路面结构设计分析

路面结构设计学院：专业：学号：姓名：授课老师：0 前言道路是人类社会发展和进步的垫脚石，道路工程在人类社会发展中有着重要的作用。

随着运输工具的现代化和人们交往的日益扩大，道路交通的作用更大重要和突出。

道路是人们生活、学习、工作、旅游等出行的通道，是旅客、货物中转和集散的最主要途径，是城乡结构的骨架、城市建设的基础，是抵御自然灾害的通道，是自然灾害或战争时人员集散的场地，等等。

总之，道路是社会发展的基础产业，是经济发展的先行设施，在工农业生产、国土开发、国防建设、旅游事业等国民经济和社会发展个方面发挥了举足轻重的作用。

我国家高速公路常用的路面结构形式主要有刚性和柔性两种，即水泥混凝土和沥青混凝土路面。

水泥混凝土路面具有刚度大承载能力强，耐久性、耐候性、耐高温性能强，抗弯拉强度高、疲劳寿命长，平整度衰减慢、高平整度持续时间长，扩散荷载能力强，稳定性好、施工取材方便，路面环保，运行油耗低经济性好，路面色度低、色差小、隔热性好等优点,但水泥混凝土路面同等平整度舒适性差，板体性强、对基层的抗冲刷性能要求高，反射易使眼睛疲劳，超载、板底脱空等很敏感,且受施工质量的影响大,一旦出现质量问题,破坏就会迅速发展,难以维修、维护,并且破坏后修复困难,维修费用很高。

沥青混凝土路面具有可以分期修建、通车快，平整度易于得到保证、整体性好、行车舒适、易于修复、噪音小等优点,但沥青混凝土路面具有对水和温度比较敏感,在水文、气候条件较差及缺乏碱性集料的地区,易造成沥青路面的早期破坏，路面平整度保持性差，路面材料耐久性差，使用寿命较短，运行及养护维修成本较高、环保性能差等缺点。

综上所述，沥青混凝土路面和水泥混凝土路面各有其的优缺点。

路面结/构设计就是合理设置路面各结构层的位置和层厚，充分发挥各层材料的特性，以抵抗车轮荷载和环境因素的作用，实现路面的设计使用寿命，同时，提供良好的服务质量。

在设计路面结构时，采用何种结构类型不是简单的问题。

很有必要从筑路地区气候环境、地质状况、交通量大小、材料种类及供给情况、施工技术水平等因素，两种路面的施工方法、使用性能、破坏状况、维护方式、养护费用等方面进行全面比较权衡,从道路等级、路用性能要求、经济、技术、社会、环境效益等方面进行综合分析,优选出较合理的路面结构类型。

1、我国道路建设现状我国从1913年修建第一条现代公路——长潭公路开始，到1954年建的川藏、青藏公路，到1988年第一条高速公路——沪嘉高速公路建成通车，到2003年建成通车的第一条沙漠高速公路——榆靖高速公路，到2007年提前13年完成《“五纵七横”国道主干线系统规划》建设任务，再到2004年国务院审议通过的国家高速公路网——“7918网”，已基本建成布局合理、干支衔接、四通八达的交通网络，已经且将进一步促进国土资源的集约利用、环境保护和能源节约，有效支撑社会经济的可持续发展。

据国外资料统计，欧美等经济发达国家水泥混凝土路面所占比例为20%左右，其中美国95%以上为沥青路面，德国75%以上为沥青路面(有些水泥混凝土路面已用沥青混凝土罩面)。

在国内，水泥混凝土路面的里程占公路总里程的比例为20%左右，全国已通车的高速公路路面中水泥混凝土路面所占比例不到20%。

国内外道路建设的只要结构类型是沥青路面占主导地位。

随着我国国民经济发展对公路的要求愈来愈高以及路面设计理论的不断完善，多种既能满足当前大、重交通流需要，又能适应人们对行车舒适性要求的新型路面面层应运而生，如半刚性路面、低噪音大空隙排（透）水路面、彩色路面、反光路面、防滑路面、防结冰路面、温度抑制类路面及其他路面等。

目前，国内外高等级公路越来越多的采用半刚性基层沥青路面。

我国百分之九十以上的高等级公路沥青路面的基层或底基层采用半刚性材料。

新颁《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)，在总结比较半刚性基层沥青路面与柔性路面在容许弯沉、疲劳特性、材料参数和受力状况的差异后，以“原规范”设计理论为基础，以完善弯沉和弯拉设计指标、设计参数为中心，对多项指标和参数、设计方法进行了修订，这对当前及其今后一个时期路面设计工作极具指导意义。

我国道路建设存在数量少、密度低；质量差、标准低；设和施工水平落后, 施工机械化程度相对较低；交通运输经营管理技术落后；公路建设速度与经济发展速度不适应；公路发展水平不均衡；高速公路建设和管理经营分散、不联网，规模效益低；路网服务水平低、抵御灾害的能力弱等问题。

所以，我国道路建设的任务仍很繁重，建设技术亟待改进，道路设计特别是特殊地区、特殊用途的道路设计水平及设计理论诚待提高或创新。

2、路面结构设计及设计标准路面结构设计最终目的是提供一种和所处环境相适应并能承受预期交通荷载作用的路面结构，以保证汽车在道路上能够全天候行驶且保证汽车以一定的速度安全、经济、舒适地行驶。

随着环境和交通荷载的反复作用以及材料本身的老化等原因，路面的结构特性会逐渐变坏以至于完全丧失工作能力，所以路面结构设计的一个具体目标便是控制或限制其结构特性在预定的使用年限内不恶化到某一规定的程度[4]。

深入分析研究路面损坏的模式及其产生的原因，寻找能估计各种损坏出现几率和结构特性变坏的理论和方法十分重要。

2.1 路面结构设计的基本要求路面结构由路基（顶部）、垫层、基层和面层组成，是道路工程中最直接承受荷载和环境作用的部分。

路面的最基本要求是耐久、平整和抗滑。

几乎所有的路面设计方法都是围绕着耐久性这个核心而提出的。

路面的过早损坏意味着路面的耐久性不足，过多的路面损坏意味着路面寿命的终结，所以限制、延迟这些损坏的发生和发展是路面设计的主要任务，也是不同设计方法的共同目标。

要达到这一目标，必须考虑路面的“结构、材料、荷载、环境和经济”这五个方面的因素，最终根据路面的使用性能来判断。

2.2 沥青路面结构设计沥青路面时用沥青材料作结合料粘结料修筑面层与各类基层和垫层组成的路面结构。

20世纪50年代以来，各国修建沥青路面的数量迅猛增长，所占比例很大。

我国近20多年来修筑了大量的沥青路面，广泛用于公路和城市道路。

沥青路面是我国高速公路的主要路面形式，同时随着国民经济和现代化道路交通运输需求的进一步增长而将有更大的发展。

2.2.1 沥青路面结构设计任务和结构设计原则沥青路面设计的任务是：确定合理的路面等级，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及路面结构计算等。

为确保路面设计质量，在路面设计之前，应进行专门的外业调查，搜集相关资料，以作为路面设计工作的依据。

在外业调查时需收集的资料有：工程地质和水文地质条件，天然土湿度和水文资料，气象资料，路面材料产地和供应情况，当地路面使用经验和其他情况，交通量及交通组成情况，投资情况，施工单位的技术力量，机具设备、劳动力组成情况，原有路基路面状况等。

为使沥青路面设计先进，经济合理，路面安全适用并与周围环境协调，在设计工作中应遵循下列原则：1) 应根据路面使用要求与当地的自然条件(包括气候、水文、土质等)，结合当地实践经验，按面层耐久、基层坚实、土基稳定的要求进行综合设计；2) 应贯彻合理选材，方便施工，利于养护，节约投资的原则，结合当地经验进行路面结构方案的技术经济比较，选择技术先进、经济合理、强度高稳定性好、便于机械化和工厂化施工的路面结构方案；3) 应从技术经济上论证是否有必要分期修建，对分期修建的路面工程，应合理设计结构层次与厚度，使前期工程能在后期被充分利用；4) 应积极采用并推广新技术、新材料、新工艺、新设备、推行机械化施工。

对软土地区或高填方路基及可能产生较大沉降的路段，宜按分期修建或一次设计分期实施的原则进行设计。

设计时应按远景交通量设计路面结构与厚度，修筑时可酌情减薄沥青面层厚度，待路基变形趋于稳定后，再根据路面实际情况加铺沥青面层至设计厚度。

待路基变形趋于稳定后，再根据路面实际情况加铺沥青面层至设计厚度。

2.2.2 沥青路面破坏模式和结构设计指标沥青路面状况和使用品质由于环境的干、湿、冷、热的交替循环和行车荷载的反复作用而逐渐变坏，或完全丧失工作能力。

沥青路面破坏形态各异，破坏的原因是错综复杂的，根据损坏现象的成因及对路面使用性能的影响，路面的几种破坏模式有：沉陷、车辙、推移、开裂、反射裂缝、低温裂缝、松散、坑槽等。

引起沉陷的主要原因是路基水文条件差而过于湿软，承载力显著降低，在车轮荷载作用下出现沉陷并导致路面的开裂、变形和破坏。

发生疲劳开裂的主要原因是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(或拉应变)超过材料的疲劳强度，底面便发生开裂，并逐渐扩展延伸到表面。

造成椎移的主要原因是当沥青路面受到较大的水平荷载作用时(在车辆经常启动、制动的路段及弯道、坡度变化处等)，车辆荷载引起的竖向力和水平力的综合作用使结构层内的切应力或拉应力超过材料的抗剪或抗拉强度。

根据路面在行车荷载和自然因素作用下所产生的应力、应变和位移量不超过路面任一结构层中材料的允许应力、应变和位移量来选定路面结构层的组合和厚度，以达到防止或减少各种路面破坏现象的发生，控制或限制路面结构的特性和使用品质在设计年限内不恶化到某一规定程度的目的。

目前沥青路面的设计方法世界各个国家采用的标准不尽相同，有的方法采用一个指标，有的方法采用几个指标，但不少国家沥青路面的设计方法是采用路表设计弯沉值作为一项控制指标。

这项指标能得到广泛采用，是因为路表弯沉不仅反映路面整个结构层及土基的整体强度和刚度，而且与路面的使用状态存在一定的内在联系，同时弯沉值的测定也很方便。

我国沥青路面设计是根据路面结构类型不同分别采用以下指标：1) 为了控制路基路面的总变形，防止网裂、沉陷、车辙，使路面具有足够的整体刚度和强度，采用路表设计弯沉值L d 作为路面整体刚度和强度的控制指标，即路面设计弯沉值L d 应大于或等于路表实际可能产生的回弹弯沉值L s ，即L s ≤L d ，其中0.2600d e c s b l N A A A -=；2) 为了防止沥青混合料面层和整体性材料基层的疲劳开裂，采用了沥青混凝土面层和整体性材料基层(即半刚性基层)底面的容许拉应力σR 作为验算指标，此值应大于或等于路面中相应结构层底面实际可能产生的最大拉应力σm 即σm ≤σR ，其中sR s K σσ=；3) 为了防止高温季节道路交叉口、停车场等汽车经常起动、制动的地方沥青面层产生推挤和拥包等破坏现象，采用了沥青面层材料的容许切应力作为验算指标，此值应大于或等于面层破裂面上实际可能产生的切应力τa ，即τa ≤τR 。

2.2.3 沥青路面结构设计基本理论和结构组合设计依据设计思想和设计指标的差异，柔性路面设计方法大致可分为力学法、经验法和力学—经验法。