B04第十四章 沥青路面设计-全
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双向六车道 双向八车道
0.3－0.4 0.2-0.3
《路基路面工程》
公路无分隔时，路面窄取高值，路面宽取低值
§14-1 概述P377-380
例题：根据下表提供的资料进行路面结构设计的交通量轴载换算, 并分别适用于沥 青路面设计和刚性路面设计(沥青路面设计寿命为15年, 刚性路面设计寿命为30年), 要求分别列出计算公式, 列表计算轴载换算系数和计算累计标准轴载作用次数。 交通车型 代表车型 前轴重 (KN) -12.8 24.2 13.4 21.0 23.6 48.3 25.7 62.0 60.0 20.0 后轴重 (KN) -27.6 70.4 27.4 70.4 69.3 100.3 70.1×2 119.0×2 100-80×2 8-8 后轴数 后轴轮 组数 -2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 交通量 辆/日 3000 700 500 3000 600 1000 800 500 200 40 30
《路基路面工程》
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
一、基本假设与解题方法 基本假设：
1）各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的，以及 位移和形变是微小的； 2）最下一层在水平方向和垂直向下方向为无限大， 其上各 层厚度为有限、水平方向为无限大； 3）各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处，其应 力、形变和位移为零； 4）层间接触情况，或者位移完全连续（称连续体系），或者 层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力（称滑动体系）； 5）不计自重。
《路基路面工程》
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§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
（四）适应复杂受力条件
1）提高基层模量和厚度可以显著降低路基压应力，模量的影响大于厚 度 2）对路面弯沉的影响，路基模量>基层模量>基层厚度> 面层模量>面层 厚度
《路基路面工程》
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
解题方法：
求解时，将车轮荷载简化为圆形均布荷载（垂直荷载与水平荷载），并在圆柱坐标 体系中分析各分量。
《路基路面工程》
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
轴对称弹性体： 弹性体的几何形状、约束条件、承受荷载都对 称于某轴(通过该轴的任意平面均对称)，并且所 有的应力、应变和位移也对称于该轴。其变量 只与r和z相关，与θ无关。
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1）当以弯沉进行厚度设计及沥青层层底拉应力验算时
P N C1C2 n1 1 i 1 PS
k
4.35
不计25KN以下轴载
交通 车型 小客车
中客车 大客车 特大车 拖挂车
代表车型
红旗小客车 金杯SY132 解放CA340 东风EQ144 五十铃 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 中轴 后轴
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§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
（二）适当的层数和层厚
结构层数既要体现强度和刚度沿深度递减的规律 ，又要 考虑施工工艺、材料规格和强度形成原理 根据公路等级、交通量大小、重车所占的比例、选用沥 青质量等因素，综合考虑确定沥青层厚度 基层、底基层厚度应根据交通量大小、材料力学性能和 扩散应力的效果，发挥压实机具的功能以及有利于施工 等因素选择 各类结构层具有满足施工要求的最小厚度和适宜厚度
第十四章 沥青路面设计
§14-1 概述
§14-2 弹性层状体系理论简介
§14-3 沥青路面结构组合设计
§14-4 我国沥青路面设计方法
§14-5 国外沥青路面设计方法简介(自学)
《路基路面工程》
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§14-1 概述P377-380
沥青路面：是在柔性基层、半刚性基层上，铺筑一 定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。 设计任务：确定技术经济合理的路面结构，使之能 承受交通荷载与环境因素的作用。并在预定的 使用期限内处于设计状态。 一、设计内容
500
40
《路基路面工程》
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§14-1 概述P377-380
4.交通等级
交通等级 低交通 轻交通 代号 A型 B型 BZZ-100累计 轴重大于等于 标准轴次(万 40KN累计轴 次/车道) 次(辆/日/车道) <150 150-400 <300 300-1000
中交通
重交通 特重交通
§14-1 概述P377-380
2）当进行半刚性基层层底拉应力验算时
P N C1C2 n1 1 i 1 PS
k
8
不计25KN以下轴载
C1——轴载系数， C1=1+2（m-1),m是轴数
C ——轮组系数，单轮组为1.85，双轮组为1.0，四轮组为0.09
公 路 等 级
三级公路 四级公路
沥青层推荐厚度（cm）
2-4 1-2.5 上级 上页 下页
§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
（三）考虑水温状况的影响
1.潮湿路段及中湿路段沥青路面的基层一般应选择水稳定性好的材 料 2.在季冻地区，当冻深较大，路基土为易冻胀土时，路面结构中应 设置防止冻胀和翻浆的垫层。路面总厚度的确定，除满足强度要求 外，还应满足下表防冻厚度的要求 3.基层易于冲刷或路基路面排水不良应在面层中最少使用一层不透 水的沥青混合料。
《路基路面工程》
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Βιβλιοθήκη Baidu
h1
A
E1 μ1
p h1
E1 μ1
p
B D E C
hn
En-1 μn-1 E0 μ0
A
hn
En-1 μn-1 E0 μ0
B D E C
路表弯沉值计算图式
层底拉应力计算图式
2
h1 hn D
2
E1 μ1
0.9
En-1 μn-1 E0 μ0
剪应力计算图式
1.0
4.0 6.0 1.0 15.0 15.0 15.0 8 8 10
1.0-1.5
4-8 6-10 层铺1-3，拌和2-4 16-20 16-20 16-20 10-15 10-15 10-12
公 路 等 级
高速公路 一级公路 二级公路 《路基路面工程》
沥青层推荐厚度（cm）
12-18 10-15 5-10
小客车 中客车 大客车 小货车 中货车
大货车 特大车 拖挂车 大中型拖拉机
红旗小客车 金杯SY132 解放CA340 北京BJ130 解放CA15 东风EQ140 黄河NJ151 东风EQ144 红岩 CQ30290 五十铃
-1 1 1 1 1 1 2 2
3 2
《路基路面工程》
注: a. 拖挂车: 前轴60KN 中轴100KN 后轴2×80KN；b. 昼夜交通量为双向车道年平均日通 行车辆数；c. r=8％；d.按高速公路考虑
《路基路面工程》
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§14-1 概述P377-380
3.设计年限内累计交通量
或
365 N1 t Ne [(1 ) 1] 365 Nt Ne [(1 )t 1] (1 )t 1
——车道系数
双向单车道 双向双车道 双向四车道 1.0 0.6－0.7 0.4－0.5
《路基路面工程》
C型
D型 E型
400-1200
1200-3000 >3000
1000-4000
4000-10000 >10000
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
沥青路面在力学性质上属于非线性的 弹－粘－塑性体，但是考虑到行驶车 轮作用的瞬时性，在路面结构中产生 粘－塑性变形数量较少，对于厚度较 大、强度较高的高等级路面，将其视 作线性弹性体，并应用弹性层状体系 理论进行分析计算将是合适的。
查图14-4
Le 2h 4h Me 2h
J1 h
d
《路基路面工程》
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
二、主应力计算
1 2 3 0
3 2
求解：
1 2 3
最大剪应力：
1 max＝ ( 1－ 3 ) 2
《路基路面工程》
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§14-1 概述P377-380
我国沥青路面设计规范规定沥青路 面设计理论为弹性层状体系理论。 弹性层状体系是由若干个弹性层组 成，上面各层具有一定厚度，最下 一层为弹性半空间体 设计方法概述 力学模型－双圆垂直均布荷载作用下的 多层弹性层状体系 路面整体刚度设计指标－设计弯沉值 路面抗弯拉验算指标－层底容许拉应力 路面抗剪验算指标－面层容许剪应力
《路基路面工程》
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
平衡方程（14-7）式
物理方程（14-8）式 应力应变关系
几何方程（14-9）式 位移、应变关系
联合上述方程求解：
分离变量法、汉克尔变换法
(r1 Z )
0
A BZ e
Z
(C DZ )e Z J 0 (r )d
D
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§14-1 概述P377-380
四、交通等级
1.路面设计年限
公路等级及其功能 高速公路 设计年限 20
一级公路（干线功能）
一级公路（集散功能） 二级公路 三、四级公路
15 10
《路基路面工程》
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§14-1 概述P377-380
2.标准轴载及轴载当量换算
标 准 轴 载 标准轴载P（kN） 轮胎接地压强p（MPa） 单轮传压面当量圆直径d（cm） 两轮中心距（cm） BZZ—100 100 0.70 21.30 1.5d
结构层材料选择、混合料配合比设计、设计参 数的测试与确定、路面结构层组合与厚度计算， 路面结构方案必选，以及路面排水系统设计和 路肩加固等设计。
《路基路面工程》
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§14-1 概述P377-380
二、设计原则
三、设计理论与方法
（一）经验法
CBR法、AASHTO法为代表
（二）理论法 Shell法、AI法、前苏联运输工程部方法以及我国 沥青路面设计方法为代表
《路基路面工程》
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§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
结构组合的原则:
（一）适应行车荷载作用的要求
各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律安排，以使各结构层材料的效 能得到充分发挥。
z
半无限体的应变
z、E
Z f ( z)
容许应变
Z f ( z)
Z
《路基路面工程》
《路基路面工程》
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§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
粗粒式
中粒式 细粒式 沥青石屑
结构层类型
施工最小厚度（cm）
结构层的适宜厚度（cm）
5.0
4.0 2.5 1.5
6-8
4-6
沥青混凝土 热拌沥青碎石
2.5-4 1.5-2.5
沥青砂
沥青贯入式 沥青上拌下贯式 沥青表面处治 水泥稳定类 石灰稳定类 石灰工业废渣类 级配碎、砾石 泥结碎石 填隙碎石
轴重 KN <20
12.8 27.6 24.2 70.4 ……. 25.7 70.1×2 60.0 100 80×2
C1
-1 1 1 2.2 1 1 2.2
C2
-1 1 1 1 1 1 1
ni
3000 700 500
Ni
0 0 2.6 1.0 108.6 1.4 234.6 4.3 40 33.3 N=N1+N2+…
k
4.35
不计25KN以下轴载
式中： N——标准轴载的当量轴次，次/日； n1——被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日； PS——标准轴载100KN； Pi——被换算车辆的各级轴载，KN； k——被换算车辆的类型数； C1——轴载系数， C1=1+1.2(m-1),m是轴数。当轴间距大于3米时，按单独的一个轴载 计算，当间距小于3米时，按双轴或多轴计算。 《路基路面工程》 C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。 上级 上页 下页
《路基路面工程》
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§14-1 概述P377-380
沥青路面设计的荷载换算方程
换算原则：等效疲劳：作用在同一结构上的A荷载使其破坏的次数为a； B荷载使其 破坏的次数为b，则（A-a）等效（B-b）
1）当以弯沉进行厚度设计及沥青层层底拉应力验算时
P N C1C2 n1 1 i 1 PS
《路基路面工程》
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
双层连续体系：
h
p E1 ， 1 r E0 ， 0
2 p E0
z
图 14 － 3
双层连续体系受圆面积均布荷载计算图式
1 12 E0 E1
0 1 4 2 h2 ML Me2h L:e 2h
双向六车道 双向八车道
0.3－0.4 0.2-0.3
《路基路面工程》
公路无分隔时，路面窄取高值，路面宽取低值
§14-1 概述P377-380
例题：根据下表提供的资料进行路面结构设计的交通量轴载换算, 并分别适用于沥 青路面设计和刚性路面设计(沥青路面设计寿命为15年, 刚性路面设计寿命为30年), 要求分别列出计算公式, 列表计算轴载换算系数和计算累计标准轴载作用次数。 交通车型 代表车型 前轴重 (KN) -12.8 24.2 13.4 21.0 23.6 48.3 25.7 62.0 60.0 20.0 后轴重 (KN) -27.6 70.4 27.4 70.4 69.3 100.3 70.1×2 119.0×2 100-80×2 8-8 后轴数 后轴轮 组数 -2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 交通量 辆/日 3000 700 500 3000 600 1000 800 500 200 40 30
《路基路面工程》
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
一、基本假设与解题方法 基本假设：
1）各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的，以及 位移和形变是微小的； 2）最下一层在水平方向和垂直向下方向为无限大， 其上各 层厚度为有限、水平方向为无限大； 3）各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处，其应 力、形变和位移为零； 4）层间接触情况，或者位移完全连续（称连续体系），或者 层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力（称滑动体系）； 5）不计自重。
《路基路面工程》
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§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
（四）适应复杂受力条件
1）提高基层模量和厚度可以显著降低路基压应力，模量的影响大于厚 度 2）对路面弯沉的影响，路基模量>基层模量>基层厚度> 面层模量>面层 厚度
《路基路面工程》
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
解题方法：
求解时，将车轮荷载简化为圆形均布荷载（垂直荷载与水平荷载），并在圆柱坐标 体系中分析各分量。
《路基路面工程》
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
轴对称弹性体： 弹性体的几何形状、约束条件、承受荷载都对 称于某轴(通过该轴的任意平面均对称)，并且所 有的应力、应变和位移也对称于该轴。其变量 只与r和z相关，与θ无关。
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1）当以弯沉进行厚度设计及沥青层层底拉应力验算时
P N C1C2 n1 1 i 1 PS
k
4.35
不计25KN以下轴载
交通 车型 小客车
中客车 大客车 特大车 拖挂车
代表车型
红旗小客车 金杯SY132 解放CA340 东风EQ144 五十铃 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 中轴 后轴
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§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
（二）适当的层数和层厚
结构层数既要体现强度和刚度沿深度递减的规律 ，又要 考虑施工工艺、材料规格和强度形成原理 根据公路等级、交通量大小、重车所占的比例、选用沥 青质量等因素，综合考虑确定沥青层厚度 基层、底基层厚度应根据交通量大小、材料力学性能和 扩散应力的效果，发挥压实机具的功能以及有利于施工 等因素选择 各类结构层具有满足施工要求的最小厚度和适宜厚度
第十四章 沥青路面设计
§14-1 概述
§14-2 弹性层状体系理论简介
§14-3 沥青路面结构组合设计
§14-4 我国沥青路面设计方法
§14-5 国外沥青路面设计方法简介(自学)
《路基路面工程》
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§14-1 概述P377-380
沥青路面：是在柔性基层、半刚性基层上，铺筑一 定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。 设计任务：确定技术经济合理的路面结构，使之能 承受交通荷载与环境因素的作用。并在预定的 使用期限内处于设计状态。 一、设计内容
500
40
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§14-1 概述P377-380
4.交通等级
交通等级 低交通 轻交通 代号 A型 B型 BZZ-100累计 轴重大于等于 标准轴次(万 40KN累计轴 次/车道) 次(辆/日/车道) <150 150-400 <300 300-1000
中交通
重交通 特重交通
§14-1 概述P377-380
2）当进行半刚性基层层底拉应力验算时
P N C1C2 n1 1 i 1 PS
k
8
不计25KN以下轴载
C1——轴载系数， C1=1+2（m-1),m是轴数
C ——轮组系数，单轮组为1.85，双轮组为1.0，四轮组为0.09
公 路 等 级
三级公路 四级公路
沥青层推荐厚度（cm）
2-4 1-2.5 上级 上页 下页
§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
（三）考虑水温状况的影响
1.潮湿路段及中湿路段沥青路面的基层一般应选择水稳定性好的材 料 2.在季冻地区，当冻深较大，路基土为易冻胀土时，路面结构中应 设置防止冻胀和翻浆的垫层。路面总厚度的确定，除满足强度要求 外，还应满足下表防冻厚度的要求 3.基层易于冲刷或路基路面排水不良应在面层中最少使用一层不透 水的沥青混合料。
《路基路面工程》
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h1
A
E1 μ1
p h1
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p
B D E C
hn
En-1 μn-1 E0 μ0
A
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En-1 μn-1 E0 μ0
B D E C
路表弯沉值计算图式
层底拉应力计算图式
2
h1 hn D
2
E1 μ1
0.9
En-1 μn-1 E0 μ0
剪应力计算图式
1.0
4.0 6.0 1.0 15.0 15.0 15.0 8 8 10
1.0-1.5
4-8 6-10 层铺1-3，拌和2-4 16-20 16-20 16-20 10-15 10-15 10-12
公 路 等 级
高速公路 一级公路 二级公路 《路基路面工程》
沥青层推荐厚度（cm）
12-18 10-15 5-10
小客车 中客车 大客车 小货车 中货车
大货车 特大车 拖挂车 大中型拖拉机
红旗小客车 金杯SY132 解放CA340 北京BJ130 解放CA15 东风EQ140 黄河NJ151 东风EQ144 红岩 CQ30290 五十铃
-1 1 1 1 1 1 2 2
3 2
《路基路面工程》
注: a. 拖挂车: 前轴60KN 中轴100KN 后轴2×80KN；b. 昼夜交通量为双向车道年平均日通 行车辆数；c. r=8％；d.按高速公路考虑
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3.设计年限内累计交通量
或
365 N1 t Ne [(1 ) 1] 365 Nt Ne [(1 )t 1] (1 )t 1
——车道系数
双向单车道 双向双车道 双向四车道 1.0 0.6－0.7 0.4－0.5
《路基路面工程》
C型
D型 E型
400-1200
1200-3000 >3000
1000-4000
4000-10000 >10000
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沥青路面在力学性质上属于非线性的 弹－粘－塑性体，但是考虑到行驶车 轮作用的瞬时性，在路面结构中产生 粘－塑性变形数量较少，对于厚度较 大、强度较高的高等级路面，将其视 作线性弹性体，并应用弹性层状体系 理论进行分析计算将是合适的。
查图14-4
Le 2h 4h Me 2h
J1 h
d
《路基路面工程》
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二、主应力计算
1 2 3 0
3 2
求解：
1 2 3
最大剪应力：
1 max＝ ( 1－ 3 ) 2
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我国沥青路面设计规范规定沥青路 面设计理论为弹性层状体系理论。 弹性层状体系是由若干个弹性层组 成，上面各层具有一定厚度，最下 一层为弹性半空间体 设计方法概述 力学模型－双圆垂直均布荷载作用下的 多层弹性层状体系 路面整体刚度设计指标－设计弯沉值 路面抗弯拉验算指标－层底容许拉应力 路面抗剪验算指标－面层容许剪应力
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
平衡方程（14-7）式
物理方程（14-8）式 应力应变关系
几何方程（14-9）式 位移、应变关系
联合上述方程求解：
分离变量法、汉克尔变换法
(r1 Z )
0
A BZ e
Z
(C DZ )e Z J 0 (r )d
D
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§14-1 概述P377-380
四、交通等级
1.路面设计年限
公路等级及其功能 高速公路 设计年限 20
一级公路（干线功能）
一级公路（集散功能） 二级公路 三、四级公路
15 10
《路基路面工程》
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§14-1 概述P377-380
2.标准轴载及轴载当量换算
标 准 轴 载 标准轴载P（kN） 轮胎接地压强p（MPa） 单轮传压面当量圆直径d（cm） 两轮中心距（cm） BZZ—100 100 0.70 21.30 1.5d
结构层材料选择、混合料配合比设计、设计参 数的测试与确定、路面结构层组合与厚度计算， 路面结构方案必选，以及路面排水系统设计和 路肩加固等设计。
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§14-1 概述P377-380
二、设计原则
三、设计理论与方法
（一）经验法
CBR法、AASHTO法为代表
（二）理论法 Shell法、AI法、前苏联运输工程部方法以及我国 沥青路面设计方法为代表
《路基路面工程》
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§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
结构组合的原则:
（一）适应行车荷载作用的要求
各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律安排，以使各结构层材料的效 能得到充分发挥。
z
半无限体的应变
z、E
Z f ( z)
容许应变
Z f ( z)
Z
《路基路面工程》
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§14-3 沥青路面结构组合设计P385-389
粗粒式
中粒式 细粒式 沥青石屑
结构层类型
施工最小厚度（cm）
结构层的适宜厚度（cm）
5.0
4.0 2.5 1.5
6-8
4-6
沥青混凝土 热拌沥青碎石
2.5-4 1.5-2.5
沥青砂
沥青贯入式 沥青上拌下贯式 沥青表面处治 水泥稳定类 石灰稳定类 石灰工业废渣类 级配碎、砾石 泥结碎石 填隙碎石
轴重 KN <20
12.8 27.6 24.2 70.4 ……. 25.7 70.1×2 60.0 100 80×2
C1
-1 1 1 2.2 1 1 2.2
C2
-1 1 1 1 1 1 1
ni
3000 700 500
Ni
0 0 2.6 1.0 108.6 1.4 234.6 4.3 40 33.3 N=N1+N2+…
k
4.35
不计25KN以下轴载
式中： N——标准轴载的当量轴次，次/日； n1——被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日； PS——标准轴载100KN； Pi——被换算车辆的各级轴载，KN； k——被换算车辆的类型数； C1——轴载系数， C1=1+1.2(m-1),m是轴数。当轴间距大于3米时，按单独的一个轴载 计算，当间距小于3米时，按双轴或多轴计算。 《路基路面工程》 C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。 上级 上页 下页
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§14-1 概述P377-380
沥青路面设计的荷载换算方程
换算原则：等效疲劳：作用在同一结构上的A荷载使其破坏的次数为a； B荷载使其 破坏的次数为b，则（A-a）等效（B-b）
1）当以弯沉进行厚度设计及沥青层层底拉应力验算时
P N C1C2 n1 1 i 1 PS
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§14-2 弹性层状体系理论简介P380-385
双层连续体系：
h
p E1 ， 1 r E0 ， 0
2 p E0
z
图 14 － 3
双层连续体系受圆面积均布荷载计算图式
1 12 E0 E1
0 1 4 2 h2 ML Me2h L:e 2h