路面施工技术4――沥青路面设计

公路路面施工技术——沥青路面设计内容提要•沥青路面设计的任务、程序与原则•标准轴载与轴次换算•沥青路面设计指标•土基与路面材料强度指标•沥青路面结构设计•新建路面的结构层厚度计算•原有路面补强设计沥青路面设计的任务、程序与原则沥青路面设计的任务–确定合理路面等级–选择适合的路面类型–进行结构组合设计–路面材料配合比设计–路面结构计算在路面设计之前，应进行外业调查内容：工程地质及水文地质条件、天然土湿度、水文资料、气象资料、路面材料产地和供应情况，交通状况、施工力量等。1、根据设计任务书的要求，确定路面等级、面层类型、计算累计当量轴次、路表设计弯沉值、容许拉应力值2、确定路基回弹模量值3、确定路面材料回弹模量值4、根据设计弯沉值计算路面厚度5、确定采用的路面结构方案沥青路面设计的程序1、根据路面使用要求与当地自然条件，按面层耐久、基层坚实、土基稳定的要求进行综合设计；2、合理取材、方便施工养护、节约投资的原则，结构当地经验确定路面结构方案；3、充分论证是否进行分期修建；4、积极、慎重推行新技术、新材料、新工艺、新设备，机械化施工，认真铺筑试验路，总结经验，不断完善，逐步推广。沥青路面设计的原则标准轴载与轴次换算标准轴载与轴次换算一、标准轴载及其形式•定义：将不同车型组合而成的混合交通量换算成某种统一轴载的当量轴次，将该统一轴载称为标准轴载。•沥青路面设计：采用双轮组单后轴100kN为标准轴载，BZZ-100。当轴载25kN和轴载130kN的各级轴载均应进行换算。二、轴载换算方法•1、换算原则：弯沉等效原则或拉应力等效原则•等效原则：某一路面结构在不同轴载作用下达到相同的损坏程度为依据•1）采用路表设计弯沉值及沥青面层层底拉应力验算时：（当轴载25kN的各级轴载均应进行换算）•2）半刚性基层层底拉应力验算（当轴载50kN的各级轴载均应进行换算）K1i35.421NPPnCCiiK1i821PPnCCNii标准轴载与轴次换算累计当量轴次计算•涉及：初期日交通量、远景交通量、设计车道累计标准轴载作用次数•远景设计年限交通量，单位（次/日）：•设计年限内设计车道上的累计当量轴次111ttNN1[11]365teNN沥青路面设计指标路面结构的破坏模式与产生原因破坏模式描述图式产生原因分析沉陷路面在车轮荷载作用下，其表面产生较大的凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象。路基水文条件差而过于湿软，承载力低。车辙路面结构层、土基在行车荷载重复作用下产生侧向位移而形成的累计永久变形。车辙是高级沥青路面的主要破坏形式。荷载应力大小、重复作用次数、结构层和土基的性质有关。疲劳开裂指路表无显著永久变形而出现的裂缝现象。结构整体强度不足或在车轮荷载反复作用下，沥青结构层底面或半刚性基层底面产生的拉应力超过材料的疲劳强度。推移沥青路面材料沿行车方向发生剪切或拉裂破坏而出现推挤或拥起现象。受到较大的水平荷载作用，在水平力和竖向力的综合作用下结构层内的切应力或拉应力超过材料的抗剪或抗拉强度。低温缩裂材料收缩受限时产生较大的拉应力而形成的横向裂缝。材料收缩受限时产生的拉应力超过其抗拉强度。（二）沥青路面设计指标•1、路表设计弯沉值控制指标式中：Ls——路表实际可能产生的回弹弯沉值Ld——路面设计弯沉值•2、容许拉应力验算指标：•3、容许切应力验算指标：sdLLmRmR根据路面在行车荷载和自然因素下所产生的应力、应变和位移量不超过路面任一结构层中材料的允许应力、应变和位移量选定路面结构层的组合和厚度。各种设计指标的适用范围•1）《公路沥青路面设计规范》以设计弯沉值作为路面结构控制指标，•2）对于高速公路、一级、二级公路沥青混凝土面层和半刚性基层，应验算层底拉应力是否满足相应的容许拉应力的要求。•3）城市道路设计时，还需计算沥青路面表面最不利点的剪应力，它应满足沥青路面容许剪应力的要求。•4）季节性冻冻地区，沿应验算防冻厚度是否满足要求。二、路面设计弯沉值计算1、弯沉定义：车轮荷载作用下路面产生的垂直位移值。•路面材料是非线性弹塑性体，弯沉包括：弹性弯沉、残余弯沉。总弯沉=弹性弯沉+残余弯沉。•利用路面回弹弯沉值L0可表征路面的强度；路面弯沉值愈大，路面抵抗垂直变形的能力愈弱。回弹弯沉值可用杠杆式弯沉仪由标准汽车按前进卸荷法进行测定。2、回弹弯沉值与路面外观状态关系–路面外观状态分为五类：好、较好、中等、较坏、坏–把第四类状态定为路面的临界状态，以此状态下测定的回弹弯沉的低限作为路面设计弯沉值界限的依据二、路面设计弯沉值计算•路面设计弯沉值定义：根据设计年限内设计车道上通过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型确定，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，测得的最大回弹弯沉值。0.2600csbeAAANdL式中：Ld——设计弯沉值，0.01mm；Ac——公路等级系数；As——面层类型系数；Ab——基层类型系数（1）设计弯沉值计算Ld（2）实际弯测值计算Ls021000CcpLFFEsL式中：p、δ—标准轴载轮胎接地压强和当量圆半径，p=0.7Mpa,δ=10.65cm.LC——理论弯沉值F——弯沉综合修正系数，E0——土基回弹模量；αc——理论弯沉系数，由弹性层状体系理论计算得出。0.360.3801.632000sLEFp三、结构层材料的容许拉应力•1、容许拉应力定义：路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳拉应力。式中：σsp——沥青砼或半刚性结构层材料的劈裂强度Ks——抗拉强度结构系数，同荷载的反复作用次数有关。沥青混凝土系指15℃时的劈裂强度；石灰土、二灰、二灰土指6个月龄期的劈裂强度；其他稳定类基层材料指90天龄期的劈裂强度。•沥青砼面层：•无机结合料稳定集料类：•无机结合料稳定细粒土类：spRsK0.220.09aescANKA0.110.35escNKA0.110.45escNKA第四节土基与路面材料强度指标一、路基受力与工作区1、路基受力状况：•1）路面和路基自重•2）车轮荷载作用•土基在车轮荷载作用下受到的垂直作用力σ1：•土基在自重作用下受到的垂直作用力σ2：•路基受际受力：122.5pZD2Z122、路基工作区•定义：在路基的某一深度处，车辆荷载引起的应力与路基自重相比只占很小部分（1/5～1/10），在此深度以下，车辆荷载对土基的作用影响很小，可略去不计。在此深度以上的范围，是路基土受车辆荷载影响较大的范围，将该区域称为路基工作区或应力作用区。•工作区随车辆荷载增大而加深，随路面的刚度与厚度的增加而减小。•路基工作区内，土基的强度和稳定性对保证路面的强度和稳定性极为重要。3aKnpZ二、土基回弹模量的确定方法•1、回弹模量定义：路基、路面及筑路材料在荷载作用下产生的应力与其相应的回弹应变的比值。•2、利用弹性理论建立荷载与变形的关系式：式中：Lr——路表距离荷载中心轴为r某点外的垂直位移。E0——土基回弹模量；μ——土的泊松系数；α——竖向位移系数20021rpLaE•现场实测法：在不利季节，利用承载板进行逐级加荷卸荷的方法测出每级荷载的回弹变形值，并采用回弹变形l0=0.5～1mm的测定值，参考各地经验公式计算确定。•室内试验法：按最佳含水量制备试件，测得不同压实度与其对应的回弹模量值，绘制图形，并查图求得压实度条件下的土的回弹模量值。•换算法：需要知道土的各种物理力学指标值。•查表法0.7002430El二、土基回弹模量的确定方法三、路面材料设计参数的确定方法以设计弯沉值计算路面厚度，并对结构层进行层底拉应力验算时，需知道中路面结构层材料的参数•1、路面各层材料模量：采用抗压回弹模量•2、路面各层材料抗拉强度：采用劈裂试验测得的劈裂强度沥青路面结构设计一、结构设计的一般原则•1、沥青路面设计工作：结构设计、厚度计算•2、结构设计：分层结构设计、结构层组合设计•3、沥青路面结构设计遵循的技术经济原则：1）因地制宜，合理取材（尤其是对于基层、垫层材料）2）方便施工、利于养护3）分期修建，逐步提高4）整体考虑，综合设计5）考虑气候因素和水温状况的影响二、沥青路面结构层的选择1、路面等级和面层类型的选择•应与公路等级和交通量相适应•路面面层要求强度高、耐磨耗、抗滑、热稳定性好、不透水•公路等级越高，交通量越大，路面等级也应该越高，厚度越大，相应的面层层次也越多。•考虑气候因素的影响：气候干旱地区，不宜采用砂砾路面；多雨地区，注意路面的水稳定性等；寒冷地区注意沥青路面的低温抗裂性；高温地区注意沥青路面的高温稳定性。二、沥青路面结构层的选择2、基层类型的选择•基层是主要的承重层，应具有足够的强度、刚度与水稳定性。•常用基层类型：水泥、石灰、工业废渣类；砾（砾）石嵌锁类；土、石级配类。•所需基层厚度较大时，为了降低造价，可增设底基层。•潮湿路段，宜选用碎石、片石、块石、工业废渣、二灰土、水泥稳定砂砾等水稳性好的基层。•干燥路段，可采用泥结碎石等水稳定性差的基层。三、沥青路面结构组合设计1、根据各结构层功能进行组合•遵循面层耐久、基层坚实、土基稳定的原则。•面层应强度高、耐磨、热稳定性和水稳定性好。•面层应考虑设置合适的层次。如交通量繁重时，应在面层下加设联结层，以抵抗水平力产生的较大的切应力；采用空隙较大的沥青路面时，应铺设上封层。•基层：具备足够的抗压强度、刚度和水稳定性。•交通繁重时，基层宜选用半刚性材料，并采用双层式基层，即增设底基层。•土基水温状况不良时，应加设砂砾垫层等。三、沥青路面结构组合设计2、强度组合•各层材料的强度（回弹模量）随深度而相应减小。•各相邻结构层之间的模量不能相差过大。3、合理的层间组合•各结构层材料具有不同特性，组合时应注意相互影响。•无机结合料稳定类基层易产生干缩和温缩裂缝，往往会导致面层产生反射裂缝。这时，宜加厚面层，或者在面层和基层之间加设一层由稳定粒料组成的联结层或过渡层。•潮湿的土路基上，应铺设石灰土或砂砾垫层。三、沥青路面结构组合设计4、考虑自然水温条件的不利影响在中湿或潮湿路段，路面基层应选择水稳定性好的材料。在潮湿路段，为了改善路基的温度和湿度状况，防止冻胀和翻浆，需设置垫层。5、适当的层数与厚度•结构层造价•各结构层扩散应力的效果•压实机具的能力我国部分高速公路沥青路面结构道路名称沥青面层组成及厚度（㎝）基层类型及厚度（㎝）底基层类型及厚度（㎝）总厚度（㎝）沪嘉中粒式、粗粒式、贯入式19二灰碎石36砂砾2075广佛中粒式、粗粒式、沥青碎石15水泥碎石25水泥石屑土2868京津塘中粒式4、粗粒式6、沥青碎石1323水泥粒料25石灰土或水泥土3583济青中粒式4、粗粒式5、沥青碎石615水泥砂砾34石灰土1867南京——南通中粒式、粗粒式、粗粒式16二灰碎石20石灰土3369沪宁中粒式、粗粒式、粗粒式16二灰碎石28二灰土3377新建路面的结构层厚度计算一、基本原则和有关规定•采用多指标控制路面结构设计•采用多层弹性体系理论计算结构层厚度弹性层状体系：由若干个弹性层组成，上面各层具有一定的厚度，最下一层为弹性半空间体。•沥青混凝土路面、半刚性基层、底基层进行拉应力验算•假设各层之间的接触条件为：完全连续体系二、路面厚度计算步骤1、路面厚度计算基本原理：利用多层弹性体系理论、层间接触条件为完全连续体系、在双圆均布荷载作用下，按轮隙中心处实测路表弯沉值等于设计弯沉值的原则进行计算：0.2600csbeAAANdLsdLL021000scpLFE130122121,,,ncnhEEhhEfEEE1.确定单车道累计当量轴次Ne；2.拟定几种可能的路面结构层组合与厚度方案。设计时先选择某一层次作为厚度设计层，拟定面层和其他各层的厚度。•当采用半刚性基层和底基层结构时，可选任一层为设计层。•当采用半刚性基层和粒料类材料为底基层时