第八章 柔性路面结构设计

第八章柔性路面结构设计概述----路面结构层次一、路面横断面路缘石面层硬路肩土路肩拦水带基层垫层纵向排水渗沟路缘带槽式全铺式二、路拱横坡度路面类型路拱平均坡度（％）沥青混凝土、水泥混凝土1～2厂拌沥青碎石、路拌沥青碎（砾）石、沥青贯入碎（砾）石、沥青表面处治、整齐石块1.5～2.5半整齐石块、不整齐石块2～3碎石、砾石等粒料类2.5～3.5炉渣土、砾石土、砂砾土等3～4路拱形式：圆弧、抛物线、直线三、路面结构层1.面层的作用：2.面层的种类：3.面层的构成：4.面层的结构承受行车荷载保证行车通畅保证行车平稳舒适沥青类水泥类砂石类块料类多层沥青混合料双层水泥混凝土复合式结构带有磨耗层或保护层的砂石结构横坡超高路肩（一）面层（二）基层1.基层的作用:承受面层传下的行车垂直荷载，向垫层和土基扩散荷载2.对基层的要求足够的刚度和强度，足够的抗水性，与面层相同的横坡，比面层宽3.基层种类稳定类、粒料类（三）垫层1.垫层的作用排水、隔水、防冻、防基层污染、扩散应力2.垫层材料颗粒材料、结合料稳定土四、路面分类按照力学特性分类——刚性路面、柔性路面、半刚性路面按照面层材料分类——沥青路面、水泥路面、块料路面、砂石路面五、柔性路面设计内容1.路面结构层次的选择与组合2.各层厚度的确定3.各层材料的组成设计六、柔性路面设计方法1.经验法2.解析理论法当路基土的承载能力较低，不能承受从路面传至路基表面的车轮压力，便产生较大的垂直变形即沉陷。一、路面局部沉陷（一）表现在车轮作用下表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象（二）起因（三）设计指标zz00z0——路基表面由车轮荷载作用产生的垂直应力，可用弹性层状体系理论求得z0——路基土的容许垂直压应力，其数值同土基的弹性模量和车轮荷载作用次数有关第一节柔性路面的损坏模式和设计标准二、车辙（一）表现（二）起因（三）设计指标路面的纵向带状凹陷，是高级沥青路面的主要破坏型式是路面的结构层及土基在行车重复荷载作用下的补充压实，以及结构层材料的侧向位移产生的累积永久变形，同荷载应力大小，重复作用次数以及结构层和土基的性质有关。rereLLreL——路面的计算总残余变形，由残余变形经验公式确定reL——容许总残余变形，由使用要求确定00EE或——路基表面的垂直应变，可由弹性层状体系理论求得0E0E——路基表面容许垂直应变，由路基残余变形和荷载应力、应力重复次数及路基弹性模量之间经验关系确定。三、疲劳开裂（一）表现（二）起因（三）设计指标路面无显著的永久变形，最初在荷载作用部位形成细而短的横向开裂，继而逐渐扩展成网状较厚的沥青结构层受车轮荷载的反复弯曲作用，使结构层底面产生的拉应变（或拉应力）值超过材料的疲劳强度，底面便开裂，并逐渐向表面发展。稳定类整体性基层也会产生出疲劳开裂，甚至导致面层破坏。与重复应变（或应力）大小和路面的环境因素有关。rRrR或——结构层底面的拉应变和拉应力rr、——结构层材料的容许疲劳拉应变和拉应力RR、四、推移（一）表现（二）起因（三）设计指标车轮荷载引起的垂直力和水平力的综合作用，使结构层内产生的剪应力超过材料的抗剪强度。同时也与行驶车轮的冲击、振动有关。受到较大的车轮水平荷载作用时，路面表面出现推移和拥起maxRmax——车轮的垂直力和水平力的共同作用下，面层中可能产生的最大剪应力R——材料的容许剪应力五、低温缩裂（一）表现（二）起因横向间隔性的裂缝，严重时发展为纵向裂缝路面结构中某些整体性结构层在低温（通常为负温度）时由于材料收缩受限制而产生较大的拉应力，当它超过材料相应条件下的抗拉强度时便产生开裂（三）设计指标rttRrt——低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力tR——某种温度下材料的容许拉应力第二节弹性层状体系理论概述一、基本假设与解题方法ph1hiEiμiE1μ1Enμn弹性层状体系示意图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（路基）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。求解时，将车轮荷载简化为圆形均布荷载（垂直荷载与水平荷载），并在圆柱坐标体系中分析各分量。（一）基本假设（二）解题方法二、多层体系一般解1、平衡方程2表征各点应力、应变的物理方程3各点应变和位移的几何方程43个主应力：5最大剪应力图12-2圆柱坐标中微元应力分量phE1，1rE0，0z图14－3双层连续体系受圆面积均布荷载计算图式20pE弯沉1414120122222201EELehMehMLMeLeJhdhhhh:表面弯沉系数三、双层体系的解图12-4双层体系表面垂直位移系数ω诺谟图四、弹性三层体系解(1)表面弯沉(2)上、中层底面最大弯拉应力图12-5双圆均布荷载下弹性三层体系(3)上层表面最大剪应力根据摩尔-库伦原理，由莫尔应力圆可得图12-9摩尔圆应力分析图图12-10三层体系剪应力分析图最大剪应力绘制诺谟图时,取f=0.3,当计算其他f值的τm与σ1时,根据数值解结果整理得如下近似计算公式五、多层体系的等效换算(1)路表弯沉等效换算法-----双层图12-13多层体系路表弯沉等效换算图•换算后上层的等效层厚度(双层）(2)弯拉应力等效换算法1）上层底面弯拉应力等效换算图12-14上层底面弯拉应力等效换算图换算后三层体系中层的等效层厚度：2）中层底面弯拉应力等效换算上面各层按邻近中层结构层的模量进行等效厚度计算：图12-15中层底面弯拉应力等效换算图（3）面层剪应力等效换算法对于用作城市道路的沥青路面，需要验算沥青面层的抗剪强度，因此当按三层体系诺谟图计算面层剪应力时，需将多层体系按剪应力等效的原则换算为三层体系。图12-16第三节沥青路面结构组合设计一、一般考虑（一）路线、路基和路面要做总体设计——路基稳定、基层坚实、面层耐用公路等级路面等级面层类型设计年限设计年限内累计标准轴次（万次/一车道）高速、一级公路高级路面沥青混凝土、SMA15400二级公路高级路面沥青混凝土、SMA12200次高级路面热拌沥青石、沥青贯入式10100~200三级公路次高级路面热拌沥青石、沥青贯入式810~100四级公路中级路面水结碎石、泥结碎石、级配碎（砾）石、半整齐石块5≤10低级路面粒料改善土5（二）因地制宜、合理选材（三）方便施工、便于养护（四）分期修建、逐步提高（无）注意与排水设计相结合二、沥青路面结构组合的原则（一）适应行车荷载作用的要求各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律安排，以使各结构层材料的效能得到充分发挥。结构层数既要体现强度和刚度沿深度递减的规律，又要考虑施工工艺、材料规格和强度形成原理根据公路等级、交通量大小、重车所占的比例、选用沥青质量等因素，综合考虑确定沥青层厚度基层、底基层厚度应根据交通量大小、材料力学性能和扩散应力的效果，发挥压实机具的功能以及有利于施工等因素选择各类结构层具有满足施工要求的最小厚度和适宜厚度（二）适当的层数和层厚zE、z半无限体的应变容许应变Z()Zfz()Zfz公路等级沥青层推荐厚度（cm）公路等级沥青层推荐厚度（cm）高速公路12～18三级公路2～4一级公路10～15四级公路1～2.5二级公路5～10结构层类型施工最小厚度（cm）结构层的适宜厚度（cm）沥青混凝土热拌沥青碎石粗粒式5.06～8中粒式4.04～6细粒式2.52.5～4沥青石屑1.51.5～2．5沥青砂1.01.0～1.5沥青贯入式4.04～8沥青上拌下贯式6.06～10沥青表面处治1.0层铺1～3，拌和2～4水泥稳定类15.016～20石灰稳定类15.016～20石灰工业废渣类15.016～20级配碎、砾石810～15泥结碎石810～15填隙碎石1010～12（三）考虑水温状况的影响1.潮湿路段及中湿路段沥青路面的基层一般应选择水稳定性好的材料2.在季冻地区，当冻深较大，路基土为易冻胀土时，路面结构中应设置防止冻胀和翻浆的垫层。路面总厚度的确定，除满足强度要求外，还应满足下表防冻厚度的要求路基类型路基土质粘性土、细亚粘土粉性土基垫层类型道路冻深(cm)砂石类稳定土类工业废料类砂石类稳定土类工业废料类中湿50～10040～4535～4030～3545～5040～4530～40100～15045～5040～4535～4050～6045～5040～45150～20050～6045～5540～5060～7050～6045～50大于20060～7055～6550～5570～7560～7050～6560～10045～5540～5035～4550～6045～5540～50潮湿100～15055～6050～5545～5060～7055～6550～60150～20060～7055～6550～5570～8065～7060～65大于20070～8065～7555～7080～10070～9065～803.基层易于冲刷或路基路面排水不良应在面层中最少使用一层不透水的沥青混合料。（四）适应复杂受力条件5）基层与面层的模量比应不小于0.3，土基与基层或底基层的模量比宜为0.08～0.40。1）提高基层模量和厚度可以显著降低路基压应力，模量的影响大于厚度2）对路面弯沉的影响，路基模量基层模量基层厚度面层模量面层厚度3）采用大的基层模量、好的层间联结以及控制基层厚度大于2δ，面层厚度避开0.5～1.0δ可以减小面层层底拉应力。4）基层底面拉应力随着基层模量的相对增大而增大，随着路基模量的增大而减小。面层厚度在0.5δ左右（4～6cm）时，基层底面拉应力最大；基层厚度在2～3δ（25～40cm）时基层底面拉应力趋于稳定。6）只有面层本身抗剪强度高和采用较高模量的基层才对控制剪切破坏有效，其他因素影响甚微。（五）顾及各结构层本身的结构特性及其与相邻层次的互相影响1.在冰冻地区和气候干燥地区，无机结合料稳定类基层的收缩常会在沥青路面上产生反射裂缝，可在层间加设一层柔性联结层，或者适当加厚面层。2.在潮湿的粉土或粘性土路基上，不宜直接铺筑碎（砾）石等颗粒类材料。必要式，可在路基顶面设土工布隔离层，以防止基层污染或路面变形过大。3.层间结合应尽量紧密，避免产生滑移，以保证结构的整体性和应力分布的连续性4.沥青面层与基层间应设置沥青透层或沥青粘层，必要时使用下封层。三、典型沥青路面结构组合——15~30cm石灰土、二灰土、水泥石灰土或与上层相同的材料——4~18cm一至三层AC或AC+AM或SMA+AC——15~30cm水泥稳定集料、二灰稳定集料、水泥二灰稳定集料——15~？cm粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣、——4~12cm一至三层AC或AC+AM或SMA+AC——8~20cm一至二层沥青碎石——15～40cm级配碎石或沥青稳定碎石＋级配碎石——15~？cm粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣、典型半刚性基层沥青路面典型柔性基层沥青路面第四节新建沥青路面的结构厚度计算一、沥青路面厚度设计的基本方法（一）经验法CBR法、AASHTO法为代表（二）理论法Shell法、AI法、前苏联运输工程部方法以及我国沥青路面设计方法为代表二、我国沥青路面厚度设计方法概述（一）力学模型——双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系（二）路面整体刚度设计指标——设计弯沉值（三）路面抗弯拉验算指标——层底容许拉应力（四）路面抗剪验算指标——面层容许剪应力ph1hnEn-1μn-1E1μ1E0μ0AAph1hnEn-1μn-1E1μ1E0μ0BDECCEDB路表弯沉值计算图式层底拉应力计算图式2h1hnEn-1μn-1E1μ1E0μ02DD0.9剪应力计算图式三、以