瀝青路面結構設計-2.ppt

第十一章 瀝青路面結構設計,第十一章 瀝青路面結構設計,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 損壞形式與設計控制指標 第三節(jié) 路面結構組合設計 第四節(jié) 新建瀝青路面結構層厚度設計 第五節(jié) 瀝青路面改建設計,第一節(jié) 概述,一、瀝青路面結構設計內(nèi)容與要求 內(nèi)容：原材料的調(diào)查與選擇、瀝青混合料配合比以及基層材料配合比設計、各項設計參數(shù)的測試與選定、路面結構組合設計、路面結構層厚度驗算以及路面結構方案的比選等。對于高速公路和一級公路，除了行車道路面外，路面設計還包括路緣帶、匝道、硬路肩、加減速車道、緊急停車帶、收費站和服務區(qū)場面的設計，以及路面排水系統(tǒng)設計等。 要求：為汽車行駛提供快速、舒適、安全、穩(wěn)定的服務功能，并須滿足設計交通量下應具有足夠的整體剛度（即承載能力）及各結構層的應力應變的要求。,瀝青路面技術指標,現(xiàn)代高等級道路瀝青路面應符合下表11-1的各項技術要求。,二、瀝青路面結構設計的原則,瀝青路面結構設計的原則,1、根據(jù)使用要求及氣候、水文、土質(zhì)等自然條件密切結合當?shù)?實踐經(jīng)驗，將路基路面作為一個整體考慮，進行綜合設計。,2、遵循“因地制宜、合理選材 等原則進行路面設計方案的技術經(jīng)濟比較,3、結合當?shù)貙嵺`基礎，積極推廣成熟的科研成果,4、充分考慮沿線環(huán)境的保護、自然生態(tài)的平衡，有利于施工、養(yǎng)護工作人員的健康與安全,6、對于地處不良地基的路段，路面結構可以遵循“一次設計， 分期修建”的方案,5、盡可能選擇有利于機械化、工廠化施工的設計方案,三、瀝青路面結構設計方法 瀝青路面結構設計方法可分為經(jīng)驗和半經(jīng)驗法及解析（或理論）法兩大類型。 （一）經(jīng)驗和半經(jīng)驗法 經(jīng)驗和半經(jīng)驗法是以已往的修建和使用經(jīng)驗為基礎。 如果路面結構的材料、環(huán)境和受荷條件同經(jīng)驗和半經(jīng)驗法制定時所依據(jù)的相似，那么按此方法設計的路面結構可以得到滿意的使用效果。 由于環(huán)境條件的差異、軸載和交通量的迅速增長、新材料的涌現(xiàn)，不斷地提出把經(jīng)驗關系式外延的要求，經(jīng)驗和半經(jīng)驗法就不再適用。,（二）解析（或理論）法 解析法是以結構分析為基礎，按設計荷載所產(chǎn)生的應力、應變和位移量不超過路面任意結構層中材料所容許的范圍，來選擇和確定鋪面結構層的組合及其尺寸。 這類設計方法的特征是：選擇一個合適的力學模型來代替現(xiàn)實的路面結構，尋求此模型中應力、應變和位移方程的解；表征各結構層中的材料在相應的環(huán)境和加載條件下的力學性質(zhì)；定義以基本的應力、應變和位移量表示的設計標準（或指標）；用簡便的方式表示設計體系和步驟。 我國的瀝青路面結構設計是以解析法為的設計方法，然而，由于影響因素復雜、材料和結構性質(zhì)的變異性大，對荷載和環(huán)境的影響認識得還不夠充分，結構分析和使用性能之間尚未建立起定量的內(nèi)在聯(lián)系，采用解析法設計路面結構還存在著許多不足，需要依賴經(jīng)驗予以補充。,第二節(jié) 損壞形式與設計控制指標,一、瀝青路面的損壞形式 常見的瀝青路面破損類型有如下四類： 裂縫類破損：包括龜裂、塊裂及各類單根裂縫等； 變形類破損：包括車轍、沉陷、擁包、波浪等； 松散類破損：包括掉粒、松散、剝落、脫皮等引起的集料 散失、坑槽等； 其他破損：包括泛油、磨光（抗滑性能差）等。,（一）裂縫,裂縫,橫向裂縫,縱向裂縫,網(wǎng)狀裂縫,由單根裂縫發(fā)展而引起 ，春融期間反復的凍融交替等原因,荷載型裂縫,非荷載型裂縫,橫向裂縫的主要形式 ；形成原因復雜 ， 最主要的是溫縮裂縫和半剛性基層 開裂引起的反射性裂縫,路面承載能力下降、強度不足以 承擔車輛荷載或者反復循環(huán)荷載作 用引起的疲勞所產(chǎn)生,產(chǎn)生的原因多種：荷載作用過大，承載能力不足 ， 縱向接縫沒有做好 ，車轍裂縫 等,（二）車轍 車轍是渠化交通的高等級道路瀝青路面的主要損壞形式之一。在正常情況下，瀝青路面的車轍有三種類型（或三種機理）。 （1）第一種類型是由路面基層及路基變形引起的。發(fā)生在瀝青面層以下包括路基在內(nèi)的各結構層的永久性變形 ，寬度較大，兩側沒有隆起現(xiàn)象，橫斷面呈“V”形 （2）第二種類型是在溫度較高的季節(jié)，經(jīng)車輛反復碾壓下產(chǎn)生永久變形和塑性流動而逐漸形成的瀝青混凝土的側向流動變形。出現(xiàn)側向隆起，成“W”形車轍。 （3）第三種類型是輪胎（冬季埋釘）形成的磨損性車轍，主要發(fā)生在冰雪嚴重的寒冷地區(qū)。,（三）水損害 水損害是指瀝青路面在水的作用下，瀝青逐漸喪失與礦料的粘結力，從集料表面脫落，在車輛的作用下瀝青面層呈現(xiàn)松散狀態(tài)，以致集料從路面脫落形成坑槽。,造成瀝青路面的水損害的原因是多方面的，其主要表現(xiàn)為以下幾方面： （1）瀝青混合料的空隙率較大，施工時壓實不足，更使空 隙率變大。 （2）許多路面沒有考慮設置完善的路面內(nèi)部排水結構體系。 （3）使用了與瀝青粘附性不好甚至很差的中性或者酸性石 料，界面上容易為水浸入，降低粘附性。,（四）表面功能下降 瀝青路面在使用過程中，在車輪反復滾動摩擦的作用下，集料表面被逐漸磨光，有時還伴有瀝青的不斷上翻、泛油，導致瀝青面層表面光滑，尤其在雨季常會因此而釀成車禍。 采用敏感性比較大的瀝青混合料級配類型有關。 （五）松散和坑槽 由于面層材料組合不當或施工質(zhì)量差，結合料含量太少或粘結力不足，使面層混合料的集料間失去粘結而成片散開，稱為松散。 網(wǎng)裂的后期，碎塊被行車荷載繼續(xù)碾碎，并被帶離路面形成坑槽。 原因：瀝青與礦料之間的粘附性較差，混合料加熱溫度過高 ，瀝青老化。,二、設計控制指標,由于瀝青路面損壞模式的多樣化，各種損壞對路面使用性能有不同性質(zhì)和程度的影響，瀝青路面設計不能像其他結構物的設計那樣，僅選用一種損壞模式作為臨界狀態(tài)和選用單一的指標作為設計標準，而必須是多種臨界狀態(tài)和多項設計標準。 在瀝青路面的各項損壞模式中，有些損壞是由于面層材料的組成不當或者施工和養(yǎng)護質(zhì)量欠佳所引起的（如松散和泛油等），它不屬于結構設計考慮的范圍；有些損壞（如沉陷）在通常情況下，通過采用改善路基水溫狀況和加設墊層以減小路基應力等結構組合措施，完全可以避免出現(xiàn)；還有些損壞（如反射裂縫）則通過采取與荷載、溫度或材料特性相適應的材料組成設計和結構措施可以使之避免出現(xiàn)或減輕其危害程度。 通常認為：疲勞開裂、車轍（永久變形）和低溫開裂是導致路面結構破壞的三項最主要的損壞模式，在結構設計中應予著重考慮。：,（一）疲勞開裂,路面材料在出現(xiàn)疲勞開裂前所能承受的荷載重復作用次數(shù)，稱為疲勞壽命。疲勞壽命的大小，與組成材料的特性、環(huán)境條件（溫度）以及路面所受到重復應變（或應力）級位的大小有關。 以疲勞開裂作為臨界狀態(tài)的設計，可以選用瀝青層底面的拉應變（或拉應力）作為設計指標，以標準軸載在當量疲勞溫度時產(chǎn)生的瀝青層底面拉應變（或拉應力）不大于該材料在該溫度條件下的容許疲勞拉應變（或拉應力）作為設計標準。 無機結合料穩(wěn)定類基層，由于剛度較大（相對于墊層或土基）而易出現(xiàn)較大的徑向拉應力，應控制其底面的最大拉應力不大于基層材料的容許疲勞拉應力，以免產(chǎn)生疲勞開裂并導致面層斷裂。,（二）路表回彈彎沉 路表面在荷載作用下的回彈彎沉量，反映了路基路面結構的整體剛度。彎沉的大小與路面的使用狀態(tài)（疲勞開裂和塑性變形量）之間存在著一定的內(nèi)在關系；回彈彎沉量越大，相應的塑性變形量也越大，而出現(xiàn)疲勞開裂的機率越高（亦即，能承受的軸載作用次數(shù)越小）。 根據(jù)路面使用狀態(tài)和使用年限的要求，可以確定一次荷載（標準軸載）作用下路面的容許回彈彎沉量。 路面以回彈彎沉作為設計指標時，是以路基路面結構表面在雙圓均布荷載作用下輪隙中心處的實測路表彎沉值小于或等于設計彎沉值作為確定瀝青路面結構厚度的設計標準。,（三）車轍（永久變形） 車轍是路基和路面各結構層在荷載反復作用下產(chǎn)生的塑性變形的累積。車轍的深度與重復應力的大小、作用次數(shù)、路基和路面各結構層材料的模量以及溫度狀況有關。 以車轍作為臨界狀態(tài)的設計方法，選用車轍深或永久變形量作為指標，限定設計年限內(nèi)的累積車轍深或永久變形量不超出行駛質(zhì)量和行車安全所容許的車轍深或永久變形量。 （四）低溫開裂 與荷載因素無關、適用于寒冷地區(qū)。溫度下降時，面層材料因收縮受阻而產(chǎn)生的溫度應力不大于該溫度下瀝青材料的抗拉強度。 還應在抗滑性和平整度方面另外提出設計標準,第三節(jié) 路面結構組合設計,瀝青路面是多層次結構物。 結構組合設計是路面結構設計中的重要組成部分，在設計之前必須進行地質(zhì)、環(huán)境、氣候和水文狀況的調(diào)查。 根據(jù)當?shù)夭牧瞎闆r，確定滿足密實、抗滑、耐久的路面結構方案，合理設計各層路面結構，滿足使用要求。 瀝青路面結構層次的合理選擇和安排，是整個路面結構是否能在設計使用年限內(nèi)承受行車荷載和自然因素的共同作用，同時又能發(fā)揮各結構層的最大效能，使整個路面結構經(jīng)濟合理的關鍵。,一、瀝青路面典型結構形式,根據(jù)基層類型，瀝青路面結構可組合成四種典型結構形式： （1）半剛性基層瀝青路面在半剛性基層上設有較薄的瀝青層結構。 （2）柔性路面各結構層由瀝青混合料，或瀝青貫入碎石、或冷拌瀝青混合料、級配碎石、砂礫等柔性材料組成，無半剛性材料層的結構類型。 （3）剛性基層瀝青路面采用貧混凝土、混凝土等基層的瀝青路面。 （4）混合基層瀝青路面在半剛性材料或剛性材料層與瀝青面層之間設置柔性基層的路面結構。,二、結構組合設計原則 根據(jù)實踐經(jīng)驗和理論分析，結構組合時宜考慮下述幾方面的原則： （1）按道路的等級及交通繁重程度選擇面層的類 型和厚度； （2）滿足對各結構層（面層、基層和墊層）的相 關功能要求； （3）適應各結構層的荷載應力分布特性； （4）要顧及各結構層本身的結構特性； （5）考慮當?shù)厮臓顩r的不利影響； （6）選擇適當?shù)慕Y構層數(shù)和層厚，以便利施工； （7）協(xié)調(diào)行車道與路肩部分的鋪面結構，考慮表 面水和結構內(nèi)部自由水的疏導和排放； （8）顧及當?shù)氐氖褂媒?jīng)驗、已有習慣和施工技術 水平。,三、結構組合設計方法 （一）按各結構層功能及其使用要求選擇結構層次 1、面層 面層是直接承受輪荷載反復作用和各種自然因素影響，并將荷載傳遞到基層以下的結構層，面層應滿足表而功能性和結構性的使用要求。 面層一般為單層、雙層。雙層結構稱為表面層、下面層；若采用三層結構可稱表面層、中面層、下面層。 瀝青路面表面層應具有平整密實、抗滑耐磨、穩(wěn)定耐久的服務功能，同時應具用高溫抗車轍、抗低溫開裂、抗老化等品質(zhì)。舊路面可加設磨耗層以改善表面服務功能。中、下面層應密實、基本不透水，并具有高溫抗車轍、抗剪切、抗疲勞的力學性能。 瀝青面層分為熱拌瀝青混合料、冷拌瀝青混合料、瀝青貫入式、瀝青表面處治與稀漿封層等幾種類型。,2、基層與底基層 瀝青路面面層下設置基層的主要作用有以下幾個方面： 承受行車荷載的作用，它作為道路的主要承重層和面層一起將車輪荷載的反復作用傳布到底基層、墊層和土基； 增加道路整體強度和面層的疲勞抗力，防止或減輕面層裂縫的出現(xiàn)； 緩解土基不均勻凍脹或不均勻體積變形對面層的不利影響； 為面層施工機械提供穩(wěn)定的行駛面和工作面。 基層要求:具有足夠的強度和穩(wěn)定性，在冰凍地區(qū)具有一定的抗凍性；高級路面下的半剛性基層應具有較小的收縮變形和較強的抗沖刷能力；表面平整、密實，拱度與面層一致，高程符合要求。,底基層是設置在基層之下并與面層、基層一起承受車輪荷載反復作用的次要承重層，因此，對底基層材料的技術指標要求可比基層材料略低，底基層也可分為上、下底基層。 基層、底基層設計應貫徹就地取材、就近取材的原則，認真做好當?shù)夭牧系恼{(diào)查，根據(jù)交通量及其組成、氣候條件、筑路材料以及路基水文狀況等因素，選擇技術可靠、經(jīng)濟合理的結構。 基層可選用無機結合料穩(wěn)定類或瀝青混合料、粒料、貧混凝土等材料，底基層應充分利用沿線地方材料，可采用無機結合料穩(wěn)定細粒士類或粒料類等。 基層、底基層厚度應根據(jù)交通量大小、材料力學性能和擴散應力的效果，充分發(fā)揮壓實機具的功能，以及有利于施工等因素選擇各結構層的厚度。各結構層的材料變化不宜過于頻繁，應有利于施工組織、管理與質(zhì)量控制。,3、墊層 墊層是設置在底基層與土基之間的結構層，起排水、隔水、防凍、防污及減下層間模量比、降低半剛性底基層拉應力的作用。為排除路面、路基中滯留的自由水，確保路面結構處于干燥或中濕狀態(tài)。 下列情況下的路基應設置墊層：地下水位高，排水不良，路基經(jīng)常處于潮濕、過濕狀態(tài)的路段；排水不良的土質(zhì)路塹，有裂隙水、泉眼盼等水文不良的巖石挖方路段；季節(jié)性冰凍地區(qū)的中濕、潮濕路段，可能產(chǎn)生凍脹需設防凍層的路段；基層或底基層可能受污染以及路基軟弱的路段。 墊層材料可選用粗砂、砂礫、碎石、煤渣、礦渣等粒料，以及水泥或石灰煤渣穩(wěn)定粗粒土、石灰粉煤灰穩(wěn)定粗粒土等。為防止軟弱路基污染粒料底基層、墊層，或為隔斷地下水的影響，可在路基頂面設土工合成材料隔離層。墊層應與路基同寬，其最小厚度為15cm。 一般來說，面層、基層（底基層）和墊層是路面結構層的基本組成，各級道路應根據(jù)具體情況設置必要的結構層，但是，對三、四級公路最少也不得低于兩層，即面層和基層。,4、路（土）基 路（土）基，特別是路床部分，是路面結構的支承體。 路面對路（土）基的基本要求是密實、均勻和水穩(wěn)定。 應采取各項技術措施，以減少土基的不均勻變形： （1）對于軟弱地基，應進行加固處理以減少工后沉降量（殘余沉降量）和不均勻沉降量； （2）對潮濕、過濕路基或軟弱路基的上部，采用低劑量無機結合料（石灰、水泥）穩(wěn)定或者換填砂（砂礫）、碎石等粒料，以保障路床部分土的強度和水穩(wěn)定性；路床頂面的回彈模量值應不小于30MPa或不小于25MPa； （3）選用優(yōu)質(zhì)填料，合理安排填筑順序，以避免或減輕膨脹和收縮引起的不均勻變形； （4）適當控制壓實時的含水量，按要求壓實度進行充分壓實，以提供塑性變性小且支承均勻的土基； （5）充分考慮路基地表和地下排水，以改善土基的水文狀況。,（二）按各結構層的應力分布特性 作用在路面上的行車荷載，通常包括垂直力和水平力。 路面在垂直力作用下，內(nèi)部產(chǎn)生的力和應變隨深度向下而遞減。 水平力作用產(chǎn)生的應力、應變，隨深度遞減的速率更快。因此，對各層材料的強度和剛度的要求也可隨深度的增大而相應降低。 路面各結構層如按強度剛度自上而下遞減的方式組合，則既能充分發(fā)揮各結構層材料的能力，又能充分利用當?shù)夭牧铣洚數(shù)谆鶎踊蚧鶎樱瑥亩档驮靸r，以使各結構層材料的效能得到充分發(fā)揮。 采用遞減規(guī)律組合路面結構層次時，還須注意相鄰結構層之間的剛度不能相差過大。 上下兩層的相對剛度比過大時，上層底面將出現(xiàn)較大的彎拉應力（或彎拉應變）。此值一旦超過上層材料的抗拉強度（或抗拉應變）時，上層將產(chǎn)生開裂。 根據(jù)應力分析和設計經(jīng)驗，瀝青路面基層與面層之間的模量比不宜大于3；基層與底基層之間的模量比不宜大于2.5；底基層與土基之間模量比不大于10。,（三）選用適當?shù)膶雍窈蛯訑?shù),各類結構層，應按所用材料的規(guī)格（公稱最大粒徑）和施工工藝（攤鋪、壓實和整修）的要求，有一最小厚度的規(guī)定，低于此厚度就不能形成穩(wěn)定而有效的結構層次。各瀝青層的厚度應與混合料的公稱最大粒徑相匹配，一般瀝青層的最小壓實厚度不宜小子混合料公稱最大粒徑的2.53倍，對斷級配或以粗集料為主的嵌擠型級配的瀝青混合料，其一層壓實最小厚度不宜小于公稱最大粒徑的2.5倍，以利于輾壓密實，提高其耐久性、水穩(wěn)性。 瀝青層最小厚度和適宜厚度應符合教材表112的要求。 為便于施工，路面結構層的層數(shù)不宜過多。同時，各結構層的適宜厚度應按壓實機具所能達到的效果選定。適宜的結構層厚度需結合材料供應、施工工藝并按該表的規(guī)定確定，從強度要求和造價考慮，宜自上而下由薄到厚。,瀝青層厚度應根據(jù)公路等級、交通量和交通組成、氣候條件以及所選路面結構類型等因素擬定：,（l）當采用半剛性基層瀝青路面時，高速公路、一級公路的瀝青層厚度宜為120180mm；二級公路的瀝青層厚度宜為60l20mm；三級公路的瀝青層厚度宜為3050mm（拌和法）或l530mm（層鋪法表處）；四級公路的瀝青層厚度宜1030mm。 （2）當采用柔性（基層）路面結構時，面層宜設計100l20mm雙層式，其下設瀝青混合料、貫入式碎石、級配碎石等柔性材料層。瀝青厚度應根據(jù)公路等級、交通量等具體情況計算而定。 （3）采用貧混凝土（剛性基層）瀝青路面時宜設計100l80mm瀝青層，當采取防止反射裂縫措施時，瀝青層可適當減薄。 （4）當采用混合式（基層）瀝青路面時，面層宜設計100120mm雙層式，其下設柔性基層。柔性基層，可為單層或雙層，厚度宜為80180mm。,（四）要考慮各類結構層的特點與相鄰層次之間的互相聯(lián)系,路面結構層通常是用密實級配、嵌擠以及形成板體等方式構成的，由于各類結構層材料具有不同的特性，因而如何構成具有要求強度和剛度并且穩(wěn)定的結構層是設計和施工都必須注意的問題。 在組合時應注意相鄰層次的互相影響，采取措施限制或消除所產(chǎn)生的不利影響。如在半剛性基層上修建瀝青面層時，由于基層材料的干縮或低溫收縮而開裂，會導致面層也相應地出現(xiàn)反射裂縫。 在潮濕的粉土或粘性土路基上，不宜直接鋪筑碎（礫）石等顆粒類材料，以防止相互摻雜而污染基層，或?qū)е逻^大變形而使面層損壞。 對半剛性基層宜采取以下措施減少低溫縮裂、防止反射裂縫： 選用骨架密實型半剛性基層，并嚴格控制細料含量、水泥劑量、含水量； 采用混合式瀝青路面結構； 在剛性基層上設置改性瀝青應力吸收膜或應力吸收層。,（五）墊層與防凍層設計 當路基處于潮濕、過濕路段，應設置排水墊層 ；當路線通過潮濕、軟弱地基，應換填2040cm厚的砂礫等透水材料，或摻入無機結合料固化劑等處理地基2030cm厚使其加固穩(wěn)定，并根據(jù)實測資料適當提高路基回彈模量設計值。在冰凍地區(qū)潮濕、過濕路段應加設防凍層，進行防凍層驗算。 墊層材料可選用粗砂、砂礫、碎石、煤渣、礦渣等；粒料以及水泥或石灰煤渣穩(wěn)定類，石灰粉煤灰穩(wěn)定類等。 （l）防凍墊層應采用透水性好的粒料類材料，通過0.075mm篩孔顆粒含量不宜大于5%。采用煤渣時，小于2mm的顆粒含量不宜大于20%。墊層厚度視具體情況而定，一般l525cm，防凍層宜根據(jù)需要設計。 （2）采用碎石和砂礫墊層時，最大粒徑應與結構層厚度相協(xié)調(diào)，一般最大粒徑應不超過結構層厚度的l/2，以保證形成骨架結構，提高結構層的穩(wěn)定性。顆粒組成應符合規(guī)定的要求。 （3）為防止路基污染粒料墊層或為隔斷地下水的影響，可在路基頂面設土工合成材料的隔離層。,防凍層厚度檢驗,季節(jié)性冰凍地區(qū)各級公路的中濕、潮濕路段，設計時應進行防凍厚度檢驗。 根據(jù)交通量計算結構層總厚度應不小于教材表117最小防凍厚度的規(guī)定。防凍厚度與路基潮濕類型，路基土類、道路凍深以及路面結構層材料的熱物性有關。若結構層總厚度小于最小防凍層時，應增加防陳層使其滿足最小防凍厚度的要求。,第四節(jié) 新建瀝青路面結構層 厚度設計,瀝青路面結構厚度設計是在結構組合設計的基礎上，通過結構分析確定各結構層所需的厚度，同時，利用結構分析也可了解路面結構的應力和位移狀況，從而判斷結構層組合的合理性，并進行相應的調(diào)整。,一、設計標準和計算圖式,我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范采用以下幾項設計標準確定路面結構所需的厚度： （1）路面結構表面在雙輪荷載作用下輪隙中心處的彎沉值不大于設計（容許）彎沉值； （2）瀝青混合料層底面的最大拉應力不大于該層混合料的容許拉應力； （3）半剛性基層或底基層底面的最大拉應力不大于該層材料的容許拉應力；,路面彎沉和拉應力計算分析時，將路面結構看成為多層彈性體系，體系頂面作用有相當于雙輪組（P=225kN）的雙圓均布荷載，各層面間的接觸條件按完全連續(xù)處理，計算圖式分別見圖112和圖113。 在圖112中，彎沉計算A點的位置選在輪隙中心處。驗算各結構層底部拉應力時，應力最大點在B和C兩點之間，可分別計算圖113中點B、D、C、E的應力，然后取其中的最大值作為層底最大拉應力。,11-2,11-3,國外的瀝青路面設計方法（如殼牌方法、美國瀝青協(xié)會方法等）大多采用以下兩項或三項主要設計標準確定路面結構所需的厚度： 瀝青面層底面的最大拉應變不大于該層混合料的容許拉應變； 土基頂面的豎向壓應變不大于容許壓應變； 采用半剛性基層時，水泥穩(wěn)定類基層底面的最大拉應力不大于該層材料的容許拉應力。 應力、應變計算分析時，將路面結構看作三層彈性體系（瀝青面層、基層和土基）或四層彈性體系（瀝青面層、瀝青基層、粒料基墊層和土基），體系頂面作用有相當于雙輪組（P=220kN）的雙圓均布荷載，各層面間的接觸條件按完全連續(xù)處理。,二、路面設計彎沉和實際彎沉值計算,（一）路面設計彎沉 車輪荷載作用下雙輪輪隙中心處的路表回彈彎沉值大小，反映了路基路面結構的整體強弱狀況，在相同車輪荷載下，路面的彎沉值愈大，則路面抵抗垂直變形的能力愈弱，反之則強。實踐表明，回彈彎沉值大的路面，在經(jīng)受了輪載不太多次的重復作用后，即呈現(xiàn)出某種形態(tài)的破壞；而回彈彎沉值小的路面，能經(jīng)受輪載較多次重復作用才能達到這種形態(tài)的破壞。 在達到相同程度的破壞時，回彈彎沉大小同該路面的使用壽命即輪載累計重復作用次數(shù)成反比關系。找出路面達到某種破壞狀態(tài)時的重復荷載作用次數(shù)與此時彎沉值之間的關系，就可以根據(jù)對該種路面所要求的使用壽命來確定它所容許的最大彎沉值，這個彎沉值被稱作容許彎沉值。 路面容許彎沉值的確切含義是：路面在使用期末的不利季節(jié)，在設計標準軸載作用下容許出現(xiàn)的最大回彈彎沉值。,容許彎沉值與路面使用壽命的關系可通過調(diào)查測定確定。選擇使用多年并出現(xiàn)某種破壞狀況的路面，測定彎沉值，調(diào)查累計交通量，進行分析整理。我國對瀝青路面按外觀特征分為五個等級，如下表所示，并把第四外觀等級作為路面臨界破壞狀態(tài)，以第四級路面的彎沉值的低限作為臨界狀態(tài)的劃界標準。 瀝青路面外觀等級描述表,從表中所列的外觀特征可知，這樣的臨界狀態(tài)相當于路面已疲勞開裂并伴有少量永久變形的情況。對相同路面結構不同外觀特征的路段進行測定后發(fā)現(xiàn)，外觀等級數(shù)愈高，彎沉值愈大，并且外觀等級同彎沉值大小有著明顯的聯(lián)系。這樣，便可確定路面處于不同極限狀態(tài)的容許彎沉值，并將此彎沉值同該路面在以前使用期間的累計交通量建立關系。國內(nèi)外的大量調(diào)查測定資料表明，路面達到某種臨界狀態(tài)時，累計交通量同容許彎沉值之間存在良好的雙對數(shù)關系。 為了建立累計交通量和容許彎沉之間的關系，選擇有代表性路段進行調(diào)查，將不同路面外觀狀態(tài)的實測路面彎沉值，分別計算其代表彎沉值。 圖114是實測各路段的容許彎沉值與累計標準當量軸次的回歸結果： 這種關系可普遍地表示為，式（114）：,（114）,圖114累計交通量同容許彎沉關系,路面設計彎沉值是根據(jù)設計年限內(nèi)每個車道通過的累計當量軸次、道路等級、面層和基層類型確定的，相當于路面工后第一年不利季節(jié)、路面在標準軸載100kN作用下，測得的最大回彈彎沉值。路面設計彎沉和容許彎沉的關系實際上反映了路表彎沉在使用期間的變化，該變化過程是一個多方面因素綜合作用的復雜過程。路基路面結構層的材料特性、壓實程度、干濕狀況、溫度環(huán)境、結構類型、氣候條件、交通組成、檢測時的環(huán)境條件以及所使用的儀器設備等均將對彎沉的變化產(chǎn)生很大的影響。 根據(jù)對已建成道路的多年實測資料分析，路表回彈彎沉隨時間的推移而變化。圖115所示為半剛性基層上瀝青路面彎沉逐年變化曲線。,圖115 彎沉逐年變化的曲線,由圖（115）可看出，路表面的彎沉變化過程可分為三個階段：,第一階段：路面交工后的第一、二年。由于交通荷載的壓密作用以及半剛性基層材料的強度增長，路表彎沉逐漸減少，大致在竣工后第二年達最小值。 第二階段：路面交工后二至四年。由于交通荷載的重復作用，水溫狀況變化以及材料不均勻等因素影響下，路面結構內(nèi)部的細微缺陷因局部范圍的應力集中而擴展，形成小范圍的局部破損，使結構整體剛度下降、彎沉增大。此階段以彎沉不斷增大為主要特征。 第三階段：路面交工后三、四年至路面達到極限破壞狀態(tài)。由于結構內(nèi)部缺陷附近局部區(qū)域積蓄的高密度能量，已通過前階段缺陷的擴展而轉移，形成新的能量平衡，路面結構的整體剛度達成較低水平的新的相對穩(wěn)定，路面彎沉進入一個比較穩(wěn)定的緩慢變化階段，即結構疲勞破壞的穩(wěn)定發(fā)展階段，一直延續(xù)至結構出現(xiàn)疲勞破壞。,我國瀝青路面設計規(guī)范，經(jīng)過大量的測試和分析，得到路面設計彎沉值計算公式： 路面設計彎沉值是根據(jù)設計年限內(nèi)每個車道通過的累計當量軸次、道路等級、面層和基層類型確定的，相當于路面工后第一年不利季節(jié)、路面在標準軸載100kN作用下，測得的最大回彈彎沉值。,（二）路面實際彎沉值計算 雙輪輪隙中心點的路表回彈彎沉值，可按式（109）利用計算機軟件求得。 對計算結果進行試驗驗證后發(fā)現(xiàn)，按上述層狀體系理論彎沉公式算得的彎沉值，同實測彎沉值之間存在一定的偏差，此偏差呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。當路基剛度較低時，由理論公式算得的面層厚度偏大；而當路基剛度較高時，則由理論算得的面層厚度偏薄。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是因為路基路面材料并非線性彈性體，而所采用的評定材料剛度（回彈模量）的測定方法并不能反映它們在結構層內(nèi)的真實工作狀態(tài)。為使理論計算和實測結果相符，目前在設計規(guī)范中引入了一個綜合修正系數(shù)F，即：,由此，路表回彈彎沉的計算公式便修正為：,式中：ls路面實測彎沉值，0.01mm； p、標準軸的輪胎接觸壓力（MPa）和當量圓半徑（cm）； c理論彎沉系數(shù)；,其中E0為土基回彈模量值（MPa），E1，E2，En-1各層材料回彈模量（MPa），h1，h2,，hn-1為各結構層厚度（cm）。,三、拉應力和容許拉應力,（一）結構層底拉應力計算 面層或基（墊）層底面各計算點的拉應力值利用計算機軟件求得。比較各點的應力值，取最大值作為最大拉應力。,式中：,理論最大拉應力系數(shù)，按下式計算：,可應用括號內(nèi)的參數(shù)為輸入數(shù)據(jù)，應用通用軟件計算得到。,（二）容許拉應力計算,我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范提出瀝青混凝土面層、半剛性基層、底基層以彎拉應力為設計指標時，路面材料的容許拉應力計算公式：,式中：R路面結構層材料的容許拉應力，MPa； s結構層材料的極限抗拉強度，MPa； Ks結構層材料的極限強度因疲勞而降低的抗拉強度結構系數(shù)。,路面各結構層材料的極限強度一般用規(guī)定尺寸的梁式試件三分點加載測定，或者通過劈裂試驗測定。我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范規(guī)定采用劈裂強度s代替抗彎拉強度。 瀝青混凝土的極限強度以15作為測試溫度。 水泥穩(wěn)定類材料的極限強度齡期規(guī)定為90d， 二灰穩(wěn)定類、石灰穩(wěn)定類的極限強度齡期為180d。,表征結構層材料的極限強度因疲勞而降低的抗拉強度結構系數(shù)，根據(jù)荷載應力與達到疲勞臨界狀態(tài)的荷載作用次數(shù)之間關系的疲勞方程可表示如下：,（1）瀝青混凝土面層： （2）無機結合料穩(wěn)定中、粗粒土： （3）無機結合料穩(wěn)定細粒土： （4）貧混凝土：,四、瀝青路面設計荷載分析 與交通等級,1、瀝青路面設計年限 新建高速公路、一級公路的路面設計年限應為15年，有特殊要求時可適當延長設計年限。對改、擴建的高速公路、一級公路的路面設計年限宜為1015年，大修加鋪工程可視具體情況確定設計年限。 二級公路的路面設計年限應為12年，有特殊使用要求時可適當延長。 三級公路的路面設計年限應為612年。 四級公路的瀝青表處路面設計年限應為8年，砂石路面可為5年。,2、標準軸載與軸載當量換算,路面設計時使用累計當量軸次的概念，但在道路上行駛的車輛不會是同一種類型，因此，進行軸載累計作用次數(shù)計算時，須選定一種標準軸型，把各種不同類型的軸載換算成這種標準軸載。根據(jù)道路運輸實際車輛的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 我國路面設計以雙輪組單軸載100kN為標準軸載，以BZZ100表示。標準軸載的計算參數(shù)按表119確定。,各種軸載換算為標準軸載，應遵循原則： 以達到相同的損壞狀態(tài)為標準，亦即，同一種路面結構，甲軸作用了N1次后，路面達到某種損壞狀態(tài)，乙軸作用了N2次后，路面也達到同樣的損壞狀態(tài)，則此時甲軸和乙軸的作用是等效的；按此等效性建立兩種軸載作用次數(shù)間的換算關系； 對于同一個交通組成，無論以其中哪一種軸載作為標準進行等效換算后所得到的路面厚度計算結果應當是相同的。 根據(jù)上述原則，可以利用不同損壞狀態(tài)的疲勞方程和軸載與設計指標間的關系，建立相應的軸載換算公式。,（1）以設計彎沉作為臨界損壞狀態(tài)及設計指標時的軸載換算公式：,另由大量彎沉測定結果可整理得到，不同軸載作用在同一個路面結構上的彎沉值之間存在下述關系式：,（2）以半剛性基層底面容許拉應力為設計指 標時的軸載換算關系式：,（3）對貧混凝土基層以拉應力為設計指標時，可按下式進行軸載當量換算： 上述軸載換算公式僅適用于單軸軸載小于130kN的軸載換算。對于城市道路的路面設計，請參照城市道路設計規(guī)范的有關規(guī)定進行軸載換算。,3、設計年限內(nèi)標準軸載累計當量軸次 設計年限內(nèi)一個車道沿一個方向通過的累計當量標準軸次數(shù) 公式：,式中： 為設計年限內(nèi)一個車道沿一個方向通過的累計標準當量軸次（次）； T設計年限（年）； N1路面營運第一年雙向日平均當量軸次（次/日）； 設計年限內(nèi)交通量平均增長率（%）； 為與車道數(shù)有關的車輛橫向分布系數(shù)，簡稱車道系數(shù)，見表11-10所示。,車道系數(shù) 表1010,4、交通等級 路面結構在設計年限內(nèi)承擔交通荷載的繁重程度以交通等級來劃分。各交通等級的劃分標準見下表。,五、土基和路面材料參數(shù),按彈性層狀體系理論求解路表彎沉或面層和基、墊層底面的彎拉應力（應變）時，必須知道路基土和各層路面材料的彈性模量值。 無論是路基土還是路面材料，其應力應變關系或多或少呈現(xiàn)非線性狀，因而表征其性狀的模量值都是應力狀態(tài)（應力級位和作用時間）的函數(shù)。 與此同時，它們又是材料組成、壓實狀態(tài)及環(huán)境（溫度和溫度）的函數(shù)。,（一）路基土的回彈模量值,土基回彈模量E0是路面結構設計的重要參數(shù)，其取值的大小對路面結構厚度有較大影響，正確地確定E0是十分重要的。 各類路基土的回彈模量值除了受加荷方式和應力狀態(tài)等因素影響外，還主要取決于土的濕度和密實度狀態(tài)。由于路基土的濕度在年內(nèi)發(fā)生季節(jié)性變化，因而各時期有不同的模量值。 路面設計時，可按一年內(nèi)不同時期（如每個月）的濕度狀態(tài)測定相應的彈性模量值后，通過加權平均確定其設計回彈模量；或者，按一年內(nèi)最不利季節(jié)的濕度狀態(tài)試驗確定路基土的設計回彈模量值。 目前，確定土基回彈模量（E0）的常用方法有現(xiàn)場實測法、室內(nèi)試驗及換算法、查表預估法等幾種。,1、現(xiàn)場實測法： （1）剛性承載板彎沉法； （2）貝克曼梁輪彎沉法； （3） 落錘式彎沉儀法。 2、室內(nèi)試驗及換算法： 3、查表法：對于新建公路，路基尚未建成，無實測條件時，根據(jù)道路所處的公路自然區(qū)劃，沿線土質(zhì)及水文狀況，路基設計高度等條件，確定臨界高度，土的平均稠度，可按下述步驟由查表法預估路基回彈模量，待路基建成之后，進行實測，驗證預估的準確性。,（1）確定臨界高度 臨界高度是指土基在不利季節(jié)，分別處于干燥、中濕或潮濕狀態(tài)時，路床表面距地下水位或積水水位的最小高度?？筛鶕?jù)當?shù)赝临|(zhì)、氣候條件，按經(jīng)驗確定。若缺乏實際資料時，干燥、中濕或潮濕狀態(tài)的路基臨界高度可參考教材表33選用。 （2）擬定土的平均稠度 在新建公路設計時，可根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗或路基臨界高度判斷各路段、路基的干濕類型，利用教材表1114和表1115論證各路段路基土的平均稠度Wc值。 （3）預估路基回彈模量 根據(jù)土類和自然區(qū)劃以及擬定的路基土的平均稠度，參考教材表1116預估路基回彈模量E0。當采用重型擊實標準時，土基回彈模量值可較表列值提高2035%。 教材表1117，還列出了瀝青路面設計規(guī)范中提出的常用碎（礫）石土類土基的回彈模量值參考范圍。,（二）路面材料的設計參數(shù) 路面材料設計參數(shù)的測定是材料組成設計、結構設計中的重要內(nèi)容，路面設計參數(shù)應根據(jù)路面的損壞類型、受力模式采用不同測定方法測定相應的參數(shù)。 1、結構層材料的回彈模量 路面結構層材料的回彈模量值是瀝青路面結構設計的重要參數(shù)。由于結構層材料性質(zhì)的不同，測量回彈模量的試驗方法也不一樣。通常在選擇試驗方法和決定回彈模量取值時，應考慮因素： 測試方法簡便，測試結果穩(wěn)定； 測得的模量值應較好地反映該結構層在路面結層位中的工作狀態(tài)和力學特性； 設計參數(shù)應與設計方法能較好地匹配。,我國現(xiàn)行公路瀝青路面設計規(guī)范規(guī)定瀝青路面結構按設計回彈總彎沉和設計容許彎拉應力兩個指標控制厚度設計。 當采用回彈總彎沉設計結構厚度時，所有結構層的回彈模量均采用抗壓回彈模量； 當采用層底拉應力設計結構層厚度時，擬驗算的結構層采用彎拉回彈模量，其他結構層均采用抗壓回彈模量。 半剛性材料的抗壓回彈模量、彎拉回彈模量按我國公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程有關規(guī)定進行試驗測定。 瀝青混合料結構層的抗壓回彈模量與彎拉模量按我國公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程進行試驗測定。測定抗壓回彈模量時，取標準試驗溫度為20；測定彎拉回彈模量時，取標準試驗溫度為15，以適應不同設計控制指標所對應的最不利環(huán)境溫度。 無結合料粒料結構層的抗壓回彈模量測試，可以在工地現(xiàn)場鋪筑整層試槽，通過承載板測定方法進行測試。,2、結構層材料的彎拉極限強度 瀝青面層與有機結合料或無機結合料穩(wěn)定粒料基層的彎拉極限強度，應按照我國有關規(guī)程規(guī)定的方法進行測定。 我國規(guī)范規(guī)定，當條件受限制時，也可采用間接拉伸試驗，即劈裂試驗，測定結構層材料的彎拉極限強度。 路面結構層的各項設計參數(shù)，包括抗壓回彈模量、抗彎拉回彈模量以及彎拉極限強度等原則上都應該在確定原材料料源之后，配合工程，按規(guī)定取樣后在試驗室完成測定工作。 對于高速公路和一級公路，所有的設計參數(shù)必須通過試驗室測定，其他等級公路若部分參數(shù)確實有困難無法實際測定時，可以參考教材表1118和表1119論證選定。,六、新建瀝青路面厚度設計步驟,（1）根據(jù)設計任務書的要求按設計回彈彎沉和容許彎拉應力兩個設計指標，分別計算設計年限內(nèi)的標準軸載累計當量軸次，確定交通量等級、面層類型、并計算設計彎沉值ld和容許彎拉應力R。 （2）按路基土類與干濕類型及路基橫斷面形式，沿線將路基劃分為若干路段，確定各路段的土基回彈模量Eo。 （3）參考本地區(qū)工程經(jīng)驗，擬定若干個路面結構組合與厚度方案，根據(jù)選用的材料進行配合比設計，測定各結構層材料的抗壓回彈模量、彎拉模量與抗彎拉強度，確定各結構層的設計參數(shù)Ei、S。 （4）計算路面結構表面彎沉值lS以及結構層層底彎拉應力m。 （5）根據(jù)設計指標，采用多層彈性體系理論設計程序計算路面結構設計層的厚度，即： （6）對于季節(jié)性冰凍地區(qū)，應驗算防凍層厚度是否滿足要求。若不能滿足，則可增加防凍層厚度，達到規(guī)定厚度，以滿足防凍要求。 （7）進行技術經(jīng)濟比較，選定最佳路面結構方案。,七、路面交工驗收指標 瀝青路面交工驗收時，驗收彎沉值是工程驗收的重要指標，它是以不利季節(jié)，BZZ100標準軸載作用下，輪隙中心處實測路表彎沉代表值進行評定的。即： 路面交工驗收彎沉值的取值分兩種情況決定，當以設計彎沉值作為控制指標設計路面時，路面設計彎沉值即為路面交工驗收彎沉值，見教材式（116）；當以彎拉應力為控制指標設計路面時，以最后確定的路面結構層位，厚度和材料模量計算得到的彎沉值為路面交工驗收彎沉值。,式中： 實測每公里路面的代表彎沉值（0.01mm）； 路面交工驗收彎沉值。,路面的代表彎沉值檢測通常在交工后第一年的不利季節(jié)，用標準軸載BZZ100的汽車實測路表彎沉值。 檢測時，若不是在不利季節(jié)進行測定，還應考慮季節(jié)修正。 對于瀝青厚度小于或等于5cm時，不考慮溫度修正，若厚度大于5cm，應進行溫度修正。通常以瀝青層的溫度為20作為標準溫度，其余不在20標準溫度下測得的路表彎沉應作如下溫度修正，其換算系數(shù)或彎沉溫度修正系數(shù)為：,（T20）,（T20）,取經(jīng)過季節(jié)修正和溫度修正后得到的路表彎沉值作為驗收評定的實測彎沉指標，并考慮一定的保證率，按式（1137）計算路面竣工驗收彎沉 值，代入式（1133），作驗收評定。 式中： 實測路表彎沉的平均值； 實測路表彎沉的標準差； 與保證率有