第十一章-公路沥青路面设计方法

1、第十一章 公路沥青路面设计方法 v第一节 沥青路面损坏的极限状态及设计原则v第二节 AASHTO沥青路面设计方法v第三节 CBR设计法v第四节 美国地沥青学会(AI)设计法v第五节 Shell设计法v第六节 我国沥青路面设计法v第七节 沥青路面可靠度设计方法第一节 沥青路面损坏的极限状态及设计原则v一 路面的损坏现象及设计指标v疲劳开裂v以疲劳开裂为设计标准时，用结构层底面的拉应变或拉应力不超过相应的容许值控制和设计，即：v车辙v有代表性的控制车辙深度的指标有两种：一种是路面各结构层包括土基的残余变形总和；另一种是路基表面的垂直变形rRrRv对于第一种，可表示为：v对于第二种，可表示为：v低温

2、缩裂v低温缩裂是一项同荷载因素无关的设计指标，即低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力 应不大于该温度时材料的容许拉应力，即：v推移v为防止沥青面层表面产生推移和拥起，可用面层抗剪强度标准控制设计。即：rdrdLL00TTTRmaxRv坑槽v产生的原因有：面层龟裂松散又未及时养护；覆盖罩面的沥青混合料质量不好或温度太低；面层沥青老化；管道沟回填不实处理不当。v其他病害v如松散、脱皮、露骨、啃边等。v二 沥青路面结构设计指标与标准v疲劳开裂v英国设计规范疲劳方程：v对于密集配沥青碎石：v对于热碾沥青混凝土：v英国诺丁汉大学还建立了拉应变、疲劳荷载作用次数、沥青含量和软化点的关系：flg9.

3、38 4.16lgNflg9.38 4.32lgNv美国沥青协会路面设计方法中疲劳方程：v俄亥俄州立大学在沥青混合料性能研究中，应用了断裂力学的概念，从裂纹的扩展规律出发来研究疲劳性能。根据P.C.Paris的理论，裂缝扩展规律公式为：v国内在这方面也做了大量的研究工作，提出了控制应力的沥青混合料的疲劳方程：14.39lg24.240.7lglg5.31lg8.63lg15.8BRBBRBVTNVT33.2910.854f0.26594.325 10mNcS mdcAKdNspRaKv车辙v1979年美国联邦公路总署FHWA根据车辙发生的程度分成4个等级，如下表所示。v许多国家都根据本国的气候

4、、交通等具体情况，提出了各自的容许车辙深度，作为路面维修养护的极限标准。一些国家的标准如下表所示：v低温缩裂v目前对低温开裂的判断主要是将低温开裂温度作为重要的指标，认为低温开裂就是因为低温使材料或结构内产生的温度应力超过了材料或结构的抗拉强度而导致开裂的破坏，预估方法有直接法和间接法。v三 沥青路面的早期破坏原因v（1）由于沥青路面压实不足、沥青混凝土层级配不合理导致的早期破坏。v（2）高温车辙和变形问题v（3）由于路基压实不足引起的早期破坏v（4）高速公路表面功能，尤其是抗滑性能不足。v四 路面要求v要使路面具有良好的使用性能、满足行车使用要求减少损坏，路面各结构层必须达到下列要求：v（1

5、）强度和刚度。组成路面各结构层的材料和路基必须具有足够的强度和刚度，在行车荷载作用下不产生过大的应力和位移，从而防止出现开裂、坑槽、滑移、沉陷等破坏现象。v（2）稳定性。各结构层材料和路基必须具有一定的稳定性，能经受温度、水分、冰冻等各项自然因素的影响，高温时不出现车辙、推移，低温时不产生缩裂及其他破坏现象。v（3）平整度。路面的平整度不仅与各结构层材料和路基的强度、稳定性有关，还与施工质量和养护状况有关。路面不平整度不仅影响行车速度和舒适程度，还会提前或加速路面的破坏。v（4）抗滑性。路面不仅要平整且要有一定的粗糙度，以保证车辆在雨、雪天行驶时的安全。粗糙的表面可以通过改善面层或磨耗层材料的

6、组成来达到第二节 AASHTO沥青路面设计方法v一 AASHTO试验路v试验路与1962年提出报告，其主要成果有：v（1）得出了路面耐用性指数与路面工作状态间的关系，并根据不同道路等级对路面的使用状况要求，提出了路面设计标准。v（2）建立了路面设计方法的基本方程，提出了不同设计标准的路面厚度计算列线图和不同路面材料的结构层系数。v（3）导出了不同车型轴载与数量间等效关系的轴载换算公式。v二 耐用性指数与路面设计标准v1.现有耐用性评级PSR的确定方法v由包括从事道路建设、维修的工程人员、汽车运输工作者、车辆制造者、道路教育工作者的代表组成的小组，驱车行驶在选定的路段上，按5分制进行评级。v2.

7、现有耐用性指数PSI的确定方法v将各路面状况测定的物理量以PSR评级为一方，按以下公式进行回归统计：v经大量结果的回归分析已不是原来的现有耐用性评级PSR为了加以区分，称之为耐用性指数PSI。 1230112233PSR=bbbAA FA FA F2PSI=5.03-1.91lg 1 SV0.0320.21c fRD v3.不同道路等级设计标准的确定vAASHTO设计法规以20年为设计年限，在设计期间经过车辆行驶后，最终耐用性指数PSI=2.5作为主要公路的设计标准，PSI=2.0作为次要公路的设计标准。v三 AASHTO试验路基本方程v根据试验路的大量资料，把各路段的各个路面结构所经受不同车

8、型的荷载作用次数N与PSI的损失值的关系进行整理，得到以下公式：v该公式表示，耐用性指数损失值与荷载作用次数的比值，成双对数的直线关系，即：v这就是AASHTO试验路基本方程。001 .5tCpNC00lglglg1.5tCpGNCv四 AASHTO经验设计法v主要成就：v（1）首次将耐用性指数引进路面设计方法，而且提出了不同道路等级应有不同的设计标准，使路面设计与使用要求形成密切的关系。v（2）建立了不同轴载间的等效关系，使轴载轻重与交通量多少对路面的作用建立了合理的关系，解决了过去设计方法中已知未能解决的荷载问题。v（3）提出了路面结构数SN与加权轴载通过次数N之间关系的基本方程，此结果是

9、AASHTO方法的精华。v（4）初步确定了不同路面层材料的结构层系数，还引进了地区系数的概念，给以后的设计法以有益的启发。v五 AASHTO-2002力学经验-设计法v1.沥青路面设计过程v沥青路面设计流程图如下图所示：v2.设计输入参数v实验性输入参数及场地条件v设计输入水平v水平1：通过直接试验或测量获得的场地和材料性质。v水平2：利用相关性建立确定需要的输入。v水平3：运用国家或地区默认值来定义输入。v计分析期的输入处理v原始设计输入需要经过处理获得每个分析周期的交通、材料和气候输入参数，包括各种轴载作用次数、沥青层温度、粒料层的平均模量。季节性的输入处理在规范的软件中是自动的。v3.新

10、建沥青路面设计参数v参数信息；交通信息；气候条件；路面结构。v4.沥青路面设计v永久变形v随着时间推移和技术的发展，人们认识到车辙是由路面各层的永久变形累加起来的。计算公式如下：nsublayers1RD=iipihv沥青材料层的永久变形v其最终模型修正为：v无黏结粒料永久变形v其最终标定模型为：3.44881.56060.4792441depth112212210depth0.328196 0.10392.486817.342 0.01721.733127.428pracacacackTNkCCChhChh 其中：0GBvGB1.673NarNeh一般取v土基的永久变形v其最终标定模型为：v

11、路面结构总的永久变形等于各层永久变形的叠加：v疲劳开裂v疲劳开裂的预测基于Miner的破坏积累法则。破坏用预测的交通荷载重复作用次数与允许的荷载重复作用次数之比来表示，如下式：v沥青混合料的疲劳开裂0SGvSG1.35NarNeh一般取totalACGBSGRDRDRDRDi= 1TiinDNv其最终模型公式为：v无机结合料稳定材料（CSM)的疲劳开裂vCSM层的破坏模型为：v知道了初始MR，实际的疲劳重复作用次数Nf就可以计算出来，进而可以得到每个分析周期的累计破坏：3.94921.281f111110.00432Nk CEk其中，与沥青层厚度有关。c1c20.972MRlgCTB-Dama

12、ge=0.0825tif i=inDNv温度开裂v横向裂缝的预测公式为：v温度裂缝长度和裂缝数量的关系为：v平整度模型v预测IRI的模型根据不同类型基层分为以下几种v粒料基层和底基层f1lgacChCNf1lglgRacCPChage200LRDTSNWPTTMHIRI=IRI0.0463 SF10.00119 TC0.1934 COV 0.00384 FC0.00736 BC0.00115 LCev沥青稳定基层v无机结合料稳定基层 0THSHIRI=IRI0.00999470.0005183 FI0.00235 FC1 18.360.9694TCageP0RDLTTNWPTMHRDIRI=I

13、RI0.00732 FC0.07647 SD0.0001449 TC 0.00842 BC0.0002115 LCSD0.6650.2126 RD第三节 CBR设计法vCBR(California Bearing Ratio)全称加州承载比，为测定土基粒料基层材料相对强度的室内实验法，是美国加利福尼亚州道路局于19281929年进行道路调查时最先采用。v美国陆军工兵部队1945年以后，对CBR设计法又进行了研究，并根据机场道面的观测资料和实际使用状况的总结，与1956年提出了机场道面厚度与当量轮载及当量轮压的关系式：23iCBRCBRCBR=4.2942-4.9812lg2.4164 lg0.

14、473 lgHpppAvCBR设计新法v根据道路等级、交通种类、交通量等综合成交通指数，建立不同交通指数时路面总厚度H与土基CBR值的关系，如下图所示：v把汽车分为三类，第一类为轿车和轻型货车，第二类为双轴货车，第三类为三轴、四轴和五轴货车。然后根据其组成分为、四种，履带车和铲车则根据其荷载分为、三种，根据道路等级和交通种类定交通指数，履带车则根据它在交通流中占有的数量而定。第四节 美国地沥青学会设计法v 一 交通分析v在进行路面结构设计时，必须首先对设计年限内的交通状况进行预测。AI对交通量的预测是以80kN作为当量标准轴载为基础的。为了得到设计年限内的设计车道上当量轴载的ESAL，首先必须

15、将各种荷载组下的作用次数换算为对应的80kN的当量轴载次数。对应80kN当量标准单轴荷载的（n0)i为i组荷载每天的初始重复作用次数，可用下式计算：v设计车道设计年限内的当量轴载的ESAL计算公式：00ADTiiinp FTAv确定设计ESAL应采用以下步骤：v（1）预测拟建工程可能行驶的不同类型车辆的数量。v（2）确定每种车辆的货车系数。v（3）确定车道分布系数，即设计车道总货车交通量的百分数。对于双车道公路，设计车道可以取路面上的任一车道。在缺乏具体数据时，可采用下表数据。 车道分布系数 f0ESAL= ADT365TTGDLY两个方向车道数车道分布系数250445（3548）6或6以上4

16、0（2548）v（4）对于给定的设计年限，按下式计算增长系数，也可以按照各种货车分别选用不同的增长率。v（5）将每种货车的车辆数乘以货车系数和增长系数，再将这些值加起来即为设计ESAL。v二 结构设计v1.力学图示1= 1+n增长系数v2.设计标准v疲劳准则：vAI法建立了标准混合料的疲劳方程，该方程考虑了实验室与野外条件的差异。v对于非标准混合料，根据实验室的疲劳试验结果，可表示为v永久变形法则：v根据AASHTO试验数据整理结果得出，控制永久变形的允许荷载重复作用次数可用下式表示：0.8543.291f0.00115NE 0.8543.291fMbab0.0011510 M=4.84/0.

17、6875NECCVVV其 中4.4779d1.365 10zNv3.各结构层材料特性及材料强度的确定v路基土：v用标准回弹模量Mr作为路基土强度指标。v未处治的粒状材料v粒状材料的模量与应力水平相关，应力对回弹模量的影响为v粒料基层的模量根据多变量回归的预测方程计算：v热拌沥青混合料v热拌沥青的动模量用下式确定：10.3CBR(CBR10%)rM 21KEK0.4710.0410.1390.2870.86821213110.44EhhEEK151010Ev乳化沥青混合料v下表给出了各类乳化沥青混合料的劲度。v三 环境影响v下图所示为一年中土基模量的变化情况。该图显示了一年中土基强度的变化的4个

18、时期，即冰冻、融化、恢复和正常时期，每个时期路基土回弹模量不同。v四 结构厚度设计vDAMA程序是AI专门开发用于多层弹性路面结构分析，它采用了累计损伤技术。AI法采用DAMA计算机程序可以同时计算满足疲劳开裂和车辙准则要求的最小厚度。对于任何给定的材料和环境条件，根据每个准则，可以得到两个厚度，将其中较大的值用于设计图表。第五节 Shell设计法v1.初拟沥青层厚度v通常初拟厚度为0.050.6m。v2.确定路面的设计寿命v各轴载组的轴次换算为当量标准轴次，由计算机根据下列换算系数式完成。v3.沥青劲度模量的确定v通常是用Van der Poel诺模图确定沥青的劲度模量。v4.沥青混合料的劲

19、度模量v根据大量试验得出的关系编制沥青混合料劲度模量的预测程序。 48,2.4 10e iinLv5.基层及路基的性质v路基的动态模量是路面设计的主要参数，它可以通过现场的动态弯沉试验在道路实际湿度条件和荷载条件下测定，也可在室内通过三轴仪测定。当有困难时，也可根据CBR或承载板试验结合工程经验选择。v基层和底基层的动态模量（E2)也要确定，在没有相关数据时，可根据路基的动态模量（E3)经验性地确定，见下式：v6.确定路面结构模型vSPDM将路面结构假定为均质、厚度一致且水平方向无限大的面层与基层以及均质、半无限体的路基，各结构层在交通荷载作用下都是线性弹性体。下图为简化示意图。0.45232

20、,0.2EK EKhv7.沥青层应变和路基应变与寿命的换算v（1）沥青层应变v（2）路基应变 0.360.2fatbitmixfat0.8561.8VSNv根据AASHTO试验路的观测结果，利用BISAR程序建立了标准荷载引起的重复应变同路基顶面容许压应变的关系。v当路面服务指数PSI=2.5时，双轮轴载作用次数同路基顶面容许应变的关系式为：v8.据设计寿命确定结构厚度v9.沥青层车辙深度的确定。v确定沥青层永久变形的步骤为：v（1）将沥青层分为几个亚层，各层的温度及混合料的类型可能不同。v（2）交通荷载数据的换算。v（3）确定沥青混合料的劲度模量。40.028subNv（4）确定应力分布系数

21、以求得平均应力v（5）确定沥青层的永久变形第六节 我国沥青路面设计v各类结构层，应按所用材料的规格（公称最大粒径）和施工工艺（摊铺、压实和整修）的要求，有一最小厚度的规定，低于此厚度就不能形成稳定而有效的结构层次。各沥青层的厚度应与混合料的公称最大粒径相匹配，一般沥青层的最小压实厚度不宜小子混合料公称最大粒径的2.53倍，对断级配或以粗集料为主的嵌挤型级配的沥青混合料，其一层压实最小厚度不宜小于公称最大粒径的2.5倍，以利于辗压密实，提高其耐久性、水稳性。v为便于施工，路面结构层的层数不宜过多。同时，各结构层的适宜厚度应按压实机具所能达到的效果选定。适宜的结构层厚度需结合材料供应、施工工艺并按

22、该表的规定确定，从强度要求和造价考虑，宜自上而下由薄到厚。沥青层厚度应根据公路等级、交通量和交通组成、气候条件以及所选路面结构类型等因素拟定：v（1）当采用半刚性基层沥青路面时，高速公路、一级公路的沥青层厚度宜为120180mm；二级公路的沥青层厚度宜为60120mm；三级公路的沥青层厚度宜为3050mm（拌和法）或1530mm（层铺法表处）；四级公路的沥青层厚度宜1030mm。v（2）当采用柔性（基层）路面结构时，面层宜设计100120mm双层式，其下设沥青混合料、贯入式碎石、级配碎石等柔性材料层。沥青厚度应根据公路等级、交通量等具体情况计算而定。v（3）采用贫混凝土（刚性基层）沥青路面时宜

23、设计100180mm沥青层，当采取防止反射裂缝措施时，沥青层可适当减薄。v（4）当采用混合式（基层）沥青路面时，面层宜设计100120mm双层式，其下设柔性基层。柔性基层，可为单层或双层，厚度宜为80180mm。v垫层与防冻层设计 当路基处于潮湿、过湿路段，应设置排水垫层 ；当路线通过潮湿、软弱地基，应换填2040cm厚的砂砾等透水材料，或掺入无机结合料固化剂等处理地基2030cm厚使其加固稳定，并根据实测资料适当提高路基回弹模量设计值。垫层材料可选用粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等；粒料以及水泥或石灰煤渣稳定类，石灰粉煤灰稳定类等。v（l）防冻垫层应采用透水性好的粒料类材料，通过0.075mm

24、筛孔颗粒含量不宜大于5%。采用煤渣时，小于2mm的颗粒含量不宜大于20%。垫层厚度视具体情况而定，一般1525cm，防冻层宜根据需要设计。v（2）采用碎石和砂砾垫层时，最大粒径应与结构层厚度相协调，一般最大粒径应不超过结构层厚度的1/2，以保证形成骨架结构，提高结构层的稳定性。颗粒组成应符合规定的要求。v（3）为防止路基污染粒料垫层或为隔断地下水的影响，可在路基顶面设土工合成材料的隔离层。 4.35121KiiiPNC C nPv交通量计算v沥青路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载，以BZZ-100表示。路面作用的其他各种不同类型的轴载按照以下方法换算为标准轴载。v以半刚性材料层的弯拉应

25、力为控制指标的轴载换算方法为：v累计交通荷载的计算公式为：8121KiiiPNC C nP36511tteNN 路面材料的设计参数v路面材料设计参数的测定是材料组成设计、结构设计中的重要内容，路面设计参数应根据路面的损坏类型、受力模式采用不同测定方法测定相应的参数。v1.结构层材料的回弹模量v路面结构层材料的回弹模量值是沥青路面结构设计的重要参数。由于结构层材料性质的不同，测量回弹模量的试验方法也不一样。通常在选择试验方法和决定回弹模量取值时，应考虑因素：v测试方法简便，测试结果稳定；v测得的模量值应较好地反映该结构层在路面结层位中的工作状态和力学特性；v设计参数应与设计方法能较好地匹配。v我

26、国现行公路沥青路面设计规范规定沥青路面结构按设计回弹总弯沉和设计容许弯拉应力两个指标控制厚度设计。v当采用回弹总弯沉设计结构厚度时，所有结构层的回弹模量均采用抗压回弹模量；v当采用层底拉应力设计结构层厚度时，拟验算的结构层采用弯拉回弹模量，其他结构层均采用抗压回弹模量。v半刚性材料的抗压回弹模量、弯拉回弹模量按我国公路工程无机结合料稳定材料试验规程有关规定进行试验测定。v沥青混合料结构层的抗压回弹模量与弯拉模量按我国公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行试验测定。测定抗压回弹模量时，取标准试验温度为20；测定弯拉回弹模量时，取标准试验温度为15，以适应不同设计控制指标所对应的最不利环境温度。v无

27、结合料粒料结构层的抗压回弹模量测试，可以在工地现场铺筑整层试槽，通过承载板测定方法进行测试。v2.结构层材料的弯拉极限强度v沥青面层与有机结合料或无机结合料稳定粒料基层的弯拉极限强度，应按照我国有关规程规定的方法进行测定。v我国规范规定，当条件受限制时，也可采用间接拉伸试验，即劈裂试验，测定结构层材料的弯拉极限强度。v路面结构层的各项设计参数，包括抗压回弹模量、抗弯拉回弹模量以及弯拉极限强度等原则上都应该在确定原材料料源之后，配合工程，按规定取样后在试验室完成测定工作。v对于高速公路和一级公路，所有的设计参数必须通过试验室测定，其他等级公路若部分参数确实有困难无法实际测定时，可以参考规范规定值

28、适当选用。v层间接触条件v我国路面设计规范将沥青路面层间界面假定为完全连续。v厚度设计v沥青路面厚度应满足结构整体刚度与沥青层或半刚性层、底基层抗疲劳开裂的要求。即：v（1）路表轮隙中心处路表计算弯沉值应小于或等于设计弯沉值，v（2）整体性材料结构层层底轮隙中心或单圆荷载中心处的层底拉应力应小于或等于容许拉应力，v路面设计弯沉值应根据交通量、公路等级、面层和基层类型计算。v在以拉应力为设计指标时，沥青混凝土或半刚性基层、底基层材料的容许拉应力按下式计算：dsllmR0.01mm0.2csb600deLNA A AspRsK第七节 沥青路面可靠度设计方法v定义：结构可靠度定义为在规定的时间内和规定的条件下，结构能完成预定功能的概率。结合路面结构的特点，