公路工程-柔性路面结构设计

3.2 路面结构层次的组合 p142
一、组合的原则和方法：
要求：路基稳定、基层坚实、面层耐用。
不同的路面结构组合会产生经济上和使用性能上的都不同的效果。层 次多、厚度大的使用效果不一定就好，有时恰恰相反，根据实践经验和理 论分析，结构层次的组合宜遵循下述几方面原则： 1、一般考虑：
1）路线、路基和路面要作总体设计； 2）因地制宜、合理选材； 3）方便施工、便于养护； 4）分期修建、逐步提高； 5）注意与排水设计相结合。
(1-5-11)
Ne ：设计年限内一个车道上累计当量轴次； A c ：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； A s ：面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌沥青碎石、上拌下贯 或贯入式路面为1.1，沥青表面处治为1.2，中、低级路面为1.3； A b ：基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度等于或大于20cm 时为 1.0，若为面层与半刚性基层间设置等于或小于15cm 级配碎石层、沥青贯 入碎石或沥青碎石的半刚性基层时，可取1.0，柔性基层、底基层时取1.6， 当柔性基层厚度大于15cm、底基层为半刚性下卧层时，可取1.6。
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2、结构层材料的容许应力σR ：
Ks为抗拉强度结构系数。根据室内试验和路况调查结果由下列各式定。 1）对于沥青混凝土面层
K s 0.09 A N e0.22 / Ac
(1-5-13)
Aα为沥青混凝土级配类型系数。细、中粒式为1.0，粗粒式为1.1。 2）对于无机结合料稳定集料类：
K s 0.35 N e0.11 / Ac
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2、按各结构层的功能选择结构层次： 面层：高强、耐磨、热稳定性好、不透水去选择粘结力强的结合料和高强集料。 基层：承重层，要有足够强度、一定刚度和水稳定性，现在水泥或石灰、粉煤灰。 路基：土基回弹模量>30MPa（高速公路），其他公路〉25MPa,城市道路>20MPa
稳定路基最经济、最易办到，也是最主要的方法是：加强排水和达到要求的压实度。
3）对于无机结合稳定细粒土类：
(1-5-14)
K s 0.45 N e0.11 / Ac
(1-5-15)
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六、轴载换算：
车辆的类型不同，它们的轴载也不相同，在计算累计当量轴次时， 需将各级轴载换算成标准轴载。
1、当计算路表弯沉和验算沥青层层底拉应力时：
P N C1,i C2,i ni ( i ) 4.35 P i 1
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3.3.2 设计步骤和实例
详见教材 P151 沥青路面设计流程图如图1-5-18
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3.4
路面补强层设计 p153
补强条件：1.当通过的轴次超过设计当量轴次；2.路表严重破坏。 补强或改建内容：1.路面结构状况调查；2.承载能力评定；3.补强设计。
一、路面结构状况调查和评定：
1.调查：1）交通调查；2）路基调查；3）路面调查；4）原有资料收集。
四、设计指标：
疲劳寿命定义：出现疲劳开裂前路面材料所能经受的荷载重复作用次数Ne。 1、疲劳开裂：选择层底拉应力（拉应变）（疲劳开裂）作为指标。以 最大拉应力（或拉应变）小于容许拉应力（或拉应变）。
r1 [ r1 ], r1 [ r1 ]
2、车辙（永久变形）：以车辙为临界状态设计方法
2、当进行半刚性基层层底拉应力验算时：
P N C1,i C2,i ni ( i )8 P i 1
k
(1-5-7)
C1 , i '：被换算车型各级轴载的轴数系数。当轴间距大于3m时，按单 独的一个轴计算，轴数系数即为轴数m；当轴间距小于3m时，按双轴 或多轴计算，轴数系数为C 1 , i '= 1+ 2 ( m - 1 );
N ：标准轴载的当量轴次（次/天）；
P ：标准轴载（KN）； ni ：被换算车型的各级轴载作用次数（次/天）；
11
k
(1-5-5)
P i ：被换算车型的各级（单根）轴载（KN）；从大于25KN计起。
C1 , i ：被换算车型各级轴载的轴数系数。当轴间距大于3m时，按单独 的一个轴计算，轴数系数即为轴数m；当轴间距小于3m时，按双轴或 多轴计算，轴数系数为C 1 , i = 1+ 1.2 ( m - 1 ); C2 , i ：被换算轴载的轮组系数。单轮组为6.4，双轮组为1.0，四轮组为 0.38。
P [ P ]
3、路表回弹弯沉：路表面在荷载作用下的回弹弯沉量反映了路基路面结构 的整体刚度。
s R
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五、路面设计弯沉计算
1、规范给出不同公路等级、不同面层和基层类型时设计弯沉的计算公式：
d 600 N e0.2 Ac As Ab
式中：l d 路面设计弯沉值（0.01mm）；
3、要顾及各结构层本身的结构特性及与相邻层次的互相影响：保持层间 结合紧密，避免产生滑移。以保证结构的整体性和应力分布的连续性。 4、考虑水温状况的影响：选基层材料要慎重，在潮湿和中湿路段，应选 水温稳定性好的材料，在冰冻地区还有防冻要求，对路面有最小防冻厚 度要求，表1-5-10。 5、适当的层数和厚度：层数多能充分利用材料，但可能引起施工及材 料制备困难，所以不能过多；层厚，除考虑受力外，有总厚度要求， 层厚过大时，应分层施工，自上而下，宜由薄到厚。表1-5-9
2、基本假定：
1）多层的，每层均质，各向同性，无重量的线弹性材料组成。Ei,µ i表示； 2）最下层水平、竖向都是无限延伸的，其上各层在水平向无限，但厚度有 限，为hi； 3）各层分界上的应力和位移完全连续，层间的摩阻力为零（称滑动体系）； 4）最下层无限深处的应力和位移均为零。当r→∞,z→∞时，σ、ε →∞。 3、应力、应变关系式： 1 1 [ ( r z )] r [ r ( z )] E E 物理方程： 1 2(1 ） 1 zr z [ z ( r )] zr zr 3 G E E
二、补强计算：有经验法和理论法。p155
1、补强层的厚度计算及验算： 计算同新建路面时相同。但当补强层为单层时，以双层弹性体系为 计算力学模型，当补强层为n-1层时，以n层弹性体系为力学模型。 可用专用计算机程序求解，也可用诺谟图求解。
作业：习题1
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30二灰土
28水泥土
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3.3 路面结构厚度计算方法 p146
我国现行柔性路面设计方法是以双圆竖向均布荷载作用下的弹性层状 体系理论，以路表弯沉值作为路面整体刚度的控制指标。对高等级路面 （沥青混凝土面层、半刚性材料基层和底基层）要验算层底拉应力；对常 受水平荷载作用的停车站、交叉口等路段还要验算剪应力。
hi Ei µ i
n z hn En µ
r
z
θ dz
dθ
z σ
r τrz τrθ
θ
σ
z
τθz τ θr σr
τzθ τzr
2
在圆柱坐标中，体系的微分单元上作用有三个法向应力σ r(径向）、σ θ （切向）、σ z（竖向）及三对剪应力τ rz=τ zr，τ rθ =τ θ r，τ zθ=τ θz。此外， 单元体还有三个位移分量：U (径向）、 V （切向）、 W （竖向）。当作用在 层状体系表面上的荷载为轴对称荷载时，各应力、应变和位移分量也对称于对 称轴，即它们仅是r和z的函数，因而， τrθ=τθr=0，τzθ=τθz=0，三对剪应力简化 为一对；同理，切向位移V=0。
3.3.1 设计弯沉值的确定
轮载作用下双轮轮隙中心e处的路表回弹弯沉值大小，反映了路基路面 结构的整体承载能力。回弹弯沉值的大小同该路面结构的累计荷载重复作 用次数（即使用寿命）成反比。为此，需要了解路面结构在使用期内的弯 沉变化规律及其与路面结构损坏状态的关系。
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一、设计内容： 路面结构层次的选择和组合、各结构层材料和厚度的确定。 二、设计方法：有经验法（试验）和理论法（力学分析） 三、我国现行沥青路面设计规范：采用双圆均布荷载作用下弹性层状体系理论
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二、路面结构组合示例：
公路名称 累计轴次(万次) 面层（cm） 基层（cm） 沈大高速公路 1800 5中粒+5粗粒+5沥碎 20水泥砂砾（矿渣） 沪宁高速公路 2800 广佛高速公路 1900
4中粒+6粗粒+6沥碎 4中粒+5粗粒+6（cm）
15~39砂砾（矿渣)
第三节
沥青路面结构设计 Asphalt Pavement Design
1
3.1 弹性层状体系的应力和位移计算
一、一般概念：
1、力学图式： δ δ p 将路基路面看作 弹性层状体系。 因为层状体系和 竖直荷载都对称 于荷载轴z，可 以采用圆柱坐标 来简化计算。 r
h1 E1 µ 1 h2 E2 µ 2
2、评定： 1）评定指标为弯沉和曲率半径；测定方法为贝克曼弯沉仪。
2）代表性弯沉值：
t Z , 其中为平均弯沉值，
1 i , 标准差 n i 1
n
(
i 1
n
i
)
n 1
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3）季节对弯沉的影响K1: 4）加铺沥青层对原砂石路面弯沉的影响K2: 5）温度对弯沉的影响K3: K3=l 20/ l T 6）测定用轴载对弯沉影响K4: 7）计算弯沉值 l 。: 0 ( Z ) K1 K 2 K 3 K 4
所以，在设计年限内一个车道上累计当量轴 次 Ne可参照下面两式计算：
Ne
[(1 ) t 1] 365

N1
(1-5-9) (1-5-10)
[(1 ) t 1] 365 Ne N t t 1 （1 ）
Ne ：设计年限内一个车道上累计当量轴次（次）； t：设计年限(a),参见表8-1； N1 ：路面竣工后第一年的平均日当量轴次（次/d） ； Nt ：设计年限最后一年的平均日当量轴次（次/d） ； γ ：设计年限内交通量的平均年增长率（以小数计） ； η ：车道系数，参见表1-5-12。