥土、油污等有可能破坏层间结合的有害物质，然后设黏层沥青。对半刚性基层沥青路面的结构层组合设计，基层与沥青面层的模量比宜在1.5~3之间；基层与底基层的模量比不宜大于3；底基层与土基模量比宜在2.5~12.5之间。五、结构组合设计半刚性基层达到一定厚度后，继续增加其厚度，将不会明显增加路面的承载能力，从技术和经济两方面考虑，半刚性基层存在一个合适的厚度。路面力学计算也表明，当半刚性材料层达到45~55cm厚度后，继续增加其厚度对路面的承载能力以没有明显的影响，因此在正常路段强度大的半刚性基层一般控制在45~55cm，强度小的半刚性基层一般控制在55~60cm。也就是说以增大结构层厚度的方式解决重载交通道路的承载力问题是很不可取的。第四节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，以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层弯拉应力、半刚性及刚性材料基层弯拉应力为设计指标进行路面结构厚度设计。一、设计指标与极限标准路面结构的路表弯沉表征路面结构在设计标准轴载作用下，垂直方向的位移。弯沉是表征路面结构总体刚度的指标。弯沉的小大也能表征土基支撑的强弱，间接反映沥青面层高温稳定性。弯沉值作为设计控制指标的另一个优点就是便于直接量测。实践表明，在达到相同程度的破坏时，回弹弯沉值的大小同该路面的设计使用寿命，即轮载累计重复作用次数成反比关系。通常可以通过长期观测，建立起累计轴载数N与路面损坏阶段的统计数学模型。高等级路面，当路面表面特性（如平整度、抗滑性能、车辙深度等）超出规定的界限，影响安全或行车质量，即使路面表面破坏尚未达到严重程度，即认为路面已达到极限状态，因此路面设计使用期内能够承受的与极限状态所对应的路表弯沉值与通过的累计轴载次数在该极限破坏阶段达到了平衡。等级略低的公路，通常以某一种路面结构性破坏作为极限状态，所对应的路表弯沉可以大些。ld=600Ne-0.2AcAsAB式中：ld—设计弯沉值(0.01mm)；Ne—设计年限内一个车道上累计当量标准轴载通行次数；Ac—公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；As—面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0;热拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面为1.1；沥青表面处治为1.2；中、低级路面为1.3。AB—基层类型系数，对半刚性基层取1.0；柔性基层、底基层时取1.6。设计弯沉值相当于路面竣工后第一年不利季节，路面在标准轴载100kN作用下，所测得的最大回弹弯沉值。弯沉指标不能表征路面结构内个别结构层的某一个指标是否出现破坏极限状态。对于设置半刚性下基层的路面结构，通常极限状态首先发生在下基层底部，产生初始裂缝，然后向上使得基层拉应力增大而引起基层裂缝，最后扩展到沥青面层。由于柔性基层材料以粒状结构为主，不承担弯拉应力，所以沥青面层承受较大的轮载弯矩，整个路面结构的极限状态可能首先出现在沥青面层底部，形成初始裂缝，然后车轮反复作用下逐步扩展，沥青面层形成断裂裂缝。沥青路面结构层材料的容许拉应力是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力。sspRK沥青混凝土的极限抗拉强度，指15℃时的极限抗拉强度；水泥稳定类材料龄期为90d的极限抗拉强度(MPa)；二灰稳定类、石灰稳定类的材料龄期为180d的极限抗拉强度(MPa)。——路面结构层材料的容许拉应力（MPa）；——结构层材料的极限抗拉强度（MPa），我国沥青路面设计规范采用劈裂强度；——抗拉强度结构系数。RspsKceSANK/09.02.0ceSANK/35.02.0ceSANK/45.02.0spfnkNlglgsspRK沥青混凝土面层无机结合料稳定集料无机结合料稳定细粒土表征结构层材料的抗拉强度因疲劳而降低的抗拉强度结构系数Ks，与材料的疲劳特性有关。——反映沥青混合料性质的混合料级配系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0；粗粒式沥青混凝土为1.1；——公路等级系数。aAcA路面结构设计按两项指标设计结构层厚度，取其中较厚的层厚作为最终设计结果，即可以同时满足弯沉与弯拉应力两项设计指标的要求。二、路面结构厚度设计方程式与设计参数1.计算路表弯沉值2.计算结构层底弯拉应力高速公路、一级公路、二级公路的路面结构，以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。三级公路、四级公路的路面结构以路表面设计弯沉值为设计指标。有条件时，对重载交通路面宜检验沥青混合料的抗剪切强度。路面结构厚度设计应满足结构整体承载力与抵抗疲劳开裂的要求：1)轮隙中心处（A点）路表计算弯沉值小于或等于设计弯沉值，即：lS≤lR2)轮隙中心（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉应力应小于或等于容许拉应力，即：σm≤σRB(c)ccpEn=E0rAAE1E2En-1hn-1h2h1B3.路基回弹模量E0和泊松比μ0泊松比一般可取为0.25-0.35（强度高取小值）。确定路基回弹模量的常用方法：1)现场实测法是在不利季节，采用刚性承载板直接在现场土基上实测E0。也可采用落锤式弯沉仪测定路基回弹模量值。(2)查表法对于新建道路，路基尚未建成，无实测条件时，按下述步骤查表预估路基回弹模量。①确定临界高度临界高度是指土基在不利季节，分别处于干燥、中湿或潮湿状态时，路床表面距地下水位或积水水位的最小高度。②拟定土的平均稠度③预估路基回弹模量(3)室内实验法取代表性土样在最佳含水率条件下，用小承载板测得的回弹模量E0值，考虑不利季节的影响，乘以折减系数。(4)换算法确定CBR和E0的关系。4.结构层回弹模量E1无论采用哪项控制指标设计厚度，各结构层的回弹模量均采用抗压回弹模量。当以路表弯沉值作为设计验算指标时，取标准试验温度为20℃，当以层底拉应力为设计验算指标时，取标准试验温度为15℃，以适