《道路工程》第八-4章

8.6 新建路面设计8.6.1设计指标1）路表容许弯沉值l R作为路面结构整体刚度、强度、承载能力的控制指标：l S≤l R（8-22）式中l S—路表面实际回弹弯沉值。

2）沥青面层和整体性基层底面容许弯拉应力σR作为验算指标：σr≤σR（8-23）式中σr—路面结构层最大弯拉应力。

3）高温季节沥青材料面层容许剪应力τR作为验算指标：τa≤τR（8-24）式中τa—面层破裂面上剪应力。

公路设计时只进行路表容许弯沉值（设计弯沉值）计算，整体性基层底面容许弯拉应力验算。

城市道路设计时按上述三项指标进行计算和验算。

8.6.2设计弯沉值确定1）路表弯沉的变化规律道路建好后路表弯沉的变化规律见图8-26，图中纵坐标是以竣工后第一年不利季节弯沉l0为基数的相对弯沉。

路表弯沉变化分为三个阶段。

第一阶段——路面竣工后第一、二年。

由于交通荷载的压密作用以及半刚性基础材料强度的增长，路表弯沉逐渐减少，在竣工后第二年达到最小值。

第二阶段——路面竣工后两至四年。

由于在交通荷载的重复作用、水温状况变化以及材料不匀等因素影响下，路面结构内部的微观缺陷扩散，形成小范围局部破损，使结构整体刚度下降、弯沉增大。

该阶段弯沉不断增大为主要特征。

第三阶段——路面竣工后三四年至路面达到极限破坏状态。

该阶段路面结构刚度达到较低水平的新的相对稳定，路表弯沉进入一个比较稳定的缓慢发展阶段，即结构疲劳破坏的稳定发展阶段，一直延续至出现疲劳破坏。

图8-26 弯沉逐年变化曲线2）容许弯沉值l R按沥青路面的外观，将沥青路面的外观状况分为五个等级，见表8-14。

表8-14 沥青路面外观等级划分标准第四级作为路面达到临界破坏状态，路面处于使用期末，此时不利季节实测路表弯沉与该路面经受的标准轴载之间存在良好的对数关系，见图8-27。

将路面使用期末，在标准轴载作用下容许出现的最大回弹弯沉值定义为容许弯沉值l R。

图8-27 一级公路沥青路面容许弯沉试验结果3）设计弯沉值l d路面使用期末的弯沉值与竣工时的弯沉值不同，因此不能直接用容许弯沉值作为竣工时验收的标准。

半刚性基层材料设计龄期为6个月，接近路面竣工后第一个不利季节，路面竣工后第一年不利季节的弯沉值与最大刚度状态对应的弯沉值接近，因此将路面竣工后第一年不利季节的路面状态假定为路面整体结构的最大刚度状态和路面结构的设计状态，设计弯沉值l d与竣工验收弯沉值l0及容许弯沉值l R之间关系为：l d =l 0=l R /A T （8-25）式中 A T —相对弯沉变化系数，A T =1.2。

观测资料分析得到容弯沉值与标准轴载累计作用次数的关系：b sc ed A A A N l 2.0600-= （8-26）式中 l d —路面设计弯沉值，0.01mm ；N e —设计年限内一个车道累计当量轴载；A c —公路等级系数，高速公路、一级公路A c =1.0；二级公路A c =1.1；三、四级公路A c =1.2；A s —面层类型系数，沥青混凝土路面A s =1.0；热拌沥青碎石路面、上拌下贯式路面A s =1.1；沥青表面处置A s =1.2；中、低级路面A s =1.3； A b —基层类型系数，半刚性基层、底基层总厚度≥20cm ，A b =1.0；柔性基层、低基层A b =1.6。

目前，城市道路设计规范仍然采用容许弯沉值作为柔性路面厚度设计时的控制的路表弯沉值。

许多城市道路采用公路规范进行路面结构设计。

8.6.3轴载换算我国公路沥青路面设计规范（97规范）提出的轴载换算公式： 1）以设计弯沉值为指标以及验算沥青面层层底弯拉应力∑=⎪⎭⎫⎝⎛=ki i i i i P P n C C N 135.4,2,1 （8-27）式中 N —标准当量轴次，次/d ；n i —换算车型各级轴载作用次数，次/d ； P —标准轴载，kN ；P i —换算车型的各级轴载，kN ，P i >25；C 1,i —轴数系数。

轴距>3m ，按单轴计算，C 1,i =m （轴数）；当轴距<3m ，按双轴或三轴计算，C 1,i =1+1.2(m-1)；C 2,i —轮组系数，单轮组C 2,i =6.4，双轮组C 2,i =1， 四轮组C 2,i =0.38。

2）进行半刚性基层层底弯拉应力验算∑=⎪⎭⎫⎝⎛=ki i i i i P P n C C N 18,2,1''' （8-28）式中 P i —换算车型的各级轴载，kN ，P i >50kN ；C ’1,i —轴数系数。

轴距>3m ，按单轴计算，C ’1,i =m （轴数）；当轴距<3m ，按双轴或三轴计算，C ’1,i =1+2(m-1)；C ’2,i —轮组系数，单轮组C ’2,i =18.5，双轮组C ’2,i =1.0， 四轮组C ’2,i =0.09。

8.6.4路面弯沉计算计算包括理论弯沉l 、实际弯沉l S 和设计弯沉值l d 计算与确定。

1）理论弯沉计算l211''2k k E p l l l l αααδ== （8-29）2）实际弯沉计算l S理论计算得到的路表回弹弯沉与路面实际弯沉值有出入，必须进行修正，采用弯沉综合修正系数进行修正。

36.0038.01200063.1'2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫⎝⎛=⋅=⋅=p E l F E p F l F l s l s δαδ（8-30）式中 F —综合修正系数。

路面设计时l S ≤l d ，取l S =l d ，则：36.0038.0200063.1⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫⎝⎛=p E l F d δ （8-31）理论弯沉系数为：Fp E l d l δα2'1=（8-32） 用途：已知l d ，利用综合修正系数F 求路面结构厚度。

例如，新建道路设计时，已知路面结构层参数，采用上式可以计算路面结构某一层结构的厚度。

3）多层体系换算实际路面结构层往往多于三层，利用三层体系计算图必须进行等效换算成当量三层体系（采用专用程序APDS97计算，不需要换算），即：保持面层的模量E 1和厚度h 1不变，路基模量E 0不变，其间各层利用下式换算为模量与第二层模量相同的等效层，见图8-28。

∑-==124.22n i ii E E h H （8-33） 图8-28 等效路表回弹弯沉的结构层换算4）路基土和路面材料的回弹模量 （1）路基土回弹模量值E 0路基土回弹模量值E 0取决于土的类型、性质、湿度和密度。

路面设计时采用最不利季节实测确定，通常采用经验方法或查表：bc a w AK E =0 （8-34）式中 K —土的压实度；w c —土的稠度；A 、a 、b —随地区和土的类型而异的试验参数。

路面设计过程中通常根据自然区划、土性及稠度查表确定值E 0。

高等级公路通常采用低剂量石灰处理（石灰含量4%~7%）土基，路基回弹模量E 0大幅度提高，可达到200~250MPa 。

（2）路面材料回弹模量值路面材料回弹模量值受材料来源、组成、施工工艺、气候等影响，应根据现场具体条件试验确定。

高等级道路，在初步设计阶段，对拟选材料在选定配合比基础上按道路有关试验规程实验确定；在工程可行性研究阶段及其他道路的初步设计阶段可以查表确定。

表8-15-1 沥青混合料设计参数表8-15-2 基层设计参数注：路面设计时，弯沉计算中沥青混合料采用20︒C时的抗压回弹模量；对于半刚性材料中水泥稳定类粒料和细粒土，采用龄期为3个月的抗压回弹模量，对于石灰粉煤灰稳定粒料或细粒土、石灰稳定材料，采用龄期为6个月的抗压回弹模量。

表8-15-3 碎、砾石土的设计参数例1：已知l d =0.39mm ，选用BZZ −100为标准轴载，p =0.7MPa ，δ=10.65cm 。

根据l d 确定第三层水泥稳定砂的厚度。

表1 路面结构层参数解：按设计弯沉计算路面厚度：1）计算综合修正系数63.07.03965.10200010039.063.1200063.136.038.036.0038.0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫⎝⎛=p E l F d δ2）计算αl ’98.463.065.107.021200039.02'1=⨯⨯⨯⨯==F p E l d l δα3）进行3层体系换算h 1=4cm E 1=1200MPah =h 1=4cm E 1=1200MPah 2=6cm E 2=800MPa h 3=? E 3=1500MPa ⇒H =?cm E 2=800MPah 4=15cm E 4=400MPaE 0=39MPa E 0=39MPa图1 弯沉3层体系换算图 h /δ=4/10.65=0.38 E 2/E 1=800/1200=0.67 查图得：α=7.3 h /δ=4/10.65=0.38 E 0/E 2=39800=0.05 查图得：k 1=1.068.00.13.798.4'12=⨯==k k l αα k 2=0.68 h /δ=0.38 E 0/E 2=0.05 查图得：H /δ=3.4，H =3.4⨯10.65=36.2cm3424.24.234.223.124.148004001580015006h h E E h H i i i +=⨯++==∑=h 3=14.6cm 取h 3=15cm 。

8.6.5路面结构层的应力验算及防冻层厚度检验1）路面结构层弯拉应力验算路面结构层在交通荷载作用下层底面产生弯拉应力应满足（8-9）要求。

（1）结构层弯拉应力计算路面结构层在交通荷载作用下层底面产生弯拉应力可以采用程序（APDS97）计算，也可采用三层体系诺模图计算。

2122221111n n p m m p r r r r r r σσσσσ==== （8-35）式中 σr1—三层体系上层底面弯拉应力；σr2—三层体系中层底面弯拉应力。

⎺σ、m 1、m 2、n 1、n 2—查三层体系上层、中层底面弯拉应力系数诺模图。

（2）多层路面换算采用三层体系计算时需要将多层路面按应力相等的原则换算成上层、中层和下层半空间体的弹性三层体系，然后用三层体系诺模图计算对应层底面弯拉应力。

①上层底面弯拉应力上层指换算为三层体系的上层，见图8-29。

换算方法是：计算第x 层底面弯拉应力时，将x 层以上的各层换算为模量为E x 、厚度为h 的一层，即上层；将x+1至n-1层换算为模量为E x+1、厚度为H 的一层，即中层，换算公式为：∑∑-+=+===119.0114n x i x i xi x ii E E H E E h h （8-36）图8-29 多层体系计算上层底面弯拉应应力换算图②中层底面弯拉应力中层即为路基之上的n -1层底面弯拉应力，中层为H =h n-1，上层为n -2层和以上各层换算为模量E n-2的换算厚度，换算公式为：∑-=-=2142n i n ii E E h h （8-37） 图8-30 多层体系计算中层底面弯拉应应力换算图③结构层材料的计算模量和强度验算结构弯拉应力时，各层模量均采用抗压回弹模量。