道路工程技术教学辅导11

第11章路面设计简介【教学基本要求】通过本章内容的学习了解路基、路面各结构层参数的确定方法、轴载换算与累计交通量的计算方法、沥青路面结构组合设计的几个基本原则及设计方法、水泥砼路面板厚计算方法，理解沥青路面及砼路面破坏状态的种类与设计指标、水泥砼路面横缝（缩缝、胀缝、施工缝）；纵缝（缩缝、施工缝）的构造与要求。

【学习重点】1．沥青路面破坏状态的种类与预防措施设计指标2．沥青路面的设计控制指标3．水泥砼路面横缝（缩缝、胀缝、施工缝）；纵缝（缩缝、施工缝）的构造与要求。

【内容提要和学习指导】城市道路路面类型广泛采用沥青路面与水泥砼路面，而该类型路面的修建费用一般占整个工程造价的60~80%，故路面结构设计的可靠性与合理性，不仅关系到建成后的道路在设计使用年限内能否保持原有的技术状况满足车辆行驶的要求，同时也是节约道路工程建设投资的重要方面。

沥青路面的设计的内容一般包括：原材料的调查与选择、沥青混合料配合比及基层配合比设计、各项设计参数的测试与选定、路面结构设计、路面结构层厚度验算以及路面结构方案的比选等。

水泥砼路面的设计内容包括：选择水泥砼面层类型和结构组合方案、混合料组成配合比设计、砼面板的接缝构造设计、公路水泥砼路面还要求作路面和路肩排水设计。

路面设计中有关资料和参数包括路基与路面各结构层的强度系数、标准轴载与累计当量轴次等。

合理地选择与确定路面设计资料和参数是路面设计的重要前提。

本章将对强度系数的确定与轴载换算的方法逐一介绍，对沥青路面与水泥砼路面分别从分析破坏现象入手阐述路面设计指标、结构设计组合要求、并简述其结构层厚度设计的思路。

11.1 路面设计有关参数的确定方法1．路基设计参数我国在路面力学计算中采用的是弹性半空间体地基模型，用反映土基应力-应变特性的弹性模量E和泊松比μ作为土基的刚度指标。

设计宜使路基处于干燥或中湿状态，公路沥青路面设计规范要求土基回弹模量值应大于30MPa，重交通、特重交通公路土基回弹模量值应大于40MPa。

《城规》要求土基回弹模量值大于或等于20MPa。

路基回弹模量设计值可以按以下方法确定：（1）新建道路初步设计时，可根据查表法、室内试验法、换算法等，经综合分析、论证，确定沿线不同路基状况的路基回弹模量设计值。

w或室内试验测定路基土回（2）通过现场测定路基回弹模量值与压实度K、路基稠度c弹模量值与室内路基土CBR值等资料，建立可靠的换算关系，利用换算关系计算现场路基回弹模量。

（3）当路基建成后，在不利季节实测各路段路基回弹模量代表值，以检验是否符合设计值的要求，现场实测方法宜采用承载板法，也可采用贝克曼梁弯沉仪法。

2．各结构层设计参数沥青路面设计参数包括各结构层材料的抗压回弹模量、劈裂强度。

水泥混凝土路面设计参数主要有基层、底基层材料的抗压回弹模量和水泥混凝土弯拉弹性模量。

路面设计中各结构层的材料设计参数应根据公路等级和设计阶段的要求确定。

（1）高速公路、一级公路施工图设计时，应选取工程用路面材料按有关试验规程的标准试验方法确定设计参数；各级公路采用新材料时，也必须实测设计参数。

（2）高速公路、一级公路初步设计或二级及二级以下公路设计时可借鉴本地区已有的试验资料或工程经验确定。

（3）可行性研究阶段可参考规范推荐值确定设计参数。

具体取值要求如下：1）沥青混合料面层当以路表弯沉值为设计或验算指标时，选用试验温度为20℃的抗压回弹模量；当以沥青层或半刚性材料结构层层底拉应力为设计或验算指标时，选用试验温度为15℃的抗压回弹模量。

沥青针入度大于100时，设计参数采用低值。

2）基层、底基层沥青路面在计算层底拉应力时，应考虑模量的最不利组合，计算层以下各层的模量通过计算求得。

3）水泥混凝土面层强度系数设计参考值可根据交通等级选定，见下表。

混凝土弯拉强度标准值3．标准轴载与轴次换算方法（1）标准轴载道路上行驶的车辆种繁多，不同车型和不同作用次数对路面影响不同，为方便路面设计，需将不同车型组合而成的混合交通量，以某种统一轴载为准，换算成一定的当量轴次。

这种统一的轴载，称为标准轴载。

路面设计采用双轮组单轴载100kN 作为标准轴载，以BZZ-100表示。

标准轴载的计算参数按下表确定。

标准轴载计算参数当把各种轴载换算为标准轴载时，为使换算前后轴载对路面的作用达到相同的效果，应该遵循等效原则。

第一，换算以达到相同的临界状态为标准，即对同一种路面结构，甲轴载作用N 1次后路面达到预定的临界状态，路面弯沉为l 1，乙轴载作用路面达到相同临界状态作用次数为N 2，弯沉为l 2此时甲乙两种轴载作用是等效的。

因此应按此等效原则建立两种轴载作用次数之间的换算关系。

第二，对某一种交通组成，不论以哪种轴载的标准进行轴载换算,由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度是相同的。

（2） 换算方法1) 沥青路面设计中，当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载均应按下式换算成标准轴载P 的当量轴次N 。

⎪⎭⎫ ⎝⎛∑==P p n C C N ik i i 35.4121式中：N ——以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载的当量轴次(次/d)；n i ——被换算车型的各级轴载作用次数(次/d)；P ——标准轴载(KN)；p i ——被换算车型的各级轴载(KN)；C 1——被换算车型的轴数系数,当轴间距大于3m 时，应按单独的一个轴载计算；当轴间距小于3m 时，按双轴或多轴的轴数系数计算,此时)1(2.111-+=m C ，m 为轴数；C 2——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0.38；K ——被换算车型的轴载级别。

沥青路面设计中，当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时，各级轴载均应按下式换算成标准轴载P 的当量轴次N ′。

⎪⎭⎫ ⎝⎛∑==P p n C C N i k i i 81'2'1'式中：N '——以半刚性材料层的拉应力为设计指标时的标准轴载的当量轴次(次/d)；C '1——被换算车型的轴数系数；当轴间距小于3m 时，)1(21'1-+=m C ；C '2——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。

2)水泥混凝土设计中，采用疲劳断裂为标准建立的疲劳方程，可以推导出产生等效疲劳损坏时的轴载换算公式见下式。

161100n i S i i i P N N δ=⎛⎫= ⎪⎝⎭∑ 式中：S N -----标准轴载的当量轴次(次/d)；i P ------单轴-单轮、单轴-双轮组或三轴-双轮组轴型i 级轴载的总重(kN)；n ------轴型和轴载级位数；i N -----各类轴型i 级轴载的作用次数；i δ------轴-轮型系数,单轴-双轮组时, i δ=1；单轴-单轮时,按30.432.2210i i P δ-=⨯计算；双轴-双轮组时,按50.221.0710i i P δ--=⨯计算；三轴-双轮组时,按80.222.2410i i P δ--=⨯计算。

4．累计当量轴次与交通等级（1）累计当量轴次累计远景交通量是指从（当前）路面开始使用时起，一到设计年限未某一繁重车道的标准轴载当量轴载的总量。

由于它是建立在累积疲劳的基础上，因此累计远景交通量被作为路面设计的一个重要依据。

设计年限内一个车道的标准轴载累计作用次数N e 可用下式计算。

ηγγN N t e 1365]1)1([⨯-+= 式中：N e ——设计年限内一个车道的累计当量轴次(次/车道)；t ——沥青路面设计中的设计年限，水泥混凝土路面设计中的设计基准期；N1——营运第一年双向日平均当量轴次(次/d)；γ——设计年限内交通量的平均年增长率(%)；η——沥青路面设计中的车道系数，为设计车道的交通流量与断面交通流量之比，见下表1；水泥混凝土路面设计中的车轮轮迹横向分布系数。

（2）交通等级沥青路面交通量根据下表的规定划分为4个等级。

设计时可根据累计当量轴次或每车道、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。

交通等级水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为4级,分级范围如下表。

交通分级表11.2 沥青路面的破坏状态与设计标准路面的结构性能是指路面保持其较好的结构完整性而不出现损坏的能力。

路面在使用过程中受到行车荷载和环境等因素的作用而出现各种结构损坏称为结构性破坏。

路面的功能性破坏是路面不平整或太光滑，使路面不具有预定的使用功能。

如路面出现泛油、磨光等导致路面表面的抗滑指标不满足要求。

结构承载能力同损坏状况有内在的联系。

在使用过程中，承载能力逐渐下降，而损坏逐步发展，承载能力低的路面结构，其损坏必然较严重。

因此，分析路面产生各种破坏之前，必须首先进行路面破坏状况的调查，了解破坏的类型，才能找出原因。

1．沥青路面的破坏状态沥青路面在行车荷载的反复作用和自然因素不断影响下，会逐渐出现损坏。

由于环境、材料组成、结构层组合、荷载、施工和养护等条件的变异，损坏的形态多种多样。

从表面上看，有各式各样的裂缝，如横向裂缝、纵向裂缝、网状裂缝等；也有各种类型的变形，如凹陷和隆起、车辙、搓板、推挤和拥包等，有时可能还有各种露骨、松散、剥落、坑槽、泛油等现象出现。

这些损坏现象，有时单独出现，有时则几种形态同时出现，显得错综复杂。

然而，如果透过现象，进一步分析造成这些损坏的原因，便可发现其中存在一定的规律性。

根据这些损坏现象的肇因，它们的危害性和对使用性能的影响，可以把沥青路面常见的损坏划分为下列几种主要模式：（1）沉陷沉陷是路面在车轮作用下其表面产生的较大的凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象出现。

造成路面沉陷的主要原因是路基土的压缩，路基由于水文条件差或翻浆而过于湿软，通过路面传给路基的轮载应力超过了土抗剪强度。

（2）车辙车辙是渠化交通的高等级道路沥青路面的主要损坏类型之一。

路面并未出现很大的凹陷和隆起变形，但轮带处出现相对其两侧来说较大的变形(10~20mm以内)，在纵向形成车辙。

车辙一般是在温度较高的季节，沥青面层在车辆的反复碾压作用下产生永久变形和塑性流动而逐渐形成。

（3）推移在车辆经常启动和制动的路段上，路面受到较大的水平荷载的作用。

当荷载(包括垂直和水平力)产生的剪应力或拉应力大于材料的抗剪或抗拉强度时，面层材料沿行车方向发生剪切或拉裂破坏而出现推挤和拥包。

（4）开裂裂缝是高等级道路沥青路面最主要的一种破坏形式，尤其是半刚性基层沥青路面。

上述各种变形常常伴随着裂缝产生。

沥青路面上出现的裂缝，可分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝三种类型。

横向裂缝是指垂直于行车方向的裂缝。

按其成因不同，横向裂缝又可分为荷载型裂缝与非荷载型裂缝两大类。