路面工程教案1和2章

《路面工程》讲义宋高嵩哈尔滨理工大学第一章路面工程总论本章的主要内容：1.国内、外路面工程发展概况;2.路面的功能及对路面的要求;3.路面结构设计的原理、任务与内容,设计理论与方法。本章的重点:路面的基本要求;路面结构构造、层次划分与作用;路面技术等级与类型。川藏公路1－１路面发展概况及对路面的基本要求一．路面的发展概况古代：砂石、条石、块石和石板铺筑的路面建国初期：大部分为砂石路面，沥青或水泥路面全国仅315km；20世纪60年代：广泛采用泥结碎石、级配碎（砾）石路面，在北方，由于石油的开采，逐渐采用沥青路面；20世纪80年代：广泛采用沥青路面；20世纪90年代：大量采用水泥混凝土路面；21世纪：黑白并举，并采用复合式路面、新型路面结构；二、路面学科的范围：1、路面结构组合与设计方法；2、路面材料性能及施工方法；3、路面工程试验检测；路面工程养护、维修和管理三、路面及其功能１．路面：用各种材料铺筑在路基上供车辆行驶的层状构造物。２．功能：①保护路基，并反映了道路的使用品质；②直接承受行车荷载和大气的破坏作用四、对路面的要求１．强度和刚度２．稳定性３．表面平整度４．表面抗滑性５．耐久性6.少尘性1－２路面的构造一．路面断面形式路面横断面的形式随道路等级的不同，通常分为槽式横断面和全铺式横段面。１.槽式横断面：在路基上按路面行车道及硬路肩设计宽度开挖路槽，保留土路肩，形成浅槽，再槽内铺筑路面。2.全铺式横断面：在路基全部宽度内都铺筑路面。在盛产石料或路基较窄的砂石路面上采用。（a）槽式（b）全铺式1．路面；2．土路肩；3．路基；4．路缘石（侧石）；5．加固路肩图1-1路面横断面形式二．路拱及路拱横坡度１.路拱：为保证路面上雨水及时排出，减少雨水对路面的浸润和渗透而减弱路面结构强度，路面表面应做成中间高两边低的形状，称路拱。２.路拱形式：①直线形路拱（双边直线中间插入圆弧）——在路拱两侧采用倾斜直线，在中间插入一段圆曲线，圆曲线长约为路面宽度的1/3，但不得超过３ｍ，圆曲线半径不得小于５０ｍ。多适用于较小的路拱横坡度和沥青、水泥等路面。②抛物线路拱——形式较圆顺，中间坡度小，两边坡度大，有利于排除雨水，但会使中间行车集中，而且增加施工难度。适宜砂石路面。三、路拱横坡度的选择从利于行车平稳和有利于横向排水两方面考虑。在干旱和有积雪、浮冰地区应采用低值，多雨地区应采用高值；当道路纵坡较大或路面较宽，或行车速度较高时，或交通量和车辆载重较大时，或拖挂车较多时，应采用平均坡度的低值；反之应采用高值。表1-1各类路面的路拱平均横坡度路面类型路拱平均横坡度(％)沥青混凝土、水泥混凝土1～2热拌沥青碎石、路拌沥青碎(砾)石、沥青贯入碎(砾)石、沥青表面处治、整齐石块1.5～2.5半整齐石块，不整齐石块2～3碎石、砾石等粒料路2.5～3.5炉渣土、砾石土、砂砾土等3～44.路肩横坡度①硬路肩一般与行车道路面相同②土路肩或草皮路肩横坡度比路面大1%－２％，以利排水。５．路拱横断面①中央分隔带未设置排水设施，由单向横坡向路肩方向排水②中央分隔带设置排水设施，两侧路面分别做成中间高，两边低的路拱，向中间排水设施和路肩两个方向排水。三．路面结构够分层及层位功能行车荷载和自然因素对路面的影响，随深度的增加而逐渐减弱。因此，对路面材料的强度、抗变形能力和稳定性的要求也随深度的增加而逐渐降低。为适应这一特点，路面结构通常是分层铺筑的，通常按各层位功能的不同，划分为三个层次，即面层、基层和垫层。表面层中、下面层半刚性基层底基层土基１．面层①面层：是路面结构层最上面的一个层次，直接承受车辆荷载和自然因素的影响并将荷载传递到基层。②对面层的要求：较高的强度、刚度、表面平整、抗滑、耐磨、不透水、水温稳定性好。③修筑面层的常见材料：沥青混凝土、水泥混凝土、路拌、厂拌沥青碎石、沥青贯入式、沥青表面处治、整齐块石、半整齐块石、不整齐块石碎、砾石路面炉渣土、砾石土、砂砾土等。面层有时分两到三层铺筑，分别称上、中、下面层。但联结层、封层、碎砾石路面的磨耗层和保护层，以及厚度不超１ｃｍ的沥青表面处治，不能作为一个独立的层次，应看作面层的一部分。２．基层①基层：是面层以下的结构层，主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并扩散到下面的基层和土基中去，是路面结构中的承重层。②对基层的要求应具有足够的强度和刚度、良好的应力扩散能力、平整的表面，以保证面层厚度均匀，它还可能受到地表水或地下水的浸入，应具有足够的水稳性，以防湿软变形过大而影响路面结构强度。③修筑基层的主要材料：水泥、石灰、沥青稳定土，稳定碎、砾石，贫混凝土，天然砂砾、碎砾石，各种工业废渣和土、砂、石组成的混合料等。基层厚度太厚时，可分两到三层铺筑，当采用不同材料铺筑时，最下层称底基层。3.垫层①垫层：介于土基和基层之间，改善土基的水温状况，以保证面层和基层不受水温状况变化造成的不良影响，将基层传来的荷载应力加以扩散，以减小土基的应力和变形，也能阻止路基土挤入基层中，影响基层结构性能。②对垫层的要求：水温性和隔温性能要好，如土基软弱，应力扩散能力要好。③修筑垫层的常用材料：分两类：一类是由松散粒料，如砂、砾石、炉渣组成的透水性垫层；一类是用水泥或石灰稳定土等修筑的稳定类垫层。施工概况图１－３路面分级与分类一．公路分级公路根据使用任务、功能和适应的交通量分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路五个等级。二．路面分级通常按路面面层的使用品质，材料组成类型以及结构强度和稳定性，将路面分为三个等级，见下表。国际上，一般将沥青混凝土路面和水泥混凝土路面称为有铺装路面，表面处治、沥青碎石、贯入式路面等称为简易铺装路面，而砂石路面等计入未铺装路面。砂石路面是以砂、石等为骨料，以土、水、灰为结合料，通过一定的配比铺筑而成的路面的统称，包括级配碎(砾)石路面、泥结碎(砾)石路面、水结碎石路面、填隙碎石路面及其它粒料路等。１．有铺装路面一般适用于交通量大、行车速度高的道路。特点是：路面强度和刚度高，稳定性好，使用寿命长，能适应繁重交通量，平整无尘，能保证高速行车，养护费用少，运输成本低，但初期建设投资高，需要用质量高的材料来修筑。２．简易铺装路面一般适用于交通量较大、行车速度较高的道路。特点是：与铺装路面相比，路面强度和刚度较差，使用寿命较短，行车速度也较低，简易铺装路面的初期建设投资虽较铺装路面低些，但要求定期修理，养护费用和运输成本也较高。３．砂石路面砂石路面的强度和刚度低，稳定性差，使用期限短，平整度差，易扬尘，仅能适应较小的交通量，行车速度低。虽初建投资低，但养护工作量大，需经常养护和维修，才能延长使用年限，运输成本也高。路面等级面层类型适用范围有铺装沥青混凝土高速公路、一级公路、二级公路、三级公路水泥混凝土高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路简易铺装沥青贯入、沥青碎石沥青表面处治三级公路、四级公路未铺装砂石路面四级公路三．路面分类在工程设计中，主要从路面结构的力学特性和设计方法的相似性出发，将路面划分为：柔性路面、刚性路面和半刚性路面三类。１．柔性路面特点：结构刚度较小，在车辆荷载作用下产生较大的弯沉变形，路面结构抗弯拉强度较低，通过各种结构层将车辆荷载传给土基，使土基承受较大的单位压力。主要靠抗压和抗剪强度承受车辆荷载的作用。主要包括：各种未经处理的粒料基层和各类沥青面层、碎、砾石面层或块石面层组成的路面结构。２．刚性路面主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构。特点：抗弯拉强度高，有较高的弹性模量，刚性较大。在车辆荷载作用下，水泥混凝土结构层处于板体工作状态，竖向弯沉较小，路面结构主要靠水泥混凝土板的抗弯拉强度承受车辆荷载，传给基础的单位压力较柔性路面小得多。３．半刚性路面主要指用水泥或石灰等无机结合料处置的土或碎、砾石以及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层，称半刚性基层，把这种基层和铺筑在它上面的沥青面层统称为半刚性路面。特点：前期具有柔性路面的力学性质，后期强度和刚度均有大幅度增长，单最终的强度和刚度远小于水泥混凝土，这种材料的刚性处于柔性路面和刚性路面之间。第一章思考题1.路面有什么作用？对路面有哪些基本要求？2.路面结构主要分为哪几层？各层的作用及材料要求是什么？3.路面是如何进行分类和分级的？各适用什么等级的公路？4.设置路拱坡度的原因及其影响因素是什么？第二章砂石路面与基层本章的主要内容：1.块石路面与基层;2.碎(砾)石路面与基层及力学特性;3.级配砾(碎)石路面与基(垫层);4.稳定土路面材料的力学特性与半刚性基层;5.其他稳定土与工业废渣基层。本章的重点:碎砾石材料与半刚性基层材料的强度形成机理及力学特性;石灰稳定土基层施工技术。2-1概述砂石路面是以砂、石等为骨料、以土、水、灰为结合料，通过一定的配比铺筑而成的路面的统称，包括级配碎(砾)石路面、泥结碎(砾)石路面、水结碎石路面、填隙碎石路面及其他粒料路面。路面基层是在路基(垫层)表面上用单一材料或混合料按照一定的技术措施分层铺筑而成的层状结构，可分为基层、底基层。一、路面基层的类型路面基层(底基层)可分为粒料类、无机结合料稳定类和有机结合料稳定类。公路路面基层、底基层按材料力学行为可划分为半刚性类、柔性类和刚性类。1.粒料类基层(底基层)粒料类基层(底基层)又称无粘结粒料类材料基层，主要包括级配碎石、级配砾石、符合级配的天然砂砾、部分砾石经轧制掺配而成的级配砾碎石，以及泥结碎石、泥灰结碎石、填隙碎石等。粒料类基层又常分为嵌锁型和级配型，目前常用的有填隙碎石(嵌锁型)、级配醉(砾)石、天然砂砾(级配型)几种。2.无机结合料稳定类基层（底基层）无机结合料稳定基层是在粉碎的或原状松散的土中掺入一定量的无机结合料(包括水泥、石灰或工业废渣等)和水，经拌和得到的混合料在压实与养生后，其抗压强度符合规定要求的材料称为无机结合料稳定材料，以此修筑的路面基层称为无机结合料稳定基层。常用的半刚性基层的类型有：（1)水泥稳定类主要有水泥稳定土、水泥稳定碎石(或砂砾)及水泥稳定未筛分碎石（或石渣、石屑）等。（2)石灰稳定类主要有石灰土、石灰碎石土、石灰砾石土、以及石灰土稳定级配碎石和级配砂砾等。（3)综合稳定类主要有水泥石灰综合稳定土、水泥石灰稳定碎石(或砾石)、水泥石灰稳定煤渣等。（4)石灰工业废渣类主要有石灰粉煤灰(简称二灰)类和石灰煤渣类共两大类：石灰粉煤灰类有二灰土、二灰、二灰砂砾、二灰碎石等；石灰煤渣类有石灰煤渣土、石灰煤渣碎石（或砂砾)、石灰煤渣矿渣等。3.有机结合料稳定类基层（底基层）有机结合料沥青稳定类材料基层包括热拌沥青混合料或乳化沥青碎石混合料、沥青贯入碎石及沥青稳定土等。二、碎、砾石路面的力学特性碎、砾石路面结构强度形成的特点是：矿料颗粒之间的联结强度；由材料结力和内摩阻角所表征的内摩擦力所决定的颗粒之间的联结强度，即构成了路面材料的强度。1.纯碎石材料纯碎石材料是按嵌挤原则产生强度，它的抗剪强度主要决定于剪切面上的法向应力和材摩阻角。由下列三项因素构成：(1)粒料表面的相互滑动摩擦；(2)因剪切时体积膨胀而需克服的阻力；(3)因粒料重新排列而受到的阻力。2.土—碎(砾)石混合料这类材料含土少时，也是按嵌挤原则形成强度；当含土量较多时，则按密实原则形成强度。碎(砾)石混合料的强度和稳定性取决于内摩阻力和粘结力的大小。2-2块石路面与基层一、块石路面用块状石料铺筑的路面称为块石路面。根据其使用材料性质、形状、尺寸等的不同，分为条石、小方石、拳石、粗琢石等块石路面。１.块石路面的主要优点是：坚固耐久，清洁少尘，养护修理方便，粗糙度较好，易于翻修。2.块料路面的主要缺点：用手工铺筑，难以实现机械化施工，铺筑进度慢，建筑费用高，块料之间容易出