第九讲路面工程概论2003

1、第九讲第九讲 路面工程概述路面工程概述道桥教研室道桥教研室 许鹰许鹰1本讲主要内容本讲主要内容一、路面的功能及性能一、路面的功能及性能二、路面结构及其层次划分二、路面结构及其层次划分三、路面的分类与分级三、路面的分类与分级四、行车荷载四、行车荷载五、路面材料的力学特性五、路面材料的力学特性2一、路面的功能及性能一、路面的功能及性能路面是在路基表面上用各种不同材料或混合料路面是在路基表面上用各种不同材料或混合料分层铺筑而成的一种分层铺筑而成的一种层状结构物层状结构物，使汽车在道，使汽车在道路上能全天候地行驶，并且保证汽车以一定的路上能全天候地行驶，并且保证汽车以一定的速度，安全、舒适及经济速度，

2、安全、舒适及经济地运行。地运行。 高等级路面约占道路总投资高等级路面约占道路总投资6070%。 低等级路面约占道路总投资低等级路面约占道路总投资2030%。3路面应具有的性能路面应具有的性能1、强度和刚度、强度和刚度2、气候稳定性、气候稳定性3、耐久性、耐久性4、表面平整度、表面平整度5、表面抗滑性、表面抗滑性6、低噪和少尘性、低噪和少尘性41、强度和刚度、强度和刚度 定义：结构抵抗荷载定义：结构抵抗荷载应力应力的能力的能力 结构抵抗荷载结构抵抗荷载应变应变的能力的能力 原理：车辆受力原理：车辆受力 路面受力路面受力 路面应力（拉、压、剪）路面应力（拉、压、剪） 路面强度破坏与刚度破坏路面强度

3、破坏与刚度破坏52、气候（水温）稳定性、气候（水温）稳定性 定义：路面在水温条件影响下，强、刚度定义：路面在水温条件影响下，强、刚度 变化的程度。变化的程度。 原理：条件原理：条件 环境因素客观性环境因素客观性 路面材料敏感性路面材料敏感性 水温稳定性破坏后果水温稳定性破坏后果63、耐久性（时间稳定性）、耐久性（时间稳定性） 定义：路面抗疲劳强度（由于车载重复作用）定义：路面抗疲劳强度（由于车载重复作用） 及材料老化（材性改变）的能力及材料老化（材性改变）的能力 原理：耐久性破坏后果原理：耐久性破坏后果疲劳开裂、塑变累积等疲劳开裂、塑变累积等 74、表面平整度、表面平整度 定义：定义：1公里内

4、车身与后桥相对垂直位移累积值公里内车身与后桥相对垂直位移累积值 规律：动荷系数与不平整度、车速的关系规律：动荷系数与不平整度、车速的关系 原理：表面平整度破坏后果：原理：表面平整度破坏后果： 行车阻力、冲击振动、积滞降水行车阻力、冲击振动、积滞降水 影响快速、安全、平稳舒适、经济影响快速、安全、平稳舒适、经济85、表面抗滑性、表面抗滑性 原则：路面应平整且不应光滑原则：路面应平整且不应光滑 原理：表面抗滑性破坏后果：附着摩阻力降低原理：表面抗滑性破坏后果：附着摩阻力降低 加之：雨雪、高速、起制动、弯道加之：雨雪、高速、起制动、弯道 打滑、降速、油耗、事故打滑、降速、油耗、事故96、低噪和少尘性

5、、低噪和少尘性 行车噪音行车噪音 平整度差、路面刚度大引起平整度差、路面刚度大引起 少尘性少尘性 砂石路面砂石路面 原理：真空吸力原理：真空吸力 扬尘扬尘 路面损坏、车辆损坏、视距、环境路面损坏、车辆损坏、视距、环境10二、路面结构及其层次划分二、路面结构及其层次划分 面层面层 基层基层 底基层底基层 垫层垫层 土基土基11二、路面结构及其层次划分二、路面结构及其层次划分12三、路面分类与分级三、路面分类与分级1. 路面分类路面分类 (柔性、刚性、半刚性柔性、刚性、半刚性) 柔性路面柔性路面沥青路面沥青路面 刚性路面刚性路面水泥混凝土路面水泥混凝土路面刚度小，荷载作用下产生的刚度小，荷载作用下

6、产生的弯沉变形较大弯沉变形较大，路面结构本身抗弯拉强度较低，土基的强度和稳路面结构本身抗弯拉强度较低，土基的强度和稳定性对整体结构有较大影响。定性对整体结构有较大影响。 抗弯拉强度很高，弹性模量较大（刚性），抗弯拉强度很高，弹性模量较大（刚性），荷载作用下荷载作用下弯沉变形极小弯沉变形极小，传递到基础的单位压，传递到基础的单位压力小。力小。 13三、路面分类与分级三、路面分类与分级1. 路面分类路面分类 半刚性路面半刚性路面 无机结合料（水泥、石灰）水硬性材料稳定无机结合料（水泥、石灰）水硬性材料稳定土、砂、砾石和工业废料。后期强度增长较大，土、砂、砾石和工业废料。后期强度增长较大，最终强度比

7、柔性路面强度高，比刚性路面强度低最终强度比柔性路面强度高，比刚性路面强度低，不耐磨，一般用作基层。，不耐磨，一般用作基层。14三、路面分类与分级三、路面分类与分级2. 路面分级（按公路等级和服务能力分）路面分级（按公路等级和服务能力分） 高级路面高级路面 次高级路面次高级路面 中级路面中级路面 低级路面低级路面15四、行车荷载四、行车荷载1、车辆分类、车辆分类2、轴型分类、轴型分类3、车载对路面的静力作用、车载对路面的静力作用4、车载对路面的动力作用、车载对路面的动力作用5、水平荷载与摩阻力、水平荷载与摩阻力6、车载横向分布、车载横向分布7、交通量的确定、交通量的确定8、交通量等效换算、交通量

8、等效换算9、累计交通量、累计交通量16四、行车荷载四、行车荷载1、车辆分类（机动车）、车辆分类（机动车） 客车客车 大、中、小大、中、小 货车货车 大（载重、牵引）、中、小大（载重、牵引）、中、小2、轴型分类、轴型分类 固定车身类固定车身类 牵引（铰接）类牵引（铰接）类 拖挂类拖挂类17四、行车荷载四、行车荷载3. 车载在路面的静力作用车载在路面的静力作用 垂直静力垂直静力P ：取决于轮重、轮压、轮胎性质：取决于轮重、轮压、轮胎性质 接触接触压力压力p ：分布不均：分布不均 轮胎内压：轮胎内压：pi=0.40.7 Mpa 一般：一般：p=(0.80.9) pi 特殊：特殊：p=(1.11.3)

9、 pi（旧旧胎、亏气）胎、亏气） p=(0.91.1) pi （行驶行驶升温）升温） 设计模型：均布、设计模型：均布、p = pi 接触面积接触面积A：实际为近似椭圆，设计中考虑为等：实际为近似椭圆，设计中考虑为等 面积的圆（当量圆）面积的圆（当量圆）单、双圆单、双圆18四、行车荷载四、行车荷载4、车载对路面的动力作用、车载对路面的动力作用 动载性质：动载性质： 轮载正态分布轮载正态分布 变差系数与动荷系数：车速、平整度、减震性变差系数与动荷系数：车速、平整度、减震性 瞬时性：瞬时性： 路面受荷时间短路面受荷时间短l应力、应变、变形不充分应力、应变、变形不充分相对强度提高相对强度提高 多次重复

10、作用多次重复作用 设计模型：（柔性路面）垂直设计模型：（柔性路面）垂直静静荷载荷载19四、行车荷载四、行车荷载5、水平荷载与摩阻力、水平荷载与摩阻力 水平荷载的几种情况水平荷载的几种情况启动、正常行驶、加速启动、正常行驶、加速减速、制动减速、制动转向转向 路面所受最大水平力路面所受最大水平力Qmax= P * fP 垂直力；垂直力；f P与路面车轮间的附着系数；与路面车轮间的附着系数；20四、行车荷载四、行车荷载5、水平荷载与摩阻力、水平荷载与摩阻力21四、行车荷载四、行车荷载6、荷载横向分布、荷载横向分布 分布情况：车道分布及轮迹分布分布情况：车道分布及轮迹分布车道系数车道系数轮迹横向分布系

11、数：两个条带宽度频率之和。轮迹横向分布系数：两个条带宽度频率之和。混合行驶双车道混合行驶双车道单向行驶单车道单向行驶单车道22四、行车荷载四、行车荷载7、交通量的确定、交通量的确定 交通量的概念交通量的概念 初始年平均日交通量初始年平均日交通量(AADT) 交通量观测：人工交通量观测：人工/自动（轴载谱）自动（轴载谱） 交通量预测：线形相关（趋势外推法）交通量预测：线形相关（趋势外推法） 多因素相关多因素相关36536511iiNN23四、行车荷载四、行车荷载8、交通量等效换算、交通量等效换算 定义：定义： 标准轴载：单轴双轮组标准轴载：单轴双轮组100KN 等效换算原则：等效换算原则：同一路

12、面结构在不同车（轴）作用下达相同破同一路面结构在不同车（轴）作用下达相同破坏程度；坏程度；以各种车（轴）为标准所设计的路面等厚；以各种车（轴）为标准所设计的路面等厚； 换算公式：换算公式：nsiisiPPNN车种类多，不同车型对路面影响不同。车种类多，不同车型对路面影响不同。 将将混合（不同车型）交通量混合（不同车型）交通量 按等效原则换算按等效原则换算为单一（标准车型）交通量的方法。为单一（标准车型）交通量的方法。24四、行车荷载四、行车荷载9、累计交通量、累计交通量 Ne的相关因素的相关因素113651teNN25五、路面材料的力学特性五、路面材料的力学特性1、路面材料的分类、路面材料的分

13、类2、路面材料的力学特性、路面材料的力学特性261、路面材料的分类、路面材料的分类 按照不同形态分按照不同形态分 松散颗粒型材料及块料松散颗粒型材料及块料 沥青结合料类沥青结合料类 无机结合料类无机结合料类27路面材料的力学特性路面材料的力学特性n抗剪性能抗剪性能n抗拉性能抗拉性能n抗弯拉性能抗弯拉性能n累积变形和抗疲劳性能累积变形和抗疲劳性能28抗剪性能抗剪性能 三种破坏情况三种破坏情况路面结构层过薄，路基路面整体结构剪切破坏；路面结构层过薄，路基路面整体结构剪切破坏；粒料基层层位不合理，部分结构剪切破坏；粒料基层层位不合理，部分结构剪切破坏；面层材料抗剪强度不足，水平推力较大，引起纵面层材

14、料抗剪强度不足，水平推力较大，引起纵 向或横向推移。向或横向推移。29抗剪性能抗剪性能 材料抗剪强度的组成材料抗剪强度的组成 摩擦阻力摩擦阻力+粘结力（摩尔粘结力（摩尔-库伦强度理论）库伦强度理论） 提高材料抗剪强度的措施提高材料抗剪强度的措施 提高集料间摩擦阻力提高集料间摩擦阻力 提高结合料的粘结力提高结合料的粘结力30抗拉性能抗拉性能 破坏情况破坏情况 面层材料在气温骤降时产生收缩面层材料在气温骤降时产生收缩 面层材料（水泥砼、半刚性材料）因大气湿面层材料（水泥砼、半刚性材料）因大气湿 度变化引起干缩度变化引起干缩31抗拉性能抗拉性能 试验方法试验方法 直接拉伸试验直接拉伸试验 间接拉伸试

15、验间接拉伸试验32抗弯拉性能抗弯拉性能 路面结构层受荷情况：各结构层在车轮荷路面结构层受荷情况：各结构层在车轮荷载作用下处于弯曲工作状态，如果弯拉应载作用下处于弯曲工作状态，如果弯拉应力大于抗弯强度即产生弯拉破坏。力大于抗弯强度即产生弯拉破坏。 试验方法试验方法三分点加载三分点加载33累积变形和抗疲劳性能累积变形和抗疲劳性能 常见路面的极限破坏形式常见路面的极限破坏形式水泥混凝土路面水泥混凝土路面 疲劳破坏疲劳破坏沥青路面沥青路面 疲劳破坏和累积变形疲劳破坏和累积变形半刚性材料路面半刚性材料路面 疲劳破坏疲劳破坏碎砾石路面碎砾石路面 塑性变形累积塑性变形累积34累积变形和抗疲劳性能累积变形和抗

16、疲劳性能 累积变形累积变形 影响因素：荷载大小、作用次数、材料特性影响因素：荷载大小、作用次数、材料特性 碎砾石碎砾石 沥青混合料沥青混合料35累积变形和抗疲劳性能累积变形和抗疲劳性能 疲劳特性疲劳特性 概念概念疲劳：疲劳：疲劳破坏：疲劳破坏：疲劳极限：疲劳极限：路面材料在路面材料在低于低于静载一次作用下的静载一次作用下的极限应力值极限应力值时时出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳。出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳。材料微结构的局部不均匀，诱发材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中应力集中而出而出现现微损伤微损伤，在应力重复作用之下微量损伤逐步，在应力重复作用之下微量损伤逐步累积扩大

17、，导致结构破坏，称为疲劳破坏。累积扩大，导致结构破坏，称为疲劳破坏。重复应力作用降至某一定值之后，重复应力作用降至某一定值之后，经受再多经受再多的重复作用次数，也不发生疲劳破坏的重复作用次数，也不发生疲劳破坏，即疲，即疲劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称劳强度不再下降，趋于稳定值，此稳定值称为疲劳极限。为疲劳极限。36累积变形和抗疲劳性能累积变形和抗疲劳性能 疲劳特性疲劳特性 水泥混凝土及无机结合料水泥混凝土及无机结合料 沥青混合料沥青混合料 控制应力疲劳试验控制应力疲劳试验 控制应变疲劳试验控制应变疲劳试验a) 控制应力控制应力 b）控制应变）控制应变37累积变形和抗疲劳性能累积变形和抗疲劳性能 Miner定律定律疲劳损伤假定疲劳损伤假定：各级荷载作用下的材料出现的：各级荷载作用下的材料出现的疲劳损伤可以线性叠加。疲劳损伤可以线性叠加。假定假定: P1N1， P2N2，, PiNi; P1作用了作用了n1， P2作用了作用了n2， , Pini; 综合疲劳损伤：综合疲劳损伤：38本讲重点内容本讲重点内容1、路面应具有的性能、路面应具有的性能2、路面结构包括哪些层？每层的主要功能？、路面结构包括哪些层？每层的主要功能？3、路面分类包括哪些？不