第三篇（1分篇）第四章 瀝青路面設計

第四章

瀝青路面設計第三篇路面工程（第一分篇）

教學要求

1.知道瀝青路面的分類及基本特性；

2.會描述瀝青路面常見破壞模式及形成機理；

3.能描述瀝青路面的的設計理論、設計內容和設計指標；

4.會計算瀝青路面設計指標、會確定有關參數(shù)和交通等級；

5.會根據(jù)材料特點及設計原則進行瀝青路面結構組合設計；

6.會運用設計規(guī)范應用軟件進行瀝青路面的設計計算；第一節(jié)

瀝青路面基本認知瀝青路面是指在柔性基層、半剛性基層上鋪筑一定厚度的瀝青混合料作面層的路面結構的總稱，也稱黑色路面。瀝青路面抗彎拉強度較低，其承載力與穩(wěn)定性在很大程度上取決于土基和基層的特性。設計時需要考慮的因素:對軟弱土基或翻漿路段，必須預先加以處理。低溫時，瀝青路面的抗變形能力很低，需設置防凍層。交通量較大時，需考慮抗彎拉和抗疲勞開裂的能力，宜在瀝青面層下設置封層。第四章

瀝青路面設計一、瀝青路面的基本特性

1.瀝青路面的高溫穩(wěn)定性高溫季節(jié)在車輛荷載作用下抵抗變形的能力。常見病害：推擠、車轍、擁包原因：抗剪切能力不足擁包車轍41.瀝青路面的高溫穩(wěn)定性處理措施：選用稠度較大和黏結力較強的瀝青注意礦料的級配組成、礦料顆粒形狀和表面特征（材料）粒徑、針片狀顆粒含量增加碎石用量等。2.瀝青路面的低溫抗裂性瀝青路面的低溫開裂主要有兩種形式：一是由于氣溫驟降使面層產(chǎn)生溫度收縮變形二是由于一年四季氣候的變化，使瀝青面層產(chǎn)生溫度疲勞裂縫。原因：內因——青混合料的性質外因——環(huán)境溫度的變化，車輛荷載的措施：使用稠度較低、溫度敏感性低的瀝青。

3.瀝青路面的水穩(wěn)定性瀝青路面的水穩(wěn)定性：通常是指瀝青混合料在水的作用下保持強度(黏結強度、整體強度)的能力。瀝青混凝土的水穩(wěn)定性指標：浸水馬歇爾試驗和瀝青礦料的黏附性試驗凍融劈裂殘留強度試驗（年最低氣溫低于-21.5℃的寒冷地區(qū)）。措施:使用水泥或消石灰處理集料表面，摻加抗剝落劑使用消石灰處理集料表面常見水穩(wěn)定性的瀝青路面病害疲勞開裂疲勞開裂：是指由于車輪荷載的反復作用，路面材料在低于極限抗拉強度的情況下，結構層經(jīng)受重復拉應力或拉應變過大最終導致結構層開裂。特點:路表無顯著的永久變形，開始階段多數(shù)是細而短的橫向開裂，并逐漸發(fā)展為網(wǎng)狀”裂，裂縫的寬度和范圍不斷擴大。因素:材料的性質(種類、組成等)、環(huán)境因素(溫度、濕度等)，瀝青混合料的勁度及孔隙率措施：保證瀝青混合料具有較高的壓實度。5.瀝青路面的老化特性原因：施工過程中超過規(guī)范規(guī)定的高溫加熱老化和使用過程中的空氣紫外線照射等長期作用而老化。1.按瀝青面層強度構成原理分類密實型：顆粒尺寸連續(xù)多樣，強度和穩(wěn)定性主要取決于瀝青混合料的粘聚力和內摩阻力。嵌擠型：顆粒尺寸較為均一的集料與瀝青分層鋪筑或采用開級配（半開級配）瀝青碎石混合料鋪筑，強度和穩(wěn)定性主要依靠集料之間相互嵌擠產(chǎn)生的內摩阻力，而粘結力則起次要作用。嵌擠密實型：瀝青結構層的粗集料嵌擠作用較好，設計空隙率較?。ㄐ∮?0%），其強度和穩(wěn)定性主要取決于瀝青混合料的內摩阻力和粘聚力。二、瀝青路面的分類

2.按施工工藝分類層鋪法、路拌法、廠拌法

3.按使用品質分類瀝青混凝土（AC）路面瀝青碎石（AM）路面瀝青瑪蹄脂碎石（SMA）路面瀝青貫入式瀝青表面處治多碎石瀝青混凝土（SAC）路面大粒徑瀝青混凝土（LSAM）路面開級配排水式抗滑磨耗層（OGFC）三、瀝青路面的設計理論基本假設：(1)各層連續(xù)的、完全彈性、均勻;(2)空間半無限體；(3)層間接觸情況：或者位移完全連續(xù)(稱為連續(xù)體系)，或者層間僅豎向應力和位移連續(xù)而無摩阻力(稱為滑動體系)；(4)不計自重作用。我國現(xiàn)行的《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTGD502006)規(guī)定，瀝青路面設計采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性連續(xù)體系理論．并以累計當量軸次來反映路面結構和材料的疲勞特征。彈性層狀體系示意圖四、瀝青路面的設計內容1.交通量實測、分析與預測；2.公路沿線自然因素（地質、水文、氣象等）調查；3.選擇路面結構層原材料；4.路面混合材料配合比設計；5.路面材料設計參數(shù)的測試與確定；6.路面結構組合設計與厚度計算；7.路面排水系統(tǒng)設計和其他路面工程設計等；8.路面結構方案的技術經(jīng)濟綜合比選，提出推薦方案；9.繪制路面結構圖。路面設計在外業(yè)調查時需收集的資料有1.交通量及交通組成情況；2.工程地質和水文地質條件；3.天然土的濕度和水文資料；4.氣象資料；5.路面材料產(chǎn)地和供應情況；6.當?shù)芈访媸褂媒?jīng)驗和其它情況；7.工程投資情況；8.施工單位的技術力量、機具設備、勞動力組成情況；9.原有路基路面狀況。五、瀝青路面的設計原則（1）開展現(xiàn)場資料調查和收集工作，做好交通荷載分析與預測，按照全壽命周期成本的理念進行路面設計；（2）調查掌握沿線路基特點，查明土質、路基干濕類型，在對不良地質路段處理的基礎上，進行路基路面綜合設計；（3）結合當?shù)貤l件，積極、慎重地推廣新技術、新結構、新材料、新工藝，并認真鋪筑試驗路段，總結經(jīng)驗，不斷完善，逐步推廣。五、瀝青路面的設計原則（4）遵循因地制宜、合理選材、節(jié)約資源的原則，選擇技術先進、經(jīng)濟合理、安全可靠、方便施工的路面結構方案；（5）符合國家環(huán)境保護的有關規(guī)定，保護相關人員的安全和健康，重視材料的再生利用與廢棄料的處理；（6）高速公路、一級公路的瀝青路面不宜采用分期修建，軟土地區(qū)或高填方路基、黃土濕陷地區(qū)等可能產(chǎn)生較大沉降的路段，以及初期交通量較小的公路可“一次設計、分期修建”。六、瀝青路面設計的控制指標

——控制路基壓縮引起的路面沉陷指標:可選用路床頂面的垂直壓應力或垂直壓應變作為設計指標。即:路床頂面產(chǎn)生的垂直壓應力，不應超過路基土的容許抗壓強度。

——控制車轍深度的指標:

——路面整體剛度和強度指標控制路基路面的總變形，防止網(wǎng)裂、沉陷、車轍，使路面具有足夠的整體剛度和強度：

——控制疲勞開裂的指標可以采用結構層底面的拉應力或拉應變，即結構層底面可能產(chǎn)生的最大拉應力或最大拉應變不應超過容許拉應力或容許拉應變：

——控制剪切破損指標防止高溫季節(jié)道路交叉口、停車場等汽車經(jīng)常起動、制動的路段瀝青面層產(chǎn)生推擠和擁包等破損現(xiàn)象發(fā)生，可采用面層抗剪強度作為控制指標．在車輪垂直力和水平力綜合作用下，面層中可能產(chǎn)生的最大剪切應力不應超過容許剪切應力：

——控制低溫縮裂的指標低溫時結構層材料因收縮受約束而產(chǎn)生的溫度拉應力不應超過該溫度時材料的容許拉應力：七、瀝青路面的交通等級交通等級BZZ-100累計標準軸次（次/車道）大客車及中型以上的各種貨車交通量[輛/（

車道）]輕交通＜3×106＜600中等交通3×106～1.2×107600～1500重交通1.2×107～2.5×1071500～3000特重交通＞2.5×107＞3000第二節(jié)瀝青路面結構設計路面結構設計包括各結構層設計和結構層組合設計。一、瀝青路面各分層結構設計

瀝青路面結構層可由面層、基層、底基層、墊層等多層結構組成。交通量越大，公路等級越高，則路面厚度也越大，相應的面層層次也越多。面層可為單層、雙層或三層。雙層結構分為表面層、下面層。三層結構分為表面層、中面層、下面層。1.面層類型的選擇——面層選擇1）要與公路等級、使用要求、交通等級相適應；2）高強、耐磨、熱穩(wěn)性好、水穩(wěn)性好和不透水等性能；3）合理的結構層次：高速公路、一級公路一般選用三層瀝青面層結構；二級、三級公路一般采用雙層式瀝青面層，即表面層與下面層；三級、四級公路一般采用雙層瀝青表面處治結構以抵抗水平力在面層底部產(chǎn)生的剪應力。4）按情況設置瀝青類封層。面層類型適用范圍瀝青混凝土高速公路、一級公路、二級公路、三級公路、四級公路瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA、排水式瀝青混合料OGFC、Superpave瀝青混合料高速公路、一級公路貫入式瀝青碎石（上拌下貫瀝青碎石）、瀝青碎石、瀝青表面處治、稀漿封層三級公路、四級公路冷拌瀝青混合料交通量小的三級公路、四級公路公路瀝青面層類型的選擇表3-1-4-2基本要求：基層要有足夠的抗壓強度，一定的剛度和水穩(wěn)定性。貫徹就地取材原則；考慮交通量及其組成、氣候條件、筑路材料以及路基水文狀況等因素；瀝青混合料類、水泥或二灰穩(wěn)定集料類、貧混凝土及級配碎石可用于交通量繁重的公路基層，其他類型(嵌鎖型、級配型)的材料可適用于較小交通底基層應充分利用沿線成本較低、來源較廠、性能稍差的地方材料，可采用無機結合料穩(wěn)定細粒土或粒料類等。2.基層與底基層類型選擇為保護路面面層邊緣，基層寬度每側至少比面層寬出25cm(無路緣石時)，底底層每側至少比基層寬出15cm。

3.墊層類型選擇墊層通常設在路基處于潮濕和過濕以及有冰凍翻漿的路段，以排除路面、路基中滯留的自由水。常用材料有兩類：A.松散粒料：粗砂、礫石、碎石和煤渣等組成的透水性墊層；B.整體性材料：水泥或石灰粉煤灰穩(wěn)定類等組成的穩(wěn)定性墊層。注意：高速公路，一、二級公路的排水層應鋪至路基同寬，以利路面結構排水，保證路基穩(wěn)定一般情況下墊層寬度應比底基層每側至少寬出25cm三、結構層組合設計A：一般應按強度自上而下遞減組合。并結構層之間的模量不能相差過大B：一般基層與瀝青面層的模量比在l.5—3.0之間；基層與底基層的模量比不宜大于3.0；底基層與土基的模量比宜在2.5—12.5之間。1.強度組合要求圖3-1-4-2應力與強度隨深度的變化1-荷載應力分布曲線；2-材料強度E布置曲線

——結構層的層數(shù)和厚度組合設計考慮的因素

(1)依結構層的造價。面層厚度一·般比較小．基層、墊層相對比較厚。

(2)依各結構層擴散應力的效果?；鶎雍穸葹橐话阋?5～25cm為宜。

(3)依壓實機具的能力。一般瀝青面層最大為6~8；基層每層為15~20cm；

(4)面層厚度應與混合料的公稱最大粒徑相匹配。瀝青面層集料的最大粒徑從上至下逐漸增大，并應與壓實層厚度相匹配。熱拌熱鋪密級配瀝青混合料厚度不宜小于集料公稱最大粒徑的2.5～3倍，對SMA和OGFC等嵌擠型混合料，瀝青層每層的壓實層厚度不宜小于集料公稱最大粒徑的2—2.5倍。2.層數(shù)、厚度要求結構層類型公稱最大粒徑符號壓實最小厚度適宜厚度（mm）密級配瀝青混凝土、砂粒式4.75AC-51515—30細粒式9.5AC-102025—4013.2AC-133540—60中粒式16AC-164050—8019AC-205060—100粗粒式26.5AC-257080—120瀝青瑪蹄脂碎石細粒式9.5SMA-102525—5013.2SMA-133035—60中粒式16SMA-164040—7019SMA-205050—80半開級配瀝青碎石細粒式13.2AM-133540—60中粒式16AM-164050—7019AM-205060—80粗粒式26.5AM-258080—120各類結構層壓實最小厚度與適宜厚度表3-1-4-3結構層類型公稱最大粒徑（mm）符號壓實最小厚度（mm）適宜厚度（mm）瀝青貫入式4040—80瀝青上拌下貫式6060—80瀝青表面處治1010—30無機結合料穩(wěn)定類（水泥穩(wěn)定類、石灰粉煤灰穩(wěn)定類、石灰穩(wěn)定類）150180—200貧混凝土150180—240級配碎石、級配礫石80100—200泥結碎石80100—150填隙碎石100100—120各類結構層壓實最小厚度與適宜厚度表3-1-4-3A.半剛性基層瀝青路面宜采取以下措施減少收縮開裂和反射裂縫：①選用骨架密實型半剛性基層，嚴格控制細料含量、結合料劑量、含水量及養(yǎng)生時間。②適當加大瀝青面層厚度，在半剛性結構層上設置瀝青穩(wěn)定碎石或級配碎石等柔性基層。③在半剛性結構層上設置改性瀝青應力吸收層或應力吸收膜或者鋪設實踐證明有效的耐高溫的土工合成材料等。3.層間組合設計要求①瀝青層之間設置黏層瀝青。黏層瀝青可用乳化瀝青或改性乳化瀝青或熱瀝青，灑布數(shù)目宜為0.3~0.6kg/m2。。②各種基層上設置透層瀝青。透層瀝青應具有良好的滲透性能，可用液體瀝青(稀釋瀝青)、乳化瀝青等。③在半剛性基層上設置下封層。④新、舊瀝青層之間，瀝青層與舊水泥混凝土板之間灑布的黏層瀝青宜用熱瀝青或改性乳化瀝青或乳化瀝青。⑤拓寬路面時，新、舊路面接茬處噴涂黏結瀝青。⑥雙層式半剛性基層宜采用連續(xù)攤鋪、碾壓工藝。B.層間結合緊密的技術措施基本要求①防凍墊層應采用透水性好的粒料類，通過0.075mm篩孔顆粒含量不宜大于5％。墊層厚度視具體情況而定，一般為15~20cm，重冰凍地區(qū)潮濕、過濕路段可為30~40cm;②采用碎石和砂礫墊層時，顆粒組成宜滿足無結合料材料的級配要求，最大粒徑應與結構層厚度相協(xié)調，一般最大粒徑應不超過結構層厚度的1／2；采用未篩分碎石和天然砂礫墊層時，最大粒徑應為(1/3～2/3)h。以確保形成骨架結構，提高結構層的穩(wěn)定性。③可在路基頂面設土工合成材料隔離層，以防止路基污染粒料類墊層或隔斷地下水。4.墊層與抗凍層設計要求互動1.瀝青路面結構層設計的原則有哪些方面？2.面層材料選擇時要考慮哪些因素？3.基層設計時要考慮哪些因素？4.墊層設置的目的是什么？一般有哪些材料？5.結構層強度組合時要滿足哪些條件？6.層間組合設計防止半剛性基層反射裂縫的措施有哪些？7.結構層層間緊密結合的措施有哪些？第三節(jié)

新建瀝青路面結構層厚度計算一、瀝青路面結構設計程序A、計算累計當量軸次——確定設計交通量與交通等級——擬定面層、基層類型——計算設計彎沉值。B、劃分路段，確定各路段土基回彈模量設計值。C、初擬可行的路面結構組合方案，材料配合比設計，確定各結構層材料設計參數(shù)，計算容許拉應力值D、根據(jù)設計程序計算或驗算路面厚度E、防凍驗算（視需要）F、技術經(jīng)濟比較，確定方案瀝青路面結構設計程序框圖二、瀝青路面設計指標計算關鍵詞：多層彈性理論、連續(xù)體系、雙圓均布荷載、路表彎沉值力學圖式：圖3-1-4-4路表彎沉值計算圖式設計彎沉值

——通常以容許達到的彎沉值作為路面設計的控制指標之一，這個控制指標被稱作設計彎沉值。原理

——調查測定發(fā)現(xiàn)，回彈彎沉增大，路面的外觀狀態(tài)明顯變差。瀝青路面外觀特征，分為五類，如表把第四類外觀狀態(tài)定為路面的臨界狀態(tài)，此時的回彈彎沉值的低限作為路面設計彎沉值界限的依據(jù)。

1.路面設計彎沉值式中：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(次/車道)；

AC——公路等級系數(shù)，高速公路、一級公路為1.0，二級

公路為1.1，三、四級公路為1.2；

AS——面層類型系數(shù)，瀝青混凝土面層為1.0；熱拌和冷

拌瀝青碎石、瀝青貫入式路面（含上拌下貫式路

面）、瀝青表面處治為1.1；

Ab——路面結構類型系數(shù)，對半剛性基層瀝青路面為1.0，

柔性基層瀝青路面為1.6。2.結構層材料的容許拉應力

結構層材料的容許拉應力是路面結構在行車荷載反復作用下達到疲勞臨界破壞狀態(tài)時容許的最大拉應力。（1）對瀝青混凝土面層：（2）對無機結合料穩(wěn)定集料類：（3）對無機結合料穩(wěn)定細粒土類：其中：三、輪隙中心路表回彈彎沉和結構層層底拉應力計算1.輪隙中心路表回彈彎沉計算圖3-1-4-4路表彎沉值計算圖式2.路面結構層層底拉應力計算圖3-1-4-5瀝青混凝土層和半剛性材料層的層底拉應力計算圖式四、瀝青路面結構層的厚度設計1.計算法經(jīng)驗確定路面結構組合類型設計時應先擬定某一層作為設計層根據(jù)混合料類型與施工工藝要求確定其他各層的厚度計算設計層厚度設計層厚度應不小于最小施工厚度。2.驗算法根據(jù)本地區(qū)典型結構確定路面結構組合類型根據(jù)混合料類型與施工工藝擬定各結構層的厚度結構驗算。計算步驟A.擬定某一層位作為設計層B.計算累計當量軸次，確定設計彎沉值。C.確定土基的抗壓回彈模量設計值。D.確定各層材料的抗壓回彈模量設計值。E.求解設計層厚度。第四節(jié)

新建瀝青路面結構設計案例一、基本資料

1.自然地理條件

新建高速公路地處Ⅱ2區(qū)，為雙向四車道，擬采用瀝青路面結構進行施工圖設計，沿線土質為中液限黏性土，填方路基高1.8m，地下水位距路床頂2.4m，屬中濕狀態(tài)；年降雨量為620mm，最高氣溫35℃，最低氣溫-31℃，多年最大道路凍深為175cm，平均凍結指數(shù)為882℃，最大凍結指數(shù)為1225℃。

2.路基回彈模量的確定

設計路段路基處于中濕狀態(tài)，路基土為中液限黏土，根據(jù)室內試驗法確定路基回彈模量設計值40MPa

3.交通組成與交通量

根據(jù)工程可行性研究報告可知路段所在地區(qū)近期交通組成與交通量，見表3-1-4-5。預測交通量增長率前五年為8.0%，之后五年為7.0%，最后五年為5.0%。瀝青路面累計標準軸次按15年計。近期交通組成與交通量表3-1-4-5車型分類代表車型數(shù)量（輛/）小客車桑塔納20002280中客車江淮AL6600220大客車黃海DD680450輕型貨車北京BJ130260中型貨車東風EQ140660重型貨車黃河JN163868鉸接掛車東風SP9250330

4.設計軸載車型分類前軸重（kN）后軸重（kN）后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距（m）日交通量（輛/）北京BJ130型輕型貨車13.427.4120260東風EQ140型23.669.3120660東風SP9250型50.7113.3324330黃海DD680型長途客車49.091.5120450黃河JN163型58.6114.0120868江淮AL6600型17.026.5120220換算方法彎沉及瀝青層拉應力指標半剛性層拉應力指標累計交通軸次2098萬次2673萬次

軸載換算與累計軸載表3-1-4-6

根據(jù)本地區(qū)的路用材料，結合已有工程經(jīng)驗與典型結構，擬定三個結構組合方案。

方案一：

4cm細粒式瀝青混凝土+6cm中粒式瀝青混凝土+8cm粗粒式瀝青混凝土+38cm水泥穩(wěn)定碎石基層+？水泥石灰砂礫土層，以水泥石灰砂礫土為設計層。

方案二：

4cm細粒式瀝青混凝土+8cm中粒式瀝青混凝土+15cm密級配瀝青碎石+？水泥穩(wěn)定砂礫+18cm級配砂礫墊層，以水泥穩(wěn)定砂礫為設計層。

方案三：

4cm細粒式瀝青混凝土+8cm中粒式瀝青混凝土+2×10cm密級配瀝青碎石+35cm級配碎石。二、初擬路面結構三、路面材料配合比設計與設計參數(shù)確定

1.試驗材料的確定半剛性基層所用集料取自沿線料場，結合料瀝青選用A級90號，上面層采用SBS改性瀝青

2.路面材料配合比設計

3.路面材料抗壓回彈模量的確定1)根據(jù)設計配合比，選取工程用各種原材料制作，測定設計參數(shù)2)按照規(guī)范測定設計參數(shù)3）路面材料劈裂強度測定四、路面結構層厚度確定

1.方案一的結構厚度確定序號結構層材料名稱20℃抗壓回彈模量（MPa）15℃抗壓回彈模量（MPa）劈裂強度（MPa）厚度（cm）層底拉應力（MPa）容許拉應力（MPa）標準差標準差1細粒式瀝青混凝土199120126803441.24-0.190.462中粒式瀝青混凝土142510521751871.060.060.383粗粒式瀝青混凝土978551320600.88-0.060.314水泥穩(wěn)定碎石318878231887820.6380.150.265水泥石灰砂礫土159125015912500.4170.130.146土基400——————2.方案二的結構厚度確定序號結構層材料名稱20℃抗壓回彈模量（MPa）15℃抗壓回彈模量（MPa）劈裂強度（MPa）厚度（cm）層底拉應力（MPa）容許拉應力（MPa）標準差標準差1細粒式瀝青混凝土199120126803441.24-0.280.462中粒式瀝青混凝土142510521751871.080.040.383密級配瀝青碎石124811617151560.6150.040.234水泥穩(wěn)定砂礫261723426172340.5200.260.265級配砂礫2500———18——6土基400——————

3.方案三的結構厚度確定序號結構層材料名稱20模量（MPa）15模量（MPa）劈裂強度（MPa）厚度（cm）層底拉應力（MPa）容許拉應力（MPa）標準差標準差1細粒式瀝青混凝土199120126803441.24-0.310.462中粒式瀝青混凝土142510521751871.080.080.383密級配瀝青碎石124811617151560.6200.230.234級配碎石3500———35——5土基400——————五、驗算防凍厚度方案一：瀝青層厚度為18cm，總厚度為73cm。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，最小防凍厚度為45～55cm；方案二：瀝青層厚度為27cm，總厚度為65cm。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，最小防凍厚度為50～60cm；瀝青層厚度為32cm，總厚度為67cm。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，最小防凍厚度為50～60cm；以上路面結構厚度均滿足最小防凍厚度要求。經(jīng)過技術經(jīng)濟綜合比較，確定方案一為最終推薦方案六、確定路面結構層設計方案本章小