路基路面工程-第14章-沥青路面设计(上)

第十四章沥青路面设计AsphaltPavementDesign主要内容第一节概述第二节弹性层状体系理论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第五节我国沥青路面设计实例本章学习重点①轴载当量换算②沥青路面结构组合设计层位的匹配原则、基本要求及典型结构③沥青路面设计指标与标准指标的设置依据、类型及计算方法④新建沥青路面厚度设计计算的基本步骤、理论及经验公式1、沥青路面设计内容①结构组合设计②材料组成设计③厚度设计验算④结构方案比选⑤排水系统设计第1节概述1、沥青路面设计内容①结构组合设计第1节概述上面层AC13水泥或二灰稳定碎石土基二灰土中面层AC16下面层AC25半刚性基层沥青路面1、沥青路面设计内容①结构组合设计第1节概述长寿命沥青路面4～7cm高质量表面层10～17.5cm高模量抗车辙层7.5～10cm柔性抗疲劳层土基1、沥青路面设计内容①结构组合设计第1节概述全厚式排水沥青路面沥青混凝土表面层+路肩排水沥青稳定基层沥青混凝土分隔层1、沥青路面设计内容①结构组合设计第1节概述上面层AC13水泥或二灰稳定碎石土基二灰土中面层AC16下面层AC251、沥青路面设计内容②材料组成设计第1节概述排水式沥青混凝土OGFC，孔隙率≈20%密级配沥青混凝土AC，孔隙率≈5%沥青玛蹄脂碎石SMA，孔隙率≈3%1、沥青路面设计内容③厚度设计验算第1节概述细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石24cm？？水泥稳定碎石63cm级配碎石15cm土基细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土8cm？？水泥稳定碎石34cm二灰土20cm土基细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石12cm级配碎石15cm？？水泥稳定碎石32cm水泥稳定碎石20cm细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石10cm？？水泥稳定碎石35cm级配碎石20cm土基土基柔性路面半刚性基层沥青路面夹层式组合基层沥青路面组合基层沥青路面1、沥青路面设计内容④结构方案比选第1节概述细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石24cm二灰稳定碎石8cm级配碎石15cm土基柔性路面细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石10cm二灰稳定碎石34cm级配碎石20cm土基组合基层沥青路面细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土8cm二灰稳定碎石34cm二灰土20cm土基半刚性基层沥青路面2、沥青路面设计原则第1节概述①路基路面整体综合设计原则②技术经济原则－技术先进，经济合理③因地制宜就地取材原则－兼顾推广新材料(SMA、OGFC)④生态环保原则－注重保护沿线环境以及自然生态⑤机械化工厂化施工原则－有利于保证工程质量⑥分期修建原则－依据社会经济、交通量发展趋势，分期建造3、设计方法分类①经验法：AASHTO法和CBR法。概念：依据调查或大型试验总结得到的设计方法。特点：符合试验地的实际，但是不能结合不同地方的实际。第1节概述020040060080010001200140016001800040008000120001600020000荷载作用次数(N/次)车辙变形/0.01mmA方案B方案C方案D方案E方案3、设计方法分类②力学经验法：AI法、SHELL法、我国设计方法。概念：依据力学模型计算结构响应，结合实际进行参数确定。特点：理论联系实际，是目前设计方法发展的总趋势。第1节概述h1h2hihnE1,υ1E2,υ2Ei,υiEn,υnδδpδ=(P/πp)1/2xy4.交通等级1）设计年限--依据公路等级确定第1节概述公路等级及其功能设计年限(年)高速公路、一级公路15改建/扩建的高速/一级公路10～15二级公路12三级公路8四级公路6第1节概述车型轴重pi(KN)后轴数轮组数交通量ni(次/日)斯柯达760R前轴50.0121200后轴90.0解放CA30A前轴29.5221500后轴2×36.0黄河JN150前轴49.0122800后轴101.5延安SX161前轴54.522600后轴2×91.5尼桑CK10G后轴39.512160076.0交通SH141前轴25.5123200后轴55.0iP1C2Cin4.交通等级2）标准轴载－交通组成：行驶车辆千差万别，轴载各不相同。4.交通等级2）标准轴载－轮轴类型：不同轴载损耗作用不同，无法分析总效应，有必要定义一种标准轴载，以便简化减小设计计算工作。第1节概述单轴单轮单轴双轮双轴单轮双轴双轮4.交通等级2）标准轴载－定义我国路面设计以双轮组单轴载100kN作为标准轴载（BZZ-100）第1节概述100kNd1.5dp=0.7MPa平面投影换算原则：同一路面结构在不同轴载作用下达到相同损伤程度。第1节概述4.交通等级3）当量换算a.中度疲劳开裂b.重度疲劳开裂换算公式：通过模拟试验，建立经验公式第1节概述4.交通等级3）当量换算nsiisiPPNN美国西部环道试验•表面弯沉－控制变形破坏第1节概述4.交通等级3）当量换算－第1类设计指标弯沉盆（deflectionbasin）h1h2hihnδp=0.7MPaxyδδδδ3δ=0.3195mo沥青路面层状介质•层底拉应力－控制强度破坏第1节概述4.交通等级3）当量换算－第2类设计指标h1h2hihnδp=0.7MPaxyδδδδ3δ=0.3195mo面层基层底基层垫层Ns－－标准轴载的当量轴次(次/日)ni－－被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）C1－－轴数系数；轴间距3m，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为1；轴间距≤3m，按双轴或多轴计算，轴数系数按下式计算：C2－－轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为１，四轮组为0.38。•设计指标：弯沉及沥青层底拉应力第1节概述4.交通等级3）当量换算35.4211ppnCCNiikis12.111mCNs－－标准轴载的当量轴次(次/日)ni－－被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）C1－－轴数系数；轴间距3m，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为1；轴间距≤3m，按双轴或多轴计算，轴数系数按下式计算：C2－－轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为１，四轮组为0.09。•设计指标：半刚性基层底拉应力第1节概述4.交通等级3）当量换算8'21'1ppnCCNiikis12.111mCNs－－标准轴载的当量轴次(次/日)ni－－被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）C1－－轴数系数；轴间距3m，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为1；轴间距≤3m，按双轴或多轴计算，轴数系数按下式计算：C2－－轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为１，四轮组为0.09。•设计指标：贫混凝土基层底拉应力第1节概述4.交通等级3）当量换算12'21'1ppnCCNiikis12.111mC第1节概述a.弯沉和沥青层底拉应力为设计指标b.半刚性材料层底拉应力为设计指标汽车名称交通量次/日汽车总重/kN汽车前后轴计算参数轴位轴重轮组轴数轴距中客车SH130260085.25前轴25.7511/后轴59.50213mN后=1.0×1.0×2600×(59.5/100)4.35=271.72次/日N前=18.5×1.0×2600×(25.75/100)8=0.93次/日N前=6.4×1.0×2600×(25.75/100)4.35=45.50次/日N后=1.0×1.0×2600×(59.5/100)8=40.84次/日•换算算例1－中客车SH130第1节概述a.弯沉和沥青层底拉应力为设计指标b.半刚性材料层底拉应力为设计指标汽车名称交通量次/日汽车总重/kN汽车前后轴计算参数轴位轴重轮组轴数轴距拖挂车五十铃80360.0前轴60.011/后轴100.0233mN后=3×1.0×80×(100/100)4.35=240次/日N前=18.5×1.0×80×(60/100)8=24.86次/日N前=6.4×1.0×80×(60100)4.35=55.50次/日N后=3×1.0×80×(100/100)8=240次/日•换算算例2－拖挂车五十铃第1节概述车型Pi(KN)C1C2ni(次/日)(次/日)三菱T653B前轴29.316.43008.96后轴48.01112.3黄河JN163前轴58.616.4400250.2后轴114.011707.3江淮HF150前轴45.116.440080后轴101.511426.8解放SP9200前轴31.316.430012.16后轴78.031305.4湘江HQP40后轴73.221400205.9东风EQ155前轴26.516.44007.68后轴56.72.2174.62091.3iP1C2Cin35.421PPnCCiiNCCnPPiiik124351.•换算汇总－依据日交通组成，分别换算并汇总定义：设计年限内一个车道沿一个方向通过的累计标准轴载次数第1节概述N1－－路面运营第1年双向日平均当量轴载次数(次/日)γ－－设计年限内交通量平均增长率(%)η－－车道系数。公路无分隔，路面窄宜选高值，路面宽宜选低值4.交通等级4）设计年限累积当量轴载Ne1365]1)1[(NNte某高速公路双向六车道，设计年限t=15年，交通量平均增长率为γ=6.5%，查表得到车道系数为η=0.3，按第1和第2类指标换算得到N1=7419.38次/日和N1=6222.06次/日。第1节概述4.交通等级4）设计年限累积当量轴载Nea.弯沉和沥青层底拉应力为设计指标Ne1b.半刚性材料层底拉应力为设计指标Ne2Ne1=[(1+0.065)15-1]×365×7419.38×0.30/0.065=1.965×107次/日Ne2=[(1+0.065)15-1]×365×6222.06×0.30/0.065=1.647×107次/日依据Ne或中型以上货车及大客车交通量界定交通等级。交通等级BZZ-100KN累计标准轴次Ne(万次/车道)中型以上货车及大客车（辆/日.车道）轻交通300600中等交通300～1200600～1500重交通1200～25001500～3000特重交通25003000第一节概述4.交通等级5）等级划分第2节弹性层状体系理论简介1.基本假设与解题方法假设条件：1.材料：完全弹性、均匀的、各向同性，各层连续2.几何：水平方向各层无限伸展，竖直方向最下层无限伸展，其上各层厚度有限。3.边界条件：x→∞或y→∞，应力、变形和位移→0。4.层间连续条件：a.位移完全连续，层间任意方向位移相等；b.非完全连续，层间竖向应力与竖向位移相等，层间无摩擦。5.不计自重h1h2hihnE1,υ1E2,υ2Ei,υiEn,υnδδpδ=(P/πp)1/2xy第2节弹性层状体系理论简介2.求解思路与过程待求变量：任意坐标处的应力与位移问题属性：弹性力学轴对称问题已知条件：各层厚度、模量与泊松比以及边界条件、层间连续条件h1h2hihnE1,υ1E2,υ2Ei,υiEn,υnδδpδ=(P/πp)1/2xyεrεθεzγzr应变向量σrσθσzτzr应力向量uw位移向量待求变量10个第2节弹性层状体系理论简介2.求解思路与过程10个方程，10个待求解变量几何方程物理方程平衡方程rwzuzruruzrzr;;;rrzzrzzrzrzrEEErE11121rzrrzrzrzrzrzrr00根据已知条件可以解得未知变量描述应力应变关系描述应变位移关系描述微元体应力平衡的方程几何方程物理方程平衡方程εrεθεzγzr应变向量σrσθσz