路面结构设计1

路面结构设计主要参考书：1.邓学钧等.路面设计原理与方法2.张起森.高等路面结构设计理论与方法3.朱照宏等.路面力学计算4.张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用5.交通部有关技术标准授课内容Chp1概论Chp2车辆与交通Chp3气候与环境Chp6沥青路面应力分析Chp7水泥混凝土路面应力分析Chp11公路沥青路面设计方法Chp12公路水泥混凝土路面设计方法Chp1概论§1我国干线公路及高速公路的发展国家干线公路网（1979年）国道主干线（1992年）西部开发公路建设规划（1999年）国家重点公路（2001年）国家高速公路网（2004年）规划方案：五纵七横共12条线路总里程：约3.5万公里实施年限：技术标准：以汽车专用公路为主几个五年计划时间国道主干线规划方案国家高速公路网规划2004年底完成的“7918”国家高速公路网规划，总规模达8.5万公里，覆盖10多亿人口，连接所有20万以上人口的城市。各个省（区、市）在国家高速公路网规划框架下编制地方高速公路网规划。未来中国的高速公路将由国家高速公路网和地方高速公路网组成，总里程将达12～13万公里。全国公路网结构图§2路面类型与结构分层一、路面分类1.路面分类体系框架柔性基层沥青路面半刚性基层沥青路面刚性基层沥青路面组合式基层沥青路面沥青路面分类2.路面等级、适用类型与道路等级路面等级面层类型设计年限（年）公路等级城市道路等级高级路面沥青混凝土15高速公路一级公路城市快速路主干路水泥混凝土20-30高级路面沥青混凝土12二级公路次高级路面热拌沥青碎石混合料沥青贯入式10城市主干路次干路次高级路面乳化沥青碎石混合料沥青表面处治8三级公路中级路面水（泥）结碎石级配碎（砾）石半整齐石块路面5四级公路城市支路低级路面粒料改善土5沥青路面适应的累计当量轴次高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路等外公路3.公路等级根据交通部《公路工程技术标准》二、路面结构分层路缘石面层硬路肩土路肩拦水带基层垫层纵向排水渗沟路缘带路基槽式全铺式二、路面结构分层路缘石面层硬路肩土路肩拦水带基层垫层纵向排水渗沟路缘带路基路床——路面结构层以下80cm的路基部分，0～30cm为上路床，30～80cm为下路床上路堤——距路面底部80～150cm的填方部分，以下的填方部分为下路堤路面结构层次划分§3路面的使用性能一、结构性能1.承载能力2.稳定性3.耐久性二、功能性能1.平整舒适性能2.抗滑性能三、环保性能路面表面不平整与轮胎或车辆性状的相互作用路面功能性损坏和结构性损坏结构性损坏：路面的整体、一个或几个组成部分的破坏。功能性损坏：由于路面的不平整或太光滑，使其不再具有预期的功能。路面结构在使用过程中，在荷载和自然因素多种循环重复作用而出现的使用品质的逐渐破坏，功能性损坏发展到一定程度就成为结构性损坏。沥青路面疲劳开裂沥青路面永久变形裂缝产生与发展示意图半刚性基层反射裂缝南非半刚性路面三阶段松散的半刚性基层半刚性基层沥青路面结构破坏机理行车道下基层开裂基层内水可以积聚路面唧浆美国全厚式沥青路面结构广深高速公路路面结构路面开裂率随沥青层总厚度变化情况法国国家公路网路面结构形式英国长寿命沥青路面典型结构刚性基层耐久性沥青路面结构§4路面设计的任务、内容与方法一、路面设计的任务以最低的寿命周期费用，提供一种在设计使用期内满足预定使用性能要求的路面结构。1.路面设计任务2.设计使用期设计使用期是指新建或改建的路面从开始使用到使用性能衰变到预定的最低标准时的时段。使用期末，路面不一定损坏到无法使用的程度，而是必须采取重大的措施恢复其使用性能，使之达到要求的水平。水泥混凝土路面使用性能衰变曲线二、路面设计内容（1）路面结构组合设计（2）各结构层材料组成设计（3）路面厚度计算（4）路面排水设计（5）技术经济分析三、路面设计方法欧尔德和哥尔德贝克首先提出以悬臂变截面梁体系的抗弯强度为控制指标设计水泥混凝土板的厚度。1925年，美国威斯特卡德首先提出了以弹性地基板的抗弯强度为控制指标设计水泥混凝土路面厚度的方法。1929年，太沙基等提出采用公路土分类确定路面厚度；美国加利福尼亚公路局提出通过压入试验测定土基承载比CBR值，从而确定路面厚度。1.路面结构设计经验法通过试验路长期观测或者通过重要工程长期观测积累的数据进行分析处理，建立起车辆荷载、通行次数、地基支承和路面结构厚度之间的统计数学关系式或者关系曲线，用于设计新建或改建公路路面结构的方法称为经验法。世界最著名、最有代表性的沥青路面经验设计法有美国CBR法、美国AASHTO法、加拿大运输部（CDOT）法等。（1）CBR设计法1929年，美国加利福尼亚交通部提出CBR指标表征道路材料抗力，并根据调查结果提出CBR设计法，给出经验设计曲线，以控制路基的剪切破坏。美国陆军工程师兵团采用CBR方法，按照“等剪切”的原则将设计标准外延到各类飞机荷载范围，1956年提出路面厚度与轮载、轮胎压力的关系式，之后又多次修正。CBR设汁法是一种经验性方法，设计过程简单、概念明确，适用于重载、低等级的路面设计，所提出的CBR指标已得到广泛应用。（2）AASHTO设计法产生于1958～1962年间的AASHO道路试验，建立了路面结构、轴载级位和作用次数与路面使用性能之间的经验关系模型。（2）AASHTO设计法产生于1958～1962年间的AASHO道路试验，建立了路面结构、轴载级位和作用次数与路面使用性能之间的经验关系模型。首次提出了使用性能概念，采用现时服务能力指数PSI评定路面的服务质量。AASHTO设计方法是以AASHO试验路的试验结果为基础，以服务能力指数PSI为设计指标建立起来。AASHO设计过程《AASHTO路面设计指南》已经过1986、1993和2002年三次修订。AASHO设计方法的特点（1）路面服务水平提出了路面耐用性和工作状态的概念，对路面使用状况提出了评价标准（PSI）（2）沥青路面设计基本方程式提出了现时服务指数－荷载－路面各因素之间的关系（3）路面结构数与荷载作用次数的关系（4）基于设计方程的车辆当量换算方法，其中包括：单轴和双轴的等效关系（5）可靠度概念考虑了路面设计过程的不确定性（6）排水系数考虑了水对路面结构和材料的影响（3）LTPP研究美国在SHRP后续研究中列入了路面长期使用性能观测计划（LTPP），对路面结构、荷载和环境因素作用与路面使用性能之间的关系，进行了长期、系统的数据采集，建立了可靠的使用性能预估模型。1994年开始，美国进行西部环道试验（Westrack），验证Superpave沥青混合料设计方法的合理性，并为水平2和水平3提供模型数据。2.路面结构设计力学－经验法首先将行车荷载和环境因素作用典型化，采用弹性地基板或弹性层状体系等结构分析理论和有效的计算方法，建立起荷载和环境的作用与路面结构的应力和挠度响应之间的计算模型和公式。再通过大量试验测试和室内的路面材料力学性能试验，确定不同材料、不同环境下的设计参数和对设计理论的试验修正。我国沥青路面设计法、美国沥青学会法及Shell等沥青路面设计方法，和我国水泥混凝土路面设计、美国波特兰水泥协会法及美国陆军机场刚性道面设计方法等水泥混凝土路面结构设计方法，都是半经验半力学分析法。以多层弹性体系理论构建的沥青路面结构模型力学－经验法设计沥青路面的基本过程3.路面典型结构设计方法幅员不大的国家或地区，可以交通特性和地基支承特性为选择依据，采用路面典型结构设计法，德国、法国等都采用典型结构设计方法。我国公路工作者在第八个五年计划期间，在全国范围内组织开展了“半刚性基层沥青混凝土路面典型结构研究”，总结归纳了若干套路面典型结构图。路面典型结构图除了直接用于路面结构设计之外，还用于提出初选方案，作为进一步分析研究的基础，以最终提出合理的结构设计成果。§5机场道面简介机场道面设计的主要任务是提供适合当地自然环境条件、满足飞行使用要求的道面结构。机场道面设计与公路路面设计所必须考虑的主要因素基本相同，但每一因素所选定的数值却差别很大。飞机的总质量远大于汽车，轮胎压力也远大于汽车，但公路行驶的汽车重复荷载次数远大于机场。