第七章 瀝青鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、第七章 瀝青鋪面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、 引言1、 路面設(shè)計(jì)方法不過是對(duì)一些基本知識(shí)的集成，對(duì)路面理解的不同獲側(cè)重點(diǎn)的不同，可以有不同的集成方法，從而得到了不同的設(shè)計(jì)方法2、 任何一個(gè)設(shè)計(jì)過程雖然強(qiáng)調(diào)的是計(jì)算過程，但計(jì)算只是設(shè)計(jì)過程的一部分，不能將設(shè)計(jì)理解為計(jì)算，雖然定量的計(jì)算是必不可少的3、 除了計(jì)算以外，許多重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容都是以原則、準(zhǔn)則等定性或半定性的方式給出的，這同樣是設(shè)計(jì)的內(nèi)容，同樣是十分重要的。對(duì)高等級(jí)公路設(shè)計(jì)而言，這種準(zhǔn)則尤為重要。這些準(zhǔn)則與定量計(jì)算類似，也是必須滿足的條件4、 理解設(shè)計(jì)方法l 路面設(shè)計(jì)不能解決道路使用中所遇到的所有問題，只是正常情況下遇到的普遍存在的問題，其他問題的解決還依

2、賴于道路整體設(shè)計(jì)中對(duì)路面的考慮l 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中考慮的因素也是有限的，許多因素需要通過構(gòu)造設(shè)計(jì)來解決，這體現(xiàn)了多樣性l 材料因素對(duì)路面性能的影響是很大的，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了力學(xué)參數(shù)，這是不夠的，尤其對(duì)高速公路l 滿足設(shè)計(jì)要求不是充分條件，只是必要條件。我們需要舉一反三，但在工程設(shè)計(jì)中必須慎重l 隨著情況的越發(fā)復(fù)雜，對(duì)問題和設(shè)計(jì)方法的理解應(yīng)該是與時(shí)俱進(jìn)的5、目前的設(shè)計(jì)方法根據(jù)其建立方法的不同可以分為幾類l 經(jīng)驗(yàn)法如CBR法，AASHTO法l 理論法SHELL法，AI法，我國方法l 基于性能的方法SHRP方法另一種更科學(xué)的分類方法l 經(jīng)驗(yàn)法如早期的CBR法l 經(jīng)驗(yàn)-分析法AASHTO法、末期

3、的CBR法l 分析-經(jīng)驗(yàn)法SHELL法，AI法，我國方法l 基于性能的方法SHRP等6、大部分路面設(shè)計(jì)過程都可以歸結(jié)為以下流程Monismith的傳統(tǒng)流程我們提出的基于性能的最新流程環(huán)境因素材料來源環(huán)境系數(shù)材料選擇土基狀況交通參數(shù)材料特性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)力學(xué)和行為模型生成厚度設(shè)計(jì)道路等級(jí)：性能要求經(jīng)濟(jì)模型、標(biāo)準(zhǔn)總造價(jià)最小的優(yōu)化結(jié)果總費(fèi)用最小的優(yōu)化結(jié)果面層厚度組合設(shè)計(jì)面層材料組成設(shè)計(jì)面層功能要求抗變形、疲勞要求輸出完整的設(shè)計(jì)結(jié)果施工考慮輸入概念設(shè)計(jì)：初期損壞考慮詳細(xì)設(shè)計(jì)：厚度設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，早期損壞考慮材料設(shè)計(jì)：耐久性、功能性、初期損壞考慮輸出基層、墊層材料設(shè)計(jì)二、路面損壞分析與設(shè)計(jì)考慮1、路面

4、損壞分析路面的損壞可分為幾種類型，即開裂類（疲勞裂縫、反射裂縫、低溫裂縫）、變形類（車轍、沉陷）和表面損壞類（松散、坑槽、泛油）。l 疲勞裂縫荷載重復(fù)作用造成路面材料的疲勞，進(jìn)而產(chǎn)生開裂，形成龜紋狀的開裂。l 反射裂縫和低溫開裂l 車轍沿輪跡帶的狹長形凹陷。造成車轍的主要原因是混合料的高溫穩(wěn)定性相對(duì)于交通量而言不足，是塑性變形的累積，渠化交通和雨水的作用將加劇這種趨勢(shì)。l 沉陷路面表面的局部凹陷，水文狀況差、材料水穩(wěn)定性差或局部壓實(shí)不足所造成。l 波浪，擁包l 坑槽l 松散l 泛油2、 設(shè)計(jì)指標(biāo)路面損壞的類型具有多樣性，不同的損壞類型產(chǎn)生的原因和產(chǎn)生的后果各不相同，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮不同因素

5、的影響，采用多種設(shè)計(jì)指標(biāo)控制路面的不同損壞。這也是路面設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)之一。上述各類常見損壞類型中，一些是結(jié)構(gòu)性損壞，一些與荷載的重復(fù)作用有直接的關(guān)系，還有一些與荷載的重復(fù)作用或與路面結(jié)構(gòu)的關(guān)系不大。前兩類損壞如疲勞開裂、車轍，后者如泛油、松散、溫度裂縫等。在傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要考慮前兩類，其他問題則通過材料設(shè)計(jì)、材料選擇以及其他相關(guān)的設(shè)計(jì)手段加以避免。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮的主要因素包括疲勞開裂和車轍；低溫開裂、泛油、松散等損壞類型則在材料設(shè)計(jì)時(shí)考慮。實(shí)際上，我國的設(shè)計(jì)方法中，車轍也是在材料設(shè)計(jì)中考慮的。三、路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)1、 輕交通中交通（<1000萬ESAL）時(shí)的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)原則l

6、 按照道路等級(jí)和交通要求選擇面層等級(jí)和類型n 路面的等級(jí)：高級(jí)路面、次高級(jí)路面、中級(jí)路面、低級(jí)路面n 高速及一、二級(jí)公路應(yīng)采用高級(jí)路面，交通量較小時(shí)，二級(jí)公路也可以采用次高級(jí)路面，三級(jí)以下的公路采用次高級(jí)或中低級(jí)路面。交通量較大時(shí)，三級(jí)公路也可以采用高級(jí)路面。n 高級(jí)路面還包括水泥混凝土路面（P175）n 表中的熱拌瀝青碎石目前最好不要使用，不適用于高級(jí)路面類型，這是早期的分類n 二級(jí)公路一般情況下應(yīng)該采用高級(jí)路面，除非交通量較?。粚?shí)際上，目前許多二級(jí)路的交通量是非常繁重的l 按各結(jié)構(gòu)層的功能選擇結(jié)構(gòu)層次n 高級(jí)路面一般應(yīng)設(shè)計(jì)成兩層，即磨耗層和聯(lián)接層磨耗層墊層基層面層路基聯(lián)結(jié)層上基層下（底）基

7、層上墊層下墊層n 次高級(jí)路面可以做成單層，也可以多層。表中瀝青上拌下貫式指表層為拌和式表處，下層為貫入式n 貫入式路面單層的最大厚度為6cm，雙層最大厚度為8cm。貫入式上面設(shè)一層表處是一種好的結(jié)構(gòu)組合n 基層要有足夠的強(qiáng)度、剛度和水穩(wěn)定性l 按各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分布特性n 從路面表面到下部，材料的抗力（強(qiáng)度和剛度）可以遞減，因?yàn)閼?yīng)力分布如此n 相鄰層次之間的模量比不宜太大，以減少疲勞裂縫或反射裂縫n 當(dāng)采用半剛性基層時(shí)，基層模量一般大于面層，此時(shí)為倒裝結(jié)構(gòu)；這種結(jié)構(gòu)可以有效地減小路面地彎沉，增大輕交通路面地抗力l 顧及各結(jié)構(gòu)層次本身的特性當(dāng)采用半剛性基層時(shí)，應(yīng)考慮反射裂縫地影響，措施n 適當(dāng)加厚

8、面層，以增強(qiáng)抵抗反射裂縫地能力n 下面層（聯(lián)接層）采用開級(jí)配瀝青混合料（瀝青碎石），充作緩沖層l 考慮環(huán)境狀況的不利影響n 確?；鶎印⒌谆鶎?、墊層和路基底水穩(wěn)定性n 保證路面最小防凍厚度（P177，表11-2）l 適當(dāng)?shù)膶訑?shù)和厚度n 從材料最大粒徑和施工工藝底要求，每一攤鋪層的厚度不能太小，從壓實(shí)考慮，也不能太大（P177，表11-3）n 對(duì)瀝青混凝土，每一層最小攤鋪厚度>=本層最大粒徑（方孔篩）×3或最大粒徑（圓孔篩）×21cm2、 重交通（>1000萬ESAL）時(shí)的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)原則l 正確認(rèn)識(shí)各結(jié)構(gòu)層的作用，考慮各結(jié)構(gòu)層對(duì)路面長期使用性能的影響n 面層，由磨

9、耗層和聯(lián)接層組成，不僅起功能性作用，還在第一時(shí)間擴(kuò)散荷載，承受復(fù)雜應(yīng)力（剪、拉）和環(huán)境因素的作用n 基層，進(jìn)一步擴(kuò)散由面層傳遞下來的荷載，應(yīng)具有足夠的抵抗荷載力和水侵蝕的能力，盡可能小的干縮特性n 墊層，進(jìn)一步擴(kuò)散由基層傳遞下來的荷載，應(yīng)具有足夠的水穩(wěn)定性n 路基，承擔(dān)墊層傳遞下來的荷載，應(yīng)具有足夠的水穩(wěn)定性l 瀝青層應(yīng)保證足夠的厚度，交通量越大，瀝青層的厚度應(yīng)越大n 瀝青層能夠作為一個(gè)整體起作用，不管是作為面層還是基層。面層、基層的劃分只是人為的、功能性的n 足夠的厚度可以使瀝青層真正形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)層n 靠增加基層厚度或模量來減小面層厚度的效果并不好，即便下層強(qiáng)度剛度很大，瀝青層也需要足

10、夠的厚度，以滿足其功能需要n 對(duì)重交通路面而言，瀝青層是主要承載層，不管是汽車荷載，還是環(huán)境荷載l 瀝青層材料設(shè)計(jì)n 表面層必須具有足夠的耐久性，并滿足以下要求： 集料具有足夠的紋理深度，面層具有適當(dāng)?shù)臉?gòu)造深度； 具有很強(qiáng)的高溫抗變形能力； 具有足夠的低溫韌性； 具有足夠的強(qiáng)度，具有擴(kuò)散荷載的能力，能夠抵抗荷載的重復(fù)剪切作用和其他疲勞作用； 具有很強(qiáng)的抗水作用能力。設(shè)計(jì)時(shí)瀝青含量可取低限。常用的磨耗層材料有：u SMAu AK類面層材料u AC混合料u OGFC混合料，具有表面排水功能n 中面層的主要功能是 抗車轍； 抗低溫縮裂； 抗?jié)B。要實(shí)現(xiàn)這些功能，中面層必須滿足以下要求： 具有很強(qiáng)的高溫

11、抗變形能力； 具有足夠的低溫韌性； 具有很高的強(qiáng)度，以抵抗荷載的重復(fù)作用； 具有很強(qiáng)的抗水作用能力； 具有很強(qiáng)的耐久性。設(shè)計(jì)時(shí)瀝青含量可取中限。常用的中面層材料是：u AC混合料，具有較強(qiáng)的抗車轍能力n 底面層在一般情況下極少出現(xiàn)可計(jì)量的永久變形，其主要功能是： 抗疲勞； 抗?jié)B或排水。要實(shí)現(xiàn)這些功能，底面層必須滿足以下要求： 具有很高的強(qiáng)度，以抵抗荷載的重復(fù)疲勞作用； 具有較強(qiáng)的抗水作用能力； 具有足夠的耐久性。 設(shè)計(jì)時(shí)瀝青含量可取高限。常用的底面層材料是：u AC混合料u 開級(jí)配排水層l 基層模量應(yīng)具有適當(dāng)?shù)哪Ａ炕鶎幽Ａ康牟煌馕吨煌牟牧蟦 模量太小時(shí)可能造成面層底面的彎拉應(yīng)力太大，產(chǎn)生

12、彎拉疲勞損壞n 模量太大可能造成面層內(nèi)的剪切應(yīng)力太大，產(chǎn)生剪切疲勞損壞n 所以基層的模量最好與面層相同n 采用半剛性基層時(shí)，不是模量（強(qiáng)度）越大越好，有時(shí)需要將基層致裂常用的基層材料為：n 瀝青混合料n 高質(zhì)量級(jí)配碎石n 半剛性基層材料l 當(dāng)采用半剛性材料作為基層或墊層時(shí)，應(yīng)作適當(dāng)?shù)奶幚頌榱朔乐狗瓷淞芽p，或適當(dāng)減小面層內(nèi)的剪切應(yīng)力，可對(duì)基層作適當(dāng)處理n 致裂處理n 假設(shè)應(yīng)力阻斷層l 十分重視路面排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)n 路面排水系統(tǒng)n 表面排水層n 內(nèi)部排水3、 結(jié)構(gòu)組合示例見公路設(shè)計(jì)手冊(cè)路面（姚祖康 主編）四、我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)方法1、設(shè)計(jì)指標(biāo)和計(jì)算圖式設(shè)計(jì)指標(biāo)：路面表面回彈彎沉，瀝青混凝土面層底

13、面彎拉應(yīng)力，整體性基層底面彎拉應(yīng)力，計(jì)算圖式：三層路面結(jié)構(gòu)2、彎沉計(jì)算l 計(jì)算彎沉n 路面理論彎沉，彎沉系數(shù)由P140、圖10-7計(jì)算n 理論彎沉需要修正，修正系數(shù)F為： ，為與軸載有關(guān)的系數(shù)n 計(jì)算彎沉為l 設(shè)計(jì)彎沉n 容許彎沉使用年限末的彎沉，按照表11-4（P181）確定，選擇臨界狀態(tài)，建立臨界彎沉與荷載作用次數(shù)的關(guān)系，實(shí)際上是疲勞方程N(yùn)：每個(gè)車道上的標(biāo)準(zhǔn)荷載累計(jì)作用次數(shù)，按照復(fù)利公式計(jì)算。車道系數(shù)見P182的表11-5。解釋一下車道系數(shù)與橫向分布系數(shù)。n 設(shè)計(jì)彎沉容許彎沉為使用年限末的彎沉，路面設(shè)計(jì)需要使用年限初的彎沉，所以應(yīng)該將容許彎沉換算為設(shè)計(jì)彎沉。容許彎沉比設(shè)計(jì)彎沉大1.2倍，如

14、下圖。Log llogN所以，n 基層考慮上式建立的年代比較久遠(yuǎn)，只適用于碎礫石柔性基層，對(duì)半剛性基層，上式應(yīng)該除以1.6的系數(shù)。最后，Ab為基層類型系數(shù)，半剛性基層時(shí)，Ab=1；柔性基層時(shí)，Ab=1.6。Ac，對(duì)高速公路和一級(jí)公路都為1。n 關(guān)于新規(guī)范的說明3、應(yīng)力計(jì)算l 路面應(yīng)力計(jì)算按照P141、142的圖10-8、10-9計(jì)算。l 容許應(yīng)力計(jì)算n 材料的彎拉疲勞方程可以寫成，fr為彎拉強(qiáng)度。我國采用劈裂強(qiáng)度代替彎拉強(qiáng)度n 不同材料的容許彎拉應(yīng)力瀝青材料：無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料：無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土：式中系數(shù)見交通部公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ014-97），人民交通出版社。4、 軸載換算l 軸載的等效換算兩種軸載作用于同一路面結(jié)構(gòu)上，所造成的疲勞損耗相同，則稱兩種荷載的作用次數(shù)等效l 基于彎沉指標(biāo)的等效換算假設(shè)甲乙兩種荷載作用在路面結(jié)構(gòu)上次，則其疲勞消耗為： 和 令D1=D2，則根據(jù)大量的彎沉實(shí)測(cè)結(jié)果，可知，代入上式，可得 或 式中，C1為軸型系數(shù)，C1=1+1.2(m-1), m為軸數(shù)C2為輪組系數(shù)，單輪組時(shí)C26.4，雙輪組時(shí)C21.0。l 基于彎拉應(yīng)力指標(biāo)的等效換算推導(dǎo)過程與上面的過程類似，請(qǐng)同學(xué)