路基路面第十四章

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第十四章 沥青路面设计
第十四章
沥青路面设计
目录
第一节
第二节
第三节
第四节
第五节
概述
弹性层状体系理论简介
沥青路面结构组合设计
我国沥青路面设计方法
外国沥青路面设计方法简介
14.1 概述
一、沥青路面设计的内容:
 原材料的调查与选择
 沥青混合料配合比
 基层材料配合比设计
 各项设计参数的测试与选定
 路面结构组合设计
 路面结构层厚度验算
 路面结构方案的比选
二、沥青路面设计的原则






结合实践经验,综合设计
因地制宜、合理选材、方便施工、利于养
护、节约投资
推广科研成果,利用新材料、新技术、新
工艺
环境保护、生态平衡
机械化、工厂化施工
对于地处不良地基的路段,可采用一次设
计、分期修建的原则
三、沥青路面结构设计理论与方法
古典设计法
经验法———AASHTO法;CBR法;大型
试验路法
力学——经验法:AI法;SHELL法;中
国法;
优化设计法———正在进行研究;




解放前:CBR
解放后:借用苏联公式、参数
1956-1966-1978-1986-19972006
双层诺谟图、路表弯沉——三层诺谟图、
弯沉、弯拉验算、抗弯拉模量、抗弯拉强
度——APDS、弯沉、弯拉验算、抗压模
量、劈裂强度——弯沉、弯拉应力做设计
指标、参数取值有所调整
我国公路沥青路面设计采用弹性层状体系
作力学分析基础理论,以双圆垂直均布荷
载作用下的路面整体沉降(弯沉)和结构
层的层底拉应力作为设计指标,以疲劳效
应为基础,处理轴载标准化转换与轴载多
次重复作业效应。
四:沥青路面交通等级
1、路面设计年限:表14-1
在计算累计当量轴次时取用的基准时间

城市道路设计年限
道路交通量达到饱和状态时的设计年限。一般规定:快速路、
主干路为 20 年;次干路为 15 年;支路为 10 年~ 15 年。
2、标准轴载及轴载当量换算




路面设计时使用累计当量轴次的概念。但路上行
驶的车辆类型很多,所以必需选定一种标准轴载,
把不同类型轴载的作用次数换算为这种标准轴载
的作用次数。
当量轴次:按弯沉等效或拉应力等效的原则,将
不同车型、不同轴载作用次数换算为与标准轴载
100KN相当的轴载作用次数
累计当量轴次:在设计年限内,考虑车道系数后,
一个车道上的当量轴次总和
我国路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴
载,以BZZ—100表示。标准轴载的计算参数按
表14—2确定。
标准轴载计算参数
标 准 轴 载
表14-2
BZZ—100
标准轴载P(kN)
100
轮胎接地压强p(MPa)
0.70
单轮传压面当量圆直径d(cm)
21.30
两轮中心距(cm)
1.5d

当把各种轴载换算为标准轴载时,为使换算前后
轴载对路面的作用达到相同的效果,应该遵循两
项原则:第一,换算以达到相同的临界状态为标
准,即对同一种路面结构,甲轴载作用N1次后路
面达到预定的临界状态,路面弯沉为L1,乙轴载
作用使路面达到相同临界状态的作用次数为N2,
弯沉为L2,此时甲乙两种轴载作用是等效的,则
应按此等效原则建立两种轴载作用次数之间的换
算关系;第二,对某一种交通组成,不论以哪种
轴载的标准进行轴载换算,由换算所得轴载作用
次数计算的路面厚度是相同的。

当以设计弯沉值为设计指标及沥青层层底
拉应力验算时,凡轴载大于40kN的各级
轴载(包括车辆的前、后轴)Pi的作用次
数ni,均按公式(14-1)换算成标准轴
载P的当量作用次数N。
 pi 
N   C1C 2 ni  
i 1
 p
k
4.35







N ——标准轴载的当量轴次(次/日);
ni——被换算车辆的各级轴载作用次数(次/
日);
P——标准轴载(kN);
Pi——被换算车辆的各级轴载(kN);
C1——轴数系数,当轴间距大于3m时,按单独的
一个轴载计算,当轴间距小于3m时,按双轴或多
轴计算,轴数系数C1=1+1.2(m-1),m为轴数。
C2——轮组系数,单轮组为6.4,双轮组为1,四
轮组为0.38;
K——被换算车辆的类型数。
前轴(单轮)
车型
交通
量
黄河
JN150
420
49.0
交通
SH141
1200
太脱
拉138
上海
SH130

前轴
轴数
重
系数
(KG)
后轴
轮组
系数
换算
系数
总换
算系
数
1
1
1.071
1.358
570
55.1
1
1
0.075
0.092
110
0.354
80
2.2
1
0.833
1.187
178
/
23.0
/
/
/
/
/
轮组
系数
换算
系数
后轴重 轴数
(KG) 系数
1
6.4
0.287
101.6
25.6
1
6.4
0.017
150
51.4
1
6.4
120
16.5
/
/
当量
轴次
858

当进行半刚性基层层底拉应力验算时,
凡轴载大于40KN的各级轴载(包括车辆
的前后轴)Pi的作用次数ni,均按公式
(14-3)换算成标准轴载P的当量作用
次数Nˊ。
8
 pi 
N   C C 2 ni  
i
 p
k
'
'
1


C1’——轴数系数,当轴间距小于3m的双
轴或多轴,轴数系数
C1’=1+2(m-1),m为轴数。
C2’——轮组系数,单轮组为18.5,双轮组
为1,四轮组为0.09;
前轴(单轮)
后轴
前轴重
(KG)
轴数
系数
轮组
系数
换算
系数
后轴重
(KG)
轴数
系数
轮组
系数
换算
系数
总换
算系
数
420
49.0
/
/
/
101.6
1
1
1.135
1.135
478
交通
SH141
1200
25.6
/
/
/
55.1
1
1
0.008 0.008
10
太脱拉
138
150
51.4
1
18.5
0.090
80
3
1
0.503
0.593
89
上海
SH130
120
16.5
/
/
/
23.0
/
/
/
/
/
车型
交通
量
黄河
JN150

当量
轴次
577
3、设计年限累计当量标准轴载数
设计车道上标准轴载在使用年限(t年)内的累计作用次数Ne,可在通
过调查得到整个行车道的第一年标准轴载日平均作用次数N1和交通量年平均
增长率 r后,按下式计算:
Ne 
365N1[(1   ) t  1]


4、交通等级

轻、中等、重、特重
§14.2 弹性层状体系理论简介

一、基本假设与解题方法
(一)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。


h1
p
E1 μ1
hi
Ei μi
En μn
弹性层状体系示意图
(二)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。
简化荷载:圆形均布荷载(垂直,水平)
圆柱坐标(γ,θ,Z)
三个法向分力:
  , , z
  z   z ,     , z    z
三对剪应力:
     0, z   z  0
轴对称荷载:
由弹性理论:
平衡方程 :
 r  zr  r   



 0

r
z
r

 z  zr  zr


0 

z
r
r
①
1

 r   r       z   
E

1
       r   z   

E
 ②
物理方程
1
 z   z       r   
E


2 1   
1
 zr 
 zr   zr 
E
G

E
G
其中,G为剪切模量
2(1   )
几何方程
r 
u
u
w
u w
;   ;  z 
;rzr 

r
r
z
z r
③


①~③式中,共有十个变
量(再加上U(r),W(z)),  2  2      1  2  0 
r
r


2
2
r
1



r
十个方程式,理论上结合

2
1
1


边界条件即可解出未知值,  2   r 2  r      1   r r  0

但是实际解法相当困难,
2
1  

2




0

z
一般采用应力函数求解
1   z 2


微分单元体相邻单元变形
 zr
1  2
2
  zr  2 
0

r
1



r

z
是协调的,物体在变形前


后是一个连续体,消去位


移分量,可得变形连续方
程:
④
1  

 2
  2
r r z
r
   r   z  
2
式中:
2
2
④式为形变连续方程,又称相容条件,由圣
维南(B.desaint-Venant)于1864年提出,其意义:
形变分量必须满足④式,才能保证位移分量的存在,
若不满足,则由几何方程求出的位移分量将互不相
容,这表示形变后的物体不再连续而发生相互脱离
或互相侵入的情况,④式中的四个相容条件是相互
等效或自然等于零.
采用应力函数法求解轴
对称课题主要有Love函
  2
 2 
数法及Southwell函数法  r  z     r 2 
Love函数法(洛夫法,
 
1  
     2 

z 
r r 
1906年A.E.H.Love)







2



 
设应力函
 ⑤
 z  2    2  2 

z 
z 
数    (r , z ) ,并给定

2

  
2
应力分量表达式为

1      2  
 zr   rz 
 r 
z  
将⑤式代入①和④式,除①式中第一个方程自然满足恒
等于零外,其余全部转化为重调和方程,即共同满足:
⑥
22  0
若应力函数是重调和方程的解,则能满足平衡微分方程
和变形连续方程,并可由⑤式求得应力分量,再由物理
方程②式求得应变分量。
位移分量由②③⑤式求得:

1    2
u

E rz


2


1 
 
2
w
2
1







E 
 2 z  
⑦
求解方程⑥
22  0 的方法有分离变量法和
积分变换法 ( 汉克尔积分变换理论)


0

d2
r  (r , z ) J 0 ( r )dr   r    r , z   J 0 ( r )dr  ( 2   2 )  r 2  r , z  J 0 ( r )dr
0
0
dz

d2
d2
2
 ( 2   )  r  r , z  J 0 ( r )dr  ( 2   2 ) 2  ( , z )
0
dz
dz
4

2
2
解以上方程,得应力函数:
d2
( 2   2 )2  ( , z )  0
dz
由于  (r , z ) 满足重调和方程,所以有
 ( , z ) j  ( Aj  B j z )e z  (C j  D j z )e  z 
求上式汉克尔逆变换得:

 ( , z) j   ( Aj  B j z)e z  (C j  D j z )e z  J 0 ( r )d
0
⑧
J 0 ( r )——第一类零阶贝塞尔函数
  参数
式中:
A j,Bj,Cj,Dj ——积分常数,由每一层边界与层
间结合条件确定,下标j表示同
该层次相应的计算参数.
将⑧式代入⑤式可得各应力分量和位移分量表达式
单圆垂直均布荷载双层连续体系
图示


2 1  1 p

E1
2


0
Leh  4h  Me 2h
J1 h 

d
2 2
2h
2h
1  4 h  ML  Me  Le

3  4  0   m 3  4  1 

L


3  4 0  m
r
1
0
x
m 3  4  1   1
M
;
1 m
E 0 1   1 
m
;
E1 1   0 
2 p


E0



1   12 E 0
E1

0
J1 h
Le 2h  4h  Me 2h
d
2 2
2h
2h

1  4 h  ML  Me  L: e
二、主应力计算
弹性体内任意点的三个主应力,由下式确定
 3  I1 2  I 2  I 3  0


或 3

2
  1   2  3  0 
⑨
解得⑨式三个实根,即三个主应力
I1或1 ——第一应力状态不变量 1   r   z   
I 2或2 ——第二应力状态不变量 2   r    z r     z   r2   z2   zr2
I 3或3 ——第三应力状态不变量 3   r   z  2 r z zr   r z2    zr2   z r2
解得⑨式三个实根,即三个主应力
1
 max  ( 1   3 )
2
1, 2 , 3,1   2   3
o1
o2
2
    i  ri   i

 r    ri

cos 2 i   ri sin 2 i  
2
2

i 1 
n
  i   ri  i   ri

  

cos 2 i   ri sin 2 i  
2
2


i 1
n


 z    zi

i 1

n

 zr    zri cos i   zi sin  i 

i 1

n
    i


 r    ri
sin 2 i   ri cos 2 i 

2

i 1 

n

 z    zi cos i   zri sin  i 

i 1

1
n
2
a
图 14 - 5
双圆荷载外 a点计算图式
 r    ri cos2  i   i sin 2  i 

n


     i cos2  i   ri sin 2  i 
i 1

n

 z    zi

i 1


n

 zr    zri cos i

i 1

n  
ri
i

 r  
sin 2 i

2
i 1

n

 z    zri sin  i

i 1

i 1
n


第三节 沥青路面结构组合设计

1、沥青路面结构组合设计的基本原则


①总原则: 面层耐久、基层坚实、土基稳定
②具体要求:

1)适应行车荷载作用的要求
从上至下,从薄到厚,从强到弱,表层抗滑、抗磨耗

2)在各种自然因素作用下稳定性好
具有很好的水稳定性和温度稳定性

3)考虑结构层的特点
上下层匹配,总体上强度足够而不过多浪费

4)考虑防冻、防水要求
③详细组合原则:








1)根据沥青路面的工作特性,各结构层应尽量按强度和
刚度自上而下逐层递减的规律安排;
2)必须考虑材料特点和施工工艺以及强度和造价等方面
考虑;
3)各结构层应具有适宜的厚度,不宜使层数过多而厚度
过小;
4)应合理选择相邻结构层之间的模量比(基层:面层(E2
/E 1)宜在1.5~3,基层:底基层(E2 /E3 )宜不大于
3, 底基层:土基(E 3/E0 )宜在2.5~12.5);
5)对于低温地区,应考虑收缩裂缝,进行合理的防止反
射裂缝组合,并保证有适宜的沥青面层厚度;
6)对于潮湿地区及多雨地区,应考虑水稳定性,选择水
稳定性好的基层及尽量考虑不透水的面层;
7)路面还应满足防冻厚度的要求;
8)应考虑结构层间的结合性。
④轻交通—中等交通结构组合设计原则






按照道路等级和交通要求选择面层等级和
类型
按各结构层的功能选择结构层次
按各结构层的应力分布特性
顾及各结构层次本身的特性
考虑环境状况的不利影响
适当的层数和厚度
⑤重交通时结构组合设计原则






正确认识各结构层的作用,考虑各结构层
对路面长期使用性能的影响
沥青层应保证足够的厚度,交通量越大,
沥青层的厚度应越大
沥青层材料设计
基层模量应具有适当的模量
当采用半刚性材料作为基层或垫层时,应
作适当的处理
十分重视路面排水系统的设计
2、沥青路面结构组合





面层:单层、双层或三层沥青面层
基层:柔性、半刚性、刚性或组合式
垫层:排水、防冻、防水、防污等粒料或
稳定土
土基:密实、坚固、不透水
层间结合:牢固
一、沥青面层结构







表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久的服务功能,
同时应具有高温抗车辙、抗低温开裂、抗老化等品质。旧
路面可加设磨耗层以改善表面服务功能。
中、下面层应密实、基本不透水、抗剥离,并具有高温抗
车辙、抗剪切、抗疲劳的力学性能。
下面层应具有良好的抗疲劳裂缝的性能和兼顾其他性能要
求。
沥青混凝土适用于各级公路的面层。
热拌沥青碎石混合料、沥青贯入式(含上拌下贯沥青碎石)
可用于二级、三级公路的面层,以及用于柔性基层、调平
层。
沥青表面处治与稀浆封层可用于三级、四级公路的面层和
各级公路的上、下封层。
冷拌沥青混合料可用于三、四级公路面层,或旧路修补工
程。
二、沥青路面基层结构



柔性基层:采用热拌或冷拌沥青混合料、沥青贯入碎
石、以及不加任何结合料的粒料类等材料铺筑的基层,
粒料类材料,包括级配碎石、级配砾石、符合级配的
天然砂砾、部分砾石经轧制掺配而成的级配碎、砾石,
以及泥结碎石、泥灰结碎石、填隙碎石等材料结构层。
半刚性基层:采用无机结合料稳定集料或土类材料铺
筑的基层
刚性基层:采用普通混凝土、碾压式混凝土、贫混凝
土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土等材料做的基层
三、垫层




1 地下水位高,排水不良,路基经常处
于潮湿、过湿状态的路段。
2 排水不良的土质路堑,有裂隙水、泉
眼等水文不良的岩石挖方路段。
3 季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段,
可能产生冻胀需设防冻垫层的路段。
4 基层或底基层可能受污染以及路基软
弱的路段。




防水垫层
排水垫层
防污垫层
防冻垫层
道路冻深计算
Z max  a  b  c  Z d
式中:
Zd
── 大地标准冻深(m);
a
b
── 路面路基材料的热物性系数,见表5.2.6-1;
c
── 路基湿度系数,见表5.2.6-2;
── 路基断面型式系数,见表5.2.6-3。
表5.2.6-1 路面路基材料热物性系数
路基材料
粘质土
粉质土
粉土质砂
细粒土质砾、粘土质砂
含细粒土质砾(砂)
热物性系数
1.05
1.1
1.2
1.3
1.35
路面材料
水泥混凝土
沥青混凝土
二灰土及水泥土
二灰碎石及水泥碎(砾)石
级配碎石
热物性系数
1.4
1.35
1.35
1.4
1.45
§14-4我国沥青路面设计方法
一、沥青路面厚度设计的基本方法
(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
二、我国沥青路面厚度设计方法
(一)力学模型——双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论
以路表回弹弯沉值作为保证路面结构整体刚度的设计指标
以弯拉应力作为控制结构层疲劳开裂的设计指标
1、设计理论-层状体系理论

路面结构设计应采用双圆均布垂直荷载作
用下的弹性层状连续体系理论进行计算
h1
h2 B
c
c
hn-1
E1
E2
En-1
En=E0
r
p
A
B
A
(c)
2、设计指标和要求

路面结构层厚度的确定应满足结构整体刚
度(即承载能力)与沥青层或半刚性基层、
底基层抗疲劳开裂的要求。
1)、轮隙中心处路表实测弯沉Ls等于设计弯沉Ld的原
则进行计算。
lS  ld
2)、轮隙中心(C点)或单圆荷载中心处(B点)
的层底拉应力  m 应小于或等于容许拉应力 R
m R

高速、一级、 二级公路的路面结构设计,
应以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层层
底拉应力(拉应变)及半刚性材料层的层底
拉应力为设计指标。三级、四级公路以路
表面设计弯沉值为设计指标。有条件时,
对重载交通路面宜检验沥青混合料的抗剪
切强度。
3、弯沉概念





①回弹弯沉:路基或路面在规定荷载作用下产生
垂直变形,卸载后能恢复的那一部分变形。
②残余弯沉:路基或路面在规定荷载作用下产生
的卸载后不能恢复的那一部分变形。
③总弯沉:路基或路面在规定荷载作用下产生的
总垂直变形(回弹弯沉+残余弯沉)。
④容许弯沉:路面设计使用期末不利季节,标准
轴载作用下双轮轮隙中间容许出现的最大(代
表?)回弹弯沉值。
⑤设计弯沉:是指路面交工验收时、不利季节、
在标准轴载作用下,标准轴载双轮轮隙中间的最
大(代表?)弯沉值。
4、弯沉测定



①贝克曼法:传统检测方法,速度慢,静态测试,
试验方法成熟,目前为规范规定的标准方法。
③自动弯沉仪法:利用贝克曼法原理快速连续测
定,属于试验范畴,但测定的是总弯沉,因此使
用时应用贝克曼进行标定换算。
②落锤弯沉仪法:利用重锤自由落下的瞬间产生
的冲击载荷测定弯沉,属于动态弯沉,并能反算
路面的回弹量,快速连续测定,使用时应用贝克
曼进行标定换算。
5、设计弯沉
Ld  600  N e0.2  Ac  As  Ab
Ld——路面设计弯沉值(0.01mm);
Ne——设计年限内一个车道上的累计当量轴次;
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)、沥青表面处治为1.1;
Ab——基层类型系数,半刚性基层取1.0,柔性基层取1.6,混合式基层采用
线性内插取值。
Ab  ( H F  2) / 20
度(cm);
HF ——为半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚
6 路面设计状态下的计算弯沉
①路面设计状态
最大刚度状态——半刚性基层材料的龄期达到6个月,相当于设计弯沉Ld对应的
使用时间。
②弯沉修正
Ls  S
F 
L L
 Ls 
F  1.63

 2000 
③计算弯沉计算
0.38
 Eo 
 
 P
0.36
2 p
Ls  1000
c  F
Eo
P、——标准车型的轮胎接地压强(MPa)和当量圆半径;
c——理论弯沉系数;
 h1 h2
c  f  ,
 
hn  1 E2 E3
, ,
 E1 E2
E0 

En1 
5)应用
1.计算弯沉与设计弯沉的计算状态现同,取
Ld=Ls,反推αc ,由αc求取结构组合(材料、
模量和厚度组合);
2. 验算Ld与Ls的关系。
7、以弯拉应力为设计指标进行厚度设计
1)容许拉应力
沥青混凝土面层、半刚性材料基层、底基层以弯拉应力为设计指标时,材料
的容许拉应力  R 应按下列公式计算:
R 
 sp
Ks
 R ——路面结构层材料的容许拉应力(MPa);
 sp ——沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度(MPa),
K s ——抗拉强度结构系数。
我国现行沥青路面设计规范规定,采用劈裂试验测定路面结构层材料的
极限抗拉强度(劈裂强度)。沥青混凝土的劈裂强度与温度有关,规范规定
试验温度为15℃,水泥稳定类材料的龄期为90d,二灰稳定类、石灰稳定类
的龄期规定为180d;对水泥粉煤灰类材料120d。
表征结构层材料的抗拉强度因疲劳而降低的抗拉强度结构系数Ks,与
材料的疲劳特性有关。
R 
 sp
K s  0.09 Aa  N e0.22 / Ac
沥青混凝土面层
Ks
K s  0.35 N e0.11 / Ac
无机结合料稳定集料
K s  0.45  N e0.11 / Ac
无机结合料稳定细粒土
lg N f  k  n lg

 sp
Ac
——公路等级系数。
2)层底拉应力设计与验算

层底拉应力以单圆中心 (B点)及双圆轮隙
中心 (C点)为计算点,并取较大值作为层
底拉应力。按下式计算层底最大拉应力:
 m  p m
m
hn1 E2 E3
E0
h1 h2
 f ( , ......
; , ......
)
 
 E1 E2
En1
式中:
m
—— 理论最大拉应力系数。

设计时,应先拟定某一层作为设计层,根据施工
厚度要求拟定面层和其它各层的厚度。



当采用半刚性基层、底基层结构时,可选用任一层为
设计层;
当采用半刚性基层、粒料类材料为底基层时,宜拟定
面层、底基层厚度,一般半刚性基层为设计层可得到
合理的结构;
当采用柔性路面结构时,宜拟定面层、底基层的厚度,
计算基层的厚度,当求得基层厚度太厚时,可考虑选
用半刚性底基层,其上选用沥青稳定碎石作基层,以
减薄路面总厚度,增加结构强度和稳定性。
◆8、 路面结构的设计参数



需要得到的设计参数:
E0 ,μ0是土基的回弹模量和泊松比;
其它参数为土基以上结构层材料的模量和
泊松比,其泊松比一般可取为0.25~
0.35(强度高时取小值),弹性模量可
取规范推荐值,或试验确定。
(1)、土基回弹模量的确定



路基必须密实、均匀、稳定。填方路基的填料选
择、路床的压实度以及填方路堤的基底处理等均
应符合《公路路基设计规范》的规定。
必须采取防止地面水和地下水浸入路面、路基的
措施,以保证路基的强度和稳定性。设计时,宜
使路基处于干燥或中湿状态,土基回弹模量值应
大于30MPa。对重交通、特重交通土基回弹模
量值应大于40MPa。
潮湿、过湿状态的路基应采取掺入消石灰、固化
材料或换填砂、砂砾、碎石渗水性材料,以及设
置土工合成材料等加强路基排水的技术措施,进
行综合处理



多雨地区土质路堑、强风化岩石路段,应注意填
挖交界处及路堑段的排水设计,以改善路基的水
文状况。土质路堑的干湿类型,一般宜降低一个
等级,按中湿或潮湿路段进行路面设计。
石方路堑必须设置坚实、稳定的基层。对路基超
挖部分应用贫混凝土或无机结合料稳定碎(砾)
石的整体性材料作整平层,严禁用土填筑。视山
体岩石风化、开裂情况,全断面设级配碎(砾)
石垫层150~250mm。
为了保证路面不受裂隙水、泉眼等地下水影响,
应加强路基排水,如设置渗沟等。
1)现场实测法
①、采用承载板法测定已建成的路基回弹模量

测点处路基回弹模量
E0b
P


 10000
1  
Dl
i
2
0
i

某路段路基回弹模量设计值
E0 D  ( E0  Za S ) / K1
Za-保证率系数,高速、一级-2;二、三级-1.648;四级-1.5
K1-不利季节影响系数
②可采用贝克曼梁弯沉仪法测定路基弯沉值,检
验路基设计回弹模量相对应的弯沉值 。
 将路基回弹模量设计值按下式计算其相当的路
基设计弯沉值L0D,作为检验路基强度的简便
方法。
2 p
L0 D 
1  02  0 102
K1E0 D



均匀体弯沉系数:0.712
某路段实测的弯沉代表值L0应不大于路基弯沉
设计值L0D。
L0  L0  Z a S  L0 D
Za-保证率系数,高速、一级-2;二、三级-1.645;四级-1.5
2)、查表法

对于新建公路,在无实测条件时,可按查
表法预测土基回弹模量值。
①确定临界高度
②确定土基平均稠度
③预测土基回弹模量
3)、室内试验法测定土的回弹模量


室内试验法测定土的回弹模量应按以下要求进行。
应选择土料场,取土样,宜采用100mm直径承载板,
回弹模量测试结果应采用下式修正:
E0 S    E

试筒尺寸的约束修正系数,
50mm-0.78,100-0.59
路基回弹模量设计值
E0 D
土基稠度值wc
综合影响系数K
Z
 E0 S
K
Z-考虑保证率的折减系数,高速、
一级-0.66;二、三级-0.59;四级
-0.52
wc ≥ wc1
wc1 > wc ≥ wc2
wc < wc2
1.3
1.6
1.9
4)、换算法
通过现场大型承载板试验测定土基回弹模量
E0,并同时测定土基的压实度K、土基稠度
wc以及室内CBR值,建立E0与CBR之间可
靠的换算关系,从而可以利用K、wc和CBR
值等推算现场土基回弹模量。
(2)、路面材料设计参数值
我国现行公路沥青路面设计规范规定,路面设
计中各结构层的材料设计参数应根据公路等级
和设计阶段的要求确定。
1) 高速公路、一级公路施工图设计阶段应根据
拟采用的路面材料实测设计参数;各级公路采
用新材料时,也必须实测设计参数。
2) 高速公路、一级公路初步设计阶段或二级及
其以下公路施工图设计时可借鉴本地区已有试
验资料或工程经验确定。
3 )可行性研究阶段可参考附录E确定设计参数。



半刚性材料的设计参数按《公路工程无机
结合料稳定材料试验规程》的规定测定。
沥青混合料的设计参数按《公路工程沥青
及沥青混合料试验规程》的规定测定。
以路表弯沉值为设计或验算指标时,设计
参数采用抗压回弹模量,对于沥青混凝土
试验温度为20℃;计算路表弯沉值时,抗
压回弹模量应按式14-34计算其设计值:
E  E  Z S
Z
—— 保证率系数,按95%保证率取2.0。


以沥青层或半刚性材料结构层层底拉应力为设计
或验算指标时,应在15℃条件下测定沥青混合
料的抗压回弹模量,半刚性材料应在规定龄期
(水泥稳定类材料的龄期为90d,二灰稳定类、
石灰稳定类的龄期规定为180d;对水泥粉煤灰
稳定类为120d)测定抗压回弹模量。
计算层底应力时应考虑模量的最不利组合。在计
算层底拉应力时,计算层以下各层的模量应采用
式4-34计算其模量设计值;计算层及以上各层
模量应采用式4-35计算其模量设计值E:
E  E  Z S
9 新建路面厚度计算






1) 根据设计要求,按弯沉或弯拉指标分别计算设计年限
内一个车道的累计标准当量轴次。确定设计交通量与交通
等级,拟定面层、基层类型,并计算设计弯沉值或容许拉
应力。
2 )按路基土类与干湿类型及路基横断面形式,将路基划
分为若干路段,确定各个路段土基回弹模量设计值。
3 )参考本地区的经验拟定几种可行的路面结构组合与厚
度方案,根据工程选用的材料进行配合比试验,测定各结
构层材料的抗压回弹模量、劈裂强度等,确定各结构层的
设计参数。
4 )根据设计指标采用多层弹性体系理论设计程序计算或
验算路面厚度。
5) 对于季节性冰冻地区应验算防冻厚度是否符合要求。
6)进行技术经济比较,确定路面结构方案。
例题
(1)基本资料
①自然地理条件
新建高速公路地处Ⅱ2区,为双向四车道,拟采用沥青路面
结构进行施工图设计,沿线土质为中液限粘性土,填方路
基高1.8m,地下水距路床2.4m,属中湿状态;年降雨量为
620mm,最高气温35℃最低气温-31℃,多年最大大藕冻深
为175cm,平均冻结指数为882℃,最大冻结指数为1225℃。
②土基回弹模量的确定
设计路段路基处于中湿状态,路基土为中液限粘质土,根
据室内试验法确定土基回弹模量设计值为40MPa。
③根据工程可行性研究报告可知路段所处地区近期交通组成
与交通量,见表14-18。预测交通量增长率前五年为8.0%,
之后五年为7.0%,最后五年为5.0%。沥青路面累计标准轴
次按15年计。
④累计轴次计算结果见表14-19,属于重交
通等级。


(2)初拟路面结构
方案一
4cm细粒式沥青混凝土
6cm中粒式沥青混凝土
8cm粗粒式沥青混凝土
38cm水泥稳定碎石基层
?水泥石灰砂砾土层

方案二
4cm细粒式沥青混凝土
8cm中粒式沥青混凝土
15cm密级配沥青碎石
?水泥稳定砂砾
18cm级配砂砾垫层

方案三
4cm细粒式沥青混凝土
8cm中粒式沥青混凝土
2*10cm密级配沥青碎石
38cm级配碎石
(3)路面材料配合比设计与设计参数的确定
①试验材料的确定
半刚性基层所用集料取自沿线料场,结合料沥青选用A级90
号,上面层采用SBS改性沥青,技术指标均符合《公路沥
青路面施工技术规范》相关规定。
②路面材料配合比设计
③路面材料抗压回弹模量的确定
a.根据设计配合比,选取工程用各种原材料制作,测定设计
参数。
按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的
顶面法测定半刚性材料的抗压弹性模量。
b.按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方
法测定沥青混合料的抗压回弹模量,测定20℃、15℃的抗
压回弹模量,各种材料的试验结果与设计参数见表14-和
14-。


④路面材料劈裂强度测定
根据设计配合比,选取工程用各种原材料,
测定规定温度和龄期的材料劈裂强度。按
照《公路工程沥青及混合料试验规程》与
《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》
中规定的方法进行测定。结果见表14-
(4)路面结构层厚度确定

①方案一的结构厚度计算
该结构为半刚性基层,沥青路面的基层类
型系数为1.0,设计弯沉值为20.60
(0.01mm)。利用设计程序计算出满足设
计弯沉指标要求的水泥石灰砂砾土层厚度
为11.1cm;满足层底拉应力要求的水泥石
灰砂砾土层厚度为16.5cm。设计厚度取水
泥石灰砂砾土层为17cm。
例题2
1 基本资料
①自然地理条件
甲乙两地之间计划修建一条四车道的
一级公路,在使用期内交通量的年平均增
长率为10%。该路段处于IV 7区,为粉质土,
稠度为1.0,沿途有大量碎石集料,并有
石灰供给。预测该路竣工后第一年的交通
组成如表所示,试进行路面设计。
2.交通分析
(1)轴载换算(弯沉及沥青层弯拉应力分析时)

(2)轴载换算(半刚性层弯拉应力分析
时)
注:轴载小于50KN的轴载作用可以不计。
3)累计标准轴载作用次数(累计当量轴次)
 作弯沉计算及沥青层底弯拉应力验算时
N e1 =1.09*107

作半刚性基层层底弯拉应力验算时
N e2=9.9*106
◆3、初拟结构组合和材料选取


1)设计年限内一个行车道上的累计标准轴次为
九百万次左右。根据规范推荐结构,并考虑到公
路沿途有大量碎石且有石灰供应,路面结构面层
采用沥青混凝土(18cm),基层采用水泥稳定碎
石(厚度取20cm),底基层采用石灰土(厚度
待定)。
2)采用三层式沥青面层,表面层采用细粒式密
级配沥青混凝土(厚度4cm),中面层采用中粒
式密级配沥青混凝土(厚度6cm),下面层采用
粗粒式密级配沥青混凝土(厚度8cm)。
4、各层材料的抗压模量与劈裂强度



查表得到各层材料的抗压回弹模量和劈裂强度。抗压回弹
模量取20℃的模量,得到20℃的抗压回弹模量:细粒式
密级配沥青混凝土为1400MPa,中粒式密级配沥青混凝
土为1200MPa,粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa,
水泥碎石为1500MPa,石灰土550MPa。
弯拉回弹模量和弯拉强度沥青层取15℃的值,分别为
2000MPa、1800MPa、1200MPa、3550MPa、
1480MPa。
各层材料的劈裂强度:细粒式密级配沥青混凝土为
1.4MPa,中粒式密级配沥青混凝土为1.0MPa,粗粒式
密级配沥青混凝土为0.8MPa,水泥碎石为0.5MPa,石
灰土0.225MPa。


5、土基回弹模量的确定
该路段处于IV7区,为粉质土,稠度为1.0,查
表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值
(MPa)”得土基回弹模量为40MPa。
6、设计指标的确定-设计弯沉值



本公路为一级公路,公路等级系数取1.0,面层是沥青
混凝土,面层类型系数取1.0,半刚性基层,底基层总
厚度大于20cm,基层类型系数取1.0。
设计弯沉值为:
Ld=0.6*AC*AS*AB/Ne1
0.2
=0.0235cm
10:路面竣工验收指标

路面交工时验收弯沉值,以不利季节
BZZ-100标准轴载作用下,轮隙中心处
实测路表弯沉的代表值评定。即:
l0 j  la
l0 j
—— 实测某路段的代表弯沉值(0.01mm);
la
——路表面弯沉检测标准值(0.01mm),按最后
确定的路面结构厚度与材料模量计算的路表面弯沉值



代表弯沉值检测,应在路面交工前,用标准轴载
BZZ-100的汽车实测路表弯沉值,若为非标准
轴载应进行换算。对半刚性基层结构宜用5.4m
的弯沉仪;对柔性或混合式结构可用3.6m的弯
沉仪测定。
检测时,当沥青厚度小于或等于5cm时,可不
进行温度修正;其他情况下均应进行温度修正。
若在非不利季节测定,应考虑季节修正。
测定弯沉时应以1~3km为一评定路段。检测频
率视公路等级每车道每10~50m测一点,高速
公路、一级公路每公里检查不少于80个点,二
级及二级以下的公路每公里检查不少于40个点。

路段内实测路表弯沉代表值按下式计算:
l0  (l 0  Z S ) K1K3
l0
S
——路段内实测路表弯沉平均值;
——路段内实测路表弯沉标准差;
Z
—— 与保证率有关的系数,高速公路、一级公路
Z  =1.645,其他公路沥青路面
Z  =1.5



温度修正方法,可按照《公路路基路面现场测试规程》
(JTJ059)中的规定进行,也可按照下列方法进行修正。
路面弯沉值是以20℃为测定沥青弯沉值的标准状态。当
沥青面层厚度小于或等于50mm时不需温度修正;当路面温
度在20℃±2℃范围时,也不进行温度修正;其他情况下
测定弯沉值均应进行温度修正。
1 测定时的沥青面层平均温度T按下式计算:
T=a + bT0
T —— 测定时沥青面层平均温度(℃);
a —— 系数,a=-2.65+0.52h;
b —— 系数,b=0.62-0.008h;
T0 —— 测定时路表温度与前五小时平均气温之和(℃);
h —— 沥青面层厚度(cm)。
沥青路面弯沉的温度修正系数K3按下式计
算:
l

K3 
式中:
l20
20
lT
-换算为20℃时沥青路面的弯沉值(0.01mm);
lT -测定时沥青面层内平均温度为T时的弯沉值(0.01mm)。
当T
 20℃时
 20℃时
k3  e
1 1
(  )h
T 20
k 3  e 0.002(20T)h
沥青路面改建设计
1.路面结构状况调查与评定
采用非标准轴载检测弯沉的修正:
L100
P
 ( 100 ) 0.87
Li
Pi
1)路面结构状况调查
①交通调查
②路基状况调查
③路面状况调查
④路面修建与养护资料调查
2)路面结构承载力调查
①路线分段
②弯沉检测
③计算弯沉值
计算弯沉值:
L0  (L0  Z a S )  K1  K 2  K3
L0 ——路段内实测路表弯沉代表值(0.01mm);
L0 ——路段内实测路表弯沉平均值 (0.01mm);
S ——路段内实测路表弯沉标准差(0.01mm);
Z a ——保证率系数,补强高速公路、一级公路, 取1.645,
补强二级及二级以上公路路面取1.5,补强
K1、K 2
三、四级公路取1.3。
K 3 ——季节影响系数和湿度影响系数,可根据当地经验选用;
——温度修正系数。
2.原路面当量回弹模量 Et 的计算
2 p 
Et  1000
m1 m2
L0
m1—轮板对比值,即用标准轴载的汽车在原路面上测得的弯沉值与相同压强条
件下用承载板所测得的回弹变形之比,在缺乏对比资料的情况下,可取1.1;
m2—原路面当量回弹模量扩大系数,计算与原有路面接触的补强层层底拉应力
时, 按下式计算,计算其它补强层层底拉应力及弯沉值时, 取1.0。
m2  e
En1
h'
0.037
h'

En1 0.25
(
) ]
p
n 1
h'   hi ( Ei / En1 ) 0.25
i 1
—与原路面接触层材料的抗压模量(MPa);
—各补强层等效为与原路面接触层En-1相当的等效总厚度(cm)。
3.补强厚度的计算
补强设计时,仍以设计弯沉值作为路面整体刚度的控制指标,对于二
级和二级以上的公路,还应验算补强层层底拉应力。
设计弯沉值、各补强层层底拉应力和容许拉应力的计算方法、综合弯
沉修正系数及补强层材料参数的确定与新建路面时的各项规定相同。
壳牌(Shell)设计方法概述
1.路面模型与计算理论
2.设计荷载
3.环境条件
4.路面破坏状态与设计标准
5.设计标准容许值
6.材料参数
7.永久变形计算
1.路面模型与计算理论
弹性层状体系
2.设计荷载
标准轴载为80kN,每个后轮为20kN,轮胎
接触压力0.6Mpa。轮迹面积半径10.5cm。轴
载换算:
n
n1  P2 
  
n2  P1 
4
3.环境条件
考虑温度对沥青面层和水对土基模量变化的
影响。
4.路面破坏状态与设计标准
①路基顶面压应变-车辙
②沥青面层拉应变-疲劳开裂
③结合料稳定基层拉应力或拉应变-开裂(反射)
④路面车辙容许值
5.设计标准容许值
路基表面容许压应变
沥青面层容许拉应变
整体性基层的拉应力
 z   2.8 102 N 0.25
    CN 0.25
 r    s (1  0.075lg N )
路面表层的永久变形 RD
6.材料参数
1)路基弹性模量
路基的动弹性模量在现场用动弯沉仪式或波传播法测定,也可通过室内动
三轴试验确定,或
7
2
E3  10 CBR
(N / m )
2)松散材料基层弹性模量
E 2  K 2  E3
K 2  0.56h20.45
3)整体性材料基层
用现场切割小梁进行动弯曲试验确定其弹性模量。
4)沥青混合料劲度模量
用反映温度T与荷载作用时间t的劲度模量S 表征其力学性质。劲度模量
可采取动态或半静态(例如固定加载频率)方法,通过试验实测。也可用沥
青的劲度模量和矿质集料的体积含量预估沥青混合料的劲度模量。
7.永久变形计算
沥青粘滞度部分的劲度: Sb ,

3
W  t0
W— 一条车辙上车轮通过次数的等效数;
t —车轮通过一次的时间,以0.02s计;
 —沥青的粘滞度(Pa•s),取决于沥青的性质及其温度。
h  Cm  h

S m,
S m, —沥青混合料粘滞度部分的劲度;

—沥青层的平均正应力
C m —动态影响修正系数,
复习思考题



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


1、名词解释:弹性层状体系;弹性半空间体;疲劳寿命;
容许弯沉;设计弯沉;疲劳开裂;收缩裂缝。
2、为什么要把车轮荷载印迹面简化为圆形均布荷载?
3、简述整体性路面材料结构层产生疲劳开裂的原因?
4、为何要规定各类结构层的最小厚度?又为什么要规定
相邻层材料的模量比?
5、沥青路面在力学性质上属于非线性的弹-粘-塑性体,
为何又能应用弹性层状体系理论对它进行应力应变分析?
6、设计弯沉与容许弯沉关系如何?为什么?
7、公路沥青路面设计中轴载换算的等效原则是什么?
8、在一个多层弹性体系中,请标出各特征点的位置:路
面弯沉计算点、各层的弯拉应力验算点,并写出这些点的
r、z坐标值。

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