路面设计讲座

1典型路面结构设计湖南大学土木工程学院黄立葵2011.10.252主要内容沥青路面设计混凝土路面设计沥青路面典型结构混凝土路面典型结构长寿命路面概念3沥青路面设计理论Bh2h45°45°条形荷载Bhhh2(a+htgθ)θθ2a圆形均布荷载2(2)PhBhq2(tg)Pahq(Harger-Bonney)(Gray,1934)4CompactedSubgradeAsphaltTreatedBaseACSurfaceCourse2-4in.4-8in.6in.Full-depthAsphaltConcretePavement(Aggregate)(Aggregate)5平衡微分方程；物理方程；几何方程；边界条件。分析方法圆形均布竖向荷载；圆形均布单向水平荷载。荷载①各层连续、均质、各向同性、完全弹性，位移和应变是微小的；②第n层在水平、竖向无限大，其余各层厚度有限，水平方向无限大；③层间接触：竖向应力、位移连续，在水平方向连续（连续体系）、无阻力（滑动体系）、部分阻力（半结合体系）；④无限深处应力、位移均为零；⑤不计自重。基本假设平衡微分方程；物理方程；几何方程；边界条件。分析方法圆形均布竖向荷载；圆形均布单向水平荷载。荷载①各层连续、均质、各向同性、完全弹性，位移和应变是微小的；②第n层在水平、竖向无限大，其余各层厚度有限，水平方向无限大；③层间接触：竖向应力、位移连续，在水平方向连续（连续体系）、无阻力（滑动体系）、部分阻力（半结合体系）；④无限深处应力、位移均为零；⑤不计自重。基本假设1弹性层状体系力学模型沥青路面设计理论62求解方法(轴对称问题)平衡微分方程：00rrzrrzrzrzzKrzrKzrr物理方程：1[()]1[()]1[()]rrzzrzzrEEE002(1)rzzrzrE几何方程：,,0,0,rzrzzruuwrrzuwzr通常采用分离变量法或积分变换法求得应力函数的通解：drJeDzCeBzAzrzz00)(])()[(),(然后利用边界条件(表面荷载条件、层间结合条件、无穷深处边界条件)求得各层的积分常数，再进一步求解应力、应变和位移分量。沥青路面设计理论73双层体系解1)单圆荷载022210122220101001110(1)()414(34)(34)34(1)(34)1,1(1)chhhhpDlEEJhLehMedEhMLMeLemLmEmMmmE利用诺模图可求圆形荷载中心位置的弯沉值，其中100.25,0.35。沥青路面设计理论892)双圆荷载103三层体系解1)表面弯沉112)层底拉应力12133)面层表面剪应力1415诺模图中，0.3f主压应力：110.312p最大剪应力：0.312mmpf取任意值时，110.30.30.46(0.3)1.30(0.3)mmff破裂面上剪应力：cosm沥青路面设计理论164多层体系换算成三层体系查上述诺模图，或采用专用程序计算确定。1)计算路表弯沉和表面剪应力时E0h=h1HE2E1E0hn-1En-1…h1E1E2h2…1342.42.42.42342222...niiiEEEHhhhhEEE沥青路面设计理论172)计算上层底面主拉应力时E0hHE2=Ex+1E1=ExEx+1Exh1E1……计算层E0hn-1En-1……hx+1hx124441211210.90.90.91211111......xixiixxxnxnixxniixxxxEEEhhhhhEEEEEEHhhhhEEE3)计算中层底面主拉应力时E0hH=hn-1E2=En-1E1=En-2E0hn-1En-1En-2h1E1hn-2……计算层2124441221222...niniinnnEEEhhhhhEEE18沥青路面结构组合设计1沥青面层沥青面层类型应与公路等级、交通等级、使用要求相适应。热拌沥青混凝土适用于各级公路的面层；贯入式沥青碎石和上拌下贯式沥青碎石可用于三级、四级公路的面层；沥青表面处治和稀浆封层可用于三级、四级公路的面层；冷拌沥青混合料可用于交通量小的三、四级公路面层。沥青层的厚度应与混合料的公称最大粒径相匹配，沥青混合料的最小压实厚度不宜小于混合料公称最大粒径的2.5~3倍，OGFC或SMA的一层压实最小厚度不宜小于公称最大粒径的2~2.5倍。沥青混合料的最小压实厚度与适宜厚度沥青混合料类型公称最大粒径(mm)最小压实厚度(mm)适宜厚度(mm)砂粒式沥青砼AC-54.751515~30细粒式沥青砼AC-109.52025~40细粒式沥青砼AC-1313.23540~60中粒式沥青砼AC-16164050~80中粒式沥青砼AC-20195060~100粗粒式沥青砼AC-2526.57080~120粗粒式大粒径沥青碎石ATB-2526.57080~120粗粒式大粒径沥青碎石ATB-3031.59090~150特粗式大粒径沥青碎石ATB-4037.5120120~150注：ATPB、AM、SMA、OGFC与此类似。19沥青路面结构组合设计2基层、底基层基层、底基层设计应贯彻就地取材的原则，认真做好当地材料的调查，根据交通量及其组成、气候条件、筑路材料以及路基水文状况等因素，选择技术可靠、经济合理的结构。基层可选用无机结合料稳定集料类或沥青混合料、粒料、贫混凝土等材料，底基层应充分利用沿线地方材料，可采用无机结合料稳定细粒土类或粒料类等。基层、底基层厚度应根据交通量大小、材料性能，充分发挥压实机具的功能，以及考虑有利于施工等因素选择各结构层的厚度。为便于施工组织、管理，各结构层的材料不宜过于频繁变化。结构层最小压实厚度与适宜厚度结构层类型最小压实厚度(mm)适宜厚度(mm)上拌下贯沥青碎石6060~80沥青贯入式碎石4040~80沥青表面处治1010~30水泥稳定类150180~200石灰稳定类150180~200石灰粉煤灰稳定类150180~200贫混凝土150180~240级配碎、砾石80100~200泥结碎石80100~150填隙碎石100100~12020沥青路面结构组合设计3垫层为排除路面、路基中滞留的自由水，确保路面结构处于干燥或中湿状态，下列情况下的路基应设置垫层。(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。最小防冻厚度(cm)粘性土、细亚砂土粉性土路基类型道路冻深砂石类稳定土类工业废料类砂石类稳定土类工业废料类50-10040-4535-4030-3545-5040-4530-40100-15045-5040-4535-4050-6045-5040-45150-20050-6045-5540-5060-7050-6045-50中湿＞20060-7055-6550-5570-7560-7050-6560-10045-5540-5035-4550-6045-5540-50100-15055-6050-5545-5060-7055-6550-60150-20060-7055-6550-5570-8065-7060-65潮湿＞20070-8065-7555-7080-10070-9065-80注：①在《公路自然区划标准》中，对潮湿系数小于0.5的地区，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区等干旱地区防冻厚度应比表中值减少15%~20%。②对Ⅱ区砂性土路基防冻厚度应相应减少5%~10%。21沥青路面结构组合设计4层间模量比半刚性基层沥青路面结构组合设计中，基层与沥青面层之间的模量比宜在1.5~3之间；基层与底基层之间的模量比不宜大于3.0；底基层与土基之间模量比宜在2.5~12.5之间。5层间结合应采取技术措施,加强路面结构各层之间的结合、提高路面结构整体性，避免产生层间滑移。(1)沥青层之间应设粘层，粘层沥青可用乳化沥青、改性乳化沥青或热沥青，洒布数量宜为0.3～0.5kg/m2。(2)各种基层上宜设置透层沥青，透层沥青应具有良好的渗透性能，可用液体沥青(稀释沥青)、乳化沥青等。(3)新、旧沥青层之间，沥青层与旧水泥混凝土板之间应洒布粘层沥青，宜用热沥青或改性乳化沥青、改性沥青。(4)拓宽路面时，新、旧路面接茬处，宜喷涂粘结沥青。(5)双层式半刚性材料基层宜采取连续摊铺、碾压工艺，增强层间结合，以形成整体层。22沥青路面结构组合设计6路面结构防排水为防止雨水、雪水渗入路面结构层和土基，沥青面层应选用密级配沥青混合料。当采用排水基层时，其下应设防水层，并设置结构内部的排水系统，将雨水排出路基。7半刚性基层抗裂性对半刚性基层沥青路面宜采取以下措施减少低温缩裂和反射裂缝：(1)选用骨架密实型半刚性基层，严格控制细料含量、结合料剂量、含水量，及时养生。(2)适当增加沥青层的厚度，在半刚性基层上设置沥青碎石或级配碎石等柔性基层。(3)在半刚性基层上设置改性沥青应力吸收膜、应力吸收层或铺设经实践证明有效的土工合成材料等。(4)在半刚性基层上应设下封层，下封层可用沥青单层表面处治或砂粒式、细粒式密级配沥青混合料、稀浆封层等。23新建沥青路面设计方法1交通分析1)路面设计年限高速、一级公路15年，二级公路12年，三级公路8年，四级公路6年。2)标准轴载BZZ-100，即100kN单轴双轮组荷载，0.7MPa,10.65cmp。对于运煤或运输建筑材料等大型载重车为主的公路，应根据实际情况，经论证单独选用设计计算参数。3)轴载换算计算弯沉、沥青层底拉应力时35.4121)(kiiiPPnCCN其中，C1——轴数系数，111.2(1)Cm；C2——轮组系数，双轮组21C，单轮组26.4C，四轮组20.38C。计算半刚性基层底拉应力时812'1'')(kiiiPPnCCN其中，轴数系数1'12(1)Cm；双轮组轮组系数2'1C，单轮组2'18.5C，四轮组2'0.09C。244)累计当量轴次1[(1)1]365teNN式中：eN——设计年限内设计车道的累计当量轴次(次/车道)；1N——初始年平均双向日交通量(次/d)；t——路面设计年限；——交通量年平均增长率；——车道系数，双向单车道取1.0，双向两车道取0.6~0.7，双向四车道取0.4~0.5；双向六车道取0.3~0.4，双向八车道取0.25~0.35。5)交通等级交通等级交通等级BZZ-100累计标准轴次Ne(万次/车道)中型以上货车和大客车[辆/(日.车道)]轻交通300600中交通300~1200600~1500重交通1200~25001500~3000特重交通25003000新建沥青路面设计方法25新建沥青路面设计方法2结构层设计参数1)路基回弹模量的确定(1)标准承载板法测定：200(1)4iipDEl(2)贝克曼梁法(标准轴载)：20002(1)0.712pEl(3)查表法确定：预估路基干湿类型——湿度(平均稠度)——E0(自然区划、土壤类别)(4)室内承载板法测定(5)换算法确定：00(,)()cEfKWEfCBR26二级自然区划各土组土基回弹模量参考值(MPa)稠度区划土组0.800.901.001.051.101.151.201.301.401.702.00Ⅱ1粘质土粉质土19.018.522.02