路基路面教案(11章沥青路面设计)

第十一章沥青路面设计

§ 11-1 概述

一、沥青路面设计的内容 p377

一般包括：原材料选择、配合比设计、设计参数的测试选定、路面结构组合、厚度验算、方案比选对高速、一级公路：除以上外，还有路缘带、匝道、硬路肩、加减速车道、紧急停车带、收费站等一、沥青路面结构设计的原则

P377 6条

三、沥青路面结构设计理论与方法

1、经验和半经验法：以已往的修建和使用经验为基础

2、解析法或理论法

解析法是以结构分析为基础，按设计荷载所产生的应力应变和位移量不超过路面任意结构层中材料所容许的范围，来选择和确定铺面结构层的组合及其尺寸。

我国沥青路面设计方法以解析法为主，但需依赖经验给予补充。

四、沥青路面交通等级

1、路面设计年限 p378表14-1

2、标准轴载及当量换算 p378表14-2

3、设计年限内累计标准轴载当量轴次

4、交通等级 p380表14-4

例题11-1：标准轴载换算习题。已知条件见p404表14-18。求解过程按照习题册讲解。

§ 11-2 弹性层状体系理论简介

一、材料的非线性

严格的说，沥青路面在力学性质上属于非线性的弹-粘-塑性体。但考虑到行驶车辆作用的瞬时性（百分之几秒），在路面结构中产生的粘塑性变形数量很小，所以对于厚度较大、强度较高的高等级路面，将其视作线性弹性体，并应用弹性层状体系理论进行分析计算将是合适的。

二、基本假设与解题方法

见教材P380

§ 11-3 沥青路面结构组合设计

一、沥青面层结构

1、双层（二、三级）表面层

下面层

三层（高、一级）表面层：密实、抗磨、耐久；高低温稳定，抗老化

中面层：密水、抗剥离、抗剪切能力高

下面层：密水、抗剥离、抗剪切能力高；抗疲劳缝

2、各等级公路面层：沥青砼都适用

二、三级路上下面层：沥青砼和热拌沥青碎石、沥青贯入

三、四级公路：双层沥青表处；沥青表处+稀浆封层；冷拌沥青混合料；沥青砼

3、沥青面层厚度

参考表14-5、6，p386。小于最小厚度，压实效果不好；太厚，不经济，因沥青路面在路面结构中价格最高。

二、沥青路面基层结构

基层：传递应力；承上启下的承重层，较高的强度和稳定性；耐久性；抗滑；抗剪切略宽

1、柔性基层

种类沥青处治的级配碎石：适用中等及以上交通见表14-7，p388

无结合料的级配碎石：适用中等以下

优点：应力、应变传递协调；不易受水损害。柔性基层力学特性与沥青路面一样，是颗粒状材料级配成型，排水通畅

缺点：基层刚度低，沥青面层应加厚，但提高了工程造价

2、半刚性基层

概念：采用水泥、石灰或工业废渣等无机结合料，对级配集料作稳定处理的基层结构。

优点：对集料的品质要求不太高，有板体效应，增大路面的整体刚度，因半刚性基层承担大部分荷载，沥青厚度减薄，裂缝破坏少

缺点：本身的收缩裂缝反射至面层；多雨区雨水不易向下渗透，造成路面水损

3、刚性基层

概念：采用低强度混凝土修筑基层砼板

优点：承载力高，沥青面层弯拉应力小，主要满足表面功能效应

缺点：基层裂缝向上反射形成沥青面层横向裂缝

4、基层厚度及其组合

厚度：为降低造价，用上基层，下基层（用性能略低的材料或便宜材料）；满足强度、刚度要求，施工可行，大于砼最大粒径的4倍

组合比选：根据交通等级、水温状况、排水稳定等，作不同方案，择优。

条件十分恶劣配筋砼作基层

半刚性下基层+柔性上基层：一方面提高承载能力，减轻沥青面层荷载

应力；另外柔基层变形协调，利于排水、渗水；避免反射裂缝

三、沥青路面垫层结构

设置：基层以下，主要用于路基状况不良的路段。见p202

分类：⑴防水垫层：路基潮湿、过湿段；粉性土存在毛细作用强烈，为隔断地下水源而设

材料：粗砂、砾砂、矿渣等粗粒料

要求：垫层下铺不透水层（粘土层、土工织物反滤层），防渗透和污染

⑵排水垫层：排除路基顶渗入的潜水、泉水、毛细上升水

要求：垫层下设土工织物反滤层，防路基土进入垫层；垫层上下都设反滤层，防基层、

土基污染垫层，同时排除路面下渗的雨水

⑶防污垫层：软土地带、潮湿路段，防路基土侵入路面

材料：土工合成材料与粒料分层间隔铺筑。有时防污垫层设在排水垫层以下，同时使用，

效果良好

⑷防冻垫层：季节性冰冻区，易冻胀、翻浆，设垫层保护路面结构

材料：隔温好、导热系数低的煤渣、矿渣、石灰煤渣等

厚度：主要满足防冻胀要求

四、沥青路面层间结合

层间结合应紧密，不滑动松散。

1、沥青面层与基层间设置透层沥青或粘层沥青

半刚性基层上采用单层层铺法表处或稀浆封层表处

刚性基层上设粘层沥青

2、沥青面层由两或三层组成,不能连续摊铺时:清扫→粘层沥青

3、材料规格按规范选定

§ 11-4 我国沥青路面设计方法

我国沥青路面设计规范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，以路表弯沉和（或）各层弯拉应力为设计指标，进行路面结构厚度设计。

高速、一级、二级公路的路面结构，以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。三级、四级公路的路面结构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。

路面荷载及计算点如图11-1所示。

一、设计指标与极限标准

（一）路面结构层厚度的确定应满足结构整体刚度（即承载力）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（A 点）路表计算弯沉值s l 应小于或等于设计弯沉值d l ，即：

s l ≤d l （11-1）

2．轮隙中心（C 点）或单圆荷载中心处（B 点）的层底拉应力m σ应小于或等于容许拉应力R σ，即： m σ≤R σ （11-2）

图11-1 路面荷载及计算点图示

（二）路面结构设计的主要内容

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放案，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。

（三）相关参数的确定

1、弯沉

（1）路表弯沉：表征路面结构在设计标准轴载作用下，垂直方向的总位移。

以此为指标的理由：① 可表征路面总体刚度

② 可表征土基支承的强弱

h n-1 E n-1

E

n =E n C 。。。 。。。

③ 高温时沥青路面的抗高温稳定性也可间接表征

④ 便于直接量测

计算图式：

（2）设计弯沉：路面结构在经受设计使用期累计通行标准轴载次数后，路面状况优于各级公路极限状态

标准时，所必须具有的路表回弹弯沉值，称为设计弯沉。

计算公式：b s c e d A A A N l 2.0600-=

路面达到相同的破坏程度时，弯沉大小与标准轴载累计当量轴次N e 成反比关系。

（3）仅用弯沉作为评价设计指标时的不足

① 弯沉能从总体宏观方面控制路面结构在设计年限的正常工作，不能反映个别结构层的某些破坏 ② 路表实测弯沉值随气候、水温等变化，难以和路面结构实际工作状况对应。

2、弯拉应力

（1）规范规定：沥青路面结构设计的第二项设计控制指标为沥青面层、半刚性基层、底基层、刚性基层

层底拉应力。

（2） 计算图式：

（3）路面结构材料的容许拉应力（疲劳试验结果） s s

R K σσ= 实测s σ后得到R σ，s K 取值见p212

按弯沉→h 1 取最大值为最终设计结果

按弯拉应力→ h 2

二、路面结构厚度设计方程式与设计参数

结构层材料、层位选定→厚度结合参考表初步选定 → 验算在N e 作用后，能否满足：

l s ≤l d

σm ≤σB 两项指标同时满足

1、路表实测弯沉值l s

F E p l c s αδ121000= ???? ??=--102312121,....,,;,......,,n n c E E E E E E h h h f δδ

δα 36.0038.0200063.1???? ????? ??=p E l F s δ

取d s l l =，带入计算F

2、计算结构层底拉应力σm m m p σσ?= ???

? ??=--10231212

1,....,,;,......,,n n m E E E E E E h h h δδδφσ 3、路基回弹模量E 0

弹性理论：表征材料性质的参数是弹性模量和泊松比

层状体系中：需确定土基和路面材料的弹性模量；弹性模量不是定值，工程上用承载板或弯沉试

验测定。

土基模量E 0：取值对路面结构厚度影响较大。

⑴ 现场实测法

① 大型承载板测定土基0～0.5mm 的变形压力曲线，按下式计算： ()

200011000μ-?=b b l D P E 设计值 1

00K K E E a b D = a K —折减系数，1.5～3.0，当地经验选用 1K —不利季节影响系数

② 贝克曼梁弯沉法

用D E 0计算其相当的D l 0，检验路基；且实测弯沉D l l 00≤设计弯沉

③ 落锤式弯沉仪测定，板直径30cm ()2

1241000μδ

π-=l p E op 设计值 100K K E E a p

D =

⑵ 查表法（对新建道路）

① 确定临界高度：与分界稠度相对应的路基离地下水位或地表积水水位的高度

已知：区划（Ⅱ5）、土质（砂性）、高度（H 0＝1.2m ）

查表1-9（p19）得：H 2＜H 0＜H 1

② 拟定土的平均稠度

新建路无法实测，按当地经验或临界高度判断。

接上例：由H2＜H0＜H1，查表1-8（p18）得：ωc1＞ωc≥ωc2

由表1-7（p17）得：ωc1＝1.20，ωc2＝1.00

所以ωc＝（ωc1＋ωc2）÷2＝1.10

③预估路基回弹模量

由以上的土类、气候区、稠度，查表14-11（p395）得：E0＝39.0Mpa

采用重型击实标准，表列数值可提高20％～35％

⑶室内试验法

取代表性土样室内最佳含水量条件下小承载板的E0，再折减

采用三组试样，每组三个试件，每个试件分别按重锤三层98次、50次、30次击实制作，测得不同压实度与其对应的回弹模量，绘出压实度－－回弹模量曲线，求得标准压实条件下土的回弹模量值。

实测的E0应考虑不利季节、年份，乘以λ＝0.7～0.9（试筒尺寸约束修正系数）的折减系数。

⑷换算法

现场测定和室内试验的数据间建立相关换算关系式，由室内试验确定E0

4、结构层回弹模量

（1）弯沉指标：抗压回弹模量；设计值E i=E i-Z a S

层底拉应力：拟验算结构层用弯拉回弹模量

其他结构层用抗压回弹模量，设计值E i=E i＋Z a S。土基总用抗压回弹模量测定抗压回弹模量：标准试验温度20℃；

测定弯拉回弹模量：标准试验温度15℃

（2）结构层材料的弯拉极限强度σs

按我国相关规范测定；条件受到限制，可用劈裂试验测定

以上各参数，对高速、一级路要实测；其他等级公路可参考表14-15、16，p399

四、新建沥青路面厚度设计

见教材p402

五、路面竣工验收指标

l r(实测弯沉)≤l a（验收弯沉）

1、验收弯沉l a的确定：以设计弯沉为控制指标，则l a取l d

以弯拉应力为控制设计指标，则以计算得到的弯沉l s为 l a

2、实测弯沉l r的确定：在竣工后第一年的不利季节，用BZZ－100实测

非不利季节，进行季节修正

面层厚度＞5cm，温度修正，以20℃为标准温度，l20=l T k3

考虑一定的保证率后：l r=l+Z a S

六、沥青路面改建设计

改线路段――按新建路面设计

原路补强――改建路面设计（包括路面结构状况调查、弯沉评定、补强厚度计算） 加宽路面、提高路基、调整纵坡――按新建或改建设计均可

1、路面结构状况调查与评定

⑴ 交通调查：交通量、交通组成、增长率

⑵ 路基状况调查：土类及干湿类型

⑶ 路面状况调查：路面结构类型、组合、厚度；病害、破坏、分析

⑷ 路面修建和养护历史调查

2、确定原路面的计算弯沉值

通过以上调查分析，进行弯沉评定：① 非不利季节测定：乘以季节影响系数K 1

② 砂石路面上加铺沥青路面：湿度系数K 2

③ 不同温度的测定结果：温度修正系数K 3

评定时还应该将全线分段，然后各路段的计算弯沉值按下式计算：

()32100K K K S Z l l α+=

3、确定原路面当量回弹模量（原路基路面体系作为均质体）

210

21000m m l p E t δ= m1—轮板对比值，=l 轮/l 板；推荐取值1.1

m2—原路面当量回弹模量扩大系数，规范给出如下公式：

25.01037.02???? ??'-=p E h n e

m δ ()25.0111--=∑=

'n i n i i E E h h

4、加铺层设计

步骤见p410