Transcript 路基路面第十四章
第十四章 沥青路面设计 第十四章 沥青路面设计 目录 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 概述 弹性层状体系理论简介 沥青路面结构组合设计 我国沥青路面设计方法 外国沥青路面设计方法简介 14.1 概述 一、沥青路面设计的内容： 原材料的调查与选择 沥青混合料配合比 基层材料配合比设计 各项设计参数的测试与选定 路面结构组合设计 路面结构层厚度验算 路面结构方案的比选 二、沥青路面设计的原则 结合实践经验，综合设计 因地制宜、合理选材、方便施工、利于养 护、节约投资 推广科研成果，利用新材料、新技术、新 工艺 环境保护、生态平衡 机械化、工厂化施工 对于地处不良地基的路段，可采用一次设 计、分期修建的原则 三、沥青路面结构设计理论与方法 古典设计法 经验法———AASHTO法；CBR法；大型 试验路法 力学——经验法：AI法；SHELL法；中 国法； 优化设计法———正在进行研究； 解放前：CBR 解放后：借用苏联公式、参数 1956-1966-1978-1986-19972006 双层诺谟图、路表弯沉——三层诺谟图、 弯沉、弯拉验算、抗弯拉模量、抗弯拉强 度——APDS、弯沉、弯拉验算、抗压模 量、劈裂强度——弯沉、弯拉应力做设计 指标、参数取值有所调整 我国公路沥青路面设计采用弹性层状体系 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 次重复作业效应。 四：沥青路面交通等级 1、路面设计年限：表14-1 在计算累计当量轴次时取用的基准时间 城市道路设计年限 道路交通量达到饱和状态时的设计年限。一般规定：快速路、 主干路为 20 年；次干路为 15 年；支路为 10 年～ 15 年。 2、标准轴载及轴载当量换算 路面设计时使用累计当量轴次的概念。但路上行 驶的车辆类型很多，所以必需选定一种标准轴载， 把不同类型轴载的作用次数换算为这种标准轴载 的作用次数。 当量轴次：按弯沉等效或拉应力等效的原则，将 不同车型、不同轴载作用次数换算为与标准轴载 100KN相当的轴载作用次数 累计当量轴次：在设计年限内，考虑车道系数后， 一个车道上的当量轴次总和 我国路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴 载，以BZZ—100表示。标准轴载的计算参数按 表14—2确定。 标准轴载计算参数 标 准 轴 载 表14-2 BZZ—100 标准轴载P（kN） 100 轮胎接地压强p（MPa） 0.70 单轮传压面当量圆直径d（cm） 21.30 两轮中心距（cm） 1.5d 当把各种轴载换算为标准轴载时，为使换算前后 轴载对路面的作用达到相同的效果，应该遵循两 项原则：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，路面弯沉为L1，乙轴载 作用使路面达到相同临界状态的作用次数为N2， 弯沉为L2，此时甲乙两种轴载作用是等效的，则 应按此等效原则建立两种轴载作用次数之间的换 算关系；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。 当以设计弯沉值为设计指标及沥青层层底 拉应力验算时，凡轴载大于40kN的各级 轴载（包括车辆的前、后轴）Pi的作用次 数ni，均按公式（14-1）换算成标准轴 载P的当量作用次数N。 pi N C1C 2 ni i 1 p k 4.35 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（kN）； Pi——被换算车辆的各级轴载（kN）； C1——轴数系数，当轴间距大于3m时，按单独的 一个轴载计算，当轴间距小于3m时，按双轴或多 轴计算,轴数系数C1＝1+1.2(m－1)，m为轴数。 C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四 轮组为0.38； K——被换算车辆的类型数。 前轴（单轮） 车型 交通 量 黄河 JN150 420 49.0 交通 SH141 1200 太脱 拉138 上海 SH130 前轴 轴数 重 系数 （KG） 后轴 轮组 系数 换算 系数 总换 算系 数 1 1 1.071 1.358 570 55.1 1 1 0.075 0.092 110 0.354 80 2.2 1 0.833 1.187 178 / 23.0 / / / / / 轮组 系数 换算 系数 后轴重 轴数 （KG） 系数 1 6.4 0.287 101.6 25.6 1 6.4 0.017 150 51.4 1 6.4 120 16.5 / / 当量 轴次 858 当进行半刚性基层层底拉应力验算时， 凡轴载大于40KN的各级轴载（包括车辆 的前后轴）Pi的作用次数ni，均按公式 （14-3）换算成标准轴载P的当量作用 次数Nˊ。 8 pi N C C 2 ni i p k ' ' 1 C1’——轴数系数，当轴间距小于3m的双 轴或多轴，轴数系数 C1’＝1+2(m－1)，m为轴数。 C2’——轮组系数，单轮组为18.5，双轮组 为1，四轮组为0.09； 前轴（单轮） 后轴 前轴重 （KG） 轴数 系数 轮组 系数 换算 系数 后轴重 （KG） 轴数 系数 轮组 系数 换算 系数 总换 算系 数 420 49.0 / / / 101.6 1 1 1.135 1.135 478 交通 SH141 1200 25.6 / / / 55.1 1 1 0.008 0.008 10 太脱拉 138 150 51.4 1 18.5 0.090 80 3 1 0.503 0.593 89 上海 SH130 120 16.5 / / / 23.0 / / / / / 车型 交通 量 黄河 JN150 当量 轴次 577 3、设计年限累计当量标准轴载数 设计车道上标准轴载在使用年限（t年）内的累计作用次数Ne，可在通 过调查得到整个行车道的第一年标准轴载日平均作用次数N1和交通量年平均 增长率 r后，按下式计算： Ne 365N1[(1 ) t 1] 4、交通等级 轻、中等、重、特重 §14.2 弹性层状体系理论简介 一、基本假设与解题方法 （一）基本假设 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。 h1 p E1 μ1 hi Ei μi En μn 弹性层状体系示意图 （二）解题方法 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。 简化荷载：圆形均布荷载（垂直，水平） 圆柱坐标（γ，θ，Z） 三个法向分力： , , z z z , , z z 三对剪应力： 0， z z 0 轴对称荷载： 由弹性理论： 平衡方程 ： r zr r 0 r z r z zr zr 0 z r r ① 1 r r z E 1 r z E ② 物理方程 1 z z r E 2 1 1 zr zr zr E G E G 其中，G为剪切模量 2(1 ) 几何方程 r u u w u w ; ; z ；rzr r r z z r ③ ①~③式中，共有十个变 量（再加上U(r),W(z)）， 2 2 1 2 0 r r 2 2 r 1 r 十个方程式，理论上结合 2 1 1 边界条件即可解出未知值， 2 r 2 r 1 r r 0 但是实际解法相当困难， 2 1 2 0 z 一般采用应力函数求解 1 z 2 微分单元体相邻单元变形 zr 1 2 2 zr 2 0 r 1 r z 是协调的，物体在变形前 后是一个连续体，消去位 移分量，可得变形连续方 程： ④ 1 2 2 r r z r r z 2 式中： 2 2 ④式为形变连续方程，又称相容条件，由圣 维南（B.desaint-Venant）于1864年提出，其意义： 形变分量必须满足④式，才能保证位移分量的存在， 若不满足，则由几何方程求出的位移分量将互不相 容，这表示形变后的物体不再连续而发生相互脱离 或互相侵入的情况，④式中的四个相容条件是相互 等效或自然等于零. 采用应力函数法求解轴 对称课题主要有Love函 2 2 数法及Southwell函数法 r z r 2 Love函数法（洛夫法， 1 2 z r r 1906年A.E.H.Love） 2 设应力函 ⑤ z 2 2 2 z z 数 (r , z ) ，并给定 2 2 应力分量表达式为 1 2 zr rz r z 将⑤式代入①和④式，除①式中第一个方程自然满足恒 等于零外，其余全部转化为重调和方程，即共同满足: ⑥ 22 0 若应力函数是重调和方程的解，则能满足平衡微分方程 和变形连续方程，并可由⑤式求得应力分量，再由物理 方程②式求得应变分量。 位移分量由②③⑤式求得: 1 2 u E rz 2 1 2 w 2 1 E 2 z ⑦ 求解方程⑥ 22 0 的方法有分离变量法和 积分变换法 ( 汉克尔积分变换理论） 0 d2 r (r , z ) J 0 ( r )dr r r , z J 0 ( r )dr ( 2 2 ) r 2 r , z J 0 ( r )dr 0 0 dz d2 d2 2 ( 2 ) r r , z J 0 ( r )dr ( 2 2 ) 2 ( , z ) 0 dz dz 4 2 2 解以上方程，得应力函数: d2 ( 2 2 )2 ( , z ) 0 dz 由于 (r , z ) 满足重调和方程，所以有 ( , z ) j ( Aj B j z )e z (C j D j z )e z 求上式汉克尔逆变换得： ( , z) j ( Aj B j z)e z (C j D j z )e z J 0 ( r )d 0 ⑧ J 0 ( r )——第一类零阶贝塞尔函数 参数 式中： A j，Bj，Cj，Dj ——积分常数，由每一层边界与层 间结合条件确定，下标j表示同 该层次相应的计算参数. 将⑧式代入⑤式可得各应力分量和位移分量表达式 单圆垂直均布荷载双层连续体系 图示 2 1 1 p E1 2 0 Leh 4h Me 2h J1 h d 2 2 2h 2h 1 4 h ML Me Le 3 4 0 m 3 4 1 L 3 4 0 m r 1 0 x m 3 4 1 1 M ; 1 m E 0 1 1 m ; E1 1 0 2 p E0 1 12 E 0 E1 0 J1 h Le 2h 4h Me 2h d 2 2 2h 2h 1 4 h ML Me L: e 二、主应力计算 弹性体内任意点的三个主应力，由下式确定 3 I1 2 I 2 I 3 0 或 3 2 1 2 3 0 ⑨ 解得⑨式三个实根，即三个主应力 I1或1 ——第一应力状态不变量 1 r z I 2或2 ——第二应力状态不变量 2 r z r z r2 z2 zr2 I 3或3 ——第三应力状态不变量 3 r z 2 r z zr r z2 zr2 z r2 解得⑨式三个实根，即三个主应力 1 max ( 1 3 ) 2 1, 2 , 3，1 2 3 o1 o2 2 i ri i r ri cos 2 i ri sin 2 i 2 2 i 1 n i ri i ri cos 2 i ri sin 2 i 2 2 i 1 n z zi i 1 n zr zri cos i zi sin i i 1 n i r ri sin 2 i ri cos 2 i 2 i 1 n z zi cos i zri sin i i 1 1 n 2 a 图 14 － 5 双圆荷载外 a点计算图式 r ri cos2 i i sin 2 i n i cos2 i ri sin 2 i i 1 n z zi i 1 n zr zri cos i i 1 n ri i r sin 2 i 2 i 1 n z zri sin i i 1 i 1 n 第三节 沥青路面结构组合设计 1、沥青路面结构组合设计的基本原则 ①总原则： 面层耐久、基层坚实、土基稳定 ②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 具有很好的水稳定性和温度稳定性 3）考虑结构层的特点 上下层匹配，总体上强度足够而不过多浪费 4）考虑防冻、防水要求 ③详细组合原则： 1）根据沥青路面的工作特性，各结构层应尽量按强度和 刚度自上而下逐层递减的规律安排； 2）必须考虑材料特点和施工工艺以及强度和造价等方面 考虑； 3）各结构层应具有适宜的厚度，不宜使层数过多而厚度 过小； 4）应合理选择相邻结构层之间的模量比（基层:面层（E2 ／E 1）宜在1.5～3，基层:底基层（E2 ／E3 ）宜不大于 3， 底基层:土基（E 3／E0 ）宜在2.5~12.5）； 5）对于低温地区，应考虑收缩裂缝，进行合理的防止反 射裂缝组合，并保证有适宜的沥青面层厚度； 6）对于潮湿地区及多雨地区，应考虑水稳定性，选择水 稳定性好的基层及尽量考虑不透水的面层； 7）路面还应满足防冻厚度的要求； 8）应考虑结构层间的结合性。 ④轻交通—中等交通结构组合设计原则 按照道路等级和交通要求选择面层等级和 类型 按各结构层的功能选择结构层次 按各结构层的应力分布特性 顾及各结构层次本身的特性 考虑环境状况的不利影响 适当的层数和厚度 ⑤重交通时结构组合设计原则 正确认识各结构层的作用，考虑各结构层 对路面长期使用性能的影响 沥青层应保证足够的厚度，交通量越大， 沥青层的厚度应越大 沥青层材料设计 基层模量应具有适当的模量 当采用半刚性材料作为基层或垫层时，应 作适当的处理 十分重视路面排水系统的设计 2、沥青路面结构组合 面层：单层、双层或三层沥青面层 基层：柔性、半刚性、刚性或组合式 垫层：排水、防冻、防水、防污等粒料或 稳定土 土基：密实、坚固、不透水 层间结合：牢固 一、沥青面层结构 表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久的服务功能， 同时应具有高温抗车辙、抗低温开裂、抗老化等品质。旧 路面可加设磨耗层以改善表面服务功能。 中、下面层应密实、基本不透水、抗剥离，并具有高温抗 车辙、抗剪切、抗疲劳的力学性能。 下面层应具有良好的抗疲劳裂缝的性能和兼顾其他性能要 求。 沥青混凝土适用于各级公路的面层。 热拌沥青碎石混合料、沥青贯入式(含上拌下贯沥青碎石) 可用于二级、三级公路的面层，以及用于柔性基层、调平 层。 沥青表面处治与稀浆封层可用于三级、四级公路的面层和 各级公路的上、下封层。 冷拌沥青混合料可用于三、四级公路面层，或旧路修补工 程。 二、沥青路面基层结构 柔性基层：采用热拌或冷拌沥青混合料、沥青贯入碎 石、以及不加任何结合料的粒料类等材料铺筑的基层， 粒料类材料，包括级配碎石、级配砾石、符合级配的 天然砂砾、部分砾石经轧制掺配而成的级配碎、砾石， 以及泥结碎石、泥灰结碎石、填隙碎石等材料结构层。 半刚性基层：采用无机结合料稳定集料或土类材料铺 筑的基层 刚性基层：采用普通混凝土、碾压式混凝土、贫混凝 土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土等材料做的基层 三、垫层 1 地下水位高，排水不良，路基经常处 于潮湿、过湿状态的路段。 2 排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉 眼等水文不良的岩石挖方路段。 3 季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段， 可能产生冻胀需设防冻垫层的路段。 4 基层或底基层可能受污染以及路基软 弱的路段。 防水垫层 排水垫层 防污垫层 防冻垫层 道路冻深计算 Z max a b c Z d 式中: Zd ── 大地标准冻深（m）； a b ── 路面路基材料的热物性系数，见表5.2.6-1； c ── 路基湿度系数，见表5.2.6-2； ── 路基断面型式系数，见表5.2.6-3。 表5.2.6-1 路面路基材料热物性系数 路基材料 粘质土 粉质土 粉土质砂 细粒土质砾、粘土质砂 含细粒土质砾(砂) 热物性系数 1.05 1.1 1.2 1.3 1.35 路面材料 水泥混凝土 沥青混凝土 二灰土及水泥土 二灰碎石及水泥碎(砾)石 级配碎石 热物性系数 1.4 1.35 1.35 1.4 1.45 §14-4我国沥青路面设计方法 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 （一）力学模型——双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论 以路表回弹弯沉值作为保证路面结构整体刚度的设计指标 以弯拉应力作为控制结构层疲劳开裂的设计指标 1、设计理论-层状体系理论 路面结构设计应采用双圆均布垂直荷载作 用下的弹性层状连续体系理论进行计算 h1 h2 B c c hn-1 E1 E2 En-1 En=E0 r p A B A (c) 2、设计指标和要求 路面结构层厚度的确定应满足结构整体刚 度（即承载能力）与沥青层或半刚性基层、 底基层抗疲劳开裂的要求。 1）、轮隙中心处路表实测弯沉Ls等于设计弯沉Ld的原 则进行计算。 lS ld 2）、轮隙中心（C点）或单圆荷载中心处（B点） 的层底拉应力 m 应小于或等于容许拉应力 R m R 高速、一级、 二级公路的路面结构设计， 应以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层层 底拉应力(拉应变)及半刚性材料层的层底 拉应力为设计指标。三级、四级公路以路 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。 3、弯沉概念 ①回弹弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生 垂直变形，卸载后能恢复的那一部分变形。 ②残余弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生 的卸载后不能恢复的那一部分变形。 ③总弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的 总垂直变形（回弹弯沉+残余弯沉）。 ④容许弯沉：路面设计使用期末不利季节,标准 轴载作用下双轮轮隙中间容许出现的最大（代 表？）回弹弯沉值。 ⑤设计弯沉：是指路面交工验收时、不利季节、 在标准轴载作用下,标准轴载双轮轮隙中间的最 大（代表？）弯沉值。 4、弯沉测定 ①贝克曼法：传统检测方法，速度慢，静态测试， 试验方法成熟，目前为规范规定的标准方法。 ③自动弯沉仪法：利用贝克曼法原理快速连续测 定，属于试验范畴，但测定的是总弯沉，因此使 用时应用贝克曼进行标定换算。 ②落锤弯沉仪法：利用重锤自由落下的瞬间产生 的冲击载荷测定弯沉，属于动态弯沉，并能反算 路面的回弹量，快速连续测定，使用时应用贝克 曼进行标定换算。 5、设计弯沉 Ld 600 N e0.2 Ac As Ab Ld——路面设计弯沉值（0.01mm）； Ne——设计年限内一个车道上的累计当量轴次； 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；热拌和冷拌沥青碎石、沥青 贯入式路面（含上拌下贯）、沥青表面处治为1.1； Ab——基层类型系数，半刚性基层取1.0，柔性基层取1.6，混合式基层采用 线性内插取值。 Ab ( H F 2) / 20 度（cm）； HF ——为半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚 6 路面设计状态下的计算弯沉 ①路面设计状态 最大刚度状态——半刚性基层材料的龄期达到6个月，相当于设计弯沉Ld对应的 使用时间。 ②弯沉修正 Ls S F L L Ls F 1.63 2000 ③计算弯沉计算 0.38 Eo P 0.36 2 p Ls 1000 c F Eo P、——标准车型的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径； c——理论弯沉系数； h1 h2 c f , hn 1 E2 E3 , , E1 E2 E0 En1 5）应用 1.计算弯沉与设计弯沉的计算状态现同，取 Ld＝Ls，反推αc ，由αc求取结构组合（材料、 模量和厚度组合）； 2. 验算Ld与Ls的关系。 7、以弯拉应力为设计指标进行厚度设计 1）容许拉应力 沥青混凝土面层、半刚性材料基层、底基层以弯拉应力为设计指标时，材料 的容许拉应力 R 应按下列公式计算： R sp Ks R ——路面结构层材料的容许拉应力（MPa）； sp ——沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度（MPa）， K s ——抗拉强度结构系数。 我国现行沥青路面设计规范规定，采用劈裂试验测定路面结构层材料的 极限抗拉强度（劈裂强度）。沥青混凝土的劈裂强度与温度有关，规范规定 试验温度为15℃，水泥稳定类材料的龄期为90d，二灰稳定类、石灰稳定类 的龄期规定为180d；对水泥粉煤灰类材料120d。 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。 R sp K s 0.09 Aa N e0.22 / Ac 沥青混凝土面层 Ks K s 0.35 N e0.11 / Ac 无机结合料稳定集料 K s 0.45 N e0.11 / Ac 无机结合料稳定细粒土 lg N f k n lg sp Ac ——公路等级系数。 2）层底拉应力设计与验算 层底拉应力以单圆中心 (B点)及双圆轮隙 中心 (C点)为计算点，并取较大值作为层 底拉应力。按下式计算层底最大拉应力： m p m m hn1 E2 E3 E0 h1 h2 f ( , ...... ; , ...... ) E1 E2 En1 式中： m —— 理论最大拉应力系数。 设计时，应先拟定某一层作为设计层，根据施工 厚度要求拟定面层和其它各层的厚度。 当采用半刚性基层、底基层结构时，可选用任一层为 设计层； 当采用半刚性基层、粒料类材料为底基层时，宜拟定 面层、底基层厚度，一般半刚性基层为设计层可得到 合理的结构； 当采用柔性路面结构时，宜拟定面层、底基层的厚度， 计算基层的厚度，当求得基层厚度太厚时，可考虑选 用半刚性底基层，其上选用沥青稳定碎石作基层，以 减薄路面总厚度，增加结构强度和稳定性。 ◆8、 路面结构的设计参数 需要得到的设计参数： E0 ,μ0是土基的回弹模量和泊松比； 其它参数为土基以上结构层材料的模量和 泊松比，其泊松比一般可取为0.25～ 0.35（强度高时取小值），弹性模量可 取规范推荐值，或试验确定。 (1)、土基回弹模量的确定 路基必须密实、均匀、稳定。填方路基的填料选 择、路床的压实度以及填方路堤的基底处理等均 应符合《公路路基设计规范》的规定。 必须采取防止地面水和地下水浸入路面、路基的 措施，以保证路基的强度和稳定性。设计时，宜 使路基处于干燥或中湿状态，土基回弹模量值应 大于30MPa。对重交通、特重交通土基回弹模 量值应大于40MPa。 潮湿、过湿状态的路基应采取掺入消石灰、固化 材料或换填砂、砂砾、碎石渗水性材料，以及设 置土工合成材料等加强路基排水的技术措施，进 行综合处理 多雨地区土质路堑、强风化岩石路段，应注意填 挖交界处及路堑段的排水设计，以改善路基的水 文状况。土质路堑的干湿类型，一般宜降低一个 等级，按中湿或潮湿路段进行路面设计。 石方路堑必须设置坚实、稳定的基层。对路基超 挖部分应用贫混凝土或无机结合料稳定碎（砾） 石的整体性材料作整平层，严禁用土填筑。视山 体岩石风化、开裂情况，全断面设级配碎（砾） 石垫层150~250mm。 为了保证路面不受裂隙水、泉眼等地下水影响， 应加强路基排水，如设置渗沟等。 1)现场实测法 ①、采用承载板法测定已建成的路基回弹模量 测点处路基回弹模量 E0b P 10000 1 Dl i 2 0 i 某路段路基回弹模量设计值 E0 D ( E0 Za S ) / K1 Za-保证率系数，高速、一级-2；二、三级-1.648；四级-1.5 K1-不利季节影响系数 ②可采用贝克曼梁弯沉仪法测定路基弯沉值，检 验路基设计回弹模量相对应的弯沉值 。 将路基回弹模量设计值按下式计算其相当的路 基设计弯沉值L0D，作为检验路基强度的简便 方法。 2 p L0 D 1 02 0 102 K1E0 D 均匀体弯沉系数：0.712 某路段实测的弯沉代表值L0应不大于路基弯沉 设计值L0D。 L0 L0 Z a S L0 D Za-保证率系数，高速、一级-2；二、三级-1.645；四级-1.5 2)、查表法 对于新建公路，在无实测条件时，可按查 表法预测土基回弹模量值。 ①确定临界高度 ②确定土基平均稠度 ③预测土基回弹模量 3)、室内试验法测定土的回弹模量 室内试验法测定土的回弹模量应按以下要求进行。 应选择土料场，取土样，宜采用100mm直径承载板， 回弹模量测试结果应采用下式修正： E0 S E 试筒尺寸的约束修正系数， 50mm-0.78,100-0.59 路基回弹模量设计值 E0 D 土基稠度值wc 综合影响系数K Z E0 S K Z-考虑保证率的折减系数，高速、 一级-0.66；二、三级-0.59；四级 -0.52 wc ≥ wc1 wc1 > wc ≥ wc2 wc < wc2 1.3 1.6 1.9 4)、换算法 通过现场大型承载板试验测定土基回弹模量 E0，并同时测定土基的压实度K、土基稠度 wc以及室内CBR值，建立E0与CBR之间可 靠的换算关系，从而可以利用K、wc和CBR 值等推算现场土基回弹模量。 (2)、路面材料设计参数值 我国现行公路沥青路面设计规范规定，路面设 计中各结构层的材料设计参数应根据公路等级 和设计阶段的要求确定。 1) 高速公路、一级公路施工图设计阶段应根据 拟采用的路面材料实测设计参数；各级公路采 用新材料时，也必须实测设计参数。 2) 高速公路、一级公路初步设计阶段或二级及 其以下公路施工图设计时可借鉴本地区已有试 验资料或工程经验确定。 3 )可行性研究阶段可参考附录E确定设计参数。 半刚性材料的设计参数按《公路工程无机 结合料稳定材料试验规程》的规定测定。 沥青混合料的设计参数按《公路工程沥青 及沥青混合料试验规程》的规定测定。 以路表弯沉值为设计或验算指标时，设计 参数采用抗压回弹模量，对于沥青混凝土 试验温度为20℃；计算路表弯沉值时，抗 压回弹模量应按式14-34计算其设计值： E E Z S Z —— 保证率系数，按95%保证率取2.0。 以沥青层或半刚性材料结构层层底拉应力为设计 或验算指标时，应在15℃条件下测定沥青混合 料的抗压回弹模量，半刚性材料应在规定龄期 （水泥稳定类材料的龄期为90d，二灰稳定类、 石灰稳定类的龄期规定为180d；对水泥粉煤灰 稳定类为120d）测定抗压回弹模量。 计算层底应力时应考虑模量的最不利组合。在计 算层底拉应力时，计算层以下各层的模量应采用 式4-34计算其模量设计值；计算层及以上各层 模量应采用式4-35计算其模量设计值E： E E Z S 9 新建路面厚度计算 1) 根据设计要求，按弯沉或弯拉指标分别计算设计年限 内一个车道的累计标准当量轴次。确定设计交通量与交通 等级，拟定面层、基层类型，并计算设计弯沉值或容许拉 应力。 2 )按路基土类与干湿类型及路基横断面形式，将路基划 分为若干路段，确定各个路段土基回弹模量设计值。 3 )参考本地区的经验拟定几种可行的路面结构组合与厚 度方案，根据工程选用的材料进行配合比试验，测定各结 构层材料的抗压回弹模量、劈裂强度等，确定各结构层的 设计参数。 4 )根据设计指标采用多层弹性体系理论设计程序计算或 验算路面厚度。 5) 对于季节性冰冻地区应验算防冻厚度是否符合要求。 6)进行技术经济比较，确定路面结构方案。 例题 （1）基本资料 ①自然地理条件 新建高速公路地处Ⅱ2区，为双向四车道，拟采用沥青路面 结构进行施工图设计，沿线土质为中液限粘性土，填方路 基高1.8m，地下水距路床2.4m，属中湿状态；年降雨量为 620mm，最高气温35℃最低气温-31℃,多年最大大藕冻深 为175cm，平均冻结指数为882℃，最大冻结指数为1225℃。 ②土基回弹模量的确定 设计路段路基处于中湿状态，路基土为中液限粘质土，根 据室内试验法确定土基回弹模量设计值为40MPa。 ③根据工程可行性研究报告可知路段所处地区近期交通组成 与交通量，见表14-18。预测交通量增长率前五年为8.0%， 之后五年为7.0%，最后五年为5.0%。沥青路面累计标准轴 次按15年计。 ④累计轴次计算结果见表14-19，属于重交 通等级。 （2）初拟路面结构 方案一 4cm细粒式沥青混凝土 6cm中粒式沥青混凝土 8cm粗粒式沥青混凝土 38cm水泥稳定碎石基层 ？水泥石灰砂砾土层 方案二 4cm细粒式沥青混凝土 8cm中粒式沥青混凝土 15cm密级配沥青碎石 ？水泥稳定砂砾 18cm级配砂砾垫层 方案三 4cm细粒式沥青混凝土 8cm中粒式沥青混凝土 2*10cm密级配沥青碎石 38cm级配碎石 （3）路面材料配合比设计与设计参数的确定 ①试验材料的确定 半刚性基层所用集料取自沿线料场，结合料沥青选用A级90 号，上面层采用SBS改性沥青，技术指标均符合《公路沥 青路面施工技术规范》相关规定。 ②路面材料配合比设计 ③路面材料抗压回弹模量的确定 a.根据设计配合比，选取工程用各种原材料制作，测定设计 参数。 按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的 顶面法测定半刚性材料的抗压弹性模量。 b.按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方 法测定沥青混合料的抗压回弹模量，测定20℃、15℃的抗 压回弹模量，各种材料的试验结果与设计参数见表14-和 14-。 ④路面材料劈裂强度测定 根据设计配合比，选取工程用各种原材料， 测定规定温度和龄期的材料劈裂强度。按 照《公路工程沥青及混合料试验规程》与 《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》 中规定的方法进行测定。结果见表14- （4）路面结构层厚度确定 ①方案一的结构厚度计算 该结构为半刚性基层，沥青路面的基层类 型系数为1.0，设计弯沉值为20.60 （0.01mm）。利用设计程序计算出满足设 计弯沉指标要求的水泥石灰砂砾土层厚度 为11.1cm;满足层底拉应力要求的水泥石 灰砂砾土层厚度为16.5cm。设计厚度取水 泥石灰砂砾土层为17cm。 例题2 1 基本资料 ①自然地理条件 甲乙两地之间计划修建一条四车道的 一级公路，在使用期内交通量的年平均增 长率为10%。该路段处于IV 7区，为粉质土， 稠度为1.0，沿途有大量碎石集料，并有 石灰供给。预测该路竣工后第一年的交通 组成如表所示，试进行路面设计。 2.交通分析 （1）轴载换算（弯沉及沥青层弯拉应力分析时） （2）轴载换算（半刚性层弯拉应力分析 时） 注：轴载小于50KN的轴载作用可以不计。 3）累计标准轴载作用次数（累计当量轴次） 作弯沉计算及沥青层底弯拉应力验算时 N e1 =1.09*107 作半刚性基层层底弯拉应力验算时 N e2=9.9*106 ◆3、初拟结构组合和材料选取 1）设计年限内一个行车道上的累计标准轴次为 九百万次左右。根据规范推荐结构，并考虑到公 路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构面层 采用沥青混凝土(18cm)，基层采用水泥稳定碎 石（厚度取20cm），底基层采用石灰土（厚度 待定）。 2）采用三层式沥青面层，表面层采用细粒式密 级配沥青混凝土(厚度4cm)，中面层采用中粒 式密级配沥青混凝土(厚度6cm)，下面层采用 粗粒式密级配沥青混凝土(厚度8cm)。 4、各层材料的抗压模量与劈裂强度 查表得到各层材料的抗压回弹模量和劈裂强度。抗压回弹 模量取20℃的模量，得到20℃的抗压回弹模量：细粒式 密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配沥青混凝 土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa， 水泥碎石为1500MPa，石灰土550MPa。 弯拉回弹模量和弯拉强度沥青层取15℃的值，分别为 2000MPa、1800MPa、1200MPa、3550MPa、 1480MPa。 各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为 1.4MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1.0MPa，粗粒式 密级配沥青混凝土为0.8MPa，水泥碎石为0.5MPa，石 灰土0.225MPa。 5、土基回弹模量的确定 该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为1.0，查 表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值 (MPa)”得土基回弹模量为40MPa。 6、设计指标的确定-设计弯沉值 本公路为一级公路，公路等级系数取1.0，面层是沥青 混凝土，面层类型系数取1.0，半刚性基层，底基层总 厚度大于20cm，基层类型系数取1.0。 设计弯沉值为： Ld=0.6*AC*AS*AB/Ne1 0.2 =0.0235cm 10：路面竣工验收指标 路面交工时验收弯沉值，以不利季节 BZZ-100标准轴载作用下，轮隙中心处 实测路表弯沉的代表值评定。即： l0 j la l0 j —— 实测某路段的代表弯沉值（0.01mm）; la ——路表面弯沉检测标准值（0.01mm），按最后 确定的路面结构厚度与材料模量计算的路表面弯沉值 代表弯沉值检测，应在路面交工前，用标准轴载 BZZ-100的汽车实测路表弯沉值，若为非标准 轴载应进行换算。对半刚性基层结构宜用5.4m 的弯沉仪；对柔性或混合式结构可用3.6m的弯 沉仪测定。 检测时，当沥青厚度小于或等于5cm时，可不 进行温度修正；其他情况下均应进行温度修正。 若在非不利季节测定，应考虑季节修正。 测定弯沉时应以1~3km为一评定路段。检测频 率视公路等级每车道每10~50m测一点，高速 公路、一级公路每公里检查不少于80个点，二 级及二级以下的公路每公里检查不少于40个点。 路段内实测路表弯沉代表值按下式计算： l0 (l 0 Z S ) K1K3 l0 S ——路段内实测路表弯沉平均值； ——路段内实测路表弯沉标准差； Z —— 与保证率有关的系数，高速公路、一级公路 Z =1.645，其他公路沥青路面 Z =1.5 温度修正方法，可按照《公路路基路面现场测试规程》 （JTJ059）中的规定进行，也可按照下列方法进行修正。 路面弯沉值是以20℃为测定沥青弯沉值的标准状态。当 沥青面层厚度小于或等于50mm时不需温度修正；当路面温 度在20℃±2℃范围时，也不进行温度修正；其他情况下 测定弯沉值均应进行温度修正。 1 测定时的沥青面层平均温度T按下式计算： T＝a + bT0 T —— 测定时沥青面层平均温度（℃）； a —— 系数，a＝－2.65+0.52h； b —— 系数，b＝0.62－0.008h； T0 —— 测定时路表温度与前五小时平均气温之和（℃）； h —— 沥青面层厚度（cm）。 沥青路面弯沉的温度修正系数K3按下式计 算： l K3 式中： l20 20 lT －换算为20℃时沥青路面的弯沉值（0.01mm）； lT －测定时沥青面层内平均温度为T时的弯沉值（0.01mm）。 当T 20℃时 20℃时 k3 e 1 1 ( )h T 20 k 3 e 0.002（20T）h 沥青路面改建设计 1.路面结构状况调查与评定 采用非标准轴载检测弯沉的修正： L100 P ( 100 ) 0.87 Li Pi 1）路面结构状况调查 ①交通调查 ②路基状况调查 ③路面状况调查 ④路面修建与养护资料调查 2）路面结构承载力调查 ①路线分段 ②弯沉检测 ③计算弯沉值 计算弯沉值： L0 (L0 Z a S ) K1 K 2 K3 L0 ——路段内实测路表弯沉代表值（0.01mm）； L0 ——路段内实测路表弯沉平均值 (0.01mm)； S ——路段内实测路表弯沉标准差（0.01mm）； Z a ——保证率系数，补强高速公路、一级公路， 取1.645， 补强二级及二级以上公路路面取1.5，补强 K1、K 2 三、四级公路取1.3。 K 3 ——季节影响系数和湿度影响系数，可根据当地经验选用； ——温度修正系数。 2.原路面当量回弹模量 Et 的计算 2 p Et 1000 m1 m2 L0 m1—轮板对比值，即用标准轴载的汽车在原路面上测得的弯沉值与相同压强条 件下用承载板所测得的回弹变形之比,在缺乏对比资料的情况下，可取1.1； m2—原路面当量回弹模量扩大系数，计算与原有路面接触的补强层层底拉应力 时， 按下式计算，计算其它补强层层底拉应力及弯沉值时， 取1.0。 m2 e En1 h' 0.037 h' En1 0.25 ( ) ] p n 1 h' hi ( Ei / En1 ) 0.25 i 1 —与原路面接触层材料的抗压模量（MPa）； —各补强层等效为与原路面接触层En-1相当的等效总厚度（cm）。 3.补强厚度的计算 补强设计时，仍以设计弯沉值作为路面整体刚度的控制指标，对于二 级和二级以上的公路，还应验算补强层层底拉应力。 设计弯沉值、各补强层层底拉应力和容许拉应力的计算方法、综合弯 沉修正系数及补强层材料参数的确定与新建路面时的各项规定相同。 壳牌（Shell）设计方法概述 1.路面模型与计算理论 2.设计荷载 3.环境条件 4.路面破坏状态与设计标准 5.设计标准容许值 6.材料参数 7.永久变形计算 1.路面模型与计算理论 弹性层状体系 2.设计荷载 标准轴载为80kN，每个后轮为20kN，轮胎 接触压力0.6Mpa。轮迹面积半径10.5cm。轴 载换算： n n1 P2 n2 P1 4 3.环境条件 考虑温度对沥青面层和水对土基模量变化的 影响。 4.路面破坏状态与设计标准 ①路基顶面压应变－车辙 ②沥青面层拉应变－疲劳开裂 ③结合料稳定基层拉应力或拉应变－开裂（反射） ④路面车辙容许值 5.设计标准容许值 路基表面容许压应变 沥青面层容许拉应变 整体性基层的拉应力 z 2.8 102 N 0.25 CN 0.25 r s (1 0.075lg N ) 路面表层的永久变形 RD 6.材料参数 1）路基弹性模量 路基的动弹性模量在现场用动弯沉仪式或波传播法测定，也可通过室内动 三轴试验确定，或 7 2 E3 10 CBR (N / m ) 2）松散材料基层弹性模量 E 2 K 2 E3 K 2 0.56h20.45 3）整体性材料基层 用现场切割小梁进行动弯曲试验确定其弹性模量。 4）沥青混合料劲度模量 用反映温度T与荷载作用时间t的劲度模量S 表征其力学性质。劲度模量 可采取动态或半静态（例如固定加载频率）方法，通过试验实测。也可用沥 青的劲度模量和矿质集料的体积含量预估沥青混合料的劲度模量。 7.永久变形计算 沥青粘滞度部分的劲度： Sb , 3 W t0 W— 一条车辙上车轮通过次数的等效数； t —车轮通过一次的时间，以0.02s计； —沥青的粘滞度（Pa•s），取决于沥青的性质及其温度。 h Cm h S m, S m, —沥青混合料粘滞度部分的劲度； —沥青层的平均正应力 C m —动态影响修正系数， 复习思考题 1、名词解释：弹性层状体系；弹性半空间体；疲劳寿命； 容许弯沉；设计弯沉；疲劳开裂；收缩裂缝。 2、为什么要把车轮荷载印迹面简化为圆形均布荷载？ 3、简述整体性路面材料结构层产生疲劳开裂的原因？ 4、为何要规定各类结构层的最小厚度？又为什么要规定 相邻层材料的模量比？ 5、沥青路面在力学性质上属于非线性的弹-粘-塑性体， 为何又能应用弹性层状体系理论对它进行应力应变分析？ 6、设计弯沉与容许弯沉关系如何？为什么？ 7、公路沥青路面设计中轴载换算的等效原则是什么？ 8、在一个多层弹性体系中，请标出各特征点的位置：路 面弯沉计算点、各层的弯拉应力验算点，并写出这些点的 r、z坐标值。