沥青路面设计步骤全解

（三）拟定结构层组合与各层材料选择
1、结构组合设计基本原则
设计原则： 根据各结构层功能组合和强度组合 合理的层间组合 在各种自然因素作用下稳定性好 考虑适当的层数和厚度
三 层 式 面 层
细粒式 中粒式
粗粒式
结构示意图
山西太原至旧关高速公路全长140.7公里，路线所 经地区为山西黄土高原与太行山脉两大地貌地带， 横跨地势平缓的汾河河谷平原，穿越冲沟发育、 切割严重的重丘区，进入山势陡峻、高差悬殊的 山岭区，沿线地形极为复杂，工程条件十分困难， 是我国最早进入山岭重丘区的高速公路。太旧高 速公路1993年6月破土动工，于1996年6月25日 全线通
路面改造方案及新老路面拼接
新建路面结构
半刚性基层的强基 厚面式路面，既有半刚 性基层整体性强的优点， 又通过加大面层厚度抑 制了半刚性基层裂缝对 面层的影响，故值得继 续推广应用。
SMA13 SUP20
(4cm) (8cm)
SUP25
(8cm)
(36cm) (20cm)
水稳碎石 水稳再生料
1、结构组合设计原则
3、累计当量轴次
设计年限内一个方向上一个车道的BZZ-100累计当量轴次 Ne表示：
表1 车道系数
车道特征
Ne [(1 ) t 1] 365
车道系数 1.0

N1
单车道
两车道
四车道 六车道 八车道
0.6~0.7
0.4~0.5 0.3~0.4 0.25~0.35
4、确定交通等级
2、结构组合设计的基本步骤：
1）沥青面层结构
（1）沥青面层分层 沥青面层直接经受车轮荷载反复作用和各种自然因素的影响， 并将荷载传递到基层及以下的结构层。沥青面层可分为单层、 双层、三层结构。双层结构分为表面层、下面层；三层结构分 为表面层、中面层、下面层。 表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、抗裂耐久的性能；中、下 面层应具有高温抗车辙、抗剪切、密实、基本不透水的性能； 下面层应具有耐疲劳开裂的性能。 高速公路、一级公路一般选择三层沥青面层结构；二级、三级 公路一般选用双层结构；三级、四级公路一般可采用双层沥青 表面处治结构。
沥青路面为1.6。
2 沥青路面的设计指标
（2）允许拉应力 R 高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和整体性材料基
层、底基层，要进行层底拉应力验算，结构层底面计算点的拉应力 m 应
小于或等于结构层材料的允许拉应力 R 。即 。
m R
Ks 式中： R —路面结构层材料的容许拉应力，MPa；
（1-1）
N e —设计年限内一个车道上累计当量轴次； Ac —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；
As —面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌和冷拌沥青碎石、
沥青贯入式路面（含上拌下贯式路面）、沥青表面处治为1.1；
Ab —路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1，柔性基层
（一） 计算累计当量轴次，确定交通等级 （二）确定土基干湿类型、回弹模量 （三）拟定结构层组合与各层材料选择 （四）确定材料抗压回弹模量 （五）按设计弯沉计算路面厚度 （六）确定路面材料抗拉强度（先判断是否验算拉力） （七）验算层底拉应力 （八）判断路面结构总厚度≥防冻厚度？ （九）技术经济比选，确定采用的路面结构
？指标确定的依据
1.沥青路面的破坏状态
（1）沉陷 在车轮作用下路表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有 隆起现象。当沉陷严重时，在结构层受拉区产生开裂而形成纵裂， 造成路面沉陷的主要原因是路基土的压缩，当路基土的承载能力较 低，不能承受从路面传至路基表面的车轮压力，便产生较大的垂直 变形即沉陷。
2、结构组合设计的基本步骤：
（2）沥青面层类型
面层类型应与公路等级、使用要求、交通等级相适应。热拌沥青混 凝土可用于各级公路的面层；热拌沥青碎石混合料可用于二、三级公路 的面层；贯入式沥青碎石（含上拌下贯式沥青碎石）可用于二、三、四 级公路的面层；沥青表面处治、可用于三、四级公路的面层；冷拌沥青 混合料可用于交通量小的三、四级公路的面层。
弯拉疲劳
剪切疲劳
图3 沥青路面疲劳开裂实况
1.沥青路面的破坏状态
低温缩裂：是某些整体
性结构层在低温时由于 收缩受限而产生较大拉
应力，超过相应条件下
的抗拉强度时就产生开 裂。 （4）推 移 图4 沥青路面与缘石的裂缝实况 受到较大的车轮水平荷载作用时，路面表面出现推挤和拥 包。车轮荷载引起的垂直力和水平力的综合作用，使结构层内 产生的剪应力超过材料的抗剪强度。同时也与行驶车轮的冲击、 振动有关。
K
2）以半刚性基层层底拉应力为指标时，轴载换算公式：
Pi 8 ni( ) N C1 C 2
K i 1

P
式中： N ── 标准轴载的当量轴次（次/日）； C1 ── 轴数系数；C1=1＋1.2（m－1） m ── 轴数。 C2 ── 轮组系数, 双轮组为1, 单轮组为6.4 , 四 轮组为0.38。
图1 路面沉陷示意图
1.沥青路面的破坏状态
（2）车辙 路面的纵向带状凹陷，是高级沥青路面的主要破坏型式，是路面 的结构层及土基在行车重复荷载作用下的补充压实，以及结构层材 料的侧向位移产生的累积永久变形，这种变形出现在行车轮带处， 即形成路面的纵向带状凹陷。
图2 沥青路面车辙
1.沥青路面的破坏状态
新建沥青路面结构厚度设计程序框图
搜集调查交通量并 计算累计标准轴次 根据交通、道路设计等 级等资料计算设计弯沉
气象资料、材料调 查及混合料试验
确定土基干湿类 型、回弹模量
拟 定 路 面 结 构 方 案 确定材料抗压回弹模量 确定路面材料抗拉强度 按设计弯沉计算路面厚度 确定容许疲劳拉应力σ 是否验算拉力 否 总厚度≥防 冻厚度？ 是否验算防冻厚度 合格 否 是否有其他方案 否 技术经济比选，确 定采用的路面结构 满足
1、结构组合设计原则
4）在各种自然因素作用下稳定性好 沥青路面经受着自然环境因素——水、温度的 考验。水温状况对沥青路面的影响很大，对于季 节性冰冻地区的中湿和潮湿路段，要考虑冻胀与 翻浆的危害。 当按强度计算的路面结构层总厚度小于最小防 冻厚度时，应增加防冻垫层，以满足最小防冻厚 度要求。防冻垫层可用水稳定性好而强度较低的 地方材料如炉渣、砂砾、碎石等。
2、车辆轴载换算：
1）当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时， 轴载换算公式：
Pi 4.35 N C 1 C 2ni( ) P i 1
式中：N ── 标准轴载的当量轴次（次/日）； C1 ── 轴数系数；C1=1＋1.2（m－1） m ── 轴数。 C2 ── 轮组系数, 双轮组为1, 单轮组为 6.4 , 四轮组为0.38。
1.沥青路面的破坏状态
（5）松散剥落
指沥青从矿料表面脱落，在车辆荷载作用下呈松散状态，从路面剥落形成凹坑。 其主要原因是沥青与矿料之间的粘附性较差，在水和冰冻的作用下，沥青从矿 料表面剥离。 另外沥青混合料加热温度过高使沥青老化失去粘性，摊铺后压实温度过低使沥 青面层空隙率太大，路表水容易渗入而使沥青面层出现松散。
1、结构组合设计原则
2）合理的层间组合
层间结合应尽量紧密，避免产生层间滑移，以保证结构 的整体性和应力分布的连续性。 例如：在半刚性基层上修建沥青面层时，由于基层材料的 干缩和温度开裂，会导致面层相应地出观反射裂缝。为了防 止或尽可能减轻反射裂缝的出现，往往采用一些措施。
3）考虑适当的层数和厚度 层数不宜过多，在满足各方面要求的条件下， 层数应尽可能地少，材料变化也不宜频繁。 从强度和造价上考虑，各结构层层厚宜自上而 下由薄到厚 。
在设计新建路面时，路基尚未修筑，无法用承载板法测土基回 弹模量，常用查表法确定。 用查表法确定土基回弹模量的步骤如下： (1)确定临界高度 根据路线所经地区的自然区划和路基土组由路基临界高度参考值表 确定临界高度H1、H2、H3。 (2) 判断土基的干湿类型 根据路基填挖情况、路面的估计厚度、地下水位或地表长期积水位， 由土基干湿类型表，从而判断各路段土基的干湿类型。 (3)拟定土的平均稠度 根据自然区划，路基土组和路基干湿类型查土基干湿状态的稠度建 仪值表，得到各路段土的平均稠度值。 (4)预测土基回弹模量 根据土类和自然区划以及拟定的路基土的平均稠度，参考表预测土 基回弹模量值。
交通等级
轻交通 中等交通 重交通 特重交通
BZZ-100累计标准轴次
＜3×106 3×106 ~ 1.2×107 1.2×107 ~ 2.5×107 ＞2.5×10
（二）确定土基干湿类型、回弹模量
土基回弹模量是指土基在荷戴作用下产生的应 力与其相应的回弹应变的比值。 新建公路初步设计时，土基回弹模量值一般有 查表法、实测法（承载板法）、换算法三种方法。 查表法-----通过对现有公路调查路基的土质、地下水、 积 水、路基填土高度等因素与路基回弹模量的关系，提出 不同环境条件下E0值。 取土样制试件，在测定规定压实度下的抗压回弹模量，建 立路基土的含水量、压实度、抗压回弹模量相关关系， 预估土基模量值。 路基施工后，现场检验用承载板φ=30cm，测定压力、 变 形曲线，计算土基模量值； 或用后轴重100KN的汽车， 测定路基弯沉值。
（3）开裂 是沥青路面常见的一种破坏形式，最初在荷载作用部位形成细而短的 横向开裂，继而逐渐扩展成网状 。 按其分布形式有纵裂、横裂、网裂；按其产生的原因，主要有疲劳开裂、 低温缩裂。 疲劳开裂：是路面在正常使用情况下受车轮荷载的反复弯曲作用，使结构 层底部产生的拉应变超过材料的疲劳强度而开裂，并逐步向表面发展。疲 劳开裂的特点是，路面无明显的永久变形。
本着“路基稳定、基层坚实、面层耐用”的要求， 把路基（土基）、垫层、基层和面层作为一个整体， 进行路基路面综合设计 。 1）根据各结构层功能组合和强度组合
轮载作用于路面表面，其竖向应力和应变随深度而递减， 因而对各层材料的强度（模量）的要求，也可随深度而相 应减少，因此，路面各结构层应按强度自上而下递减的方 式组合
R
sp
（1-2）
sp —结构层材料的极限抗拉强度，MPa，由实验确定。
我国公路沥青路面设计规范采用极限劈裂强度；
K s —抗拉强度结构系数；
2 沥青路面的设计指标
对沥青混凝土面层
Ks 0.09.Ne0.22 / Ac
对无机结合料稳定集料类
（1-3a）
K s 0.35N e0.11 / Ac
沥青剥落
混合料松散 图5 沥青路面水损害实况
坑洞
2 沥青路面的设计指标
（1）设计弯沉值 路面弯沉:是在垂直荷载作用下，路表产生的垂直变形。路面设计弯沉值是 表现路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据。
ld 600Ne Ac As Ab
式中：l d —路面设计弯沉值(0.01mm)；
2
不 合 格
R
验算
计算层底拉应ห้องสมุดไป่ตู้σm σm≤σ R？ 不满足 是 是否增加厚度 否 是否调整材料 是
有
（一） 计算交通量（累计当量轴次），确定路面等级 1、标准轴载（P187） 标准轴载： 规定：路面设计以双轮组单轴轴重100KN为标 准轴载，以BZZ-100表示。
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
对无机结合料稳定土类
（1-3b）
K s 0.45N e0.11 / Ac
式中：
（1-3c）
Ac —公路等级系数。
三、沥青设计的内容
1、原材料的选择，材料组成设计 2、路面结构层组合设计（★） 3、结构层厚度计算（★） 4、路面排水设计 5、路面结构方案比选
四、新建沥青路面结构厚度设计的基本步骤
沥青路面
一、沥青路面的设计方法和理论
设计方法的分类 1、经验，半经验法——使用经验或试验路结果为依 据 2、理论法——以弹性理论为基础，并由试验确定计 算参数的力学方法，综合考虑了车辆荷载，交通 量，环境因素以及材料特性影响。 我国沥青路面设计方法属于第2种
二、我国沥青路面的设计理论
公路沥青路面设计规范采用双圆垂直均布荷载作 用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为 路面整体刚度的设计指标，计算路面结构层厚度。 对高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土 面层和半刚性材料基层、底基层应进行弯拉应力 验算。 用多层弹性体系理论进行路面结构计算时，应考 虑各层间接触的条件。我国现行规范采用完全连 续体系为层间接触条件。