第十四章 沥青路面设计
沥青路面设计
等级来划分。我国沥青路面按 〔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； 承担交通荷载的轻重划分 为轻交通、中等交通、重交通和特重交通四级。 我国沥青路面交通等级的划分按两种方法进展： 一是以设计年限内一个车道通过的标准当量轴次进展划 分；二是以营运车辆中的大客车、中型货车、大型货车、 拖挂车等车型在一个车道上的日平均车数进展划分。
第十四章 沥青路面设计
〔14-5〕来完成。 3、设计年限累计当量标准轴载数 设计年限内一个车道通过的累计当量标准轴次数按式 〔14-6〕来计算。 4、交通等级 我国规定路面设计弯沉值由公式〔14-21〕确定。
〔4〕基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。 一、设计指标与极限标准
路面构造在设计年限内承担交通荷载的繁 我国标准规定，沥青面层和基层层底拉应力作为沥青路面构造设计的第二项设计控制指标。 重程度以交通
第十四章 沥青路面设计
二、沥青路面基层构造 基层构造是承上启下保证路面构造耐久、稳定的承重构 造层，因此要求基层具有较高的强度、稳定性和耐久性。 沥青路面的基层按材料和力学特性的不同，可分为柔性 基层、半刚性基层和刚性基层三种。 1、柔性基层 主要采用沥青处治的级配碎石和无结合料的级配碎石修 筑基层。通常沥青碎石适用于中等交通及更高交通等级 的柔性基层；而无结合料的级配碎石适用于交通等级较 低的，中等交通以下的沥青路面基层。 2、半刚性基层 主采用水泥、石灰或工业废渣等无机结合料，对级配
3、各层在水平方向无限远处及最下层无限深处的应力、 变形和位移为零；
4、各层分界面上的应力和位移完全连续，或者仅竖向应 力和位移连续，而层间无摩擦；5、不计各层材料自重
第十四章 沥青路面设计
根据相关理论，得到计算公式〔14-16〕，该式为双层弹 性体系计算公式。弹性三层体系由两个弹性层以及弹性 半空间体组成。
沥青路面设计方案
一、沥青面层结构
分层 表面层：服务功能 中面层 下面层 面层的厚度
二、沥青路面的基层结构
柔性基层 材料：沥青处治的级配碎石和无结合料的级配碎石 优缺点 适于有较厚沥青面层的结构 半刚性基层 材料：无机结合料稳定级配集料 优缺点 刚性基层 材料：低强度等级水泥混凝土 优缺点
2．当沥青层由双层或三层组成时，若不能连续施工而沥青 层表面被污染，或在旧沥青面层及水泥混凝土面层上加铺沥青层 时，均应在层间设粘层沥青。
3．透层沥青、粘层沥青、下封层的材料规格和用量应符合 《公路沥青路面施工技术规范》的要求。
14-2 弹性层状体系理论概述
弹性半空间体———水平和垂直深度方 向均为无限大的均质弹性体，强度可由 Eo μo 来表征。 弹性双层体系———在弹性半空间体上， 有一层一定厚度的结构层在水平方向为 无 表限 示长的的结弹构性。均质体，强度可以用E1 μ1
设计年限不低于下表要求：
高速、一级公路 15年
二级公路
12年
三级公路
8年
四级公路
6年
标准轴载与轴载换算
换算原则： 1、换算以达到相同的损伤状态为标准； 2、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。
以弯沉值为设计指标及沥青层层底拉应力验算 (Pi>25kN) :
作业1：
该路为平原二级路，双向双车道，使用 年限内交通量年平均增长率为6％ ，路 面结构为沥青面层，二灰稳定碎石基层。 求设计年限内累积当量标准轴载数。
14-3 沥青路面结构组合设计
路面结构组合设计原则： 1、保证路面表面使用品质长期稳定 2、路面各结构层的强度、抗变形能力与各结构的力学响应相匹配
沥青路面设计
沥青路面－－在柔性基层、半刚性基层上，铺筑一定厚度的沥 青混合料作面层的路面结构 沥青路面的设计任务：是确定经济合理的路面结构，使之承受 交通荷载和环境因素的作用，在预定的使用期限满足各级公 路相应的承载能力、耐久性、舒适性、安全性的要求。
路面设计内容：包括原材料选择、混合料配合比设计和设计参 数测试与确定、路面结构层组合与厚度计算，以及路面结构 的方案比选等内容。 设计方法分类： 1.以经验或试验为依据的经验法； 2.以力学分析为基础，考虑环境、交通条件以及材料特性为依据 的理论法（半经验半理论法）
力学图示
一、基本假设与解题方法 ：
（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）；
国内外结构设计主要方法
AASHTO法 SHELL法 AI法 前苏联法 比利时法 我国的设计方法 力学设计方法综述
AASHTO法 设计标准－－采用道路使用性能期内路面服务能 力指数的变化量∆PSI值 结构设计参数－－包括路基土有效回弹模量、各结 构层层位系数以及排水系数。 AASHTO法以AASHO试验路的观测资料为基础，建 立∆PSI值与路面结构数SN和标准轴载作用次数之间 的经验关系式，以此来进行路面结构设计，是一种 经验设计方法。
发展趋势
从70年代后期，人们开始重视设计法的经济 性分析研究。
在将来，有可能从规划、设计、施工直至使用 作为一个整体，把路面设计体系包括设计方法、材 料特性、养护方针与经济、财政因素综合到一个 “路面管理系统中”去，从近期与远景经济展望相 结合达到最佳经济效益那将是设计方法的第五代。
第十四章 沥青路面设计
第十四章沥青路面设计一、填空1.在《柔规》中规定，路面设计以双轮组单轴载 100kN 为标准轴载，并以 _____ 表示。
2. 在《柔规》中采用 _____ 作为路面厚度计算的主要控制指标，所以轴次换算的等效原则是以 _____ 为准。
3. 路表容许弯沉值是柔性路面设计的 _____ 指标，而 _____ 是验算指标。
4. 在车辆垂直荷载作用下，柔性路面产生的总变形包括 _____ 以及 _____ 。
5. 路面弹性模量是表示路面弹性性质的力学指标，又称为 _____ 模量，它表征路面材料的 _____ 能力。
6. 路面弹性性质的力学指标以 _____ 模量表示，它表征了土基或路面材料_____ 能力。
7. 由于路面的垂直变形实际上是由路面各结构层 ( 包括土基 )_____ 的总结果故它也就综合地反映了路面各结构层及土基的---。
8. 沥青混凝土面层及整体性的基层材料在行车荷载的多次重复作用下，由于疲劳现象而使其 _____ 强度降低，从而在板底出现拉伸裂缝，故对高等级公路必须验算其 _____ 强度。
9. 柔性路面结构设计包括 _____ 设计和 _____ 设计。
10. 通常应选用 ____ 的结合料和强度高的材料作为面层材料，且面层类型选择时，要考虑当地的 _____ 特征。
11. 路面的强度和稳定性并不单纯是一个厚度问题，也不是路面各结构层次的简单 _____ 问题，而是路面各结构层次的 _____ 是否合理的问题。
12. 防治路面翻浆要贯彻 _____ 的原则，最基本措施是防止或减少土基水分的——13.柔性路面设计是以 _____ 作为路面整体强度的设计控制指标。
表征路面弹性性质的力学指标是 _____ 。
14. 路面结构层的整体强度，以 _____ 作用下轮隙中心处的 _____ 表示。
15. 目前，我国公路工程中确定 Zo 的方法主要有 _____ 和 _____ 。
16. 目前，我国测定柔性路面材料回弹模量的方法有 _____ 和 _____ 。
第14章沥青路面设计
A
新建路面厚度设计
• 设计过程： 1）计算设计年限内的标准轴载累计当量轴次，确定交 通量等级、面层类型、计算设计弯沉值和容许弯拉应力。 2）确定土基回弹模量E0 3）拟定路面结构组合与厚度方案，确定各层的抗压回 弹模量，弯拉模量与抗拉强度。 4）计算路面结构设计层的厚度，并验算层底拉应力
• 对水泥粉煤灰稳定材料的龄期为120天的极限 劈裂强度。
• 层底拉应力以单圆荷载中心处（B点）及双圆轮隙 中心（C点）为计算点，取较大值计算层底拉应力。
m p m
理论最大拉应力系数
m
f
h1
, h2
, hn1
, E2 E1
,
E3 E2
E0 En1
六、弯沉值和结构层底拉应力的确定
１６ 石灰水泥粉煤灰碎砾
• １０、第十大类（１０） • • ０１ 泥结碎石 • ０２ 级配碎石 • ０３ 泥结砾石 • ０４ 级配砾石 • ０５ 泥结碎砾石 • ０６ 级配碎砾石 • ０７ 级配砂砾 • ０８ 天然砂砾 • ０９ 泥灰结碎石 • １０ 泥灰结砾石 • １１ 泥灰结碎砾石 • １２ 级配碎石掺灰 • １３ 级配砾石掺灰 • １４ 级配碎砾石掺灰
1、轴载分析之轴载换算（弯沉及沥青层弯拉应力分析时）
6.4 6.4 6.4 6.4 6.4
注：轴载小于25KN的轴载作用不计。
9.2 250.4 80.2 12.3
7.9
2092.3
2、轴载分析之轴载换算（半刚性层弯拉应 力分析时）
1.85
10.3
1804
9g第十四章 沥青路面设计
第十四章沥青路面设计沥青路面是在柔性基层、半刚性基层上，铺筑一定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。
沥青路面设计的任务是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。
路面设计应包括原材料的选择、混合料配合比设计和设计参数的测试与确定，路面结构层组合与厚度计算，以及路面结构的方案比选等内容。
路面设计除行车道部分的路面外，对高速公路、一级公路还应包括路缘带、硬路肩、加减速车道、紧急停车带、收费站和服务区的场面设计以及路面排水系统的设计，对其它各级公路应包括路肩加固、路缘石和路面排水设计。
当前世界各国众多的沥青路面设计方法，可概括分为两类：一类是以经验或试验为依据的经验法；一类是以力学分析为基础，考虑环境、交通条件以及材料特性为依据的理论法。
近三十年来，有关理论法的研究取得了很大进展，许多国家相继提出较完整的设计体系。
目前理论法对沥青路面的应力、形变和位移的分析，大多应用弹性层状体系理论，并采用电算的方法。
鉴于理论法有着广阔的发展前景，我国沥青路面设计规范规定沥青路面设计理论以弹性层状体系理论为基础，所以本章着重阐述基于理论法的沥青路面结构设计与计算。
§14-1 弹性层状体系理论概述由不同材料的结构层及土基组成的路面结构，在荷载作用下其应力形变关系一般呈非线性特性，且形变随应力作用时间而变化，同时应力卸除后常有一部分变形不能恢复。
因此，严格地说，沥青路面在力学性质上属于非线性的弹－粘－塑性体。
但是考虑到行驶车轮作用的瞬时性（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。
一、基本假设与解题方法弹性层状体系是由若干个弹性层组成，上面各层具有一定厚度，最下一层为弹性半空间体，如图14-1。
14+路基路面工程第十四章+沥青路面设计
系），或为光滑接触（称滑动体系）； （5）不计自重。
假定路表面作用着圆形均布竖直荷载，则为轴 对称课题。
2.弹性层状连续体系下的路表回弹
弯沉ι（即垂直位移ω ）的计算
（1） 求解的基本过程
静力平衡方程：（14－7）
物理方程：应力－应变关系ε－σ（14－8）
l0 j la
l 0 j --路面交工时在不利季节采用BZZ-100 标准轴载实测某路段的弯沉代表值
l a --路表弯沉检测标准值。
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选取路表回弹弯沉作为路面设 计标准的依据
路面弯沉是路面在垂直荷载作用下产生 的垂直变形。
能够反映路面各结构层及土基的整体刚 度。
与路面的使用状况存在一定的内在联系 弯沉值的测定比较方便。
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二、结构层厚度计算
一般先按 lS ld 的要求确定结构层厚度，再验算是否
满足
m R
1.以弯沉作为控制指标确定结构层厚度
(1) 路表弯沉值计算图式
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(2) 轮隙中心路表弯沉的计算
ls 10020Ep1CF
cf h 1,h 2, ,hn1,E E 1 2,E E 2 3, ,E E n0 1
600~1500
1500~3000 ＞ 3000
第2节 弹性层状体系理论简介
1 基本假定:
(1)各层为连续、均质、各向同性的线弹性体。其
中最下一层为半无限大，其上各层厚度有限， 水平方向无限大；
δδ
ρ
h1
E1,μ1
hi
Ei.μi
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第十四章沥青路面设计PPT课件
弯沉及式沥青层底拉应力
为设计指标的换算公式
25KN～130KN 轴载
半刚性材料层底拉应力 为设计指标的换算公式
50KN～130KN 轴载
贫混凝土基层层底拉应力 为设计指标的换算公式
50KN～130KN 轴载
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概述
设计年限与累计当量轴次
轴载当量换算的原则
➢沥青路面设计年限——应根据公路等级、
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 hi
p E1 μ1
Ei μi
En μn
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弹性层状体系理论
弹性层状体系理论的求解过程
概述
沥青路面设计任务
根据使用要求及气候、水文、地质等 自然条件，密切结合当地的实践经验， 设计确定合理的路面结构，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的承载力、耐 久性、舒适性、安全性的要求
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概述
沥青路面设计内容
结构组合设计 材料组成设计 厚度设计验算 结构方案比选 路肩构造设计 排水系统设计
形
✓路面各结构层残
余变形
✓结构层底面拉应
变或拉应力
✓结构层剪应力
✓结构层温度应力
或应变
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我国沥青路面设计方法
设计理论与指标
双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论 路表面回弹弯沉值为设计指标，沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基 层层底弯拉应力为验算指标，城市道路增加面层剪应力验算指标 设计控制标准——根据路面结构的破坏过程和破坏机理所达到的极限状态， 从力学响应提出的控制指标
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第十四章沥青路面设计
一、填空
1.在《沥青路面设计规范》中规定，路面设计以双轮组单轴载 10kn 为标准轴载。
2. 在车辆垂直荷载作用下，沥青路面产生的总变形包括 __残余变形以及 _回旋变形_ 。
3. 路面弹性模量是表示路面弹性性质的力学指标，又称为 __回弹
___ 模量，它表征路面材料的 _抵抗竖向变形____ 能力。
5. 路面结构层的整体强度，以 _标准轴载____ 作用下轮隙中心处的_路表最大回弹弯沉值____ 表示。
7. 若原有路面面层为 __沥青___ 结构层，且厚度 _<~5em____ ，或气温等于 2 0 ℃± 2 ℃时，所测得的弯沉值进行修正，其它情况下测得的弯沉值均应进行温度修正。
8.沥青混凝土路面设计是以____弹性层状体系_理论为基础，以_设计弯沉__为设计指标。
二、名词解释
1.设计弯沉值路面结构在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。
三、选择
1 ．路面设计中，车道累计当量轴次 N 。
是指（C ）。
A ．单车道双向交通量
B ．设计年限内双车道双向累计当量轴次；
C 。
设计年限内一个车道上的累计当量轴次
D ．设计年限内总交通累计当量轴次。
3 ．路面结构组合设计时，一般应使结构层自上而下（B ）。
A ．强度减小，厚度减薄
B ．强度减小，厚度增大
C ．强度增大，厚度减薄
D ．强度增大，厚度增厚
4 ．目前在路面设计中，是以（D ）来表征土基的强度。
A ．抗剪强度
B ．抗压强度
C ．垂直强度
D ．回弹模量
5 ．现行的我国《公路沥青路面设计规范》规定路面设计指标是（C ）。
A ．弯沉指标，抗弯拉指标
B ．弯沉指标，抗剪指标，平整度指标
C ．弯沉指标，抗弯拉指标，沥青路面抗滑指标
D ．弯沉指标，弯拉应力
6 ．路面各结构层材料的目弹模量一般应自上而下（ B）
A ．递增
B ．递减
C ．相同
D ．任意分布
7 ．公路路面设计计算中只考虑车辆荷载的（A ）。
A ．垂直静压力
B ．水平力、垂直静压力
C ．静压力、震动力
D ．冲击力与垂直静压力 * '
8 ．我国目前沥青路面设计是以双圆垂直均布荷载作用下的（B ）体系作为设计理论。
A ．板体
B ．弹性层状
C ． CBR
D ．弹性地基板
10 ．多层路面结构是指（C ）的结构。
11 ．两层及两层以上 B ．三层及三层以上 C ．四层及四层以上 D ．四层以上
14 ．旧路补强设计中的计算弯沉值 L 0 是指（C ）。
A ．实测弯沉的平均值
B ．原路面设计的容许弯沉值
C ．以实测弯沉为基础确定的一个衡量原有路面在不利季节的整体强度
D ．由实测弯沉与容许弯沉综合确定的设计参数，并大于容许弯沉
16 ．设某段原有沥青路面测定的弯沉值 L TC = 3.35mm ，温度修正系数为 0.95 ，则相应标准温度下的弯沉值应是（B ）。
A ． 3.05mm
B ． 3.18mm
C ． 3.25mm
D ． 3.15mm
18.沥青路面的设计指标是（ C ）。
A、容许弯沉值
B、竣工验收弯沉值
C、设计弯沉值
D、回弹模量
四、判断
1 ．我国现行沥青路面设计方法中规定：对各级公路均以路表容许弯沉值作为设计控制指标，以弯拉应力作为验算指标。
（×）
2 ．现行《公路沥青路面设计规范》对路面设计，不仅考虑了垂直静载的作用，也考虑了疲劳损坏及水平荷载的作用，并有相应的公式计算。
（×）
3．沥青路面的理论计算弯沉值与实测弯沉值存在一定差异，对理论弯沉值公式修正时，其综合修正系数与轮迹当量圆直径无关。
（×）4．原有路面补强设计以回弹模量和路面表层容许弯沉值作为设计控制指标。
（×）
5．为测定原有路面下路基的湿度,由于路面材料强度高,可在路肩上80cm 范围内取 8 个试样进行测定。
（×）
6．对原有路面强度测定的方法，是用弯沉仪测量路面表面在标准轴载作用下的轮轴中心回弹弯沉值。
（√）
7．对大于 3cm 的原有沥青路面所测定的弯沉值，应以25°C 为标准温度，不是此温度时,应进行换算。
（×）
8．对原有路况调查的时间一般应安排在改建工程当年的最不利季节进行。
（×）
9. 沥青路面设计中的标准轴载是BZZ－100。
（√）
五、简答
1. 新建沥青路面结构设计步骤有哪些？
答：新建沥青路面通常按以下步骤进行路面结构设计：
1）根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型，计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值。
2）按路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段（在一般情况下路段长度不宜500m，若为大规模机械化施工，不宜小于1km，确定各路段土基回弹模量值。
3）根据已有经验和规范推荐的路面结构，拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比试验及测定各结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度，确定各结构层材料设计参数。
4）根据设计弯沉值计算路面厚度。
对高速公路、一级公路、二级公路沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层，应验算拉应力是否
满足容许拉应力的要求。
如不满足要求，或调整路面结构层厚度，或变更路面结构组合，或调整材料配合比，提高材料极限抗拉强度，再重新计算。
上述计算应采用弹性多层体系理论编制的程序进行。
对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，尚应验算防冻厚度是否满足要求。
六、计算
4.某一级公路，车道数为四车道且有中央分隔带，选用沥青混凝土面层，取车道系数η=0.45,设计年限t=15年，在使用期内交通量的年平均增长率为7.2%。
预测竣工后第一年交通量与车辆组成如下:
车型解放CA15 黄河JN162 太脱拉138S 日野KB222 小汽车辆 / 日 1050 800 400 800 800
(1)计算标准当量轴次Ne。
(2)计算当进行半刚性基层层底拉应力验算时换算成标准轴载P的当量作用次数Ne’。
2.某原二级公路路段（双车道，无分隔带），现调查到日当量轴次为ｎ１＝１02次／日，交通量年平均增长率为9％，并测得十点弯沉值，分别为2.15，2.29，2.22，2.31，2.05，2.04，2.09，2.15，2.09，2.36ｍｍ。
并打算加铺沥青贯入式面层，试计算路面设计弯沉值和计算弯沉值，考虑此路段是否需要补强。