沥青路面设计步骤.ppt

沥青路面,1、经验，半经验法使用经验或试验路结果为依据2、理论法以弹性理论为基础，并由试验确定计算参数的力学方法，综合考虑了车辆荷载，交通量，环境因素以及材料特性影响。我国沥青路面设计方法属于第2种,一、沥青路面的设计方法和理论,设计方法的分类,二、我国沥青路面的设计理论,公路沥青路面设计规范采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标，计算路面结构层厚度。对高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和半刚性材料基层、底基层应进行弯拉应力验算。用多层弹性体系理论进行路面结构计算时，应考虑各层间接触的条件。我国现行规范采用完全连续体系为层间接触条件。,？指标确定的依据,（1）沉陷 在车轮作用下路表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象。当沉陷严重时，在结构层受拉区产生开裂而形成纵裂，造成路面沉陷的主要原因是路基土的压缩，当路基土的承载能力较低，不能承受从路面传至路基表面的车轮压力，便产生较大的垂直变形即沉陷。,1.沥青路面的破坏状态,图1 路面沉陷示意图,（2）车辙 路面的纵向带状凹陷，是高级沥青路面的主要破坏型式，是路面的结构层及土基在行车重复荷载作用下的补充压实，以及结构层材料的侧向位移产生的累积永久变形，这种变形出现在行车轮带处，即形成路面的纵向带状凹陷。,图2 沥青路面车辙,1.沥青路面的破坏状态,（3）开裂 是沥青路面常见的一种破坏形式，最初在荷载作用部位形成细而短的横向开裂，继而逐渐扩展成网状。按其分布形式有纵裂、横裂、网裂；按其产生的原因，主要有疲劳开裂、低温缩裂。疲劳开裂：是路面在正常使用情况下受车轮荷载的反复弯曲作用，使结构层底部产生的拉应变超过材料的疲劳强度而开裂，并逐步向表面发展。疲劳开裂的特点是，路面无明显的永久变形。,1.沥青路面的破坏状态,（4）推 移 受到较大的车轮水平荷载作用时，路面表面出现推挤和拥包。车轮荷载引起的垂直力和水平力的综合作用，使结构层内产生的剪应力超过材料的抗剪强度。同时也与行驶车轮的冲击、振动有关。,图4 沥青路面与缘石的裂缝实况,低温缩裂：是某些整体性结构层在低温时由于收缩受限而产生较大拉应力，超过相应条件下的抗拉强度时就产生开裂。,1.沥青路面的破坏状态,（5）松散剥落指沥青从矿料表面脱落，在车辆荷载作用下呈松散状态，从路面剥落形成凹坑。其主要原因是沥青与矿料之间的粘附性较差，在水和冰冻的作用下，沥青从矿料表面剥离。另外沥青混合料加热温度过高使沥青老化失去粘性，摊铺后压实温度过低使沥青面层空隙率太大，路表水容易渗入而使沥青面层出现松散。,1.沥青路面的破坏状态,（1）设计弯沉值 路面弯沉:是在垂直荷载作用下，路表产生的垂直变形。路面设计弯沉值是表现路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据。,式中：路面设计弯沉值(0.01mm)；设计年限内一个车道上累计当量轴次；公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌和冷拌沥青碎石、沥青贯入式路面（含上拌下贯式路面）、沥青表面处治为1.1；路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1，柔性基层沥青路面为1.6。,（1-1）,2 沥青路面的设计指标,（2）允许拉应力 高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和整体性材料基层、底基层，要进行层底拉应力验算，结构层底面计算点的拉应力 应小于或等于结构层材料的允许拉应力。即。,式中：路面结构层材料的容许拉应力，MPa；结构层材料的极限抗拉强度，MPa，由实验确定。我国公路沥青路面设计规范采用极限劈裂强度；抗拉强度结构系数；,（1-2）,2 沥青路面的设计指标,式中：公路等级系数。,对沥青混凝土面层,对无机结合料稳定集料类,对无机结合料稳定土类,（1-3b）,（1-3a）,（1-3c）,2 沥青路面的设计指标,三、沥青设计的内容,1、原材料的选择，材料组成设计2、路面结构层组合设计（）3、结构层厚度计算（）4、路面排水设计5、路面结构方案比选,四、新建沥青路面结构厚度设计的基本步骤,（一）计算累计当量轴次，确定交通等级（二）确定土基干湿类型、回弹模量（三）拟定结构层组合与各层材料选择（四）确定材料抗压回弹模量（五）按设计弯沉计算路面厚度（六）确定路面材料抗拉强度（先判断是否验算拉力）（七）验算层底拉应力（八）判断路面结构总厚度防冻厚度？（九）技术经济比选，确定采用的路面结构,新建沥青路面结构厚度设计程序框图,（一）计算交通量（累计当量轴次），确定路面等级,1、标准轴载（P187）标准轴载：规定：路面设计以双轮组单轴轴重100KN为标准轴载，以BZZ-100表示。,1）当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，轴载换算公式：式中：N 标准轴载的当量轴次（次/日）；C1 轴数系数；C1=11.2（m1）m 轴数。C2 轮组系数,双轮组为1,单轮组为6.4,四轮组为0.38。,2、车辆轴载换算：,2）以半刚性基层层底拉应力为指标时，轴载换算公式：,式中：N 标准轴载的当量轴次（次/日）；C1 轴数系数；C1=11.2（m1）m 轴数。C2 轮组系数,双轮组为1,单轮组为6.4,四轮组为0.38。,3、累计当量轴次设计年限内一个方向上一个车道的BZZ-100累计当量轴次Ne表示：,表1 车道系数,0.60.7,4、确定交通等级,（二）确定土基干湿类型、回弹模量,土基回弹模量是指土基在荷戴作用下产生的应力与其相应的回弹应变的比值。新建公路初步设计时，土基回弹模量值一般有查表法、实测法（承载板法）、换算法三种方法。查表法-通过对现有公路调查路基的土质、地下水、积水、路基填土高度等因素与路基回弹模量的关系，提出不同环境条件下E0值。取土样制试件，在测定规定压实度下的抗压回弹模量，建立路基土的含水量、压实度、抗压回弹模量相关关系，预估土基模量值。路基施工后，现场检验用承载板=30cm，测定压力、变形曲线，计算土基模量值；或用后轴重100KN的汽车，测定路基弯沉值。,在设计新建路面时，路基尚未修筑，无法用承载板法测土基回弹模量，常用查表法确定。用查表法确定土基回弹模量的步骤如下：(1)确定临界高度根据路线所经地区的自然区划和路基土组由路基临界高度参考值表确定临界高度H1、H2、H3。(2)判断土基的干湿类型根据路基填挖情况、路面的估计厚度、地下水位或地表长期积水位，由土基干湿类型表，从而判断各路段土基的干湿类型。(3)拟定土的平均稠度根据自然区划，路基土组和路基干湿类型查土基干湿状态的稠度建仪值表，得到各路段土的平均稠度值。(4)预测土基回弹模量根据土类和自然区划以及拟定的路基土的平均稠度，参考表预测土基回弹模量值。,（三）拟定结构层组合与各层材料选择,1、结构组合设计基本原则,设计原则：根据各结构层功能组合和强度组合合理的层间组合在各种自然因素作用下稳定性好 考虑适当的层数和厚度,三层式面层,结构示意图,山西太原至旧关高速公路全长140.7公里，路线所经地区为山西黄土高原与太行山脉两大地貌地带，横跨地势平缓的汾河河谷平原，穿越冲沟发育、切割严重的重丘区，进入山势陡峻、高差悬殊的山岭区，沿线地形极为复杂，工程条件十分困难，是我国最早进入山岭重丘区的高速公路。太旧高速公路1993年6月破土动工，于1996年6月25日全线通,半刚性基层的强基厚面式路面，既有半刚性基层整体性强的优点，又通过加大面层厚度抑制了半刚性基层裂缝对面层的影响，故值得继续推广应用。,新建路面结构,路面改造方案及新老路面拼接,水稳再生料(20cm),水稳碎石(36cm),SUP25(8cm),SUP20(8cm),SMA13(4cm),1、结构组合设计原则,本着“路基稳定、基层坚实、面层耐用”的要求，把路基（土基）、垫层、基层和面层作为一个整体，进行路基路面综合设计。,1）根据各结构层功能组合和强度组合轮载作用于路面表面，其竖向应力和应变随深度而递减，因而对各层材料的强度（模量）的要求，也可随深度而相应减少，因此，路面各结构层应按强度自上而下递减的方式组合,2）合理的层间组合 层间结合应尽量紧密，避免产生层间滑移，以保证结构的整体性和应力分布的连续性。例如：在半刚性基层上修建沥青面层时，由于基层材料的干缩和温度开裂，会导致面层相应地出观反射裂缝。为了防止或尽可能减轻反射裂缝的出现，往往采用一些措施。,3）考虑适当的层数和厚度 层数不宜过多，在满足各方面要求的条件下，层数应尽可能地少，材料变化也不宜频繁。从强度和造价上考虑，各结构层层厚宜自上而下由薄到厚。,1、结构组合设计原则,4）在各种自然因素作用下稳定性好 沥青路面经受着自然环境因素水、温度的考验。水温状况对沥青路面的影响很大，对于季节性冰冻地区的中湿和潮湿路段，要考虑冻胀与翻浆的危害。当按强度计算的路面结构层总厚度小于最小防冻厚度时，应增加防冻垫层，以满足最小防冻厚度要求。防冻垫层可用水稳定性好而强度较低的地方材料如炉渣、砂砾、碎石等。,1、结构组合设计原则,1）沥青面层结构（1）沥青面层分层沥青面层直接经受车轮荷载反复作用和各种自然因素的影响，并将荷载传递到基层及以下的结构层。沥青面层可分为单层、双层、三层结构。双层结构分为表面层、下面层；三层结构分为表面层、中面层、下面层。表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、抗裂耐久的性能；中、下面层应具有高温抗车辙、抗剪切、密实、基本不透水的性能；下面层应具有耐疲劳开裂的性能。高速公路、一级公路一般选择三层沥青面层结构；二级、三级公路一般选用双层结构；三级、四级公路一般可采用双层沥青表面处治结构。,2、结构组合设计的基本步骤：,（2）沥青面层类型 面层类型应与公路等级、使用要求、交通等级相适应。热拌沥青混凝土可用于各级公路的面层；热拌沥青碎石混合料可用于二、三级公路的面层；贯入式沥青碎石（含上拌下贯式沥青碎石）可用于二、三、四级公路的面层；沥青表面处治、可用于三、四级公路的面层；冷拌沥青混合料可用于交通量小的三、四级公路的面层。,各级公路沥青面层类型选择 表1,2、结构组合设计的基本步骤：,（3）沥青面层厚度 各结构层的设计厚度应根据级配类型、结构组合及施工条件等确定。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与适宜厚度见表3。公称最大粒径指混合料中筛孔通过率为90%100%的最小标准筛孔尺寸。,2、结构组合设计的基本步骤：,沥青混合料结构层的最小压实厚度与适宜厚度 表（P184）,2）沥青路面基层结构基层是沥青路面结构的主要承重层，应具有较高的承重能力、稳定性、耐久性，可分为单层或双层。无论是沥青混合料、粒料类柔性基层，还是半刚性基层、刚性基层，均要求具有相对较高的物理力学性能指标。沥青路面的基层按材料和力学特性的不同分为柔性基层、半刚性基层、刚性基层。（1）柔性基层：采用热拌或冷拌沥青混合料、沥青贯入式碎石，以及不加任何结合料的粒料类等材料铺筑的基层。粒料类材料包括：级配碎石、级配砾石、符合级配的天然沙砾、部分砾石经轧制掺配而成的级配碎砾石，以及泥结碎石、泥灰结碎石、填隙碎石等基层材料。柔性基层由于其力学特性与沥青面层一样属于都属于柔性结构，因此在应力应变传递的协调过渡方面比较顺利，同时由于其结构材料均为颗粒状材料级配成型，所以结构排水畅通，路面结构不易受水损害。但由于柔性基层刚度较低，沥青面层将承受较多的荷载弯矩，在承受同样交通荷载作用下，应采用较厚的沥青面层。柔性基层主要适用于中等及中等以下交通等级的沥青路面基层。,2、结构组合设计的基本步骤：,（2）半刚性基层：采用水泥、石灰或工业废渣等无机结合料稳定集料或土类材料铺筑的基层。适用于各交通等级的沥青路面基层。半刚性基层对集料的品质要求不是很高，经过适当养生待结合料硬化之后，整个基层有板体效应，大大提高了路面结构的整体刚度，因此沥青面层的厚度可以适当减小。半刚性基层的缺点是其本身的横向收缩裂缝难以避免，并反射到沥青面层形成较多的横向反射裂纹。因此，在多雨地区，半刚性基层直接铺筑在沥青面层下面，雨水易于向下渗透，造成沥青路面的水损害。（3）刚性基层：采用普通水泥混凝土、碾压式混凝土、贫混凝土、钢筋混凝土、连续配筋钢筋混凝土等材料做的基层。主要采用低强度水泥混凝土（通常是碾压式水泥混凝土、贫水泥混凝土）铺筑基层水泥混凝土板，板上铺筑沥青面层。由于刚性基层混凝土板承受了绝大部分车轮荷载，沥青面层的弯拉应力很小，主要考虑其表面的平整性、抗滑、抗车辙、防水抗渗等要求。,2、结构组合设计的基本步骤：,（4）沥青路面基层厚度基层厚度主要应满足强度和刚度设计要求，要逐层进行验算。各类基层的最小压实厚度和适宜厚度见表4。,沥青路面基层结构厚度推荐表 表（P186）,2、结构组合设计的基本步骤：,3）沥青路面垫层结构垫层是设置在底基层与土基之间的结构层，具有排水、隔水、防冻的作用。主要用于路基状况不良路段，为排路面、路基中滞留的自由水，确保路面结构处于干燥或中湿状态，以下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、过潮湿状态的路段；（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。4）沥青路面层间结合 沥青路面各结构层之间必须结合紧密，不允许产生层间滑动而丧失结构层的整体效应。（1）沥青面层与基层之间应设置沥青粘层或沥青透层或沥青封层。（2）沥青面层有两层或三层组成又不能连续摊铺时，应在铺筑上层之前清扫下层表面，然后浇洒沥青粘层。,2、结构组合设计的基本步骤：,（1）确定交通等级和面层类型 应根据公路等级、使用要求、设计年限、标准轴载累计当时轴次以及筑路材料、施工机具和自然条件等确定。（2）确定基层类型 选择基层类型关系到路面结构的耐久性和长期使用性能，首先应根据交通等级进行比选，同时考虑地基支撑的可能性以及路基的水温状况、路基排水与路基稳定的可靠程度作不同方案，然后比选；（3）确定是否设置垫层及垫层类型（4）确定路面结构层次和初拟各结构层厚度 遵循路面结构组合设计的五条基本原则，拟定路面结构层次方案，一般拟定几个方案进行比较选优，具体结构层厚度计算见后。,2、结构组合设计的基本步骤：,图 柔性基层沥青路面典型组合结构,沥青路面结构组合设计,沥青路面结构组合设计,结构示例组合见图,在我国现行的路面设计方法中，路面厚度计算往往都是以某一层作为设计计算层，其余结构层厚度按设计者的经验并参照规范有关规定确定后，在厚度计算过程中一般不再变动。,路面材料设计参数 公路沥青路面设计规范（JTG D50-2005）中：各层材料的抗压强度均采用抗压回弹模量表示。查表（一般取中值）以路面设计弯沉值计算路面结构厚度时，采用20 的抗压回弹模量。（试验温度）,（四）确定材料抗压回弹模量,（五）按设计弯沉计算路面厚度,1、路面设计弯沉值：采用路面回弹弯沉来表征路面的刚度,式中：Ac公路等级系数，高速公路、一级公路为1，二级公路为1.1，三级公路、四级公路为1.2；As面层类型系数，Ab路面结构类型系数，,2、路面设计采用双圆均布荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行计算：,图 路面荷载图示,（五）按设计弯沉计算路面厚度,路表弯沉值计算,弯沉综合修正系数：,式中：路面实测弯沉值（0.01mm）；理论弯沉系数；p,标准车型的轮胎接地压强（Mpa）和当量圆半径（cm）；F 通过试验路分析获得的弯沉综合修正系数；,3、多层体系的换算（弯沉等效换算法）当采用三层体系为计算体系时，需将多层体系按照弯沉等效的原则换算为三层体系。换算时将多层体系的第一层作为上层，其厚度和模量保持不变，将第2至n1层作为中层并把它们换算为第2层摸量的等效厚度，再加上模量不变的下层半空间体则得到一个弯沉等效的三层体系。,（五）按设计弯沉计算路面厚度,4、查若谟图计算结构层的厚度（一般计算基层厚度）,将多层体系简化成上层、中层以及下层为土基组成的三层体系,5、根据弯沉值结合查若谟图计算结构层的厚度A、计算设计弯沉值LdB、计算理论弯沉综合修正系数F（令Ls=Ld）C、利用公式计算acD、查若谟图计算待定层厚度（反算H值）,式中：R 路面结构层材料的容许拉应力（Mpa）;s材料的极限抗拉强度（Mpa）；KS 抗拉强度结构系数。,对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数：,对无机结合料稳定集料类：,对无机结合料稳定细粒土类：,1、计算容许拉应力 容许拉应力的确定与材料的极限抗弯拉强度有关（极限抗拉强度的大小通过试验确定），同时也与重复荷载次数有关，它是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。,（六）确定路面材料抗拉强度（先判断是否验算拉力）,2、确定各层材料参数,验算层底拉应力时，用15的抗压回弹模量。劈裂强度（间接抗拉强度）,图 沥青混凝土和半刚性材料层的层底拉应力计算图式,层底拉应力按下式计算，计算点为双圆荷载单圆中心B点和双圆轮隙中心C点并取较大值作为层底拉应力。,（七）验算层底拉应力,层底弯拉应力,(1)计算沥青混凝土面层、半刚性材料基层、底基层的层底拉应力,(2)层底拉应力的力学计算应按图2进行，以单圆的中心点B，双圆间隙中心点C为计算点，并取最大值作为层底最大拉应力。,式中：理论最大拉应力系数。,1、多层体系的换算原则2、换算公式,式中：N 标准轴载的当量轴次（次/日）；C1 轴数系数；C1=11.2（m1）m 轴数。C2 轮组系数,双轮组为1,单轮组为6.4,四轮组为0.38。,层底弯拉应力验算步骤,3、查若谟图计算弯拉应力,4、层底拉应力计算公式整体性材料层底拉应力值，采用最大拉应力的理论公式计算 m=p,式中：理论最大拉应力系数，它是 的函数。验算沥青混凝土面层及半刚性材料的基层、底基层的层底拉应力时，以单圆的中心点，单圆半径的二分之一点，单圆的内侧边缘点及双圆间隙中心点为计算点，并取最大值作为层底最大拉应力。验算时层底拉应力应满足mR。,（八）判断路面结构总厚度防冻厚度？,根据交通量计算的结构层总厚度应不小于表2-3-12（P191）中最小防冻厚度的规定。若结构层总厚度小于最小防冻厚度，则应增加防冻垫层使其满足最小防冻厚度的要求。,（九）技术经济比选，确定采用的路面结构,设计程序框图,新建沥青路面结构厚度计算流程图,