路基路面工程第14章

第一節(jié)彈性層狀體系理論概述

第二節(jié)瀝青路面的破壞狀態(tài)與設計標準

第三節(jié)瀝青路面結構組合設計

第四節(jié)新建瀝青路面的結構厚度計算

第五節(jié)路面結構剪應力計算

第六節(jié)瀝青路面改建設計

第十四章瀝青路面設計第一頁，共六十三頁。內容：

（1）材料選擇（2）配合比設計（3）結構組合設計（4）厚度驗算（5）方案比選（6）其他路面構造的設計力學模型：

（1）彈性半空間體系（2）彈性層狀體系

（3）粘彈性層狀體系（4）彈性地基板（5）彈性地基有限元（6）非線彈性層狀體系第二頁，共六十三頁。

荷載形式

層次結構

計算機程序第三頁，共六十三頁。人物第四頁，共六十三頁?！?4.1彈性層狀體系理論概述一、基本圖式與基本假定

力學模型：彈性層狀體系基本假定（1）各層都是由均質，各向同性的彈性材料組成，位移、變形微小，這種材料的力學性能服從胡克定律（2）土基在水平方向和向下深度方向均為無限，其上各層厚度均為有限，但水平方向仍為無限（3）土層表面作用著軸對稱圓形均布荷載（可以是垂直均布荷載，也可以是一般圓形荷載）同時在下層無限深處及水平無限遠處應力、應變、位移都是零第五頁，共六十三頁。（4）層間接觸面滿足一定的條件，可以是假定完全連續(xù)，完全光滑，也可介于兩者之間（5）不計自重第六頁，共六十三頁。2、基本原理（解題方法）第七頁，共六十三頁。簡化荷載：圓形均布荷載（垂直，水平）圓柱坐標（γ，θ，Z）三個法向分力：

三對剪應力：

軸對稱荷載：

由彈性理論：

力平衡方程：

①第八頁，共六十三頁。物理方程（應力應變關系）②

其中，G為剪切模量

幾何方程（位移連續(xù)）③第九頁，共六十三頁。①~③式中，共有十個變量（再加上U(r),W(z)），十個方程式，理論上結合邊界條件即可解出未知值，但是實際解法相當困難，一般采用應力函數求解微分單元體相鄰單元變形是協(xié)調的，物體在變形前后是一個連續(xù)體，消去位移分量，可得變形連續(xù)方程：④第十頁，共六十三頁。單圓垂直均布荷載雙層連續(xù)體系:表面荷載作用軸線上的垂直位移（即彎沉）為：稱為垂直位移系數（查諾謨圖）第十一頁，共六十三頁。二、主應力計算（強度驗算）

彈性體內任意點的三個主應力，由下式確定

⑨

解得⑨式三個實根，即三個主應力

解得⑨式三個實根，即三個主應力第十二頁，共六十三頁。§14.2瀝青路面的破壞狀態(tài)與設計標準一、破壞模式

1、裂縫類——路面結構的整體性受到破壞2、變形類——路面的表面形狀發(fā)生改變3、表層損壞類——路面表層局部受到破壞第十三頁，共六十三頁。二、破壞狀態(tài)

（一）沉陷：車輪作用下表面產生局部凹陷變形產生原因：路基土承載不足，形成壓縮與變形設計標準：路基土的垂直應力，

（二）車轍：車輪重復作用導致塑性變形的積累。行車輪帶處形成縱向帶狀凹陷產生原因：車輪重復作用導致塑性變形的積累

設計標準：第十四頁，共六十三頁。（三）疲勞開裂：路面在無顯著永久變形下，形成短而細的橫向裂縫，并逐漸擴展成網狀，開裂寬度范圍不斷增大。產生原因：車輪反復作用，結構層底面拉應變超過材料的疲勞強度，底面看先開裂并向表面發(fā)展

設計標準：

（四）推移：路面表面在較大水平荷載作用下出現(xiàn)推移與擁包鼓起現(xiàn)象產生原因：結構層內剪應力超過材料的抗剪強度設計標準：面層中可能最大剪應力適于：停車站、交叉口、緊急制動路段第十五頁，共六十三頁。（五）低溫縮裂：低溫時材料收縮受限產生較大拉應力，當它超過材料當時的抗拉強度時便產生開裂

設計標準：低溫收縮受約束產生的溫度應力

（六）路面彎沉：垂直荷載作用下，產生的垂直變形

產生原因：整體剛度不足

設計標準：實測路面彎沉值小于設計彎沉值第十六頁，共六十三頁。§14.3瀝青路面結構組合設計一、適應行車荷載的要求

１、按交通要求選擇面層等級和類型２、按各結構層的功能選擇結構層次３、按各結構層的應力分布特性確定材料和厚度，相鄰結構層之間相對剛度比不宜過大。一般，基層與面層模量比不小于0.3，土基與基層或底層的模量比宜為0.08~0.4第十七頁，共六十三頁。二、在各種自然因素作用下穩(wěn)定性好

三、考慮各結構層本身的特點

層次組合合理適當的層厚和層數四、路面結構組合示例第十八頁，共六十三頁。高速公路、一級公路：細?；蛑辛r青混凝土

中?；虼至Ｊ綖r青混凝土粗粒式瀝青混凝土或瀝青碎石水泥穩(wěn)定類碎石或二灰穩(wěn)定類碎石二灰土或水泥土土基

細?；蛑辛r青混凝土

中粒或粗粒式瀝青混凝土水泥（二灰）穩(wěn)定類碎石級配碎（礫）石或砂礫土基

第十九頁，共六十三頁。二級、三級公路：瀝青混凝土

瀝青碎石水泥或二灰穩(wěn)定類碎石二灰（石灰）土或級配碎礫石土基

瀝青表面處治或乳化瀝青碎石

水泥（二灰）穩(wěn)定類碎石級配碎（礫）石或砂礫土基

瀝青貫入式或瀝青碎石

水泥（二灰）穩(wěn)定類碎石二灰（石灰）土級配碎礫石土基

第二十頁，共六十三頁?！?4-4新建瀝青路面的結構厚度計算采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性體系理論方法：以路表面回彈彎沉值、瀝青混凝土層彎拉應力、半剛性材料層彎拉應力為設計指標進行路面結構厚度設計設計完后，路面結構的路表彎沉與結構層的彎拉應力均應滿足設計指標的極限標準。第二十一頁，共六十三頁。一、計算圖式１、路面彎沉值計算圖示第二十二頁，共六十三頁。２、瀝青面層與半剛性材料層的底層拉應力計算圖示第二十三頁，共六十三頁。３、三層彈性體系剪應力計算圖示第二十四頁，共六十三頁。二、路面容許彎沉和設計彎沉值

１、容許彎沉值:路面在試用期末得罪不利季節(jié)，在設計標準軸載作用下容許出現(xiàn)的最大回彈彎沉值

臨界破壞狀態(tài)：外觀等級五級以第四級彎沉值的底限為臨界狀態(tài)第二十五頁，共六十三頁。２、路面設計彎沉值：由設計年限內每個車道的累積當量軸次、公路等級、面層和基層類型確定，相當于路面竣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Ld——設計彎沉值，0.01mm;Ne——設計年限內一個車道上累計當量軸次Ac——公路等級系數，高速、一級1.0，二級1.1，三、四級1.2As——面層類型系數，瀝青混凝土1.0，熱拌瀝青碎石、上拌下貫、乳化瀝青碎石1.1，瀝青表處1.2，中、低級1.3Ab——基層類型系數，半剛性基層厚度大于15cm為1.0，級配碎石小于15cm為1.0，其他取1.6第二十六頁，共六十三頁。路面厚度計算理論依據：（假設）

注：理論假設與實際狀態(tài)存在差異，需要修正令實測彎沉，計算路面厚度H第二十七頁，共六十三頁。三、標準軸載于軸載換算

１、標準軸載：路面結構設計中雙輪組單軸100KN（BZZ—100）２、計算參數：BZZ—100計算參數

標準軸載P(KN)100單輪傳壓面當量圓直徑（cm）d＝21.30單輪荷載P(KN)25兩輪中心距Rl（cm）3輪胎接地壓強P(Mpa)0.7當量圓半徑（cm）10.65第二十八頁，共六十三頁。３、軸載換算

（1）基本原則a.換算以達到相同的臨界狀態(tài)為標準b.對于某一種交通組成，不論以哪種軸載的標準進行軸載換算，由換算所得的軸載作用次數計算的路面厚度應該是相同的。第二十九頁，共六十三頁。（2）現(xiàn)行規(guī)范軸載換算方法a.當以設計彎沉值為指標及瀝青層層底拉應力驗算時，凡軸載大于25kN的各級軸載Pl的作用次數nl，按下式換算成標準軸載P的當量作用次數NC1——軸數系數C2——輪組系數，單輪組6.4，雙輪組1.0，四輪組0.38m——軸數注：當軸間距大于3m時，C1取m當軸間距小于3m時，第三十頁，共六十三頁。四、土基回彈模量的確定

1、現(xiàn)場承載板試驗測定第三十一頁，共六十三頁。2、查表法

（1）、確定臨界高度

（2）、確定土的平均稠度

（3）、預測土基回彈模量第三十二頁，共六十三頁。3、室內小型承載板試驗測定

a、試件用直徑15.2cm圓筒，承載板直徑5cm，對試件捶擊，計算試件相應于90%，93%，95%，壓實度的模量值b、建立室內小型承載板與現(xiàn)場承載板測定的回彈模量之間的關系，然后將室內小型承載板結果換算成現(xiàn)場承載板測定的回彈模量值，計算90%保證率代表值c、確定最不利季節(jié)（北方春融期，南方雨季）路基土平均最大含水量d、根據平均最大含水量對實測的代表回彈模量進行折減第三十三頁，共六十三頁。4、換算法

建立現(xiàn)場測定與室內實驗的關系

得到值換算關系式，確定E0值第三十四頁，共六十三頁。五、路面材料設計參數值

1、我國現(xiàn)行公路瀝青路面設計規(guī)范規(guī)定，各級公路各層材料的計算模量采用抗壓回彈模量，瀝青砼和半剛性材料的抗拉強度采用劈裂試驗測得的劈裂強度

對于瀝青混合料，當用于以設計彎沉值計算路面結構厚度時，采用200C的抗壓模量；當用于驗算層底拉應力時，采用150C的抗壓模量

第三十五頁，共六十三頁。2、路面材料回彈模量測定方法第三十六頁，共六十三頁。六、結構層材料的容許拉應力

極限抗拉強度Mpa：由劈裂強度試驗確定，（瀝青砼150C），對于水泥穩(wěn)定類材料齡期90d；對于二灰穩(wěn)定類的齡期180d第三十七頁，共六十三頁。第三十八頁，共六十三頁。七、路面厚度計算與層底拉應力驗算：

1、彈性雙層體系雙圓荷載第三十九頁，共六十三頁。2、彈性三層體系：雙圓荷載第四十頁，共六十三頁。3、路面厚度計算：假定完全連續(xù)體系雙圓均部荷載設計時，先擬定某一層作為設計層，選定其他各層厚度；當采用半剛性基層、底層結構時，可選其中任一層為設計層。第四十一頁，共六十三頁。4、層底拉應力驗算第四十二頁，共六十三頁。八、多層體系的等效換算：

1、彎沉等效換算法：第四十三頁，共六十三頁。2、彎拉應力等效換算算法：（1）計算上層底面彎拉應力：第四十四頁，共六十三頁。第四十五頁，共六十三頁。（2）計算中層底面彎拉應力：第四十六頁，共六十三頁。例一：現(xiàn)有五層體系，各層模量厚度如下表所列，請轉換三層體系，計算路面彎沉值和第一、二、四層底面彎拉應力層位i五層體系

表面彎沉第一層底拉應力第二層底面拉應力第三層底面拉應力Ei

(mpa)Li

(cm)Ei

(mpa)hi

(cm)Ei

(mpa)hi

(cm)Ei

(mpa)hi

(cm)Ei

(mpa)hi

(cm)115006.515006.515006.580017.617.629.828001080030.580021.435001050019.34250202502053535353535第四十七頁，共六十三頁。1、表面彎沉

2、第一層底面拉應力

3、第二層底面拉應力

4、第四層底面拉應力第四十八頁，共六十三頁。第四十九頁，共六十三頁。第五十頁，共六十三頁。第五十一頁，共六十三頁。九、新建路面結構設計步驟

1、根據設計任務書的要求，確定路面等級和面層類型，設計年限內一個車道的累計當量軸次和設計彎沉值2、按路基土類型與干濕類型，將路基劃分為若干階段，確定土基回彈模量3、擬定可能路面結構組合，根據配合比試驗測定或選用各結構層材料的抗壓回彈模量，抗拉強度，確定各結構層的材料設計參數4、根據設計彎沉值計算路面厚度5、整體性材料層應驗算容許拉應力6、季節(jié)性冰凍區(qū)驗算防凍厚度第五十二頁，共六十三頁?！?4-5路面結構的剪應力計算一、剪應力與抗剪強度第五十三頁，共六十三頁。f——摩擦系數，停車站交叉口等緩慢制動地點為0.2；偶爾緊急制動為0.5；諾謨圖f=0.3

第五十四頁，共六十三頁?！辜羟薪Y構強度系數，停車站交叉口等緩慢制動處

（f=0.2），；緊急制動處（f=0.5），多層路面瀝青路面面層的剪應力時，需將多層路面按剪應力等效原則換算為三層體系，此時換算的方法與彎沉計算相同。第五十五頁，共六十三頁?！?4-6瀝青路面改建設計一、路面結構狀況調查與評定

1、現(xiàn)有路面狀況調查a、交通調查b、路基狀況調查c、路面狀況調查d、路