路面设计讲座

1、1典型路面结构设计湖南大学土木工程学院黄立葵2011.10.252主要内容w沥青路面设计沥青路面设计w混凝土路面设计混凝土路面设计w沥青路面典型结构沥青路面典型结构w混凝土路面典型结构混凝土路面典型结构w长寿命路面概念长寿命路面概念3沥青路面设计理论4Compacted SubgradeAsphalt Treated BaseAC Surface Course2-4 in.4-8 in.6 in.Full-depth Asphalt Concrete Pavement (Aggregate)(Aggregate)5平衡微分方程；物理方程；几何方程；边界条件。分析方法圆形均布竖向荷载；圆形均布单

2、向水平荷载。荷载各层连续、均质、各向同性、完全弹性，位移和应变是微小的；第n层在水平、竖向无限大，其余各层厚度有限，水平方向无限大；层间接触：竖向应力、位移连续，在水平方向连续（连续体系）、无阻力（滑动体系）、部分阻力（半结合体系）；无限深处应力、位移均为零；不计自重。基本假设平衡微分方程；物理方程；几何方程；边界条件。分析方法圆形均布竖向荷载；圆形均布单向水平荷载。荷载各层连续、均质、各向同性、完全弹性，位移和应变是微小的；第n层在水平、竖向无限大，其余各层厚度有限，水平方向无限大；层间接触：竖向应力、位移连续，在水平方向连续（连续体系）、无阻力（滑动体系）、部分阻力（半结合体系）；无限深处

3、应力、位移均为零；不计自重。基本假设1 弹性层状体系力学模型沥青路面设计理论6沥青路面设计理论7沥青路面设计理论89101112131415沥青路面设计理论16沥青路面设计理论1718沥青路面结构组合设计19沥青路面结构组合设计20沥青路面结构组合设计21沥青路面结构组合设计22沥青路面结构组合设计23新建沥青路面设计方法24新建沥青路面设计方法25新建沥青路面设计方法2627 试 件 底 座顶板千分表千分表新建沥青路面设计方法28新建沥青路面设计方法2930新建沥青路面设计方法3132 33 34新建沥青路面设计方法35新建沥青路面设计方法36新建沥青路面设计方法37新建沥青路面设计方法38

4、新建沥青路面设计方法39国外沥青路面设计方法经验法经验法CBR、AASHTO等等理论法理论法(力学经验法力学经验法) SHELL、AI等等40CBR设计法 沥 青 砼h1碎 石h2砂 砾土 基h3CBR=80CBR=20CBR=5P=54KNCBR (%)3路面厚(cm)0沥青砼h1碎石h2沙砾土基10203040506070804 5 6 8 1020 30 4050806018KN27KN41KN54KN73KN(轮载)h3CBR=80CBR=20CBR=5P=54KN解：（1）基层CBR=80，查图知h1=10cm； （2）下基层CBR=20，查图知h1+h2=20cm，因此h2=10c

5、m； （3）土基CBR=5，查图知h1+h2+h3=43cm，因此h3=23cm。41AASHTO设计法 05.194.2lg4.2 1.5lg9.36lg(1)0.22.32lg109430000.4(1)tRRpMWSNZ SSN11222333SNa Da D ma D m25.03 1.91lg(1)0.210.032PSISVRDcf面层a1=0.44基层底基层土基a2=0.14a3=0.11D1=6inD2=8inD3=?等级优良中差劣543210评分4243SHELL设计法 设计标准：设计标准：1路基顶面竖向压应变路基顶面竖向压应变控制路基的永久变形控制路基的永久变形2沥青面层水

6、平拉应变沥青面层水平拉应变控制面层的开裂控制面层的开裂3整体性材料（水泥稳定）基层拉应力整体性材料（水泥稳定）基层拉应力4路面表面永久变形（车辙深度）路面表面永久变形（车辙深度） 高速公路高速公路 一般公路一般公路 E1E2E3p=0.6 MPa123rzh1h2210mmr210mmrz20.252.8 10zN0.251A N1(1 0.075lg)rrN10mmRD 30mmRD 44中国沥青路面主要结构形式 我国高速公路中，沥青路面占我国高速公路中，沥青路面占90以上，水泥混凝土路面占以上，水泥混凝土路面占10以下；以下；沥青面层厚度沥青面层厚度1520cm，半刚性基层厚度，半刚性基层

7、厚度3540cm，底基层，底基层20cm左左右；沥青路面设计年限右；沥青路面设计年限15年。年。普通公路中，沥青路面在有铺面道路中只占少数，混凝土路面占大多数；普通公路中，沥青路面在有铺面道路中只占少数，混凝土路面占大多数；沥青面层厚度沥青面层厚度10cm以下，半刚性基层厚度以下，半刚性基层厚度2040cm，底基层，底基层1520cm左右；沥青路面设计年限左右；沥青路面设计年限12年以下。年以下。 45半刚性基层沥青路面早期损坏问题 1沥青路面初期损坏严重，通车后不利季节开始（使用半年沥青路面初期损坏严重，通车后不利季节开始（使用半年1年），主年），主要表现形式为坑槽和车辙，多数属于水损害。直

8、接原因是施工质量不到要表现形式为坑槽和车辙，多数属于水损害。直接原因是施工质量不到位，也有路面结构组合不合理的因素。位，也有路面结构组合不合理的因素。2沥青路面早期损坏指开放交通沥青路面早期损坏指开放交通35年，长一些的年，长一些的78年发生严重的损年发生严重的损坏，主要表现为大面积的开裂，但出现典型疲劳损坏的情况少见。主要坏，主要表现为大面积的开裂，但出现典型疲劳损坏的情况少见。主要原因是结构设计不合理、超载严重等。原因是结构设计不合理、超载严重等。46重荷载问题我国设计（限载）标准为：单轴我国设计（限载）标准为：单轴100kN，双轴，双轴180kN，三轴，三轴220kN。货车超载现象普遍，

9、超载车的比例在货车超载现象普遍，超载车的比例在50以上；超载率最大可达以上；超载率最大可达300400。最大单轴轴载最大单轴轴载465kN，双轴轴载，双轴轴载785kN（文献）。我省实测最大单轴荷（文献）。我省实测最大单轴荷载载350kN，双轴荷载接近，双轴荷载接近600kN。治理超载的难度极大。治理超载的难度极大。 47结构设计问题沥青路面设计采用弹性层状体系理论，认为各层次之间完全连续，以路沥青路面设计采用弹性层状体系理论，认为各层次之间完全连续，以路面结构弯沉值、整体性材料层底部拉应力为控制指标。面结构弯沉值、整体性材料层底部拉应力为控制指标。层间完全连续的假设不符合实际情况，且随着使用

10、年限的延长，层间结层间完全连续的假设不符合实际情况，且随着使用年限的延长，层间结合状况肯定会恶化。合状况肯定会恶化。缺乏控制沥青面层剪切破坏的指标。缺乏控制沥青面层剪切破坏的指标。缺乏一次性大荷载控制指标。缺乏一次性大荷载控制指标。 48路面结构组合几乎所有的路面均采用半刚性基层，主要为水泥稳定碎石和石灰、粉煤几乎所有的路面均采用半刚性基层，主要为水泥稳定碎石和石灰、粉煤灰稳定碎石。灰稳定碎石。这类材料刚度较大，极易产生干缩、温缩裂缝，引起沥青面层的反射裂这类材料刚度较大，极易产生干缩、温缩裂缝，引起沥青面层的反射裂缝；缝；渗水性很差或基本不透水，易造成冲刷；渗水性很差或基本不透水，易造成冲刷

11、；基层逐步开裂，变成小块、碎块，承载力（刚度）降低；基层逐步开裂，变成小块、碎块，承载力（刚度）降低；半刚性基层损坏后无法自愈；半刚性基层损坏后无法自愈；因刚度较大，对超载很敏感。因刚度较大，对超载很敏感。49水损害问题1.提高沥青面层提高沥青面层/基层的抗冲刷能力基层的抗冲刷能力 合格的沥青；合格的沥青； 干净的集料；干净的集料； 掺加熟石灰改善沥青与集料的粘附性。掺加熟石灰改善沥青与集料的粘附性。2.控制沥青混合料的空隙率（防止离析）控制沥青混合料的空隙率（防止离析）3.改善路面结构排水改善路面结构排水5051525354MTV (Material Transfer Vehicle)55沥

12、青路面摊铺5657漂亮的路面58改善路面结构的受力性能1.加强层间结合加强层间结合 沥青层之间：粘层油沥青层之间：粘层油 沥青面层沥青面层/基层之间：透层、封层基层之间：透层、封层 半刚性基层半刚性基层/底基层之间：水泥浆底基层之间：水泥浆2.合理的路面结构组合合理的路面结构组合 与路面结构受力特性一致与路面结构受力特性一致 合理的排水特性组合合理的排水特性组合3.设计中考虑大荷载的作用设计中考虑大荷载的作用 路面结构极限承载力路面结构极限承载力59粘层油6061直接在基层上铺沥青面层62级配碎石基层63水泥混凝土路面设计64弹性地基板体系理论简介1 小小挠挠度度弹弹性性薄薄板板假假设设 (1

13、)垂垂直直于于中中面面方方向向的的正正应应变变极极微微小小， 可可以以忽忽略略不不计计，即即 0,( , )zWWW x yz (2)垂垂直直于于中中面面的的法法线线在在弯弯曲曲变变形形前前后后保保持持 直直线线并并垂垂直直于于中中线线，即即无无横横向向剪剪应应变变。 0zyzx (3)中中面面内内各各点点只只有有垂垂直直于于中中面面的的位位移移，即即 z=0 时时，U=V=0 656667弹性地基板体系理论简介68弹性地基板体系理论简介69水泥混凝土路面荷载应力分析 1 Winkler地基无限大板解地基无限大板解7071水泥混凝土路面荷载应力分析 7273水泥混凝土路面荷载应力分析 74水泥

14、混凝土路面荷载应力分析 7576水泥混凝土路面荷载应力分析 7778水泥混凝土路面荷载应力分析 7980水泥混凝土路面荷载应力分析 818283水泥混凝土路面温度应力分析84对于有限尺寸板对于有限尺寸板(46m)： 基底约束力基底约束力(摩阻力摩阻力)： 2LFBh f 板的容许拉力：板的容许拉力： PBh 当当 F=P 时，时， 2 ,2LfLf 其中，其中， 容许拉应力容许拉应力(MPa)； 容重容重(MN/m3)； f摩阻系数，摩阻系数，1.0 2.0f 。 例如：例如： 0.15MPa(2d 龄期，龄期，15)，30.024MN/m ,2.0f，则，则 20.156.25m0.0242

15、L 水泥混凝土路面温度应力分析85水泥混凝土路面温度应力分析86对于有限尺寸板，可以推导出对于有限尺寸板，可以推导出(K 地基假设地基假设)： 板中板中 22()2(1)()2(1)txxytyyxEtCCEtCC 板边缘中点板边缘中点 2txxEtC 式中，式中，xC板长方向翘曲应力系数；板长方向翘曲应力系数； yC板宽方向翘曲应力系数。板宽方向翘曲应力系数。 2cos cosh1(tantanh ),sin2sinh282cos cosh1(tantanh ),sin2sinh28xyttLCtt tttlttBCtt tttl 水泥混凝土路面温度应力分析8788水泥混凝土路面温度应力分析

16、8990新建水泥混凝土路面设计方法一、标准轴载与轴载换算一、标准轴载与轴载换算 按疲劳断裂设计标准进行结构分析时，以100kN 单轴-双轮组荷载作为设计轴载。行驶特重轴载车辆或特种车辆的水泥混凝土路面，宜选用特重车或特种车中主导车辆的轴载作为设计轴载。 各种轴型的轴载作用次数 Ni，按下式换算为设计轴载的作用次数Ns： nisiisPPNN116 式中：Pi i 级轴载重(kN)，联轴按每一根轴载单独计；Ps设计轴载重(kN)；n各种轴型的轴载级位数； Ni i 级轴载的作用次数；Ns设计轴载的作用次数。 91新建水泥混凝土路面设计方法二、交通分级二、交通分级 按设计基准期内设计车道所承受的设

17、计轴载累计作用次数划分为 5 级： 交通等级 设计车道设计轴载(100kN)累计次数 Ne(104) 极重 106 特重交通 2000106 重交通 1002000 中等交通 3100 轻交通 3 sN应根据断面(双向)交通量，考虑方向分配系数和车道分配系数确定，其中方向分配系数取 0.50.6，车道分配系数取 1.0(单车道)、0.750.85(双车道)、0.450.60(三车道)、0.400.50(四车道以上)。 设计车道临界荷位处标准轴载累计作用次数： (1)1365tresrgNNg 其中，为临界荷位处轮迹横向分布系数。 公路等级 纵缝边缘处 高速公路、一级公路、收费站 0.170.2

18、2 0.340.39 二级以下公路，行车道 7m 以上 行车道 7m 以下 0.540.62 92新建水泥混凝土路面设计方法三、地基当量回弹模量三、地基当量回弹模量 在旧沥青混凝土路面上铺筑水泥混凝土面层时， 原沥青混凝土路面顶面的地基综合当量回弹模量Et可根据落锤式弯沉仪(荷载50kN、承载板半径150mm)的中心点弯沉的测定结果，或根据贝克曼梁(后轴重100kN的车辆)的弯沉测定结果计算确定。 t01.04t0018621137391.04wEwEwwws 式中：w0路段代表弯沉值(0.01mm)；w路段弯沉平均值(0.01mm)；sw路段弯沉的标准差(0.01mm)。 93新建水泥混凝土

19、路面设计方法 新建公路的板底地基当量回弹模量Et 按下式计算： 00221110.860.26lnxtxnnxiiiiinxiiEEEEhEh Ehhh 式中：E0路床顶综合回弹模量(MPa)； 与粒料层总厚度hx有关的回归系数；Ex粒料层的当量回弹模量(MPa)；hx 粒料层的总厚度(m)；n粒料层的层数；Ei、hi 第i 结构层的回弹模量(MPa)与厚度 (m)。 94新建水泥混凝土路面设计方法四、设计参数四、设计参数 可靠度设计标准 公路等级 高速公路 一级 二级 三级 四级 安全等级 一级 一级 二级 三级 设计基准期(a) 30 30 20 20 目标可靠度() 95 90 85 8

20、0 70 目标可靠指标 1.64 1.28 1.04 0.84 0.52 变异水平等级 低中 低中 中 中高 变异系数的变化范围 变异水平等级 低 中 高 水泥混凝土弯拉强度 0.05vc0.10 0.10vc0.15 0.15vc0.20 基层顶面当量回弹模量 0.15vc0.25 0.25vc0.35 0.35vc0.55 水泥混凝土面层厚度 0.02vc0.04 0.04vc0.06 0.06vc0.08 可靠度系数 目标可靠度(%) 变异水平等级 95 90 85 8070 低 1.201.33 1.091.16 1.041.08 - 中 1.331.50 1.161.23 1.081

21、.13 1.041.07 高 - 1.231.33 1.131.18 1.071.11 95新建水泥混凝土路面设计方法五、混凝土板厚设计五、混凝土板厚设计 (一)弹性地基单层板 1荷载应力分析 设计轴载在面层板临界荷位处产生的荷载疲劳应力： pscfrprkkk 式中，ps设计轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力(MPa)； kr 考 虑 接 缝 传 荷 能 力 的 应 力 折 减 系 数 ， 设 混 凝 土 路 肩 时 ， kr =0.870.92(路肩面层与路面面层等厚时取低值，减薄时取高值)，柔性路肩或土路肩时，kr = 1。 kf考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；

22、 kc考虑计算理论与实际差异及动载等因素影响的综合系数， 按公路等级查表确定。 综合系数综合系数kc 公路等级 高速公路 一级公路 二级公路 三、四级公路 ck 1.15 1.10 1.05 1.00 96新建水泥混凝土路面设计方法 设计轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力ps 30.7020.94cs1/3ct3ccc2c1.47101.2112 1psrhPrDEE hDv 设计基准期内的荷载疲劳应力系数kf efNk 式中：Ne设计基准期内标准轴载累计作用次数； 材料疲劳指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土=0.057；碾 压 混 凝 土 和 贫 混 凝 土 =0.065 ；

23、 钢 纤 维 混 凝 土0.0530.017fffld； f 钢纤维的体积率(%)；lf钢纤维的长度(mm)；df钢纤维的直径(mm)。 最重轴载在面层板临界荷位处产生的最大荷载应力： pmcrpkkmax, 97新建水泥混凝土路面设计方法2温度应力分析 在面层板临界荷位处产生的温度疲劳应力： .maxtrttk 式中，tr面层板临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)； .maxt最大温度梯度时面层板产生的最大温度应力(MPa)； kt 考虑温度应力累计疲劳作用的温度疲劳应力系数。 cccc.max-4.48.max.max21.77e0.131 1sinh coscosh sin1cos sin

24、sinh cosh/3tgtLhLLLLctrttttrE hTBBCCttttCtttttLrfkabf 98新建水泥混凝土路面设计方法式中，c混凝土的线膨胀系数； Tg公路所在地50年一遇的最大温度梯度； BL 综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数； CL混凝土面层板的温度翘曲应力系数； L面层板的横缝间距，即板长(m)； r 面层板的相对刚度半径(m)； at、bt 和ct回归系数，按所在地区的公路自然区划查表确定。 回归系数回归系数at、bt 和和ct 公路自然区划 系数 at 0.828 0.855 0.841 0.871 0.837 0.834 bt 0.041 0.041 0.

25、058 0.071 0.038 0.052 ct 1.323 1.355 1.323 1.287 1.382 1.270 3板厚设计 试算法：要求 .max.max()()rprtrrrptrff 如满足上述要求，以初拟板厚作为设计厚度，否则应调整板厚或板长重新计算。 99新建水泥混凝土路面设计方法B.1 力学模型力学模型 B.1.1 按基层和面层类型和组合的不同，路面结构分析分别采用下述力学模型： 1 弹性地基单层板模型适用于粒料基层上混凝土面层，旧沥青路面加铺混凝土面层；面层板底面以下部分按弹性地基处理。 2 弹性地基双层板模型适用于无机结合料类基层或沥青类基层上混凝土面层， 旧混凝土路面

26、上加铺分离式混凝土面层； 面层和基层或者新旧面层作为双层板，基层底面以下或者旧面层底面以下部分按弹性地基处理。 3 复合板模型适用于两层不同性能材料组成的面层或基层复合板。旧混凝土路面上加铺结合式混凝土面层，两层不同性能材料组成的层间粘结的面层， 作为弹性地基上的单层板或者弹性地基上双层板的上层板； 无机结合料类基层或沥青类基层与无机结合料类底基层组成的基层， 作为弹性地基上双层板的下层板。 B.1.2 混凝土面层板的临界荷位位于纵缝边缘中部。基层板的临界荷位与面层板的相同。 100国外混凝土路面设计方法简介101国外混凝土路面设计方法简介102国外混凝土路面设计方法简介103104国外混凝土

27、路面设计方法简介105国外混凝土路面设计方法简介106沥青路面典型结构1、特重交通（累计标准轴次2500 万次） ，一级公路 40mm AC-13C 上面层上面层 1200，2000，1.2MPa - 0.186mm 50mm AC-20C 中面层中面层 1000，1800，1.0MPa - 3480 万次万次 70mm AC-25C 下面层下面层 800， 1200，0.8MPa - 310kN 350mm 水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层 1400，3600，0.5MPa 0.061MPa 200mm 水泥稳定碎石底基层水泥稳定碎石底基层 1100，3000，0.4MPa 0.129MPa

28、 150mm 粒料垫层粒料垫层 200MPa 土基土基 35MPa 107沥青路面典型结构特重交通（累计标准轴次 2500 万次） ，二级公路 40mm AC-13C 上面层上面层 1200，2000，1.2MPa - 0.200mm 50mm AC-20C 中面层中面层 1000，1800，1.0MPa - 2440 万次万次 350mm 水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层 1400，3600，0.5MPa 0.066MPa 270kN 200mm 水泥稳定碎石底基层水泥稳定碎石底基层 1100，3000，0.4MPa 0.148MPa 150mm 粒料垫层粒料垫层 200MPa 土基土基 3

29、5MPa 108沥青路面典型结构2、重交通（累计标准轴次1200 万次） 40mm AC-13C 上面层上面层 1200，2000，1.2MPa - 0.221mm 50mm AC-20C 中面层中面层 1000，1800，1.0MPa - 1490 万次万次 320mm 水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层 1400，3600，0.5MPa 0.078MPa 234kN 180mm 水泥稳定碎石底基层水泥稳定碎石底基层 1100，3000，0.4MPa 0.171MPa 150mm 粒料垫层粒料垫层 200MPa 土基土基 35MPa 109沥青路面典型结构假设不设垫层 40mm AC-13C

30、上面层上面层 1200，2000，1.2MPa - 0.245mm 50mm AC-20C 中面层中面层 1000，1800，1.0MPa - 890 万次万次 320mm 水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层 1400，3600，0.5MPa 0.085MPa 212kN 180mm 水泥稳定碎石底基层水泥稳定碎石底基层 1100，3000，0.4MPa 0.189MPa 土基土基 35MPa 110沥青路面典型结构假设某一界面滑动假设某一界面滑动 40mm AC-13C 上面层上面层 0.167MPa 0.052 MPa - - 50mm AC-20C 中面层中面层 - 0.219 MPa -

31、 - 320mm 水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层 0.081MPa 0.081 MPa 0.357 MPa 0.091 MPa 180mm 水泥稳定碎石底基层水泥稳定碎石底基层 0.189MPa 0.209 MPa 0.132 MPa 0.199 MPa 150mm 粒料垫层粒料垫层 0.242mm 0.275mm 0.363mm 0.273mm 土基土基 943 万次万次 498 万次万次 30 万次万次 509 万次万次 211kN 191 kN 140 kN 201 kN 111沥青路面典型结构3、中等交通（累计标准轴次、中等交通（累计标准轴次 300 万次）万次） 60mm AC-2

32、0C 面层面层 1000，1800，1.0MPa - 0.263mm 300mm 水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层 1400，3600，0.5MPa 0.103 MPa 370 万次万次 150mm 水泥稳定碎石底基层水泥稳定碎石底基层 1100，3000，0.4MPa 0.217 MPa 184kN 150mm 粒料垫层粒料垫层 200MPa 土基土基 35MPa 112沥青路面典型结构4、轻交通（累计标准轴次、轻交通（累计标准轴次 100 万次）万次） 50mm AC-20C 面层面层 1000，1800，1.0MPa - 0.268mm 300mm 水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层 14

33、00，3600，0.5MPa 0.104 MPa 290 万次万次 150mm 水泥稳定碎石底基层水泥稳定碎石底基层 1100，3000，0.4MPa 0.222 MPa 180kN 150mm 粒料垫层粒料垫层 200MPa 土基土基 35MPa 113水泥混凝土路面典型结构1、极重交通（累计标准轴次、极重交通（累计标准轴次 2000000 万次）万次） 350mm 水泥混凝土面层水泥混凝土面层 31000，5.0MPa 200 亿次亿次 413kN 200mm 水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层 2000MPa 4.761MPa 4.951MPa 200mm 水泥稳定碎石底基层水泥稳定碎石底基层 1500MPa 150mm 粒料垫层粒料垫层 200MPa 土基土基 35MPa 114水泥混凝土路面典型结构2、特重交通（累计标准轴次、特重交通（累计标准轴次 2000 万次）万次） 300mm 水泥混凝土面层水泥混凝土面层 31000，5.0MPa 5 亿次亿次 303kN 180mm 水泥稳定碎石基层水泥稳定碎石基层 2000MPa 4.985MPa 4.993MPa 170mm 水泥稳定碎石底基层水泥稳定碎石底基层 1500MPa 150mm 粒料垫层粒料垫层 200MPa 土基土基