第11章 沥青路面结构设计(路基路面工程)

第11章沥青路面设计2沥青路面是目前最常用的高级路面之一。本章主要介绍沥青路面的破坏状态与设计标准、结构设计基础理论，我国现行柔性路面结构设计方法等内容。通过学习要具备一般柔性路面结构设计的能力。11.1概述11.2沥青路面破坏状态与设计标准11.3弹性层状体系理论11.4沥青路面结构组合设计11.5我国现行柔性路面结构设计方法11.6外国沥青路面结构设计方法（了解）本章内容311.1.1路面设计的目的与任务1）路面设计的任务：根据使用要求及气候、水文、土质等自然条件，密切结合当地实践经验，设计确定经济合理的路面结构，使之能承受交通荷载和环境因素的作用，在预定的使用期限内满足各级公路相应的承载能力、耐久性、舒适性、安全性的要求。2）具体目标：路面结构的使用性能随环境和交通荷载的反复作用而逐渐变坏→具体目标：控制或限制其使用性能在预定的使用年限内不致恶化到低于某一规定的程度→分析沥青路面损坏的模式和产生原因，并找到能预估荷载与环境作用下各种损坏出现和结构特征变坏的方法→确定设计标准与设计基础。11.1概述43）设计内容：原材料的选择混合料配合比设计路面结构层组合与厚度计算***重点内容***路面结构的方案比选51）经验与半经验法：A、基础与依据：以已往修建和使用经验为基础。B、建立过程：依经验确定路面厚度(行车荷载/路基承载力/路面材料强度);修建试验路，实地观察，数据收集；数据整理，建立厚度h→荷载/路基/材料的关系→经验公式；随材料发展，不断修正。C、特点→通用性不佳适用范围问题：随环境差异，交通量增长、新材料发展→经验公式需外延→试验路→费时费钱。11.1.2设计方法分类62）理论法/解析法：A、理论基础：以结构分析为基础。按设计荷载所产生的应力、应变、位移量不超过路面任一结构层中材料所容许的范围→组合型式与尺寸选择。B、特征：合适力学模型→计算应力/应变/位移：弹性半空间体、弹性层状体系、粘弹性层状体系、弹性地基上的板、有限元等；结构层中材料的力学性质与力学参数的表征；定义以基本应力/应变/位移表征的设计标准/指标；用简便的方式表示设计体系与设计步骤。注：影响因素复杂，材料结构性质变异性大，对荷载环境的影响认识还不充分，结构分析与使用性能间尚未能建立定量内在联系→解析法还存在不足→需经验法予以补充修正。7C）基本分析框架：交通环境路基材料↓可靠度初拟路面结构和混合料组成↓输入各种损坏模式分析↓疲劳变形开裂……↓设计指标与设计标准↓损坏分析力学模型设计决策↓设计结果→方案比选11.1.2设计方法分类8由于沥青路面损坏模式多种多样，各种损坏对路面使用性能有不同性质和程度的影响。为了给沥青路面的结构设计提供依据，我国现行《公路养护技术规范》JTJ073—96将沥青路面的损坏归纳为以下几类：裂缝→路面结构整体受到损坏；变形→路表形状改变；表层损坏→路面表层损坏。11.2沥青路面的破坏状态与设计标准911.2.1破坏状态与设计标准1）沉陷：→路基压实，改善路基水温状况A、定义：路面在车轮作用下表面产生较大的凹陷入变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象。B、原因与影响因素：路基土的压缩、路基土承载能力不足、路基水温状况不良C、设计指标与设计标准：路基土的垂直压应力或垂直压应变。路基表面由车轮荷载产生的垂直应力→弹性层状体系路基土容许垂直压应力→土基性质/车轮荷载作用次数zs[]zzss£[]zs102）车辙：→提高强度、施工质量A、定义：路面的结构层及土基在行车荷载重复作用之下的补充压实，以及材料的侧向位移产生的永久变形→出现在行车轮带处，形成路面的纵向带状凹陷→高级路面主要破坏型式B、原因与影响因素：荷载大小、重复作用次数、结构层与土基性质C、设计指标与设计标准：路面各结构层包括土基的残余变形总和：左：路面的计算总残余变形→弹性层状体系+经验公式右：容许总残余变形→使用要求路基表面的垂直变形：左：路基表面的垂直应变→弹性层状体系右：路基表面容许垂直应变→经验公式11.2.1破坏状态与设计标准[]rerell£00[]EEee£113）疲劳开裂：A、定义：由行车荷载的反复作用引起的，路面在无显著永久变形情况下沿轮迹带出现的裂缝。B、特点与原因：无显著变形→细短横向裂缝→网状，加剧面层底面疲劳开裂→向表面发展；稳定类基层疲劳开裂→反射裂缝；C、疲劳寿命/曲线/方程：D、设计指标与设计标准：结构层底面的拉应力或拉应变：左：结构层底面最大拉应力或拉应变→弹性层状体系右：结构层底面容许拉应力或拉应变→疲劳方程11.2.1破坏状态与设计标准[]mRee£[]mRss£124）推移：A、定义：沥青路面受到车轮水平荷载作用时，路面表面可能出现推移或拥起。B、原因与影响因素：结构层抗剪强度不足C、设计指标与设计标准：面层抗剪强度标准（温度状况）。左：面层中可能产生的最大剪应力→弹性层状体系右：材料容许剪应力→参考路面温度状况注：常用于城市道路特定路段的沥青路面设计。11.2.1破坏状态与设计标准[]Ratt£135）低温开裂：→材料设计，加铺应力吸收层A、定义：路面结构中某些整体结构层在低温时由于材料收缩受到限制而产生较大拉应力，当其超过材料相应条件下的抗拉强度时就会产生开裂。B、原因与特点：横向，严重时才会发展为纵向，间距6~10m；与荷载无关；C、设计指标与设计标准：低温时结构层材料收缩受到限制而产生的温度应力应不大于该温度时的容许拉应力。注：与荷载无关；材料本身性质所决定。11.2.1破坏状态与设计标准[]rttRss£146）路面弯沉：A、定义：路面在垂直荷载作用下产生的垂直变形→测量方便、反映了路面各结构层及土基的整体强度、刚度、路面的使用性能。B、原因与影响因素：路面各结构层及土基的整体强度、刚度，路面的使用状态C、设计指标与设计标准：路面弯沉路面设计弯沉值Ld：表征路面整体刚度大小的指标，是根据设计所限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级、面层基层类型而确定的路面弯沉设计值，是路面厚度设计的主要依据，可作为路面竣工验收的最大弯沉验收标准。11.2.1破坏状态与设计标准[]sdll£151）力学模型：多层弹性层状体系；2）荷载：双圆垂直均布荷载/单圆垂直均布荷载；3）设计指标与标准：A、整体刚度，路面弯沉→我国新建公路沥青路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标：B、疲劳开裂→对沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层应进行层底拉应力的验算：C、水平力与推移，抗剪强度→我国城市道路设计规范中还增加一项剪应力指标：11.2.2我国现行设计方法与设计标准[]sdll£[]mRss£[]Ratt£1614.3.1引言-分析目标14.3.2基本假定14.3.3基本体系与理论方法14.3.4公式简化与查图法计算弯沉与层底拉应力（方法与例题）14.3.5多层体系等效换算（方法与例题）11.3弹性层状体系理论17沥青路面结构→多层体系→不同材料结构层应力应变关系→非线性，且变形随应力作用的时间而变化，应力卸除后常有一部分变形不能恢复。沥青路面→非线性的弹-粘-塑性体→行车荷载瞬时性→路面结构中产生的应力很小→视为线性弹性体→应用弹性层状体系理论进行分析。11.3弹性层状体系理论181）力学模型：多层弹性层状体系；2）荷载：双圆垂直均布荷载/单圆垂直均布荷载；3）设计指标与标准：A、整体刚度，路面弯沉→B、疲劳开裂→C、水平力与推移，抗剪强度→4）简化力学模型：低级路面→双层体系→上层：路面双圆荷载→路面弯沉下层：路基单圆荷载上层：面层双圆荷载→路面弯沉高级路面→三层体系→中层：基层→层底拉应力下层：路基→剪应力11.3.1引言-分析目标[]sdll£[]mRss£[]Ratt£191）多层弹性层状体系：由若干个弹性层组成，上面各层具有一定的厚度，最下一层为弹性半空间体；11.3.2基本假定20a)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，应力-应变符合虎克定律；b)最下一层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；c)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；d)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，而层间无摩阻力（称滑动体系）；e)不计自重：路面结构在承受行车荷载之前，初应力为零，不计路面自重对应力的影响。2）基本假定211）由弹性力学：微元体应力分量：r、、z、τrz=τzr，τr=τr=0，τz=τz=0；（轴对称性）则：平衡方程：物理方程：几何方程：11.3.3基本体系与理论方法（以单圆荷载为例）00rzrrzrzrzrzrzrrq秙秚ss抖秙秚t抖ü-ïï++=ïïïýïï++=ïïïþ()()()()11121rrzzrzzrzrzrEEErEqqqqesmssesmssesmssmtüï轾ï=-+ï臌ïïïïï轾=-+ï臌ïïïïý轾=-+ï臌ïïïïïïïï+ï=ïïïþ;;;rzzruuurrzzrq抖w抖weeeg抖抖====+22→由变形连续方程，并引入应力函数ψ=ψ(r,z)；→将应力分量表示为应力函数ψ的函数→结合物理方程、几何方程→将位移分量也表示成应力函数ψ的函数。→平衡方程、变形连续方程、边界条件→解出应力函数ψ：→可以求得各应力与位移分量，以双层体系单圆荷载为例：注：结果比较复杂，需借助计算机求解。→工程中为方便起见，可化简：ω可事先计算，将结果绘成诺谟图，以后设计时查图求解。()()()()00,zzrzABZeCDZeJrdxxjxxx¥-轾=+++犏臌ò()()2211222201212414hhhhpJhehMedEhMLMeLexxxxmdxxwxxx-¥----=?++--ò02pEdww=232）主应力计算：为验算路面结构层的强度→主应力。由据弹性力学，用圆柱坐标表示的空间问题的三个主应力同各应力分量之间的关系为下式的解：→三个主应力1/2/3式中：，第一应力状态不变量；，第二应力状态不变量；，第三应力状态不变量。→最大剪应力：321230sss-Q+Q-Q=1rzqsssQ=++2222rzzrrzzrqqqqsssssstttQ=++---22232rzrzzrrzzrzrqqqqqqssstttstststQ=+---()max1312tss=-241）双层体系单圆荷载解：将路基看成弹性半无限体，其上的路面结构为一层均质弹性层，即构成弹性双层体系（P383）计算图式与计算点：简化结果：表面荷载中心处的垂直位移为11.3.4公式简化与查图法计算弯沉与层底拉应力02llplEda=01(/2,/)lfhEEad=A注：理论弯沉系数体系表面单位荷载作用在轴线上的垂直位移。设计计算方法：查诺模图法25例1已知：，求荷载作用面下中轴处的弯沉。解：由题有：查图14-4（P383），在纵轴上处作水平线，在横轴上处作竖直线，两者交点同图中曲线相截，沿曲线查得：所以，荷载作用面下中轴处的弯沉为：沥青路面设计例题：0.5pMP=14cmd=045EMP=1180EMP=20hcm=sl01450.25180EE==200.71422*14hd==01450.25180EE==200.71422*14hd==0.46a=022*0.5*14*0.460.14345splcmEda===26例2已知：，，，，荷载作用面下中轴处的弯沉限定为0.1cm，求面层应有的厚度h。解：由题与公式14-16，有：查图14-4（P383），在纵轴上处作水平线，同图中曲线相交，从交点作一竖线与横轴相交于0.66。即有，，则沥青路面设计例题：0.5pMP=14cmd=065EMP=1280EMP=sl065*0.10.46422*0.5*14sElcmpad===01650.232280EE==010.232EE=0.464cma=0.662hd=0.66*2*1418.5hcm==27沥青