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第十四章 沥青路面设计

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沥青路面设计

沥青路面设计
第十四章 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

沥青路面设计方案
4、充分利用当地材料，降低建设与养护费用
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

[14] 沥青路面设计

[14] 沥青路面设计

五、结构组合设计
对半刚性基层沥青路面的结构层组合设计，基层与沥青 面层的模量比宜在1.5~3之间；基层与底基层的模量比不 宜大于3；底基层与土基模量比宜在2.5~12.5之间。
半刚性基层达到一定厚度后，继续增加其厚度，将不会 明显增加路面的承载能力，从技术和经济两方面考虑， 半刚性基层存在一个合适的厚度。 路面力学计算也表明，当半刚性材料层达到45~55cm厚 度后，继续增加其厚度对路面的承载能力以没有明显的 影响，因此在正常路段强度大的半刚性基层一般控制在 45~55cm ，强度小的半刚性基层一般控制在55~60cm。 也就是说以增大结构层厚度的方式解决重载交通道路的 承载力问题是很不可取的。
2. 在各种自然因素作用下稳定性好 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； 4. 考虑防冻、防水要求 5. 层间结合良好
一、沥青面层结构
表面层：平整度、抗滑耐磨、高温抗车辙、低温抗开裂、 抗老化 中面层：稳定性、抗剪性能 下面层：抗疲劳裂缝性能 表面层宜选用密实型中粒式或细粒式沥青混合料(AC13、 AC16)，空隙率控制在3%~5%。 对于重交通和特重交通等级，可采用改性沥青混合料或 者SMA13。 中、下面层宜选用密实型中粒式或粗粒式沥青混合料 (AC20、AC25)。 对于重交通和特重交通等级，可采用改性沥青混合料或 者SMA20。
ld=600Ne-0.2A c As AB
式中：ld —设计弯沉值(0.01mm)； Ne—设计年限内一个车道上累计当量标准轴载通行次数； 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; 热拌沥青碎石、上 拌下贯或贯入式路面为1.1；沥青表面处治为1.2；中、低级路面 为1.3。 AB—基层类型系数，对半刚性基层取1.0；柔性基层、底基层时 取1.6。 设计弯沉值相当于路面竣工后第一年不利季节，路面在标 准轴载100kN作用下，所测得的最大回弹弯沉值。

沥青路面设计

沥青路面设计
第十四章 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

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

第14章沥青路面设计
• 2. 双圆轮隙中心（C点）或单圆荷载中心处（B点） 的层底拉应力应小于或等于容许拉应力，即：
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

14+路基路面工程第十四章+沥青路面设计

14+路基路面工程第十四章+沥青路面设计
（3）小变形； （4）层间接触条件，或为完全连续（称连续体
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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14沥青路面设计.ppt

14沥青路面设计.ppt

第14.2节 弹性层状体系理论(lǐlùn)简介
一、基本(jīběn)假设与解题方法 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
以美国的CBR法、AASHTO法为代表。
（二）力学－经验法 原理：通过力学原理分析路面结构在荷载和环境作用下的力学响应，建立力 学响应量与路面使用性能的关系，进行路面结构设计。 以美国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。
《路面工程》
第三页，共六十二页。
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砂粒式沥青砼 细粒式沥青砼 细粒式沥青砼 中粒式沥青砼 中粒式沥青砼 粗粒式沥青砼 粗粒式大粒径沥青碎石 粗粒式大粒径沥青碎石 特粗式大粒径沥青碎石
公称最大粒径 （mm） 4.75 9.5 13.2 16 19 26.5 26.5 31.5 37.5
第14.1节 概述(ɡài shù)
我国设计方法
设计理论(lǐlùn)－弹性层状体系理论
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。
设计方法概述
① 力学模型－双圆垂直均布荷载作用下的多 层弹性层状体系
② 路面整体刚度设计指标－设计弯沉值
③ 路面抗弯拉验算指标－层底容许拉应力 ④ 路面抗剪验算指标－面层容许剪应力
③ 层间结合应尽量紧密，避免产生滑移，以保证结构的整体 性和应力分布的连续性

沥青路面设计

沥青路面设计

沥青面层需要研究的几个问题
•沥青混合料使用性能指标的确定； •沥青面层结构水稳定性的改善综合 措施； •沥青面层结构高温性能改善的综合 措施； •对沥青面层厚度合理优化选择。 •建立符合我国实际情况的沥青面层 设计体系。
三、基层、底基层
•主要作用：
–路面结构内部主要的承重层
•要求
–有足够的承载能力、较高的强度、稳定性和耐久性
重交通
D型
1200～2500
>2500
1500～3000
>3000
特重交通 E型
第二节 弹性层状体系理论简介
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。 假定： 1 各层连续、完全弹性、均 匀、各向同性
G

h1 hi

p E1,μ1 Ei,μi En,μn
2 最下一层在水平和垂直向 下方向为无限大，其上各层 厚度为有限，水平方向为无 限大
用层铺法施工，分单层、双层、三层；也有用热拌沥青碎 石混合料。
表面层 中、下 面 层
半刚性 基 层 底基层
土
基
各层沥青混合料级配选择
调整沥青混合料的级配，对半刚性基层上的沥青层 宜选用密实型沥青混合料，以减少水损害。
表面层一般为30-50mm，用密实型细粒式或中粒式沥 青混凝土(AC-13或AC-16或SMA-13等类型)。 中面层厚度一般为50-60mm，宜选择以粗集料为主的 骨架密实型沥青混凝土(AC-20)。
（3） 对贫混凝土基层，以拉应力为设计指 标时
Pi 12 N C 1 C 2 ni ( ) i 1 PK设计年限累计当量标准轴次：
车道系数表
Ne [(1 ) t 1] 365

第14章 沥青路面结构设计

第14章 沥青路面结构设计
4
14.1.2 设计方法分类
1）经验与半经验法： A、基础与依据：以已往修建和使用经验为基础。 B、建立过程： ➢依经验确定路面厚度(行车荷载/路基承载力/路面材料强度); ➢修建试验路，实地观察，数据收集； ➢数据整理，建立厚度h→荷载/路基/材料的关系→经验公式； ➢随材料发展，不断修正。 C、特点→通用性不佳 ➢适用范围问题： ➢随环境差异，交通量增长、新材料发展→经验公式需外延→ 试 验路→费时费钱。
面层抗剪强度标准（温度状况）。
[ R]
左：面层中可能产生的最大剪应力→弹性层状体系 右：材料容许剪应力→参考路面温度状况 注：常用于城市道路特定路段的沥青路面设计。
12
14.2.1 破坏状态与设计标准
5）低温开裂：→材料设计，加铺应力吸收层 A、定义：路面结构中某些整体结构层在低温时由于材料收缩 受到限制而产生较大拉应力，当其超过材料相应条件下的抗 拉强度时就会产生开裂。 B、原因与特点：
6
14.2 沥青路面的破坏状态与设计标准 由于沥青路面损坏模式多种多样，各种损坏对
路面使用性能有不同性质和程度的影响。 为了给沥青路面的结构设计提供依据，我国现
行《公路养护技术规范》JTJ073—96将沥青路面的 损坏归纳为以下几类：
裂缝→路面结构整体受到损坏； 变形→路表形状改变； 表层损坏→路面表层损坏。
8
14.2.1 破坏状态与设计标准
1）沉陷：→路基压实，改善路基水温状况 A、定义：路面在车轮作用下表面产生较大的凹陷入变形，有 时凹陷两侧伴有隆起现象。 B、原因与影响因素：
路基土的压缩、路基土承载能力不足、路基水温状况不良 C、设计指标与设计标准：
路基土的垂直压应力或垂直压应变。
z [ z]

沥青路面设计

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章沥青路面设计-参考答案

14章沥青路面设计-参考答案

第14章沥青路面设计一、名词解释1. 半刚性基层：主要采用水泥、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。

2. 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的基层结构。

3.刚性基层：采用低强度等级混凝土修筑基层混凝土板而形成的沥青路面基层结构。

二、问答题：1.我国现行沥青路面设计方法属于哪种类型，理论基础和设计指标各是什么?答：（1）我国现行沥青路面设计方法属于力学－经验法；（2）理论基础为多层弹性层状体系理论；（3）设计指标包括路表回弹弯沉和（面层或基层）层底拉应力。

2.沥青路面破坏可分为哪两大类型，各自包括哪些内容？简述我国沥青路面设计控制指标选用依据？（1）分类：分为变形破坏和强度破坏两大类，分别包括：沉陷、车辙；疲劳开裂、推移（拥包）和低温缩裂。

（2）指标：针对两大破坏类型，提出两大设计控制指标，控制变形（刚度要求）指标：路表回弹弯沉；控制应力（强度要求）指标：层底拉应力。

（3）依据：路表回弹弯沉可表征整体刚度弱强、路基工作状况以及路面残余寿命。

即为层底拉应力疲劳破坏，层底拉应力可用于表征强度破坏的力学本质和个别结构层发生的极限破坏状态。

3.简述沥青路面组合设计的基本原则。

（1）表面使用品质长期稳定原则（2）强度刚度与层位相匹配的原则：车辆荷载与环境影响（如温度、降雨）自上而下逐渐衰减，因此对路面材料的强度刚度要求也自上而下降低。

（3）就地取材原则。

4.高等级公路（包括高速和一级公路）沥青路面的设计年限和面层结构层次是多少？高等级公路沥青路面不同结构类型的主要差异是什么，而不同等级公路沥青路面的主要结构差异是什么？高等级公路沥青路面设计年限为15年，面层通常分为3层结构，即表面层、中面层和下面层；高等级公路沥青路面不同结构类型主要差异是基层，而不同等级公路沥青路面的主要结构差异是面层。

5.垫层是否为沥青路面的必要结构层？垫层的基本功能是什么？按照设置功能，垫层可分为哪几种类型？垫层是可选结构层；垫层功能：改善土基水温状况，以免路面结构承受土基变化的不良影响；扩散车辆荷载应力，以免土基承受较大应力和发生过大变形；阻止路基土挤入基层，以免基层发生结构和性能改变。

14.沥青路面设计.ppt

14.沥青路面设计.ppt

一、沉陷
现象：是路面在车轮作用下表面产生的较大凹陷变形， 有时凹陷两侧伴有隆起现象，当沉陷严重时，可能逐渐发展 成网裂。
原因：当路基土的承载能力较低，不能承受从路面传至 路基表面的车轮压力，便产生较大的垂直变形。
设计指标：
z0 z0
z0 ——路基表面由车轮荷载作用产生的垂直应力，可用弹性层状体系理论求得
二、在各种自然因素作用下稳定性好
路面结构层选择与组合需要解决的重要问题就使沥青路 面的水稳定性，在基层一般应选择水稳性好的材料。
在潮湿和某些中湿路段上修筑沥青路面时，由于沥青层 不透气，使路基和基层中水份蒸发的通路被隔断，因而向基 层积聚。如果基层材料中含土量多(如泥结碎石、级配砾石)， 尤其是土的塑性指数较大时，遇水变软，强度和刚度急剧下 降，结果导致路面开裂破坏。所以沥青路面的基层一般应选 择水稳性好的材料，在潮湿路段及中湿路段尤应如此。
当前世界各国众多的沥青路面设计方法，可概括分为 两类：
1. 以经验或试验为依据的经验法; 2. 是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。 我国沥青路面设计规范规定的沥青路面设计理论就是 以弹性层状体系理论为基础。 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。但考虑实际情况，对厚度较大、强度较高的高 等路面看作线性弹性体。
原因：沥青结构层受车 轮荷载的反复弯曲作用，使 结构层底面产生的拉应变值 超过材料的疲劳强度，地面 开裂，并逐渐向表面发展。
设计指标： 以疲劳开裂作为设计标准时，用结构层底面的拉
应变或拉应力不超过相应的容许值控制设计，即：
r R 或 r R
r 、 r ——结构层底面的拉应变和拉应力
沥青路面设计
第一节 弹性层状体系理论概述 第二节 沥青路面的破坏状态与设计标准 第三节 沥青路面结构组合设计 第四节 新建沥青路面的结构厚度计算 第五节 路面结构的剪应力计算 第六节 沥青路面改建设计 第七节 AASHTO和Shell设计方法概述

路基路面工程第14章沥青路面的设计

路基路面工程第14章沥青路面的设计
ld=960Ne-0.2AcAs
层低拉应力
我国沥青路面是设计规范规定沥青面层、半刚性基层、下 基层、刚性基层层底拉应力作为沥青路面结构设计的第2 项设计控制指标：
σR= σsp/Ks
路面结构厚度设计方程式与设计参数
路面厚度验算阶段主要考察拟定的路面结构在经受设计使 用期当量标准轴载的反复作用之后，是否满足两项设计指 标的要求：
结构层材料抗弯拉强度
按照试验规程测得，也可采用劈裂试验
计算弯沉和层底拉应力的计算
应用弹性层状体系理论计算双轮隙的路表弯沉时，由于弹 性层状体系理论计算过程的复杂性，一般均需通过计算机 进行求解。早期在计算机未能遍及时，许多科技工作者通 过大量的研究工作，提出了多种图解法和表解法以及简化 公式方法。
1、三层路面结构计算弯沉和拉应力的简化计算公式 ld=1000l1F
2、查图法 理论弯沉
aL为理论弯沉，取泊松比μ1= μ1=0.25， μ0=0.35
新建路面厚度设计
1）设计步骤 2）设计示例
路面竣工验收指标
要求在竣工后第一年的不利季节，用标准轴载BZZ-100 轮隙下实测弯沉代表值lr必须小于验收弯沉值la。
（4）测定者吹哨发令指挥汽车缓慢前进，百分表随路面 变形的增加而持续向前移动。当表针转动到最大值时，迅 速读取初读数L1。汽车仍在继续前进，表针反向回转，待 汽车驶出弯沉影响半径（约3cm以上）后，吹口哨或挥动 指挥红旗，汽车停止。待表针回转稳定后，再次读取终读 数L2。汽车前进的速度宜为5km/h左右。

沥青路面结构设计原则
(1)因地制宜，合理选材 路面各结构层所用的材料，尤其是用量大的基、垫层材料， 应充分利用当地的天然材料、加工材料或工业副产品，以 减少运输费用和降低工程造价。同时还要注意吸取和应用 当地路面设计在选择材料方面的成功经验。
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第十四章 沥青路面设计
一、沥青面层结构 沥青面层可分为单层、双层、三层。双层结构分为表面 层、下面层；三层结构分为表面层、中间层、下面层。 表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久等服务功 能，同时应具有高温抗车辙、低温抗开裂、抗老化等品 质。中、下面层应具有一定的密水性、抗剥离性，高温 或重载条件下，沥青混合料具有较高的抗剪强度；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。 高速公路、一级公路一般选用三层沥青面层结构，二级、 三级以下等级公路一般采用双层式沥青面层，三级、四 级公路一般可采用双层沥青表面处治结构。
第十四章 沥青路面设计
对于柔性基层沥青路面或组合基层沥青路面，由于柔性 基层材料以粒状结构为主，不承担弯拉应力，所以沥青 面层承受较大的轮载弯矩，整个路面结构的极限状态可 能首先出现在沥青面层底部，形成初始裂缝，然后在车 轮反复作用下逐步扩展，沥青面层形成断裂裂缝。因此， 对于柔性基层和组合基层的沥青面层，在路面结构设计 中必须验算弯拉应力是否超出材料允许的极限标准。 我国规范规定，沥青面层和基层层底拉应力作为沥青路 面结构设计的第二项设计控制指标。 弯拉应力设计控制指标容许拉应力按式（14-24）计算。 二、路面结构厚度设计方程式与设计参数 沥青路面设计必须满足两个式子（14-25）（14-26）
第十四章 沥青路面设计
（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。 从垫层设置的目的看，垫层可分为： 防水垫层、排水垫层、防污垫层、防冻垫层。 四、沥青路面层间结合 沥青面层与基层之间应设置透层沥青或粘层沥青；沥青 面层由两层或三层组成又不能连续摊铺时，则在铺上层
第十四章 沥青路面设计
3、补强厚度的计算 在确定出原有路面的当量回弹模量以后，可采用弹性层 状理论进行补强层厚度的计算。若补强层为单层，以双 层弹性体系为设计计算的力学模型；补强 N-1层时，以N 层弹性体系为力学模型。
第十四章 沥青路面设计
第五节 外国沥青路面设计方法简介 一、美国AASHTO设计方法 1、设计变量 （1）时间约束—鼓励对交通量大的工程采用较长的分析 年限。 （ 2 ）交通 — 设计方法以预计的 80KN 累计当量单轴荷载 为根据，并考虑交通量的逐年增长系数和车道分布系数。 （3）可靠度—是将某种可靠程度纳入设计过程的方法， 以确保各种设计方案在分析年限内一直有效的可靠概率。 分析年限至少包括一次大修期，因而应等于或大于工作 年限。工作年限是指两次大修之间的时间。 （4）环境影响—主要考虑当地温度、温度与试验路有差 别，影响到路基的胀缩与冻胀。
第十四章 沥青路面设计
1、计算路表弯沉值 按式（14-27）计算； 2、计算结构层底拉应力 按式（14-29）计算； 3、路基回弹模量 弹性模量并不是定值，工程上通常采用承载板试验或弯 沉测定的方法确定路基土和路基材料回弹模量值，并将 这种回弹模量作为弹性模量用于计算。当前，确定路基 回弹模量的常用方法有： （1）现场实测法—按式（14-30～33）计算； （2）查表法——确定临界高度；拟定土的平均稠度；预 估路基回弹模量。
第十四章 沥青路面设计
二、沥青路面基层结构 基层结构是承上启下保证路面结构耐久、稳定的承重结 构层，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 主要采用水泥、石灰或工业废渣等无机结合料，对级配
第十四章 沥青路面设计
（3）室内试验法—用小承载板测得回弹模量，然后乘以 折减系数； （4）换算法—见表14-13 4、结构层回弹模量 各结构的回弹模量均应采用抗压回弹模量。 5、结构层材料的弯拉极限强度 我国规范规定采用间接拉伸试验，即劈裂试验来确定结 构层材料的弯拉极限强度。 三、新建路面厚度设计 计算步骤： 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、按路基土类型与干湿类型，将路基划分为若干路段， 确定各路段土基的回弹模量值；
第十四章 沥青路面设计
三、沥青路面结构设计理论与方法 可分为经验法和力学 — 经验法两大类。经验法主要通过 对试验路或使用道路的实验观测，建立路面结构、车辆 荷载和路面使用性能三者之间的关系。 力学 — 经验法应用力学原理分析路面结构在荷载与环境 作用下的力学响应量，建立力学响应量与路面使用性能 之间的关系模型，路面设计按使用要求，运用关系模型 完成结构设计。 我国现行的规范采用弹性层状体系作为力学分析基础理 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用效应。
第十四章 沥青路面设计
集料作稳定处理的基层结构。半刚性基层的主要缺点是 它本身的收缩裂缝难以避免。 3、刚性基层 采用低强度等级混凝土修筑基层混凝土板，板上铺筑沥 青面层。 基层结构的厚度主要应满足强度与刚度的设计要求，在 厚度设计时，应逐层进行验算。除此之外，还应考虑施 工的可行性和材料规格对厚度的影响。 三、沥青路面垫层结构 位于基层以下，主要用于路基状况不良路段，以确保路 面结构不受路基中滞留的自由水的浸蚀以及冻融的危害。 在下列情况下要设置垫层：
第十四章 沥青路面设计
（5）耐用性指数—以使用者主观感觉及某些物理量测定 为依据，评定时由几个人在路上驾车行驶，以经验为基 础进行判断，按五级分别打分，综合这些人的评分，推 求出被评定路面的耐用性指数。 2、设计方程式 （1）初始方程式—式（14-53）所示； （2）修正方程式—土基与环境修正，式（14-54）；降水、 排水条件修正，式（ 14-55 ）；可靠度保证率修正，式 （14-56）；最终修正后的方程式，式（14-57）。 二、Shell法 通过分析路面破坏状态提出设计标准，建立路面模型并 进行力学计算，通过试验获取路面材料参数，从而得出 一种体系完整的设计方法。
第十四章 沥青路面设计
四、沥青路面交通等级 1、路面设计年限—见表14-1规定； 2、标准轴载及轴载当量换算 —各个国家都有根据本国国 情确定的标准轴载。我国路面设计以双轮组单轴载 100KN 为标准轴载。行驶的车辆型号多样，由于不同力 学参数的疲劳效应不同，我国规定，当量轴载换算分以 下三种情况进行： A、当以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时，按 式（14-1）来换算； B、当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时， 按式（14-3）完成轴载当量换算； C、对于贫混凝土基层以底拉应力为设计指标时，按式
第十四章 沥青路面设计
第二节 弹性层状体系理论简介 一、基本假设与解题方法 通常将路面结构视为弹性半空间地基上由若干个具有一 定厚度材料组成的弹性层状体系，并假设： 1、各层由均质、连续、均匀、各向同性的线弹性材料组 成，用弹性模量和泊松比表征其弹性参数； 2、最下一层为水平方向和竖直向下方向无限延伸的半无 限体； 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
进行路面设计方案的技术经济比较，选择技术先进，经 济合理，安全可靠的方案。 3、应结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果，积 极、慎重地运用行之有效的新材料、新工艺、新技术。 4、路面设计方案应充分考虑沿线环境的保护、自然生态 的平衡，有利于施工、养护工作人员的健康与安全。 5、为确保工程质量，应尽可能选择有利于机械化、工厂 化施工的设计方案。 6、对于地处不良地基的路段，为适应路基沉降、稳定周 期较长的特点，路面结构可以遵循“一次设计，分期修 建”的方案。
第十四章 沥青路面设计
之前彻底清扫下层表面的灰尘、泥土、油污等有可能破 坏层间结合的有害物质，然后设粘层沥青。透层沥青、 粘层沥青，单层表处下封层，稀浆封层下封层的材料规 格、用量应根据地区气候特点，施工季节和结构类型的 不同，选定。
第十四章 沥青路面设计
第四节 我国沥青路面设计方法 采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以 路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层弯拉应力、半刚性及 刚性材料基层弯拉应力为设计指标进行路面结构厚度设 计。 一、设计指标与极限标准 弯沉与弯拉应力是目前各种力学经验法普遍采用的设计 控制指标。 路面结构的路表弯沉表征路面结构在设计标准轴载作用 下，垂直方向的位移。弯沉是表征路面结构总体刚度的 指标。 我国规定路面设计弯沉值由公式（14-21）确定。
第十四章 沥青路面设计
3、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。 5 、进行技术经济比 较，确定采用的路面结构方案。 五、沥青路面改建设计 改建设计应遵循以下原则： 当原有路面需抽高等级时，对不符合技术标准的路段应 先进行线形改善，改线路段路面按新建路面设计；对于 加宽路面、提高路基、调整纵坡的路段应视具体情况按 新建或改建路面设计；对于在原路面上补强时，按改建 路面设计。
第十四章 沥青路面设计
第一节 概述 一、沥青路面设计的内容 包括原材料的调查与选择、沥青混合料配合比及基层材 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以及路面结构方案的比 选等。 二、路面结构设计的原则 1、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，将路基路面作为一个整体考虑，进 行综合设计； 2、在满足交通量和使用要求的前提下，应遵循“因地制 宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资”的原 则