同济大学_孙立军_沥青铺面结构设计

合集下载

沥青路面沥青层剪应力变化简化模型研究

路面结构的剪应力，总结沥青层剪应力的分布规律，
文献标识码：Ａ
关键词：沥青路面；剪应力；ＡＮＳＳＹ；伽马分布；车辙预估
中图分类号：４６２１Ｕ１．２
ＲｅｅｒｈｏｉｌｆｄＭｏｅｆｒＶａｉｔｎｏｓａｃｎＳｍｐｉｉｄｌｏｒａｉｆｅｏ
算多层沥青路面的有限元模型，利用其计算多层沥青路面也蓬勃开展，等级公路总里程与日俱增．同时，并高但结构的沥青层剪应力沿深度方向的分布规律，通过计算大量
结构分析总结出沥青层剪应力随着面层厚度、基层模量和基
层厚度改变的变化规律；在这些规律的基础上通过修改伽马
ＳｅｒＳｒｓｏＡｓｈｌｈａｔｅｓｆｐａｔＬｙｒｉａｅｓｎ
ＡｓｈｌＰａｅｎｓｐａｔｖｍｅｔ
建立沥青层剪应力沿深度方向的分布规律的数学模拟方程，为沥青路面沥青层剪应力计算和沥青路面车辙预估提供便利．
１沥青层剪应力沿深度方向的分布规律
１１建立多层沥青路面的有限元模型．
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｈｄｌｏｈｌｉａｅｓｈｌａｅｎｓｉｅｍｏｅｆｔｅｍｕｔｌｙｒａｐａｔｐｖｍｅｔｓ－ｂｉｔｈｎｔｌｍｅｔｏｔｒｕｌｗｉｌｔｅｆｉｅｅｅｎｆｗａｅＡＮＳＳａｃｒｉｇｔｅｔ１ｉｓＹｃｏｄｎｏｔｈｅａｔｃｌｙｒｓｓｅｔｅｒ．Ｂｓｄｏｈｄｌｔｅｓｅｒｌｓｉａｅｙｔｍｈｏｙａｅｎｔｅｍｏｅ，ｈｈａｓｒｓｉｔｉｕｉｎｌｎｔｅｅｔｏｔｅａｐａｔａｅｉｔｅｓｄｓｒｂｔａｏｇｈｄｐｈｆｈｓｈｌｏｌｙｒｎａｐａｔＤｖｍｅｔｓｃｌｕａｅ．Ｔｈｈｒｓｒｓｉｔｉｕｉｎｓｈｌａｅｎｉａｃｌｔｄｓｅｓｅｔｅｓｄｓｂｔａｒｏｃａｇｎｕｅｆｔｅａｐａｔｌｙｒａｉｋｅｓｏｕｆｃ，ｈｎｉｇｒｌｓｏｓｈｌａｅｓｔｃｎｓｆｓｒａｅｈｈｍｏｕｕｆｂｓｒｔｉｋｅｓｏｓｈｎｅａｅｆｕｄｂｄｌｓｏａｅｏｈｃｎｓｆｂｅｃａｇｒｏｎｙａｃｌｕａｉｇｌｔｆｓｒｃｕａｃｍｐｓｔｎ．Ｂａｄｎｈｅａｃｌｔｎｏｓｏｔｕｔｒｌｏｏｉｉｓｏｅｓｏｔｓｅ

同济大学铺面工程课件 lesson8

需评定的参数
– 荷载 – 路基承载力 – 铺面材料强度
7.3
CBR法

以CBR值作为路基土和材料承载能力（抗剪切变形）的度量指标和路面设计指标
– 间接、经验性指标 – 与土和材料的弹性和塑性应变性质无关

建立铺面总厚度和路基CBR的曲线
第七章
7.3
AASHO法

以现时服务能力指数(PSI)作为路面使用性能指标路基土采用回弹模量指标路面结构层按各层材料性质（刚度）的不同转换为以一个结构数(SN)表征建立服务能力指数同铺面结构和轴载参数之间的关系
第七章
7.3
设计方法

经验法
– 基本思路 – CBR法 – AASHO法

力学－经验法（解析法）
– 基本思路
第七章
7.3
经验法设计思路
铺面结构
试验路
轴载
使用性能
第七章
路面的结构参数

铺面结构能扩散应力
– 荷载越重，需铺面厚度越厚 – 铺面材料越弱，需铺面厚度越厚 – 路基越弱，需铺面厚度越厚或强度越强
15 热拌沥青混凝土 20 水泥稳定碎石 25 二灰碎石
面层基层（排水性）
底基层
垫层路床
15 级配碎石
第七章
一般设计理论

力学模型
– 简支梁
设计荷载
– 类型：集中荷载 – 位置：梁的中部 – 方式：一次静载

损坏模式
– 梁的断裂
设计标准
– 指标：梁底面的裂缝宽度 – 标准：裂缝宽度<2mm
第七章
7.2
路表回弹弯沉

路表回弹弯沉

同济大学孙立军沥青铺面结构设计

Ac Aa
N −0.22 f sp
无机结合料稳定粒料：
σ R = 2.857Ac N −0.11 f sp
无机结合料稳定土：
σ R = 2.222Ac N −0.11 f sp
式中各系数见交通部《公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）》，人民交通出版社。
轴载换算
轴载的等效换算
� 两种轴载作用于同一路面结构上，所造成的疲劳损耗相同，则称两种荷载的作用次数等效
基于弯沉指标的等效换算
� 假设甲乙两种荷载作用在路面结构上次，则其疲劳消耗为：
5
5
D1
=
1 N1
=
⎜⎜⎛ ⎝
600Ac As ld1
Ab
⎟⎟⎞ ⎠
和
D2
=
1 N2
=
⎛ ⎜⎜ ⎝
600
Ac As ld 2
Ab
⎞ ⎟⎟ ⎠
� 令D1=D2，则
5
N2 N1
=
⎛ ⎜⎜⎝
ld1 ld 2
⎞ ⎟⎟⎠
� 根据大量的弯沉实测结果，可知
0.87
ld1 ld 2
=
C1'C2 '
⎛ ⎜⎜ ⎝
P1 P2
⎞ ⎟⎟ ⎠
� 代入上式，可得：
N2 N1
4.35或 4.0
=
C1C 2
⎛ ⎜⎜ ⎝
P1 P2
⎞ ⎟⎟ ⎠
或
Ns N1
4.35或4.0
=
C1C2
⎜⎜⎛ ⎝
P1 Ps
⎟⎟⎞ ⎠
� 式中，C1为轴型系数，C1=1+1.2(m-1), m为轴数 C2为轮组系数，单轮组时C2＝6.4，双轮组时C2＝1.0。

沥青路面再生技术孙立军

6
路面评价
反射裂缝
唧浆，脱空
面层甄别
2020/8/20
教育部重点试验室ljsun@
7
路面评价
变形的原因
面层甄别
2020/8/20
教育部重点试验室ljsun@
8
路面评价
面层甄别
100 200 300 400 500 沥青层深度（mm)
0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
教育部重点试验室ljsun@
3
路面评价
面层
纵横缝缝
龟块车波沉麻补泛坑裂裂辙浪陷面丁油槽
LHLHLMHLHLHLHLHLHLH LH
DL DT DA DB DR DW DS DD DP DF DH
DC
DD
PCI=100-DP
2020/8/20
12
路面评价
面层甄别
均匀性
决定了旧料使用的可行性、方便性和具体细节
2020/8/20
教育部重点试验室ljsun@
13
路面评价
路基
土质类型含水量密实度
垫层
材料类型级配含水量
基础状况
钻芯或开挖
从含水量判断道路的排水状况、路面结构的渗水状况
决定今后新路面结构的湿度土质、密实度和湿度决定了
基层评价
2020/8/20
教育部重点试验室ljsun@
16
路面评价
厚沥青层
基层评价
2020/8/20
教育部重点试验室ljsun@
17
路面评价
基本原理
基层评价
E1,h1 E2,h2
E0 Min: ∑(Dci-Dmi)^2*wi

同济大学_孙立军_铺面材料组成及其力学性质

k为系数， k1=7.0-15.7 ，k2=0.46-0.64 由于σ1与σ3有关，所以模量还可以表示为：
Er = f1 ⋅ σ 3
f2
荷载-弯沉关系
�
随着荷载（弯沉）的增大，模量在增加
P
破坏点
l
设计中的考虑
�
粒料模量的取值比较困难，因为 E=F（应力，棱角，纹理，密度），设计中无法考虑这么详细
第五章
路面材料的力学性能
引言
颗粒材料的工程性质稳定类材料沥青混合料水泥混凝土 Miner定律-线性疲劳叠加率
1、路面材料的类型
一、引言
2、应力-应变特性：模量E，这是主要力学分析参数 3、强度特性：了解其自身的抗力，了解强度的来源 4、变形特性：变形能力，可恢复的和不可恢复的变形，对平整度的影响 5、疲劳特性：与寿命有关，与荷载作用次数有关 6、耐久性：自然因素的影响，包括水的作用、水稳定性、抗剥落特性、抗冻融特性（温度）、自然老化、抗紫外线。
六、 Miner 定律-线性疲劳迭加律
路面上的荷载轻重不一，怎样考虑不同荷载的作用？ Miner在研究金属材料的性能时提出了线性疲劳迭加律，即不同等级荷载产生的疲劳效应可以直接相加。即
ni D=∑ i =1 N i
k
�
⎛1 N f = k⎜ ⎜ε ⎝ r
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
a
⎛ 1 ⎞ ⎟ ⋅⎜ ⎜S ⎟ ⎝ m⎠
b
五、水泥混凝土
疲劳特性
σ max = α − 0.0724 (1 − R ) ⋅ lg N f σf
或
⎛ σ max lg ⎜ ⎜ σ ⎝ f
⎞ ⎟ = lg A − 0 .0422 (1 − R ) ⋅ lg N f ⎟ ⎠

同济大学铺面工程课程设计

铺面工程课程设计院系：土木工程专业：土木工程学号：165xxxx姓名：Xxx2019年 12 月目录一．沥青路面设计 (2)1.设计资料 (2)2.设计要求 (2)3.二级路面设计 (3)3.1材料及相关设计 (3)3.2方案一 (4)3.3方案二 (8)3.4方案比选 (12)4.高速路面设计 (12)4.1路面材料设计 (12)4.2方案一 (13)4.3方案二 (17)4.4方案比选 (21)5.北方寒冷地区设计考虑 (21)二．水泥路面设计 (23)1.设计背景 (23)2.设计方法与步骤 (23)3.路面结构设计 (23)3.1轴载换算 (23)3.2路面结构初拟 (24)3.3荷载应力 (24)3.4温度应力 (25)4.结构极限状态校核 (26)一．沥青路面设计1.设计资料Ⅳ1区某地区二级公路，路槽下80cm内每 10cm 含水量如表1：土质类型为粘性土，土的液限为35.6%，塑限为 29.5%；年降雨量为1500mm；夏季最高气温为39℃，持续时间较长。

当地盛产砂石料。

路面宽度9米，道路上有较陡的长坡。

当地经济状况不太发达。

根据交通量OD调查分析，断面大型客车和货车交通量为 2220 辆/日, 目前的交通组成情况见表2，交通量年平均增长率为 5％。

2.设计要求1）根据上述资料进行路面结构设计、材料设计和其他相关考虑（如高温、陡坡、降水量、当地材料等）。

2）如果该道路为六车道高速公路，断面大型客车和货车交通量为 18900辆/日，交通组成情况及增长率同上，请进行结构设计、材料设计和其他相关考虑。

3）如果该公路地处北方寒冷地区，则应如何设计？（写出考虑因素和建议即可）要求给出详细的结构设计（验算）过程、方案比选和材料设计要求。

3.二级路面设计=由表1，路槽下80cm内平均含水率为28.63%，土的稠度ωc=ωL−ωωL−ωp35.6%−28.63%=1.143，根据课本表4-8得土基回弹模量为37.13Mpa，规范表5.2.2 35.6%−29.5%规定，对于中等交通荷载，路基顶面回弹模量应不小于40MPa，不满足要求，所以应进行土基处理。

孙立军柔性路面结构设计方法

柔性路面结构设计方法一、设计方法说明对路面设计的最基本要求是耐久、平整、抗滑。

耐久是指有足够长的使用寿命，这要求整个路面结构具有足够的强度和抗变形能力。

事实上，迄今为止所有的设计方法都是围绕着耐久性这个核心而提出的。

平整性要求是为了保证路面的行驶舒适性，对高等级公路/道路，由于车速高，保证平整度尤为必要。

要做到路面平整，就必须有正确的厚度设计、正确的材料设计和正确的施工方法。

抗滑是对路面表面特性的要求，传统上不属于路面结构设计的内容，主要通过表面层材料的选择和材料的设计予以保证。

因此，要使路面达到预期的使用性能和用户要求的满意度，必须围绕着耐久性这一个核心，进行精心设计何计算。

迄今为止，我国交通部分别于1958、1966、1978、1986和1997年颁布了柔性或沥青路面设计规范，目前广泛使用的是1997年颁布的规范。

该规范使用了路表弯沉、整体性基层底面弯拉应力作为路面设计指标。

理论上说，这个规范可以设计不同基层的路面结构，但由于力学计算中采用了连续体系的假设，并且未能给出沥青基层的明确要求；加上当时认识上的误区使得实践中使用的几乎全部是半刚性基层结构，所以我国的路面结构十分单调。

根据分析，97年规范虽然采用了多指标设计方法，但真正起控制作用的指标在绝大部分场合只是路面弯沉指标，其他指标不起控制作用。

虽然采用现行规范可以验算面层底面的弯拉指标，但柔性基层上沥青路面结构的面层底面采用的是弯拉应力指标。

影响弯拉应力的因素十分复杂，规范中考虑的比较简单；疲劳规律的可靠性也需要进一步验证。

所以，采用规范方法设计柔性基层的重交通路面的可靠性是需要进一步研究的。

本课题拟根据国外沥青路面设计方法和实践现状，以国内外的道路实践为基础，总结提出适用于柔性基层沥青路面的结构设计方法框架，供适用时参考。

二、结构设计考虑长期以来，我国的路面结构组合设计都是根据路面的设计和使用经验进行的，至今没有十分明确的设计原则，更没有定量的结构组合设计方法。

沥青路面再生技术-孙立军

半刚性基层损坏类型（裂缝间距/cm）
2013-7-10
教育部重点试验室ljsun@
22
路面评价

基层评价
E>4000MPa

基层基本完好，裂缝间距5米以上可观察表面裂缝间距
2013-7-10
教育部重点试验室ljsun@
23
路面评价

基层评价
45
0.2
1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 乳化沥青油石比（%）
2013-7-10
教育部重点试验室ljsun@
空隙率(%)
冷再生混合料设计
设计结果分析：OEC=4.0-5.0%
多数采用4.0%
2013-7-10
教育部重点试验室ljsun@
DC
DD DP
DS
DH
PCI=100-DP
分层加权法
教育部重点试验室ljsun@ 4
2013-7-10
路面评价

面层甄别
贯穿和非贯穿裂缝

贯穿裂缝将损坏基层非贯穿只需要更新或再生面层
2013-7-10
教育部重点试验室ljsun@
5 5
路面评价

面层甄别
变形产生在哪一层
2013-7-10
教育部重点试验室ljsun@
11
路面评价

面层甄别
老化程度

决定了就沥青材料的可用性
2013-7-10
教育部重点试验室ljsun@
12
路面评价

面层甄别
均匀性

决定了旧料使用的可行性、方便性和具体细节
需要处理
<0.2米

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

�
令D1=D2，则
N N
2 1
⎛ ld1 = ⎜ ⎜ l ⎝ d2
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
0.87
5
�
根据大量的弯沉实测结果，可知
ld 1 ' '⎛ P 1 ⎞ ⎟ = C1 C 2 ⎜ ⎜P ⎟ ld 2 ⎝ 2⎠
�
代入上式，可得：
⎛ P1 N2 = C 1C 2 ⎜ ⎜ N1 ⎝ P2
�
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
4 .35 或 4 .0
设计弯沉
容许弯沉为使用年限末的弯沉，路面设计需要使用年限初的弯沉，所以应该将容许弯沉换算为设计弯沉。容许弯沉比设计弯沉大 1.2倍
基层考虑
�
上式建立的年代比较久远，只适用于碎砾石柔性基层，对半刚性基层，上式应该除以 1.6的系数。
l d = 600 N
�
−0.2
Ac As Ab
Ab为基层类型系数。半刚性基层时，Ab=1；柔性基层时，Ab=1.6。 Ac对高速公路和一级公路都为 1。
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
四、我国现行沥青路面设计方法
ls W s F= = =αF le W e
⎛ E0 ls ⋅⎜ ⎜ 2 pδ ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠
0.38
�
计算弯沉为
2 pδ 2 pδ ls = We ⋅ F = 0.39 E1 E0
⎛α F W e ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ E ⎟ 1 ⎝ ⎠
1.61
设计弯沉
�
容许弯沉
l R = AN
�
−b
11Ac As = 0.2 N
关于新规范的说明
应力计算
路面应力计算
�
按照P141、142的图10-8、10-9计算。
容许应力计算
�
材料的弯拉疲劳方程可以写成
⎛ 1 N f = A⎜ ⎜σ ⎝ r
强度
⎞ −b ⎟ ⇒ σ = aN fr R ⎟ ⎠
b
fr为弯拉强度。我国采用劈裂强度代替弯拉
�
不同材料的容许弯拉应力
沥青材料：
无机结合料稳定粒料：
⎛ P1 ⎞ Ns ⎟ = C1C 2 ⎜ 或 ⎜ ⎟ N1 ⎝ Ps ⎠
4.35或 4.0
式中，C1为轴型系数，C1=1+1.2(m-1), m为轴数 C2为轮组系数，单轮组时C2＝6.4，双轮组时C2＝1.0。
基于弯拉应力指标的等效换算
�
推导过程与上面 l d1 = σ 2 ld 2
� � � � �
设计指标和计算图式弯沉计算应力计算轴载换算材料参数（模量和强度）
设计指标
� � �
路面表面回弹弯沉
lS ≤ ld
沥青混凝土面层底面弯拉应力
σ ≤σR
整体性基层底面弯拉应力
σ ≤σR
弯沉计算
计算弯沉设计弯沉基层考虑关于新规范的说明
计算弯沉
�
路面理论弯沉
�
2 pδ le = ⋅ We E1 理论弯沉需要修正，修正系数 F为：
Ac −0.22 σ R = 11.11 ⋅ N f sp Aa
σ R = 2.857 Ac N
无机结合料稳定土：
−0.11
f sp
σ R = 2.222 Ac N
−0.11
f sp
式中各系数见交通部《公路沥青路面设计规范（JTJ014-97 设计规范（JTJ014-97））》，人民交通出版社。
轴载换算
轴载的等效换算
�
两种轴载作用于同一路面结构上，所造成的疲劳损耗相同，则称两种荷载的作用次数等效
基于弯沉指标的等效换算
�
假设甲乙两种荷载作用在路面结构上次，则其疲劳消耗为：
5
5
1 ⎛ 600 Ac As Ab ⎞ 1 ⎛ 600 Ac As Ab ⎞ ⎟ D2 = =⎜ 和 ⎟ D1 = =⎜ ⎜ ⎟ ⎟ N l N1 ⎜ l 2 d2 ⎝ ⎠ ⎝ d1 ⎠
• 疲劳裂缝
• 反射裂缝
低温开裂
沉陷
车辙
波浪、拥包
坑
槽
泛油
松散
7.3 路面结构组合设计
轻交通－中交通时的结构组合设计原则重交通时的结构组合设计原则结构组合示例
�
�
�
轻交通 ——中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
第七章
沥青路面结构设计
引言路面损坏分析与设计考虑路面结构组合设计我国现行沥青路面设计方法国外解析类方法
一、引言
�
理解设计方法目前设计方法的分类另一种更科学的设计方法分类
�
�
二、路面损坏分析与设计考虑
1、路面损坏分析
疲劳裂缝车辙
裂缝类
反射裂缝低温裂缝松散
变形类
沉陷
表面损坏类
坑槽泛油
五、国外解析类方法
设计指标
沥青层底面的弯拉疲劳应变路基顶面的压应变（考虑荷载重复作用）
验算指标
车辙深度其它整体性材料底面的弯拉疲劳应变
�
可得：
⎛ P1 ⎞ Ns ⎟ = C3 C 4 ⎜ ⎜ ⎟ N1 ⎝ Ps ⎠
C3为轴型系数，C3=1＋2（m-1）
8
C4为轮型系数，单轮组时C4=18.5，双轮组时C4=1.0。
材料参数
�
P186-187 ，请自己学习。原则上应该做试验测定。
思考题
获得模量、强度的方法有那些方法，它们与我们前面讲述的方法有什么不同？在选择材料的参数时，应考虑那些方面的因素？