弹性层状体系理论分析

设计模型：双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系 设计指标：路表设计弯沉 验算指标：整体性结构层层底弯拉应力（城市道路、高速公路、一级 公路和二级公路） 剪应力（城市道路、高温季节）
□路面结构设计计算图式及设计标准 □路面设计弯沉值 □容许弯拉应力 □容许剪应力 □轴载换算与累计当量轴次 □路基土回弹模量值的确定 □路面材料设计参数值 □新建沥青路面结构设计步骤
一、路面结构组合设计的原则 1、路面结构与厚度应与交通量相适应； 2、层间结合要紧密，根据情况浇洒透层或 粘层沥青，使整体稳定； 3、各层材料的回弹模量有规律向下递减； 4、总层数不宜过多，利于施工； 5、考虑结构层的特点，避免和消除相邻 层次间的不利影响； 6、考虑水温状况对路面结构的不利影响。
§10－3柔性路面损坏现象与设计指标
沥青路面的路用性能随着行车荷载的反复作用及环境因素的变 化，而导致其功能逐渐衰减、变坏，以致于丧失正常的工作能 力。本节主要讲述柔性路面中广泛采用的路面类型—沥青路面 的损坏现象。 一、损坏模式 由于环境、荷载、材料组成、结构层组合、施工及养护条件的 差异，沥青路面的破坏状态是多种多样的。综合分析沥青路面 的损坏原因、危害性及对使用性能的影响，其损坏模式基本上 可分为三大类型： ①裂缝类—路面结构的整体性受到破坏，如纵向或横向裂缝，网 状裂缝等； ②变形类—路表面的形状改变，如沉陷、车辙、搓板、推移和拥 起等； ③表面功能性损坏类—如剥落、松散、坑槽和泛油等。
设计原则
（1）面层类型与道路等级、交通量 由于面层直接承受行车荷载和环境因素作用，因此宜选择强度高、 耐磨、稳定性好的材料作面层。
设计原则
（2）按路面受力特征选择各结构层次 荷载应力随深度增加而递减，对路面各结构层材料强度和刚度的要求也随 着深度的增加而降低。因此，在进行路面结构组合时，各结构层应按强度和 刚度自上而下递减的规律组合，以充分发挥各层次材料的效能。同时考虑到 面层强度、刚度高，造价也高，而基层底基层强度、刚度较面层低，造价也 低这一情况，在厚度组合时，宜从上到下由薄到厚，以达到经济的目的。 路面结构中相邻结构层材料的模量比，对路面结构的应力分布有显著影响。 相邻两层材料模量比过大，上层底面将产生过大的弯拉应力（或弯拉应变） 容易使上层开裂。
i2
Ei E2
（2）上层底面弯拉应力等效换算
h hi
i 1 x 4
Ei Ex
H
i x 1
Fra Baidu biblioteki
n 1
0 .9
Ei E x 1
（3）中层底面弯拉应力等效换算
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i 1 n2 4
Ei En 2
二、容许回弹弯沉值lR的计算 1、概念： 回弹弯沉：路基或路面在行车荷载作用下产生垂直变形，卸载 后能恢复的那一部分变形。 容许回弹弯沉值lR指不同等级、不同类型的路面，在设计年限 末期的不利季节，在设计标准轴载作用下容许出现的最大回弹 弯沉值。 弯沉值的大小反映了路基路面的整体强度。在达到相同的路面 破坏状态时，回弹弯沉值大小同作用于路面的行车荷载累计作 用次数或使用寿命成反比关系。 轮载累计重复作用次数Ne与此时路表面回弹弯沉的关系，可通 过对已使用多年的各类路面进行弯沉测定（回弹弯沉测定仪）， 并调查路面已承受的累计交通量，经整理分析后得出。 其值与路面等级、类型、轴载、累计交通量等有关。可根据不 同的破坏状态由经验公式计算。 使用年限t—累计交通量Ne—破坏状态—容许回弹弯沉值lR
弹性三层体系表面弯沉系数αL诺模图
由于力学计算模型（弹性层状体系理论）与实际路面存 在差异，各种假设、边界条件、接触条件等与实际情况 不完全相符，以及土基、路面材料的非线性等因素，使 理论弯沉值和实测弯沉值之间存在一定误差，因此需要 对理论弯沉值进行修正，故引入一个修正系数F。
实际弯沉值
§10－5 新建柔性路面结构层计算
进行路面结构组合设计后，尚需进行结构层厚度计算， 以判断结构层整体强度是否满足设计标准要求。 我国在多年研究和实践的基础上，采用以双圆均布荷载 作用下的弹性层状弹性理论为基础的路面结构厚度计算 方法。要求所设计的新路面结构在标准轴载作用下，双 轮轮隙中心处路表最大回弹弯沉值不应大于容许回弹弯 沉值，即ls≤lR. 其中，路表最大回弹弯沉值ls通过弹性层状体系理论计 算；容许回弹弯沉值lR.采用调查试验提出的经验公式 计算。
将公路沥青路面按外观特征分为五级。并把第四外观等级作为路面临界 破坏状态，以该级路面的弯沉值的低限作为临界状态的划界标准。
我国有关部门进行了广泛的调查，所调查路面的公路等级包括高速公路、 一级公路、二级公路和三级公路。面层类型有沥青混凝土、沥青碎石、上拌 下贯沥青面层和沥青表面处治；基层类型有水泥稳定砂砾、二灰碎石（砂 砾）、石灰水泥砂砾、碎石灰土、灰土碎石等半刚性基层及少量级配碎石等 柔性基层，交通量换算为BZZ－100标准累计轴次的范围为27×104～ 1470×104。统计回归得lR计算公式： 0.204
式中：F－弯沉综合修正系数； AF－参数，BZZ-100时， AF＝1.47； BZZ-60时， AF＝1.50。
E0ls 0.38 F AF ( ) 2 p
2 p ls l F L F E1
4、多层体系厚度等效换算
（1）路表弯沉等效换算
n 1 2 .4
H hi
设计原则
设计原则
（3）考虑结构层自身结构特征 注意相邻层次的相互影响，尽量避免和消除相邻层次间的不 利影响。例如，沥青面层不能直接铺筑于碎（砾）石基层上， 而宜在其间设沥青碎石作过渡层，以防止由于基层的松动而造 成面层不平整或变形开裂。又如，在无机结合料稳定类半刚性 基层上铺筑沥青混凝土，为防止和减缓基层干缩和温缩开裂而 引起面层反射裂缝，通常宜适当加厚面层，或者设置沥青碎石、 级配碎石等联结层。此外，在软弱潮湿的路基上，不宜直接铺 筑碎（砾）石基层，以防止污染基层或产生过大的变形。
4、沉陷 沉陷是指路面在荷载作用下，其表面产生较大的凹陷变形，有时凹陷两侧伴有 隆起现象出现。严重时，超过路面结构的变形能力会产生纵向裂缝，并逐 渐发展成网裂。 原因：路基土水文条件差，承载能力较低。 5、泛油、推移（拥包） 面层混合料中沥青含量偏多或空隙率太小（＜3％）时，沥青会在夏季高温天 气下受行车荷载的作用而溢出路表面，形成一层有光泽的沥青膜，称为泛 油。 这种沥青混合料的抗剪强度往往较低，在受到较大的车轮水平荷载作用时，面 层材料会沿行车方向发生剪切或拉裂破坏而出现隆起甚至波浪现象，即为 推移或拥包。多发生在车辆启动、制动频繁路段，如交叉口、停靠站及弯 道处。 6、松散、坑槽 由于面层材料组合不当或施工质量原因，结合料含量太少或粘结力不足，使面 层混合料的集料间失去粘结而成片散开，称为松散。 松散的材料被车轮后的真空吸力及风、雨等原因带离路面，便形成大小不等的 坑槽；路面网裂后期，碎块被行车荷载继续碾碎并被带离路面，也会形成 坑槽。
三、柔性路面结构组合示例
路面结构组合应该根据公路等级和交通量，结 合当地水文地质和气候情况、土基状况、筑路材料 以及已有的路面结构状况和使用经验，参照路面组 合原则，拟定几个满足各方面要求的路面组合方案， 以供进一步的结构厚度计算之用，从而通过最终技 术经济比较获得最优化的路面结构。
路面结构形式
§10－4柔性路面结构组合设计
沥青路面是一种多层结构。如何正确合理地选择路 面结构层层次及材料组成，是路面结构设计首先面临 的问题，也是决定路面是否能在设计使用期完成其正 常使用功能的关健。 路面结构组合应该结合交通荷载、环境因素和当地 筑路材料等条件，从技术经济角度出发，选择经济合 理的路面结构体系，以充分发挥路面各层及结构的整 体效能。
1、疲劳开裂 疲劳开裂是指路面在正常使用情况下，由行车荷载的多次重复作用引起的 沿行车轮迹带的纵向平行裂缝。开始细而短，逐渐发展成网裂。 原因：沥青面层受到荷载反复弯曲作用下，当在面层底面产生的弯拉应力 超过材料的疲劳强度时，底面便开裂，并逐渐向表面发展。 2、反射裂缝和低温开裂 低温开裂是指寒冷地区，面层材料本身在低温时的收缩受到阻碍时会产生 较大的拉应力，当拉应力超过材料的弯拉强度时，面层便会出现横向 断裂（与荷载无关）。 反射裂缝是指稳定类基层因温度变化产生横向裂缝并反映到面层，使面层 每隔一定距离也出现横向裂缝。 反射裂缝和低温开裂初期较细小，不影响行车，但在水份侵蚀下，缝隙会 逐渐加大发展成网裂等其他破坏。 3、车辙 车辙是指在行车轮迹带处出现的纵向带状凹陷，属于累积永久变形，一般 较两侧路面凹陷10～20mm。 原因：路面长期使用下荷载多次重复作用的结果。累积变形量与荷载大小、 重复作用次数、结构层类型及土基的性质有关。
我国柔性路面设计规定选取以下三项指标作为沥青路面设计 标准： l R lS 1、容许回弹弯沉指标 2、容许弯拉应力指标 R R 3、容许剪应力指标 上述指标中实际值和容许值的偏差应控制在5％以内。容许 值采用经验公式计算；实际值通过弹性层状体系理论计算。 适用范围： 我国城市道路柔性路面设计采用上述三项指标进行控制，公 路设计中暂未考虑容许剪应力指标的验算。 1、对沥青混凝土面层采用三项指标设计，但交通量小的支路可 仅用容许回弹弯沉设计。 2、对沥青碎石面层采用容许弯沉和容许剪应力两项指标设计。 3、对沥青贯入式、沥青表处、粒料路面，只用容许回弹弯沉指 标设计。 4、采用半刚性基层时，应对基层按容许弯拉应力指标设计。
设计原则
（4）考虑不利水温状况的影响 一般应选择水稳定性好的材料作沥青路面的基层，特别是中湿和潮湿路段。 在冻深较大的季节性冰冻地区，当路基土为易冻胀土时，尚应考虑冻胀和 翻浆的危害。路面总厚度的确定，除了要满足力学强度的要求外，还应满足 防冻层厚度的要求。
二、设计步骤
1、根据道路等级选择路面等级与类型； 2、考虑远近期的结合； 3、考虑当地自然条件与路基的干湿类型； 4、考虑材料来源及施工条件； 5、按照以上设计原则初步拟定几个结构组合方案； 6、初拟各层厚度（其中一层待求）； 7、进行方案比较，确定方案。
二、设计指标及适用范围 由于沥青路面破坏模式和原因较为复杂，因此应选 择既能反映沥青路面主要破坏特点，同时又能在路面 结构设计中起到控制作用的临界破坏状态和设计标准。 上述损坏模式中，有些是由于面层材料组合不当或 施工、养护质量欠佳而引起的（如松散、泛油），不 属于结构设计考虑范围；有些损坏（如沉陷）可通过 改善路基水温状况和加设垫层等措施来解决；还有些 损坏（如反射裂缝）可通过合理的材料组合设计和结 构措施，减轻或避免其危害程度。 目前，国内外的设计方法均以开裂和变形为沥青路面 的两大主要破坏模式。
2、三层体系计算图式
3、计算公式
l
2 p L E1
L k1k2～(h , H , E2 E1, E0 E2 )
式中：l－按三层弹性层状体系理论计算的，双圆均布荷载 作用下双轮轮隙中心处路表理论回弹弯沉值（cm）； E1、E2、E0－三层体系中上层、中层材料及路基的抗压 回弹模量，Mpa； h、H－三层体系中上层、中层材料的厚度，cm； δ－双圆均布荷载的当量圆半径，cm； αL－理论弯沉系数，可由诺模图查得。
一、路表回弹弯沉值ls计算
1、理论假设 将路面结构视为弹性半空间地基上由若干个具有一定厚度 材料组成的弹性层状体系，假设： ①各路面结构层由均质、连续的、均匀的、各向同性的线 弹性材料组成，各层的力学特性用弹性模量E、泊松比μ 、 厚度h表示； ②最下一层为水平方向和竖直向下方向无限延伸的半无限 体。其上各层在水平方向为无限大，但竖向具有一定厚度 ； ③路面材料的应力和应变呈直线关系；各层在水平方向无 限远处及最下层无限深处的应力、变形和位移为零； ④各路面结构层分界面上的应力和位移完全连续（称连续 体系），或者仅竖向应力和位移 连续，而层间无摩擦力 （称滑动体系）； ⑤不计各层材料自重。 ⑥将标准轴载一侧的双轮组荷载简化成两个圆形均布荷载。