第十三章柔性路面設計C

1、113-7 路面結構組合設計路面結構組合設計 路面結構層次的合理選擇和安排路面結構層次的合理選擇和安排，是整個路面結構，是整個路面結構是否能在設計使用年限中承受行車荷載和自然因素的是否能在設計使用年限中承受行車荷載和自然因素的共同作用，同時又發(fā)揮各結構層的最大效能，是整個共同作用，同時又發(fā)揮各結構層的最大效能，是整個路面經(jīng)濟合理的關鍵。路面經(jīng)濟合理的關鍵。在路面結構組合設計中，要遵循下列原則：在路面結構組合設計中，要遵循下列原則：1 1、適應行車荷載作用的要求；、適應行車荷載作用的要求； 2 2、在各種自然因素作用下穩(wěn)定性好；、在各種自然因素作用下穩(wěn)定性好；3 3、考慮各結構層的特點；、考慮各

2、結構層的特點；2一、適應行車荷載作用的要求一、適應行車荷載作用的要求1 1、荷載種類、荷載種類：作用在路面上的行車荷載，通常包括垂直：作用在路面上的行車荷載，通常包括垂直力和水平力。力和水平力。路面在垂直力作用下，內(nèi)部產(chǎn)生的應力和應變隨深度向路面在垂直力作用下，內(nèi)部產(chǎn)生的應力和應變隨深度向下而遞減；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；水平力作用產(chǎn)生的應力、應變，隨深度遞減的速率更快；路面表面還同時承受車輪的磨耗作用。路面表面還同時承受車輪的磨耗作用。 因此要求：因此要求：路面路面面層面層應具有足夠的強度和抗變形能力應具有足夠的強度和抗變形能力, ,在在其下各層其下各層

3、的強度和抗變形能力可自上而下逐漸減小。的強度和抗變形能力可自上而下逐漸減小。32 2、組合規(guī)律、組合規(guī)律：在進行路面結構組合時，各結構層應按照強：在進行路面結構組合時，各結構層應按照強度和剛度自上而下遞減的規(guī)律安排，度和剛度自上而下遞減的規(guī)律安排，以使整個結構層材以使整個結構層材料的效能得到充分發(fā)揮。料的效能得到充分發(fā)揮。結構層結構層適宜厚度適宜厚度，瀝青層瀝青層推薦厚度。推薦厚度。基層與面層的模量比應不小于基層與面層的模量比應不小于0.30.3，路基與基層或底基層的模量比宜為路基與基層或底基層的模量比宜為0.080.080.400.40。按各結構層的功能選擇結構層次：按各結構層的功能選擇結構

4、層次：面層：高強、耐磨、熱穩(wěn)定性好、不透水，選擇粘結力強的面層：高強、耐磨、熱穩(wěn)定性好、不透水，選擇粘結力強的結合料和高強集料。結合料和高強集料?；鶎樱撼兄貙?，要有基層：承重層，要有足夠強度、一定剛度和水穩(wěn)定性足夠強度、一定剛度和水穩(wěn)定性，現(xiàn)在水，現(xiàn)在水泥或石灰、粉煤灰。泥或石灰、粉煤灰。路基：回彈模量路基：回彈模量30MPa（高速公路），其他公路（高速公路），其他公路25MPa,城城市道路市道路20MPa456二、在各種自然因素作用下穩(wěn)定性好二、在各種自然因素作用下穩(wěn)定性好1、如何保證瀝青路面的水穩(wěn)定性，是路面結構層選擇與組如何保證瀝青路面的水穩(wěn)定性，是路面結構層選擇與組和需要解決的重要問題

5、。和需要解決的重要問題。2 2、在季節(jié)性冰凍地區(qū)，當凍深較大，路基土為易凍脹土時，、在季節(jié)性冰凍地區(qū)，當凍深較大，路基土為易凍脹土時，常常產(chǎn)生凍脹和翻漿。路面總厚度的確定，除滿足強度常常產(chǎn)生凍脹和翻漿。路面總厚度的確定，除滿足強度外，還應滿足防凍厚度的要求，外，還應滿足防凍厚度的要求，路面最小防凍厚度路面最小防凍厚度。3 3、在冰凍地區(qū)和氣候干燥地區(qū)，無機結合料穩(wěn)定土或粒料、在冰凍地區(qū)和氣候干燥地區(qū)，無機結合料穩(wěn)定土或粒料基層常常產(chǎn)生收縮裂縫?；鶎映３．a(chǎn)生收縮裂縫。78三、考慮各結構層的特點三、考慮各結構層的特點 為了保證路面結構的整體性和結構層之為了保證路面結構的整體性和結構層之間應力傳遞的

6、連續(xù)性，應盡量使結構層間應力傳遞的連續(xù)性，應盡量使結構層之間結合穩(wěn)定。之間結合穩(wěn)定。9總之，進行路面設計時，要按照總之，進行路面設計時，要按照面層耐久、基面層耐久、基層堅實、路基穩(wěn)定層堅實、路基穩(wěn)定的要求，貫徹因地制宜、合的要求，貫徹因地制宜、合理選材、方便施工、利于養(yǎng)護的原則，以及以理選材、方便施工、利于養(yǎng)護的原則，以及以上結構組合原則，結合當?shù)亟?jīng)驗擬定幾種路面上結構組合原則，結合當?shù)亟?jīng)驗擬定幾種路面結構方案，進行分析比較。結構方案，進行分析比較。并并優(yōu)先選用便于機械化施工和質(zhì)量管理的方案優(yōu)先選用便于機械化施工和質(zhì)量管理的方案，做到技術先進，經(jīng)濟合理。做到技術先進，經(jīng)濟合理。10路面結構組合

7、示例：路面結構組合示例：公路名稱公路名稱沈大高速公路沈大高速公路滬寧高速公路滬寧高速公路廣佛高速公路廣佛高速公路累計軸次（萬次）180028001900面層（cm）5中粒+5粗粒+5瀝碎4中粒+6粗粒+6瀝碎4中粒+5粗粒+6瀝碎基層（cm）20水泥砂礫（礦渣）30二灰碎石25水泥碎石底基層（cm）1539砂礫（礦渣)30二灰土28水泥土1113-8 以彎沉為設計指標的路面結構厚度計算方法以彎沉為設計指標的路面結構厚度計算方法 我國現(xiàn)行柔性路面設計方法是我國現(xiàn)行柔性路面設計方法是以雙圓豎向均布荷載作用下以雙圓豎向均布荷載作用下的彈性層狀體系理論的彈性層狀體系理論，以路表彎沉值作為路面整體剛度的

8、控制，以路表彎沉值作為路面整體剛度的控制指標。對高等級路面（瀝青混凝土面層、半剛性材料基層和底指標。對高等級路面（瀝青混凝土面層、半剛性材料基層和底基層）要基層）要驗算層底拉應力驗算層底拉應力；對常受水平荷載作用的停車站、交；對常受水平荷載作用的停車站、交叉口等路段還要叉口等路段還要驗算剪應力驗算剪應力。12一、路面彎沉、拉應力的計算圖式一、路面彎沉、拉應力的計算圖式A點是點是路表路表彎沉的計算點，位于雙圓均布荷載的輪隙中間彎沉的計算點，位于雙圓均布荷載的輪隙中間13應力最大點在應力最大點在B和和C兩點之間兩點之間可分別計算點可分別計算點B、D、C、E的應力，然后確定最大應力。的應力，然后確定

9、最大應力。14 彎沉值彎沉值的大小反映了路基路面的強弱，在相的大小反映了路基路面的強弱，在相同車輪荷載作用下，路面的彎沉值愈大，則同車輪荷載作用下，路面的彎沉值愈大，則路面抵抗彎沉變形的能力愈弱，反之則強。路面抵抗彎沉變形的能力愈弱，反之則強。 在達到相同程度的破壞時，彎沉值大小同該在達到相同程度的破壞時，彎沉值大小同該路面的使用壽命即輪載累計重復作用次數(shù)成路面的使用壽命即輪載累計重復作用次數(shù)成反比關系。反比關系。 二、容許彎沉與設計彎沉值二、容許彎沉與設計彎沉值15 1、路表彎沉的變化規(guī)律：、路表彎沉的變化規(guī)律：路表面的彎沉變化過程分三個階段：路表面的彎沉變化過程分三個階段：第一階段：第一階

10、段：路面竣工后一、二年。由于交通的荷載的壓密作用路面竣工后一、二年。由于交通的荷載的壓密作用以及半剛性基層材料的強度增長，以及半剛性基層材料的強度增長，路表彎沉逐漸減小路表彎沉逐漸減小，大致在，大致在竣工后第二年達最小值?？⒐ず蟮诙赀_最小值。第二階段：第二階段：路面竣工后兩至四年。由于在交通荷載的充分作用、路面竣工后兩至四年。由于在交通荷載的充分作用、水溫狀況變化以及材料不均等因素影響下，水溫狀況變化以及材料不均等因素影響下，路面結構內(nèi)部的微路面結構內(nèi)部的微觀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，觀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

11、增加使結構整體剛度下降、彎沉增加。此階段以。此階段以彎沉不斷增大彎沉不斷增大為主為主要特征。要特征。16第三階段：第三階段：路面竣工后三、四年至路面達路面竣工后三、四年至路面達極限破壞狀態(tài)極限破壞狀態(tài)。由于。由于結構內(nèi)部缺陷附近局部區(qū)域積蓄的結構內(nèi)部缺陷附近局部區(qū)域積蓄的高密度能量高密度能量，已通過前階段，已通過前階段缺陷的擴展而缺陷的擴展而轉(zhuǎn)移，形成新的能量平衡轉(zhuǎn)移，形成新的能量平衡，路面結構的整體剛度，路面結構的整體剛度達成達成較低水平的新的相對穩(wěn)定較低水平的新的相對穩(wěn)定，路表彎沉進入一個，路表彎沉進入一個比較穩(wěn)定的比較穩(wěn)定的緩慢變化階段緩慢變化階段，即結構疲勞破壞的穩(wěn)定發(fā)展階段即結構疲勞

12、破壞的穩(wěn)定發(fā)展階段，一直延續(xù)至，一直延續(xù)至結構結構出現(xiàn)疲勞破壞出現(xiàn)疲勞破壞。17 容許彎沉值的確切含義：容許彎沉值的確切含義：路面在路面在使用期末的使用期末的不利季節(jié)不利季節(jié)，在設計標準軸載作用下，在設計標準軸載作用下容許連續(xù)容許連續(xù)出現(xiàn)的最大彎沉值出現(xiàn)的最大彎沉值。 容許彎沉值與容許彎沉值與累積當量軸次累積當量軸次的關系式如下：的關系式如下： 2、容許彎沉與設計彎沉的含義：、容許彎沉與設計彎沉的含義：1819 路面設計彎沉值是根椐設計年限內(nèi)每個車道通過路面設計彎沉值是根椐設計年限內(nèi)每個車道通過的累計當量軸次、公路等級、面層和基層類型確的累計當量軸次、公路等級、面層和基層類型確定的，相當于定的

13、，相當于路面竣工后第一年不利季節(jié)路面竣工后第一年不利季節(jié)、路面、路面在標準軸載在標準軸載100KN作用下作用下，測得的最大彎沉值。，測得的最大彎沉值。 路面設計彎沉值的計算公式如下：路面設計彎沉值的計算公式如下：bscedAAAN2 . 06002021LssF彎沉綜合修正系數(shù)：彎沉綜合修正系數(shù)： 通常理論彎沉值與實測彎沉值之間存在一定的偏差。原通常理論彎沉值與實測彎沉值之間存在一定的偏差。原因為路面材料并非線彈性體，為此引入一修正系數(shù)因為路面材料并非線彈性體，為此引入一修正系數(shù)F:論彎沉系數(shù)；分別為理論彎沉值和理L, 際彎沉系數(shù)；分別為實際彎沉值和實ss,36. 0038. 0)()2000

14、(63. 1pEFs 由大量試驗得，綜合修正系數(shù)由大量試驗得，綜合修正系數(shù)F同路面實際彎沉值、路基同路面實際彎沉值、路基回彈模量值及輪載參數(shù)（回彈模量值及輪載參數(shù)（p、）有關。）有關。22FEpFEpLL1s0s2100021000或由此，彈性三層體系表面的彎沉值為：由此，彈性三層體系表面的彎沉值為：23三、標準軸載與軸載換算三、標準軸載與軸載換算 路面設計時使用路面設計時使用累計當量軸次累計當量軸次的概念。的概念。 我國路面設計以雙輪組單軸載我國路面設計以雙輪組單軸載l00kN為標準軸載，以為標準軸載，以BZZ-100表示。表示。標準軸載的計算參數(shù)標準軸載的計算參數(shù)。 當把各種軸載換算為標準

15、軸載時，為使換算前后軸載對當把各種軸載換算為標準軸載時，為使換算前后軸載對路面的作用達到相同的效果，應該遵循原則：換算以達路面的作用達到相同的效果，應該遵循原則：換算以達到到相同的臨界狀態(tài)相同的臨界狀態(tài)為標準；為標準；2425當以當以設計彎沉值為設計指標設計彎沉值為設計指標及及瀝青面層層底拉應力瀝青面層層底拉應力驗算驗算時，凡軸載大于時，凡軸載大于25kN的各級軸載的各級軸載Pi的作用次的作用次數(shù)數(shù)ni，按公式換算成標準軸載按公式換算成標準軸載P的當量作用次數(shù)的當量作用次數(shù)N35. 4121PPnCCNikii2627當進行當進行半剛性基層層底拉應力驗算半剛性基層層底拉應力驗算時，凡軸載時，凡

16、軸載大于大于50kN的的各級軸載各級軸載Pi的作用次數(shù)的作用次數(shù)ni，按公式換算成標準軸載按公式換算成標準軸載P的當量作的當量作用次數(shù)用次數(shù)N :C 1軸數(shù)系數(shù)，軸數(shù)系數(shù)， C1=1+2(m-1), m是軸數(shù)。是軸數(shù)。C 2輪組系數(shù)，單輪組為輪組系數(shù)，單輪組為1.85，雙輪組為，雙輪組為1.0，四輪組為，四輪組為 0.09。8121PPnCCNikii28在在設計年限內(nèi)設計年限內(nèi)一個車道上一個車道上累計當量軸次累計當量軸次N Ne可參照下式計算：可參照下式計算：或1365 1)1(NNtettteNN11365 1)1(）（N Ne ：設計年限內(nèi)一個車道上累計當量軸次（次）；設計年限內(nèi)一個車道

17、上累計當量軸次（次）；t t：設計年限設計年限(a)；N N1 ：路面竣工后第一年的平均日當量軸次（次路面竣工后第一年的平均日當量軸次（次/d） ；N Nt ：設計年限最后一年的平均日當量軸次（次設計年限最后一年的平均日當量軸次（次/d） ； ：設計年限內(nèi)交通量的平均年增長率（以小數(shù)計）設計年限內(nèi)交通量的平均年增長率（以小數(shù)計） ； ：車道系數(shù)，車道系數(shù)，累計當量軸次累計當量軸次Ne29四、路基回彈模量值的確定四、路基回彈模量值的確定 彈性理論中表征材料性質(zhì)的參數(shù)是彈性理論中表征材料性質(zhì)的參數(shù)是彈性模量和泊松比彈性模量和泊松比。在應用彈性層狀體系理論進行路面計算時，必須確定路在應用彈性層狀體系

18、理論進行路面計算時，必須確定路基土和路面材料的彈性模量值?；梁吐访娌牧系膹椥阅Ａ恐?。 工程上通常確定路基土和路面材料回彈模量采用工程上通常確定路基土和路面材料回彈模量采用承載板承載板試驗試驗或彎沉測定的方法值，并將這種回彈模量作為彈性或彎沉測定的方法值，并將這種回彈模量作為彈性模量。模量。 確定路基回彈模量確定路基回彈模量E0的常用方法有以下幾種：的常用方法有以下幾種： 現(xiàn)場現(xiàn)場實測法、查表法、換算法實測法、查表法、換算法 、室內(nèi)實驗法、室內(nèi)實驗法承載板試驗承載板試驗 在路基表面，用承載板采用逐級加載、在路基表面，用承載板采用逐級加載、卸載的方法，測出每級荷載相應的回彈卸載的方法，測出每級荷

19、載相應的回彈變形值，通過計算確定路基回彈模量。變形值，通過計算確定路基回彈模量。30311、現(xiàn)場實測法現(xiàn)場實測法 現(xiàn)場實測法是在現(xiàn)場實測法是在不利季節(jié)不利季節(jié)，采用剛性承，采用剛性承載板直接在現(xiàn)場路基上實測載板直接在現(xiàn)場路基上實測E0。 用大型承載板測定路基用大型承載板測定路基00.5mm（路基路基軟弱時測至軟弱時測至lmm）的變形壓力曲線，按的變形壓力曲線，按下式計算土基回彈模量。下式計算土基回彈模量。 32)1.(.41000200iiLpDEE0路基回彈模量，路基回彈模量，MPa；0土的泊松比，取土的泊松比，取0.35；D承載板直徑，承載板直徑，30cm；pi承載板壓力，承載板壓力， M

20、Pa ；Li相應于荷載時的回彈變形值，相應于荷載時的回彈變形值，0.01mm。3302000)1.(21000LPEL彎沉儀測定彎沉儀測定時：時： P、測定車單輪輪載接地壓強測定車單輪輪載接地壓強(MPa)與與 當量圓半徑，當量圓半徑，cm； L0輪系中心處的彎沉值，輪系中心處的彎沉值，0.01mm 0均勻體彎沉系數(shù)，取均勻體彎沉系數(shù)，取0.712。34彎沉儀彎沉儀將彎沉儀置于穩(wěn)定的平臺上，測頭置于壓力機的將彎沉儀置于穩(wěn)定的平臺上，測頭置于壓力機的下承臺上，安置百分表，并于測頭處置下承臺上，安置百分表，并于測頭處置一百分表一百分表(用以測量下承壓臺的位移用以測量下承壓臺的位移)，啟動壓力機，使

21、承壓，啟動壓力機，使承壓臺微升（或下降）同時讀記彎沉儀和測頭處百分臺微升（或下降）同時讀記彎沉儀和測頭處百分表讀數(shù)，表讀數(shù)，計算出位移值計算出位移值，量值范圍，量值范圍0.2-4.0mm，每，每次測定應反復次測定應反復5次，精度在次，精度在0.02mm內(nèi)。內(nèi)。35回彈模量設計值的計算回彈模量設計值的計算100/ )(KSZEEas Eos某路段路基回彈模量設計值。某路段路基回彈模量設計值。 Eo 、S分別為該路段實測路基回彈模量平均值與分別為該路段實測路基回彈模量平均值與 標準差。標準差。 Za保證率系數(shù)，保證率系數(shù)， 高速公路、一級公路為高速公路、一級公路為2， 二、三級公路為二、三級公路為

22、1.648，四級公路為，四級公路為1.5。 K1 不利季節(jié)影響系數(shù)，可根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗選用。不利季節(jié)影響系數(shù)，可根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗選用。362、查表法、查表法 1）確定臨界高度）確定臨界高度 臨界高度臨界高度指在不利季節(jié)，路基分別處于干燥、中濕或指在不利季節(jié)，路基分別處于干燥、中濕或潮濕狀態(tài)時，潮濕狀態(tài)時，路床路床表面距地下水位或地表積水水位的表面距地下水位或地表積水水位的最小高度。最小高度。2）擬定土的平均稠度）擬定土的平均稠度在新建公路的初步設計中，因無法實測求得的平均稠在新建公路的初步設計中，因無法實測求得的平均稠度，可根據(jù)路基臨界高度，判斷各路段土基的干濕類度，可根據(jù)路基臨界高度，判斷各路段土基

23、的干濕類型，利用型，利用表表14-7和和14-8論證得到各路段上的平均稠度論證得到各路段上的平均稠度值。值。3）預測土基回彈模量預測土基回彈模量 路床路床 路面結構層以下路面結構層以下0.8m范圍內(nèi)的路基部分，在結構上分范圍內(nèi)的路基部分，在結構上分為上路床（為上路床（00.30m）和下路床（）和下路床（0.30m0.80m）。）。37路基部位 填料最小強度填料最大粒徑 （cm） 高級路面其他路面上 路 床 （ 0 30cm）8610下路床（3080cm）5410上路堤（80150cm）4315下路堤(150cm）3215383940413、換算法、換算法根據(jù)路基穩(wěn)定含水量及根據(jù)路基穩(wěn)定含水量及

24、壓實度壓實度Kh（或或K1），），可得到相應的可得到相應的土基回彈模量土基回彈模量E0值。值。土基野外和室內(nèi)土基野外和室內(nèi)E0與壓實度與壓實度K（重型重型Kh 、輕型輕型K1 ）、）、c的的試驗關系式試驗關系式。 土基野外與土基野外與室內(nèi)室內(nèi)CBR與與E0的關系的關系。 CBR(California bearing ratio)是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗是美國加利福尼亞州提出的一種評定基層材料承載能力的試驗方法。承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并方法。承載能力以材料抵抗局部荷載壓入變形的能力表征，并采用高質(zhì)量標準碎石的承載能力為標準，以相對值的百分數(shù)表

25、采用高質(zhì)量標準碎石的承載能力為標準，以相對值的百分數(shù)表示示CBR值。值。42壓實度壓實度指的是土或其他筑路材料壓實后的指的是土或其他筑路材料壓實后的干密度干密度與與標準最大干密標準最大干密度度之比，以百分率表示。之比，以百分率表示。干密度干密度指指土的孔隙中完全沒有水時的密度，稱干密度，即土的孔隙中完全沒有水時的密度，稱干密度，即：固體顆粒的質(zhì)量與土的總體積之比值。：固體顆粒的質(zhì)量與土的總體積之比值。標準最大干密度標準最大干密度指的是按照標準指的是按照標準擊實試驗擊實試驗方法，土或其他方法，土或其他筑路材料在最佳含水量時得到的干密度。筑路材料在最佳含水量時得到的干密度。434445五、路面材料設計參數(shù)值五、路面材料設計參數(shù)值 材料模量值是材料模量值是表征材料剛度特性的指標表征材料剛度特性的指標。目前我國常用的路。目前我國常用的路面材料設計方法有壓縮試驗、劈裂試驗、彎拉試驗。面材料設計方法有壓縮試驗、劈裂試驗、彎拉試驗。設計時采用設計時采用何種試驗及其模量值何種試驗及其模量值應考慮下列因素：應考慮下列因素：測試方法簡便，結果穩(wěn)定；測試方法簡便，結果穩(wěn)定；測得的模量值和強度應較好地反映各種路面材料的力學特性；測得的模量值和強度應較好地反映各種路面材料的力學特性；模量值和強度用于厚度計算時，應較好的與設計方法相匹配，模量值和強