1、14 路基路面工程第十四章 沥青路面设计1/30/20232第1 1节 概述一、沥青路面设计内容原材料调查与选择路面结构组合设计沥青混合料配比、基层、底基层配比设计方案比选路面排水设计等 二、路面结构设计的原则 1、开展现场调查和资料收集，做好交通荷载分析与预测，按照全寿命周期成本的理念进行路面设计。2、调查掌握沿线路基特点，查明土质、路基干湿类型，在对不良地质路段进行处理的基础上，进行路基路面综合设计。3、遵循因地制宜、合理选材、节约资源的原则，选择技术先进、经济合理、安全可靠、方便施工的路面结构方案。4、结合当地条件，积极、慎重地推广新技术、新结构、新材料、新工艺，并认真铺筑试验段，总结经
2、验，不断完善，逐步推广。5、符合环保，保护相关人员的安全和健康，重视材料的再生利用与废弃料的处理。三、沥青路面结构设计方法 经验法:根据试验路所得的经验数据，确定路面结构组合、各结构层材料、厚度，车辆荷载，路面使用性能三者之间的关系。力学经验法：用弹性层状体系理论确定车辆荷载作用下的力学响应量（应力、应变或变形），根据试验路的结果确定力学响应量与路面使用性能间的关系，据此进行路面结构设计。我国现行规范-公路沥青路设计规范JTJD50-2006采用力学经验法。采用双圆图式，标准轴载BZZ-100，以弯沉和结构层的层底拉应力为设计指标。1/30/20235四、沥青路面交通等级路面结构设计的目标：在
3、设计年限内在预测交通量的车辆能够按设计车速安全、舒适地通行。1路面设计年限（06规范）各级公路的沥青路面设计年限（与课本的表14-1不同）公路等级设计年限（年）高速、一级公路15二级公路12三级公路8四级公路61/30/202371 标准轴载及轴载当量换算标准轴载BZZ-100，各项参数见表14-2（P378）标准轴载的换算：（1）当以弯沉值和沥青层层底拉应力为设计指标时（14-1）35.4121PPnCCNiiKiN标准轴载的当量轴次，次/日；ni各种被换算轴载的作用次数，次/日；P标准轴载，kN；Pi各种被换算车型的轴载；C1被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0
4、.38；C2被换算车型的轴数系数。当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴计算；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下式计算：（14-2）m轴数。)1(2.112mC（2）当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时（14-3）C1被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09；C2被换算车型的轴数系数。当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴计算；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下式计算：（14-4）m轴数。注：上述轴载换算公式，适用于单轴轴载小于或等于130kN的各种车型的轴载换算。8121PPnCCNiiKi)1(2.112mC3累计当量轴次设计年限内一个车道上
5、的累计当量轴次按下式计算 （14-6）Ne设计年限内一个车道的累计当量轴次，次/车道；t设计年限，年；N1营运第1年双向日平均当量轴次，次/日；设计年限内交通量的平均年增长率；车道系数（即车辆横向分布系数），按下表选用（P379表14-3数据最后一项要修改）136511NNte车道特征双向单车道1.0双向两车道0.60.7双向四车道0.40.5双向六车道0.30.4双向八车道0.250.351/30/2023124 交通等级 按一个车道的累计当量轴次Ne或每车道、每日平均大型客车及中型以上的各种货车交通量，选择一个较高的交通等级作为设计交通等级。（见下表）交通等级累 计 当 量 轴 次Ne(次
6、/车道)大客及中型以上大货车交通量辆/（日车道）轻交通3106600中等交通31061.21076001500重交通1.21072.510715003000特重交通2.510730001/30/202314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；h1hiE1,1Ei.iE0,0（2）各层水平方向的无限远处及最下一层无限深处，其应力、应变和变形均为0；（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
7、轴对称课题。1/30/2023162.弹性层状连续体系下的弹性层状连续体系下的路表回弹弯路表回弹弯沉沉（即垂直位移（即垂直位移 ）的计算）的计算（1）求解的基本过程静力平衡方程：（147）物理方程：应力应变关系（148）几何方程：应变位移关系（149）变形连续方程：（1410）由上述方程组解得各应力分量、和位移分量、1/30/2023172.弹性层状连续体系下的弹性层状连续体系下的路表回弹弯沉路表回弹弯沉（即垂直位移（即垂直位移 ）的计算）的计算（2）单圆均布荷载下路表荷载中心处的最大弯沉（垂直位移）双层连续体系注：双圆荷载则可由叠加原理计算。02Ep),(10DhEE1/30/2023183
8、.主应力计算因要验算结构抗拉强度，需计算各层应力。主应力按（14-17）式计算。第3节 沥青路面结构组合设计（原则）1.适应行车荷载作用的要求 根据公路等级、交通等级、使用要求选择面层类型，参考表14-5沥青面层厚度适中,各种类型的沥青层的最小厚度（不宜小于混合料公称最大粒径*的2.53倍，OGFC和SMA为22.5倍）、适宜厚度参见06规范表4.1.3-1（与书中表14-6的不同）*混合料中筛孔通过率为90%100%的最小标准筛孔尺寸。对半刚性基层沥青路面的结构组合，相邻结构层的模量比宜在下述范围:基层：面层=1.53；基层：底基层3；底基层：土基2.512.5不同粒径混合料的层厚(06规范
9、表4.1.3-1部分)混合料公称名称混合料公称名称AC-10AC-13AC-16AC-20AC-25公称最大粒径（公称最大粒径（mm）9.513.2161926.5最大粒径（最大粒径（mm）13.216（19）19（22.4）26.537.53倍公称粒径的最小倍公称粒径的最小层厚（层厚（mm）28.5404857802倍最大粒径的最小倍最大粒径的最小层厚（层厚（mm）2632（38）38（45）53752.5倍公称最大粒径的倍公称最大粒径的最小层厚（最小层厚（mm）24334047.56606规范推荐的各种沥青混合料适宜层厚混合混合料类料类型型 混合料类型混合料类型（公称最大粒径，（公称最大粒
10、径，mm）4.759.5 13.21619.026.531.537.5AC1530254040605080601008012090150120150SMA25503560407050801/30/202322第3节 沥青路面结构组合设计（原则）2.在各种自然因素下稳定性好 水稳定性使用水稳定性好的材料沥青面层至少有一层是连续型密级配沥青混合料 防冻。路面最小防冻厚度 表148 防反射裂缝3.考虑结构层的特点 各结构层之间的相互影响 使应力传递连续、结合紧密稳定我国沥青路面的典型结构型式二级公路二级公路高速公路、一级公路高速公路、一级公路表面层表面层40mm沥青面层总厚度沥青面层总厚度15018
11、0mm沥青面层总厚度沥青面层总厚度90120mm表面层表面层2540mm中面层中面层5060mm下面层下面层3570mm下面层下面层6080mm1层或层或2层水泥、石灰、粉煤灰稳定碎石（砂砾）基层层水泥、石灰、粉煤灰稳定碎石（砂砾）基层200400mm1层或层或2层水泥、石灰、粉煤灰稳定碎石（砂砾）底基层基层层水泥、石灰、粉煤灰稳定碎石（砂砾）底基层基层150350mm1/30/202324第4节 沥青路面的破坏形态与设计标准一、破坏形态模式 1.沉陷 2.车辙 3.疲劳开裂 4.推移 5.低温缩裂1/30/202325 老化1/30/202326 泛油1/30/202327疲劳裂缝（横向裂缝
12、）1/30/202328纵向裂缝1/30/202329水损害（剥离）1/30/202330骨料磨光1/30/202331坑洞1/30/202332松散1/30/202333反射裂缝1/30/202334车辙1/30/202335推挤、拥包、剥离1/30/202336温缩裂缝（横向裂缝）1/30/202337高速公路部分路段坑槽突现 二、设计标准06规范以路表回弹湾沉和层底拉应力作为设计指标。（前者反映的是结构整体刚度，后者反映的是结构层抗疲劳拉裂强度。）（即计算弯沉设计湾沉）（即层底拉应力容许拉应力）路面设计弯沉值：以路面在车辆反复作用下出现纵向裂缝为临界状态，以纵向网裂为破坏状态。对处于临界
13、状态的路面测定其路表弯沉，再统计已承受的标准轴载累计作用次数，可回归出二者间关系。对多种路面结构找到这种关系，可得到 的经验公式：dSll Rmdl -设计弯沉值（0.01mm);Ac公路等级系数，高速、一级路：1.0；二级路：1.1；三、四级：1.2;AS面层类型系数，沥青混凝土面层：1.0；热拌和冷拌沥青碎石、沥青贯入式（含上拌下贯）、沥青表面处治面层：1.1；Ab路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面：1.0；柔性基层沥青路面：1.6。dlbSCedAAANl2.0600沥青混凝土面层、半刚性基层要进行层底拉应力验算，验算其是否产生疲劳开裂。沥青碎石、沥青表处、沥青贯入式、粒料类基层等抗拉
14、强度很小或为0的结构层不须验算。（14-24）-路面结构层材料的容许拉应力，MPa；-沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度，MPa；-抗拉强度结构系数。（与结构材料，疲劳强度有关）（沥青混凝土）（无机结合料稳定集料）（无机结合料稳定细粒土)SSpRKRSpSKCeSANK/09.022.0CeSANK/35.011.0CeSANK/45.011.01/30/202342路面竣工验收弯沉值：以最后确定的路面结构厚度与材料模量计算的路表面弯沉值作为交工验收时路表弯沉检测标准值，即 -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 -路表弯沉检测标准值。ajll0jl0al1/
15、30/202343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。1/30/202344第5节 结构层厚度计算一、沥青路面设计步骤1.初步拟定路面结构方案规范推荐、其他公路路面结构型式等2.沥青路面结构组合设计 结构层次确定 各结构层层厚确定3.结构层厚度计算应用弯沉指标值反算厚度4.结构层层底弯拉应力验算5.防冻厚度验算451/30/2023二、结构层厚度计算一般先按 的要求确定结构层厚度，再验算是否满足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
16、dSll Rm462023-1-30(2)轮隙中心路表弯沉的计算 102312121,nncEEEEEEhhhf36.0038.0200063.1pElFsFEplCs121000472023-1-30 -路表计算弯沉值（0.01mm）；F-弯沉综合修正系数。（弹性层状体系理论的假定与实际不完全相符，理论值与实测不等，需修正）；-标准轴载的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径（cm)；-理论弯沉系数；或 -土基抗压回弹模量（MPa）；-各层材料抗压回弹模量（MPa）；-各结构层厚度（cm)sl,pc0EnE121,nEEE121,nhhh482023-1-30（3）按 用基于弹性层状体系理论的路
17、面设计软件计算出待定结构层的厚度。（4）验算结构层底的弯拉应力层底拉应力计算图式dsll 491/30/2023层底拉应力以B点（单圆中心）及C点（轮隙中心）为计算点，并取较大值作为层底拉应力。公式如下 -理论最大拉应力系数。其他符号意义同前。用程序计算出 的值。如果 ，则按拉应力要求计算结构层厚度，计算仍由程序完成。mmp102312121,nnmEEEEEEhhhfmmRm502023-1-30贝克曼弯沉仪 放入双轮轮隙中央处的地面上百分表端头后三分点处支点（支座）底座测端头升降量爬行速度回弹弯沉：差值的两倍512023-1-30522023-1-30 落锤式弯沉仪532023-1-30三
18、、土基回弹模量值E0的确定现场实测法 承载板法 弯沉测定法查表法路基高度路基临界高度土质 路基干湿类型平均稠度值WcE0542023-1-30四、路面材料设计参数值的确定1 采用抗压回弹模量计算弯沉和层底拉应力 弯沉计算时 ：采用抗压回弹模量，对于沥青混合料采用20时的E.E按下式计算：（规范表E.1、表E.2给出了参考值）Za保证率系数，按95%保证率，取Za=2.0;S各试件模量的标准差；-各试件模量的平均值。层底拉应力计算时：沥青混合料采用15时的E，半刚性基层材料规定龄期（水泥稳定类材料为90天龄期、二灰或石灰稳类180天龄期、水泥粉煤灰稳定类120天龄期）测定的抗压回弹模量。计算层以
19、下各层的E按上式计算，计算层及以上各层的E按下式计算（规范表E.1、表E.2）(按计算出的层底拉应较大的不利原则作此规定)。SZEEaESZEEa552023-1-302 沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验测得的劈裂强度 沥青混凝土采用15时的劈裂强度 水泥稳定类材料采用90天龄期、二灰或石灰稳类180天龄期、水泥粉煤灰稳定类120天龄期的极限劈裂强度。562023-1-30五、新建路面结构设计步骤1.确定路面等级和面层的类型，计算设计年限内一个车道的累计当量轴次Ne和设计弯沉值ld.2.将路基划分为若干段，确定各路段土基回弹模量E0.3.初拟几种路面结构组合与厚度方案。确定各层材料的抗压回弹模量E和抗拉强度。4.根据设计弯沉值计算路面厚度。并验算沥青混凝土面层和半刚性基层的层底拉应力。5.防冻厚度验算。
