道路工程-沥青路面设计课件

1、第四章沥青路面与路面设计主要内容第一节 概述第二节 沥青路面的分类与特性第三节 沥青路面的使用性能和分区第四节 弹性层状体系理论第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准第六节 沥青路面结构组合设计主要内容第七节 我国沥青路面厚度设计第八节 沥青路面结构排水设计第九节 沥青路面改（扩）建设计第十节 国外主要沥青路面设计方法概述第一节 概述核心内容沥青路面的基本特性沥青路面的损坏类型及其成因对沥青路面的性能要求沥青路面设计的内容与方法第一节 概述沥青路面结构沥青路面结构受力示意图1、沥青路面的基本特性沥青路面的工程特点优良的力学性能变形性能与强度良好的抗滑性雨天的行驶安全性施工方便强度形成速度和

2、维修经济耐久使用寿命有利于分期修建（1）表面平整无接缝、行车较舒适；（2）结构较柔，振动小，行车稳定性好；（3）车辆与路面的视觉效果好；（4）施工期短、施工成型快，能够迅速交付使用 （在机场跑道、高速公路上尤其需要） ；（5）易于维修，可再利用；（6）强度和稳定性受基层、土基影响较大；（7）沥青混合料力学性能受温度影响大；（8）沥青会老化，沥青结构层易出现老化破坏。 1、沥青路面的基本特性沥青路面的优缺点（与普通水泥路面相比）1）裂缝2、沥青路面的损坏类型及其成因Top-down CrackDown-top crack表观形态分有：横裂、纵裂、网裂、块裂、不规则裂锋等产生原因：横向裂缝：分荷载

3、型和非荷载型，非荷载型又分为沥青面层缩裂和基层反射裂缝。荷载型因拉应力超过材料疲劳极限引起，从下向上发展；非荷载型沥青面层缩裂因冬季沥青材料收缩产生的应力大于材料强度引起，反射裂缝因基层收缩开裂向面层延伸引起。纵向裂缝：路面分幅摊铺时，接缝未处理好；路基原因等引起失稳。网裂：上述裂缝未及时处理，水渗入所致；结构强度不足；沥青老化等1）裂缝 cracking2、沥青路面的损坏类型及其成因纵向裂缝 longitudinal cracking2、沥青路面的损坏类型及其成因1）裂缝2、沥青路面的损坏类型及其成因2、沥青路面的损坏类型及其成因横向裂缝Transverse cracking1）裂缝2、沥青

4、路面的损坏类型及其成因块裂及网裂Net Cracking2、沥青路面的损坏类型及其成因1）裂缝2）车辙 rut定义： 路面结构及路基在行车荷载作用下的补充压实，或结构层及路基中材料的侧向位移产生的累积永久变形。车辙还包括轮胎磨耗引起的材料缺省。 车辙是沥青路面的主要破坏型式 ，对于半刚性基层沥青路面，车辙主要发生在中面层或沥青表层。原因： 1）沥青混合料高温稳定性不足，塑性变形累积； 2）路面结构及路基材料的变形累积； 3）车辆渠化交通的荷载磨耗 磨耗型车辙。 2、沥青路面的损坏类型及其成因车辙图片2、沥青路面的损坏类型及其成因2、沥青路面的损坏类型及其成因3）松散剥落 Ravelling a

5、nd Stripping定义： 沥青从矿料表面脱落，在荷载作用下面层呈现的松散现象。沥青层出现松散剥落将会继而出现坑槽破坏。原因： 1）沥青与矿料黏附性差（沥青黏性差、集料黏附等级低、集料潮湿、沥青老化后性能下降、冻融等）； 2）水的作用； 3）沥青在施工中的过度加热老化。2、沥青路面的损坏类型及其成因2、沥青路面的损坏类型及其成因2、沥青路面的损坏类型及其成因松散剥落图片4）表面抗滑不足 surface skid resistance定义： 沥青路面在使用过程中，表面集料被逐渐磨光，或者出现沥青层泛油，使得沥青表层出现抗滑能力不足。原因： 1）集料软弱，宏观纹理和微观构造小； 2）粗集料抵抗

6、磨光的能力差（由磨光值、棱角性、压碎值等表征）； 3）级配不当，粗料少、细料多； 4）用油量偏大，或出现水损害； 5）沥青稠度太低； 6）车轮磨耗太严重。2、沥青路面的损坏类型及其成因2、沥青路面的损坏类型及其成因5）其它病害包括泛油、坑洞、波浪、拥包、啃边等。2、沥青路面的损坏类型及其成因表面泛油图片2、沥青路面的损坏类型及其成因2、沥青路面的损坏类型及其成因高速公路路面坑洞现象沥青路面的水稳定性强度与刚度(开裂、变形)稳定性(高、低温、水稳定性)耐久性(疲劳、老化)平整性(舒适、动荷)抗滑性(安全)少尘性(环保)Transportation College, Southeast Unive

7、rsity3、对沥青路面的基本要求高温稳定性-高温下抵抗永久变形的能力；低温抗裂性-抵抗低温抗裂的能力；水稳定性-抵抗水损害的能力，密级配路面抗渗和排水路面透水；耐久性抵抗老化与荷载重复作用的能力；抗滑能力保证不利情况下车辆安全形势的能力。3、对沥青路面的基本要求沥青路面设计的内容 结构组合设计 材料组成设计 厚度设计验算 结构方案比选 路肩构造设计 排水系统设计4、沥青路面设计的内容与方法沥青路面结构设计方法种类 经验法：AASHTO法；CBR法。 依据调查或大型试验总结得到的设计方法，其特点是符合试验地的实际，但是不能结合不同地方的实际。 力学经验法（M-E）：AI法；SHELL法；我国设

8、计方法。 依据力学模型计算结构响应，结合实际进行参数的确定，其特点是理论联系实际，是目前设计方法发展的总趋势。 典型结构法：法国方法；中国八五研究成果。 通过调查，总结得到的与交通量等参数有关的结构图，特点是减少了设计的随意性，具有结构使用性能明确，结构图统一。 优化设计法 通过目标函数优化，使其具有性能与费用的最优性，但尚不成熟。4、沥青路面设计的内容与方法第二节 沥青路面的分类与特性核心内容沥青路面的分类沥青混合料空间结构与压实性能沥青混合料的力学特性沥青混合料的黏弹性性质与力学模型沥青混合料的变形特征沥青混合料的强度特性1）按强度构成原理：密实类沥青路面见土木工程材料嵌挤类沥青路面见土木

9、工程材料1、沥青路面的分类2）按施工工艺层铺法路拌法厂拌法1、沥青路面的分类沥青路面施工录像沥青混凝土（Asphalt Concrete）热拌沥青碎石（Asphalt Macadam）乳化沥青碎石（Emulsion Asphalt Macadam)沥青贯入式沥青表面处治沥青玛碲脂碎石SMA （Stone Mastic Asphalt）排水性沥青混凝土（Porous Asphalt Concrete）开级配抗滑磨耗层（ Open Graded Friction Course ） 3）按沥青路面材料的技术特点：1、沥青路面的分类级配示意图级配示意图1、沥青路面的分类1、沥青路面的分类1、沥青路面的

10、分类1、沥青路面的分类1）沥青混合料的体积参数关系沥青混合料是一种由集料、沥青和空气组成的三相空间体系。2、沥青混合料空间结构与压实性能1）沥青混合料的体积参数关系沥青混合料是一种由集料、沥青和空气组成的三相空间体系。2、沥青混合料空间结构与压实性能2、沥青混合料空间结构与压实性能1）沥青混合料的体积参数关系2、沥青混合料空间结构与压实性能1）沥青混合料的体积参数关系2、沥青混合料空间结构与压实性能1）沥青混合料的体积参数关系 沥青混合料压实度及其控制：沥青混合料的压实度直接决定着其成型后的强度，在一定范围之内（没有出现过压时），压实度越大越好。压实度表征的三种方式与实际控制方法： （1）理论

11、密度的压实度； （2）马歇尔密度的压实度； （3）试验段密度的压实度。区别：分母不一样，分别是：真密度、马歇尔试件密度和试验段取芯试件密度。控制标准：93%、97%、99%。 2、沥青混合料空间结构与压实性能2）沥青混合料的压实性能沥青混合料压实影响因素： 压实温度、压实速度、压实应力（功）、沥青用量等。2、沥青混合料空间结构与压实性能沥青混合料压实可行性区域沥青混合料是由集料、沥青和空气组成的三相空间体系。强度取决于集料颗粒间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的黏结性以及沥青与集料之间的黏附性。影响：集料的类型、空间布型以及胶结料的类型、用量、与集料的黏附程度影响着沥青混合料的力学特性。类型：按密

12、实原则和嵌挤原则构成的沥青混合料的典型结构类型有三种：密实悬浮结构、骨架空隙结构、骨架密实结构3、沥青混合料的力学特性3、沥青混合料的力学特性1）沥青混合料力学参数试验三轴试验（摩尔库仑理论）如何求沥青混合料的黏结力C和内摩擦角？建立极限平衡条件三轴试验 采用圆柱形试件，试件直径应大于矿料最大粒径的4倍，试件高与直径比大于2；矿料最大粒径小于25mm时，试件直径10cm，高20cm；将一组试件分别在不同侧压力下以一定加载速度施加垂直压力到试件破坏，此时该垂直压力为最大主应力，侧压力为最小主应力。3、沥青混合料的力学特性三轴压缩试验原理无侧限抗压试验及抗拉强度（间接抗拉）试验采用圆柱形试件；无侧

13、限抗压试验试件直径应大于矿料最大粒径的4倍，试件高径比大于2，矿料最大粒径小于25mm时试件直径10cm高20cm；劈裂试验试件直径101.60.25mm、高63.5 1.3mm（马歇尔试件），或轮碾机成型板块试件，或从道路现场钻取直径1002或1502.5mm、高为405mm的圆柱体试件。 3、沥青混合料的力学特性直剪试验确定： 通过不同压力的直接剪切试验确定3、沥青混合料的力学特性简单拉压试验确定： 通过简单抗拉强度试验和间接抗拉试验确定蠕变 蠕变是应力不变，变形随时间而增加的现象。这一过程在应力不变情况下，取决于其作用时间。沥青材料在不同应力及时间下表现：应力小，时间短： 主要表现为弹性

14、性质，在应力施加后变形瞬时出现，应力撤除后变形迅速恢复。这种变形叫做纯弹性变形（瞬时弹性变形），在该范畴内，应力应变呈直线关系；应力较大，时间较短： 主要表现为黏弹性性质，应力施加后瞬时出现变形，然后变形仍逐渐增加，当应力撤除后，一部分变形瞬时恢复（弹性变形部分），另一部分变形随时间缓慢恢复，这部分变形是黏弹性变形（滞后弹性变形）。应力大，时间长： 主要表现为塑性性质，除包含黏弹性性质外，还有较大一部分变形无法恢复，称为塑性变形。 注意：沥青混合料的实际变形弹性、黏性、塑性三种都包含，不过根据应力大小和作用时间不同而表现出以上各种不同性质为主的特点。1）蠕变与松弛特性 creep and re

15、laxation4、沥青混合料黏弹性性质与力学模型蠕变示意图应力松弛(relaxation time ) 应力松弛是应变恒定不变，应力随时间减小的现象。应力降低到初始数值，称为松弛时间。 沥青混合料主要呈现为弹性或黏塑性，与应力作用时间与松弛时间的比值有关：作用时间松弛时间，以黏塑性为主； 作用时间与松弛时间相近，为弹-黏-塑性。 冬季气温低，沥青混合料黏滞度高，松弛时间长，显示弹性性质；夏季黏滞度低，松弛时间大大降低，则为弹、黏、塑性，取决于作用时间；4、沥青混合料黏弹性性质与力学模型综合黏弹性材料的基本性质应力应变关系的曲线性及不可逆性；对加载速度（时间效应）和试验温度（温度效应）的依赖性

16、，服从时间温度换算法则；具有十分明显的蠕变与应力松弛特性；线黏弹性材料服从Boltzmann线性叠加原理；2）沥青混合料的弹-黏-塑性沥青混合料是一种弹-黏-塑性材料，不同外部（温度与荷载）条件下，表现出不同的性质:低温小变形时：线弹性性质高温大变形时：黏塑性性质在过渡范围内：黏弹性性质4、沥青混合料黏弹性性质与力学模型4、沥青混合料黏弹性性质与力学模型沥青混凝土常温下加载并反向加载的典型曲线4、沥青混合料黏弹性性质与力学模型沥青混凝土温度恒定时间变化、时间恒定温度变化的典型曲线试验温度的升高相当于慢速加载、加载时间的延长：时间温度转化法则沥青路面蠕变规律4、沥青混合料黏弹性性质与力学模型第一

17、阶段：迁移期，蠕变（永久）变形在瞬间迅速增大，但应变速率随时间迅速减小；第二阶段：稳定期，蠕变（永久）变形呈直线形稳定增长，应变速率保持稳定，该过程占总过程的主要部分；第三阶段：破坏期，蠕变（永久）变形和应变速率均急剧增大，直至破坏。 基本流变模型及其组合3）沥青混合料的流变学模型 沥青混合料是一种弹-黏-塑性材料，弹、黏、塑性是其力学特性的基本单元，需要用一定的力学模型及本构关系来表达，并进一步实现串联或并联的组合形成复杂的组合模型来模拟材料真实的力学特性。4、沥青混合料黏弹性性质与力学模型弹簧、黏壶及滑块及其组合弹簧元件黏性元件塑性元件Van Der Pool模型及其蠕变曲线 基本力学元件

18、的组合 通过对基本元件的串连或并联组合，可形成新的力学模型来表征不同的黏弹塑性材料。元件串连：总应力等于各分应力，总应变等于各分应变之和；元件并联：总应力等于各分应力之和，总应变等于各分应变。常用的简单组合模型有下列几种4、沥青混合料黏弹性性质与力学模型1）劲度（劲度模量）Stiffness 反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力-应变关系的参数，称劲度S。应力作用时间、温度、应力大小都会对沥青和沥青混合料的应力应变特性造成影响，因此，劲度（模量）表达式中必须考虑这些因素。 C.范德甫（Vander Poel）提出表征弹-黏塑材料劲度（模量）的表达式：施加的应力，MPa；总应变；

19、 t荷载作用时间，s；T材料的温度，。问：与弹性模量的区别？5、沥青混合料的变形特性沥青的劲度5、沥青混合料的变形特性由图中曲线可以看出：（1）加荷时间短时，曲线接近水平，表明材料处于弹性性状；加荷时间很长时，便表现为黏滞性性状；处于二者之间时则兼有弹-黏性性状。（2）各种温度下的S-t关系曲线具有相似的形状，如果将曲线作水平向移动，则将可将它们近似重合在一起。这意味着温度对劲度的影响同一定量的加载时间对劲度的影响效果相当。（3）温度和加载时间对劲度的影响具有互换性，是沥青材料的一个重要性质。利用这一性质，可以通过采用变换试验温度的方法，把在有限时间范围内得到的试验结果扩大到很长的时段。5、沥

20、青混合料的变形特性沥青的劲度沥青混合料的劲度 C范德甫对一系列密级配沥青混合料进行试验后确认，沥青混合料的劲度模量是沥青的劲度模量和混合料中集料数量的函数。 沥青混合料的劲度模量，MPa； 沥青的劲度模量，MPa； 混合料中集料的集中系数适用于沥青混合料的空隙率等于0.70.9的情况，若空隙率大于3，修正为：为3，5、沥青混合料的变形特性（1）概念：强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承受的最大荷载（或应力）。构成公路路面各结构层的材料，一般都具有较高的抗压强度，而抗拉或抗剪强度较弱（这在颗粒材料中或结合料黏结力较低的结构中尤为突出）。控制路面材料极限破坏状态的往往不是抗压强度，可能出现的

21、强度破坏通常为： （1） 因剪切应力过大而在材料层内部出现沿某一滑动面的滑移或相对变位； （2） 因拉应力或弯拉应力过大而引起的断裂。 6、沥青混合料的强度特性抗剪强度矿料特性 酸碱性：（如：石灰岩为碱性，玄武石为酸性）决定了石料与沥青的黏附性，由差到好：花岗岩、片麻岩、玄武岩、安山岩、砂岩、石英岩、石灰岩的黏结力由小到大。 比表面积：（单位：cm2/g），能与沥青相互作用的面积，越大则黏结力越大。颗粒越小，比表面积越大，所以决定于混合料的矿粉含量。 级配、颗粒形状：决定内摩阻力大小。沥青特性 用油量：决定沥青膜厚度及自由沥青含量，存在最佳含量。 黏滞度：越大，黏结力也越大。影响沥青混合料抗剪

22、强度的因素：6、沥青混合料的强度特性抗拉强度 在气候寒冷地区，冬季气温下降，特别是急骤降温时，沥青混合料发生收缩，如果收缩受阻，就会产生拉应力；车辆紧急制动后轮下混合料表面出现拉应力；沥青混合料底面由于车辆荷载、基层裂缝导致的拉应力。当拉应力超过沥青混合料的抗拉强度时，路面就会产生抗拉不足开裂。 抗拉强度主要由混合料中结合料的黏结力提供，其大小可采用直接拉伸或间接拉伸试验确定。 劈裂试验传递荷载的两端垫条，对试件中的应力分布和极限强度有显著影响，通常垫条宽为12.7mm，大试件为19mm。6、沥青混合料的强度特性6、沥青混合料的强度特性直接拉伸间接拉伸试验抗拉强度沥青混合料的抗拉强度同沥青的性

23、质、沥青含量、矿质混合料的级配、测试时的温度、加载速度等因素有关。试验表明：1）沥青的黏滞度大，或沥青含量较大，沥青混合料具有较高的抗拉强度；2）密级配混合料的抗拉强度较开级配混合料高；3）随施荷速率增大而增加，随温度的增加而下降； 6、沥青混合料的强度特性影响沥青混合料抗拉强度的因素抗弯拉强度 沥青路面在行车重复荷载作用下，往往因路面弯曲而产生开裂破坏，必须验算沥青混合料的抗弯拉强度； 试验方法：小梁弯曲试验：梁式试件的高和宽应不小于矿料最大粒径的四倍，梁的跨径为高的三倍。最大粒径达3.5cm的粗粒式沥青混合料、稳定类材料和水泥混凝土的试验 ：150150550mm的大梁，跨径为450mm；

24、最大粒径为2.5cm的稳定类材料或者中、细粒式沥青混合料：100100400mm的中梁，跨径为300mm；石灰(或水泥)稳定土或者砂质沥青混合料：5050240mm的小梁，跨径为150mm；6、沥青混合料的强度特性影响沥青混合料抗弯拉强度的因素： 沥青的性质、沥青的用量、矿料的性质、混合料的均匀性、荷载重复次数、加载速度、温度状况等。 我国沥青及沥青混合料试验规程（JTJ053-2014）中标准弯曲实验试件为250mm30mm35mm的棱柱体小梁，跨径2000.5mm。试验温度采用150.5，评价低温拉伸性能时，宜采用-100.5。 6、沥青混合料的强度特性抗弯拉强度弯曲实验有切口的弯曲实验第

25、三节 沥青路面使用性能和分区核心内容沥青路面的高温稳定性沥青路面的低温抗裂性沥青路面的水稳定性沥青路面的抗疲劳性能沥青路面的耐老化性能沥青路面使用性能的气候分区 高温稳定性是高温下抵抗永久变形的能力。 高温稳定性不足：有车辙、推移、拥包、搓板、泛油等病害（1）车辙的类型失稳性车辙结构性车辙磨耗性车辙（2）车辙的形成过程初始阶段的压密过程沥青混合料的侧向流动集料的重新分布及集料骨架的破坏（3）影响车辙的主要因素沥青路面结构层在车轮荷载作用下，内部材料流动，产生横向位移，在轮迹处出现变形路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形主要是由于路基变形传递到面层引起路面结构顶层材料在车轮磨耗和自然环境因素

26、作用下不断损失而形成的永久变形1、沥青路面的高温稳定性（4）沥青混合料高温评价方法现场试验路试验：AASHTO试验路，WestTrack环道试验大型足尺试验：室内环道、室内直道、重复加载试验（ALF）、重车 加载试验等；室内小型试验：单轴压缩试验：测定高温抗压强度及软化系数；马歇尔试验：马歇尔稳定度、流值；蠕变试验：单轴三轴静载重复加载（动载）连续动态加载间歇重复加载静载重复加载（动载）连续动态加载间歇重复加载简单剪切试验：轮辙试验：1、沥青路面的高温稳定性 轮辙试验 模拟实际车轮荷载在路面上行走而形成车辙的试验方法，室内代表性试验为车辙试验。车辙试验是在规定尺寸的板块状压实沥青混合料试件上，

27、用固定荷载的橡胶轮反复行走后，测定其在变形稳定期每增加变形1mm的碾压次数，即动稳定度，以次/mm表示。我国规范规定，一般情况下，试验温度为60，轮压为0.7MPa；计算动稳定度的时间原则上为试验开始后4560min之间；板试件尺寸为300mm，宽300mm，厚50mm。1、沥青路面的高温稳定性试验可以三大指标：任意时刻总变形即车辙深度；动稳定度DS；变形速率RD； 简单剪切试验：试件尺寸根据混合料最大粒径选定；试验温度为4 ，20 ，40。1、沥青路面的高温稳定性（5）沥青路面高温稳定性技术标准沥青路面容许车辙深度：发展历程：路基顶面容许竖向压应变沥青层容许永久变形路面容许车辙深度1、沥青路

28、面的高温稳定性1、沥青路面的高温稳定性轮辙试验动稳定度标准i)从集料方面：集料破碎面多，石质坚硬，具有良好的表面纹理和粗糙度； 集料级配良好，有足够数量粗集料形成空间骨架结构； 配合比设计合理，注重压实；ii)从沥青方面：使用黏度高的改性沥青或添加纤维； 提高沥青材料的黏稠度； 控制沥青与矿粉的比值，严格控制沥青用量。（6）提高沥青路面高温稳定性措施 我国沥青路面一般采用半刚性基层沥青面层，基层强度高，因此一般不会出现结构性车辙；由于面层集料一般采用玄武岩，因此磨耗性车辙也少见；所以一般为失稳性车辙，因此必须提高沥青混合料的高温稳定性，即提高黏结力和内摩阻力。即：1、沥青路面的高温稳定性1、沥

29、青路面的高温稳定性1、沥青路面的高温 低温抗裂性是抵抗低温开裂的能力 沥青路面低温时强度增大，但变形能力降低。急骤降温产生温度梯度，面层受到下部约束产生拉应力，降温也使得沥青混合料劲度增加，导致混合料拉应力大于抗拉强度而开裂。沥青路面存在两类低温开裂形式： （1）低温缩裂： 降温时沥青混合料的体积收缩，温度应力超过混合料极限抗拉强度，裂缝由上而下发展； （2）温度疲劳裂缝： 路面在低于极限抗拉强度的温度应力反复作用下开裂，发生在温度频繁变化的地区；2、沥青路面的低温抗裂性把沥青混合料假设为一根弹性梁，由于降温而产生的累计应力为： 累计温度应力与极限抗拉强度相等时的温度，即为开裂温度。1）低温开

30、裂机理2、沥青路面的低温抗裂性2）沥青混合料低温抗裂评价间接拉伸试验低温劈裂试验：标准马歇尔试件（ 101.60.25mm、高63.5 1.3mm）， 0 或更低，加载速率1mm/min； 直接拉伸试验试件38.1mm38.1mm101.6mm，缓慢拉伸速率；2、沥青路面的低温抗裂性弯曲实验约束试件应力试验仪（TSRST）试验： 50mm50mm250mm试件，降温速率10 /h，是SHRP推荐的评价沥青混合料低温抗裂性能的方法 2、沥青路面的低温抗裂性应力松弛试验：直接应力松弛试验；弯曲应力松弛试验等2、沥青路面的低温抗裂性2、沥青路面的低温抗裂性低温弯曲试验破坏应变标准影响因素：沥青性质、

31、气温状况、沥青老化程度、路基的种类和路面层次的厚度、面层与基层的黏结状况、基层所用材料的特性、行车的状况等可采取的预防措施： 1）使用稠度较低、温度敏感性低的沥青； 2）使用含腊量低的沥青，使用应力松弛性能好的改性沥青，掺加纤维； 3）使用较细的混合料类型，设置应力吸收层。3）沥青路面低温开裂的预防措施2、沥青路面的低温抗裂性水稳定性是沥青混合料在水或冻融循环的作用下保持其原有性质的能力。 水损害是沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水份逐渐进入沥青与集料界面上，使沥青黏附性降低并逐渐丧失黏结力，沥青膜从集

32、料表面剥离，沥青混合料松散导致路面松散、剥落、坑槽病害。水损害是水稳定性不足的主要表现。1）水稳定性作用机理黏附理论：水降低了沥青的黏附性、对沥青形成冲刷，水进入沥青与集料间、隔离了沥青与集料的黏结；3、沥青路面的水稳定性3、沥青路面的水稳定性沥青与集料剥离示意图2）沥青路面水稳定性评价方法煮沸试验： 评价沥青与粗集料的黏附性；浸水马歇尔试验： 两组马歇尔试件，一组在60恒温水槽中保养30min40min，另一组在60恒温水槽中保温48h，测马歇尔稳定度的比值。冻融劈裂试验： 将马歇尔试件以标准的饱水试验方法真空饱水，放入塑料袋中加入约10ml水，扎紧袋口，将试件放入-18的冰箱保持16h，后

33、撤去塑料袋，放入60的恒温水槽中保持24h，再将试件浸入温度25的恒温水槽中至少2h，测试劈裂强度比。（年最低气温低于-21.5的寒冷地区）浸水车辙试验：3、沥青路面的水稳定性3、沥青路面的水稳定性浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验的水稳定性标准3）沥青路面水稳定性评价标准3、沥青路面的水稳定性轮辙板的渗水试验标准 抗疲劳性能是沥青路面在循环加载下抵抗疲劳破坏的能力1）沥青路面的受力特性4、沥青路面的抗疲劳性能2）沥青混合料疲劳力学模型 疲劳破坏是指在低于材料强度极限的循环加载作用下，材料发生破坏的现象。 疲劳寿命材料在疲劳破坏时所作用的应力（应变）循环次数。现象学模型：重复荷载作用下沥青混合料强度

34、衰减累积引起的破坏（传统疲劳 理论）；可建立沥青路面层底拉应力与重复荷载作用次数的关系；断裂力学模型：认为疲劳是材料初始裂缝在荷载作用下扩展至破坏的过程； 研究了材料开裂机理及扩散规律；能耗模型：混合料在应力应变作用下吸收能量引起的疲劳损伤；可建立能量与 重复荷载作用次数的关系；4、沥青路面的抗疲劳性能3）沥青混合料疲劳试验方法现场疲劳破坏试验：AASHTO、WESTRACK试验路；足尺结构模拟破坏试验：大型环道、直道试验；试板试验法：室内小型试件试验：三分点小梁试验、中点加载小梁试验、悬臂梯形梁试验等i）应力控制：每次对试件施加的荷载为常量，随着荷载作用次数增多，试件不断受到损伤，劲度随之而

35、降低，实际的弯曲应变则不断增大；ii）应变控制：测试过程中保持每次荷载下应变值不变，则应力随施加荷载次数的增加而不断减小。4、沥青路面的抗疲劳性能4、沥青路面的抗疲劳性能3）沥青混合料疲劳试验方法劈裂疲劳试验悬臂梯形梁疲劳试验三分点疲劳试验示意图 取决于沥青混合料组成和特性的系数； 坡度因素。通常 ，对大多数沥青混合料 =56 4、沥青路面的抗疲劳性能4）沥青混合料疲劳方程英国诺丁汉大学疲劳方程 SHRP疲劳方程 5）沥青路面疲劳性能影响因素 1）加载条件：加载大小、加载方式、加载速度、加载间隔试件、加载波形； 2）材料性质： 影响沥青混合料劲度的因素（沥青种类、用量，集料级配类型、性质），混

36、合料的孔隙率、压实度等； 3）环境温度：4、沥青路面的抗疲劳性能 沥青老化是指沥青在储存、运输、加工、施工及使用过程中在空气、热、光照和碾压作用下产生性能下降的现象。分施工中的短期老化和使用中的长期老化。老化原因： 胶质、芳香分和饱和分（挥发）含量减小，沥青质含量增加；空气的氧化作用，使沥青组分发生变化；沥青分子结构的硬化（聚合作用）。导致沥青使用性能变坏，从而影响了路面的耐久性。2）沥青的老化1）主要影响因素 沥青性能、环境情况（光，氧，水，荷载）、混合料形态（空隙率等）5、沥青路面的耐老化性能 抗老化特性是沥青路面在环境因素作用下保持其原有特性能力5、沥青路面的耐老化性能沥青的老化过程5、

37、沥青路面的耐老化性能沥青生产到路面摊铺的过程沥青的老化特性5、沥青路面的耐老化性能沥青针入度随时间变化3）老化试验及评价沥青：旋转薄膜烘箱试验(RTFOT) （短期）、压力容器老化试验(PAV)（长期）沥青混合料短期老化：针对松散混合料，采取烘箱老化法、延时拌和法、微波加热法沥青混合料长期老化：针对压实成型试件，采取加压氧化法、延时烘箱法、红外/紫外线处理5、沥青路面的耐老化性能分区目的： 全国各地区气候条件差异很大，对沥青提出的要求也不尽相同，为保证沥青路面对气候的适应性，提出了沥青及沥青路面的气候分区。分区方法： 根据高温-低温-雨量三个主要因素的30年气象统计资料来划分。即： （1）沥青

38、路面特性与高、低温指标及降雨有关； （2）沥青及沥青混合料分区：高、低温及降雨指标。6、沥青路面使用性能的气候分区高温指标： 最近30年设计周期的最热月的平均日最高温度的平均值。低温指标：最近30年的极端最低气温的最小值 6、沥青路面使用性能的气候分区分区指标：降雨指标：最近30年的年平均降雨量的平均值 6、沥青路面使用性能的气候分区气候型型 号温度(C)七月平均最高气温年极端最低气温1-11-21-31-4夏炎热，冬寒夏炎热，冬寒夏炎热，冬冷夏炎热，冬温30-92-12-22-32-4夏热，冬寒夏热，冬寒夏热，冬冷夏热，冬温2030-93-2夏凉，冬寒20-37-21.5沥青路面气候分区6、

39、沥青路面使用性能的气候分区6、沥青路面使用性能的气候分区6、沥青路面使用性能的气候分区第四节 弹性层状体系理论核心内容基本假设与解题方法主应力计算沥青路面设计基本理论层状弹性体系理论 1、层状弹性体系理论的图式第四节 弹性层状体系理论1）各层连续、弯曲弹性、均质、各向同性，位移、形变微小；2）结构层厚度有限，最下一层（路基）水平和垂直方向无限大，水平方向无限；3）各层在水平方向无限远处，及最下层向下无限深处，应力、形变、位移为零；4）层间接触情况：或完全连续（连续体系） 或仅竖向应力和位移连续而无摩阻力（滑动体系）；5）不计自重。轴对称课题，将车轮荷载简化为圆形均布荷载。第四节 弹性层状体系理

40、论2、层状弹性体系理论的假定3、层状弹性体系理论的求解过程第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准核心内容沥青路面的破坏路面设计指标种类设计指标确定的依据主要的设计指标与要求我国沥青路面的设计指标与标准1、沥青路面的破坏疲劳开裂车辙、沉陷推挤低温缩裂2、路面设计指标种类控制疲劳的指标 应变 应力控制开裂的指标 应变 应力控制车辙的指标 RD，土基顶面压应变控制推挤的指标 剪切应力或剪切应变控制舒适的指标 平整度IRI 车辙控制抗滑的指标 纹理深度 SFC第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准3、设计需求结构耐久性使用安全性乘客舒适性4、具体要求重复荷载的耐久性（荷载疲劳和一次最大）低温开

41、裂的耐久性（温度疲劳和一次最大）行驶过程的稳定性（车辆侧向力和车辆整体稳定性）行驶过程的制动性能（抗滑力与滑动力）乘客舒适性（道路平顺性和道路平整性）行驶的经济性（油耗、排放）第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准（1）强度理论-控制结构性破坏的指标依据是判断材料在复杂应力状态下是否破坏的理论。材料在外力作用下有两种不同的破坏形式：一是在不发生显著塑性变形时的突然断裂，称为脆性破坏;二是因发生显著塑性变形而不能继续承载的破坏，称为塑性破坏。破坏的原因十分复杂。第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准5、指标确定的依据（1）强度理论-控制结构性破坏的指标依据第一强度理论又称为最大拉应力理论

42、，即最大拉应力达到某一极限值时材料发生断裂。第二强度理论又称为最大拉应变理论；第三强度理论又称为最大切应力理论；第四强度理论又称为莫尔理论；第五强度理论又称为能量理论。因此，采用应力、应变为指标有理论依据。5、指标确定的依据第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准（2）抗滑和车辙指标-控制安全性的依据2016年4月2 日沪宁高速公路交通事故（雨天）56车连环车祸，导致3人死亡2016年11月21 日山西京昆高速公路交通事故（雨天）事故造成17人死亡，37人受伤，56辆车辆受损第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准（2）抗滑和车辙指标-控制安全性的依据纹理深度和抗滑系数SFC用纹理深度和S

43、FC作为安全性指标依据不够充分。第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准 路基表面的垂直压应变或垂直压应力 反映路基在重复荷载作用下的永久变形，主要原因是路面结构土基承载能力低引起土基的较大垂直塑性变形。 要求： z 0 z 0 或 z 0 z 0结构残余变形的累积（车辙）： 要求： RD r e RD r e 6、主要的设计指标与要求第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准结构疲劳开裂（整体性材料结构层的疲劳开裂）： 要求： r R 或 r R面层抗剪切推移： 要求： max R （应使用高温时的弹模）结构低温缩裂： 要求： r t t R （应使用低温时的弹模）路面弯沉： 要求： ls

44、 l d 6、主要的设计指标与要求第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准7、我国旧规范中沥青路面的设计指标与标准 我国旧规范中公路沥青路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标。 对沥青混凝土面层和整体性材料的基层、底基层应进行层底拉应力的验算，城市道路尚须进行沥青面层的剪应力验算。 设计指标及验算指标必须小于其极限标准。 max R第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准路面总变形表征路面各结构层的变形与路基顶面变形之和，反映了路面整体刚度的强弱。当路面在车辆荷载反复作用下不断地弯曲使变形积累、增大到某种程度时，路面结构即产生疲劳开裂

45、，从而可在一定程度上建立起路面损坏与弯沉、弯沉与轴载作用次数间的关系。对于早期交通荷载轻，交通量小，路面薄且结构单一的背景下是合适的。新材料、新结构的逐步应用，导致弯沉与路面破坏与寿命之间的关联程度不同程度的降低，促使采用新的路用性能指标。第五节 沥青路面的破坏状态、设计指标和标准7、我国旧规范中以弯沉作为设计指标的原因我国2017版沥青路面的设计指标及要求1）沥青层底拉应变：沥青层疲劳寿命Nf1不小于按照沥青层疲劳等效换算得到的设计车道累计当量轴载作用次数Ne1。2）无机结合料层底拉应力：无机结合料层疲劳寿命Nf2不小于按照无机结合料层疲劳等效换算得到的设计车道累计当量轴载作用次数Ne2。3

46、）路基顶面压应变：路基顶面的最大竖向压应变应不大于容许压应变值z。4）沥青层容许永久变形：沥青路面的车辙深度宜符合要求。第六节 我国沥青路面的设计指标与标准我国2017版沥青路面的设计指标及要求5）低温开裂：各等级公路裂缝指数I宜不大于规定6）抗滑性能：抗滑性能以横向力系数SFC60和宏观构造深度TD为主要指标。高速公路、一级公路、山岭重丘区二级和三级公路路面在交工验收时，其抗滑技术指标宜符合要求。第六节 我国沥青路面的设计指标与标准第六节 我国沥青路面的设计指标与标准（1）沥青层底依据沥青层底面的最大拉应变以及沥青混合料的组成和性质，按下式计算沥青层的疲劳寿命。沥青层疲劳寿命N f 1大于设

47、计车道的累计当量轴载作用次数Ne1 （2）无机结合料稳定材料层底依据无机结合料层的的最大拉应力按下式计算沥青层的疲劳寿命。无机结合料层的疲劳寿命N f 2大于设计车道的累计当量轴载作用次数Ne2 第六节 我国沥青路面的设计指标与标准（3）沥青层永久变形沥青层永久变形R a小于设计车道的容许永久变形R0 根据标准轮辙试验，得到各层沥青混合料的轮辙试验永久变形量，计算各分层永久变形量和沥青层总的永久变形量R a 。表面层：采用10-20mm为一分层；第二层沥青混合料层：每一分层不大于25mm；第三层沥青混合料层：每一分层不大于100mm；第四层沥青混合料层：作为一个一分层。动稳定度计算试验温度60

48、，厚度50mm，压强0.7MPa,加载次数2520次的动稳定度。第六节 我国沥青路面的设计指标与标准（3）沥青层永久变形计算方法第六节 我国沥青路面的设计指标与标准（4）路基永久变形路基顶面的最大竖向压应变应不大于容许压应变值，不符合要求时，调整路面结构层的组合或增加结构层的厚度，重新检验。第六节 我国沥青路面的设计指标与标准（5）路面低温开裂季节性冰冻地区高速公路和一级公路，按下式分析路面低温裂缝指数CI。低温开裂：裂缝指数CI宜不大于表8-25的规定。第六节 我国沥青路面的设计指标与标准（6）路面结构抗冻层厚度季节性冰冻地区路基为中湿或潮湿状态时，应计算最大冻深，满足表8-31的要求。计算

49、公式：第六节 我国沥青路面的设计指标与标准（6）路面结构抗冻层厚度第六节 我国沥青路面的设计指标与标准（7）路基顶面弯沉检测1）路基顶面验收弯沉值第六节 我国沥青路面的设计指标与标准（7）路表弯沉检测2）路表弯沉检测路面交（竣）工时采用落锤式弯沉仪（FWD）实测中心点路表弯沉值，测试荷载为50KN，荷载盘半径为150mm。采用层间连续接触的弹性层状体系理论（8-86）计算路表弯沉检测标准值la（根据选定的路面结构方案和各层材料参数，荷载参数与落锤式弯沉仪相同）符合进行温度修正进行湿度修正第六节 我国沥青路面的设计指标与标准第七节 沥青路面结构组合设计核心内容沥青面层结构沥青路面基层结构沥青路面

50、垫层结构沥青路面层间结合1、沥青路面结构组合设计的基本原则总原则： 面层耐久、基层坚实、土基稳定 具体要求：1）适应行车荷载作用的要求 从上至下，从压到拉，从抗车辙到抗疲劳，表层抗滑、抗磨耗2）在各种自然因素作用下稳定性好 具有很好的水稳定性和温度稳定性3）考虑结构层的特点 上下层匹配，总体上强度足够而不过多浪费4）考虑防冻、防水要求第七节 沥青路面结构组合设计稳定基层稳定底基层面层 路基 Structure 路面类型沥青稳定基层 稳定类底基层面层路基级配碎石Structure 稳定底基层面层路基Structure 沥青稳定基层 沥青层厚度=16-20cm沥青层厚度=20-22cm沥青层厚度=

51、28-30cm第七节 沥青路面结构组合设计第七节 沥青路面结构组合设计弯拉应力分布不同结构不同结构弯拉应力分布不同结构不同结构组合的弯拉应力分布应力分布第七节 沥青路面结构组合设计垂直应力剪切应力弯曲应力应力分布第七节 沥青路面结构组合设计表面压应力 表面层抗滑与抗车辙层中间联结层中间高压应力和高温区中层压拉应力过渡层拉压过渡层 下层抗疲劳层下层拉应力区路基层受压区受拉区第七节 沥青路面结构组合设计合理的结构组合设计（重载 不均匀沉降等）沥青稳定基层 稳定类（底）基层沥青面层路基级配碎石路面结构沥青疲劳层第七节 沥青路面结构组合设计第七节 沥青路面结构组合设计面层：单层、双层或三层沥青面层基层

52、：柔性、半刚性、刚性或组合式垫层：排水、防冻、防水、防污等粒料或稳定土土基：密实、稳固、不透水或透水层间结合：牢固、耐久第七节 沥青路面结构组合设计2、沥青路面结构组合第七节 沥青路面结构组合设计1）面层路用性能要求第七节 沥青路面结构组合设计2）面层抗滑性能要求第七节 沥青路面结构组合设计3、沥青层最小厚度要求第七节 沥青路面结构组合设计4、基层最小厚度和适宜厚度要求第七节 沥青路面结构组合设计讨论！沥青路面设计的合理性第七节 沥青路面结构组合设计讨论！沥青路面设计的合理性第七节 沥青路面结构组合设计第七节 沥青路面结构组合设计第七节 沥青路面结构组合设计第八节 沥青路面结构排水设计核心内容

53、路面表面排水中央分隔带排水路面内部排水边缘排水系统排水基层的排水系统1、概述Guard RailGuard RailRoute 4601、概述（1）水的来源表面渗入地下水毛细水作用渗流作用水的汽化边缘进入渗流作用表面水的渗入Water table毛细水作用水的汽化水位变化1、概述地面水包括大气降水以及河、海、湖、水渠、水库水等地下水包括土层滞留水、潜水及层间水等（2）影响路基路面的水的类型1、概述1、概述表面水的渗入 降雨-是路面水的主要来源一般的比例为:沥青路面: 0.33 to 0.5 （2）影响路基路面的水的类型1、概述沥青路面表面水的渗入1、概述对路基的影响1）地面水对路基产生冲刷和渗

54、透； 2）地下水使路基湿软、膨胀、冻胀、翻浆、边坡滑坍、山坡滑坡等。对路面的影响1）降低路面材料强度； 2）加快路面材料损坏； 3）唧浆、冲刷； 4）使路面因支撑不足而出现疲劳损坏。（3）水对路基路面的影响1、概述1、概述（4）与水有关的路面损害可以划分为三类:路面结构层变弱;路面材料性能下降; (沥青层的剥离, 材料腐蚀, 水泥混凝土路面的D型开裂)层间黏结性能下降。Localized settlement局部沉陷1、概述1、概述1、概述1、概述60708090100051015Total Deflection (mm)Degree of Saturation, %6.2% fines9.1

55、% fines11.5% finesGravelCrushed Stone沥青路面路基顶面弯沉与路基饱和度之间的关系High-severity pothole严重的坑洞1、概述60801000246810121416% Saturation, SResilient Modulus MR, ksi100% AASHTO - T9995% AASHTO - T991、概述40201030507090沥青混合料的饱水率与模量之间的关系Frost heave引起路面冻胀1、概述1）把降落在路界范围内的表面水有效的汇集并迅速排除出路界2）把路界外可能流向路基的地表水拦截在路界范围以外以减小对路基路面的危

56、害3）隔断、疏干和降低影响路基稳定性的地下水，并将其引导到路基范围以外（5）排水的目的1、概述路面表面排水中央分隔带排水坡面排水（6）路面地表排水的内容1、概述设置厚的排水基层1、概述下封层及路肩部的排水盲沟排水基层排水面层（7）路面内部排水的内容右图：排水性路面1、概述排水基层排水设施要因地制宜、全面规划、合理布局、综合治理、讲究实效、注意经济，并充分利用有利地形和自然水系； 路基排水沟渠的设置，应与农田水利相配合，必要时可适当地增设涵管或加大涵管孔径； 设计前必须进行调查研究，重点路段要进行排水系统的全面规划，做到路基路面综合设计和分期修建； 路基排水要注意防止附近山坡的水土流失，尽量不破

57、坏天然水系，尽量选择有利地质条件布设人工沟渠； 路基排水要结合当地水文条件和道路等级等具体情况，注意就地取材，以防为主； 为减少水对路面的破坏作用，应尽量阻止水进入路面结构，并提供良好的排水措施，以便迅速排除路面结构内的水，亦可建筑具有能承受荷载和雨水共同作用的路面结构。 （8）路基路面排水的一般原则1、概述节尾2、路面表面排水基本原则：1）降落在路面上的雨水，应通过路面横向坡度向两侧排流，避免行车道路路面范围内出现积水。2）在路线纵坡平缓、汇水量不大、路堤较低且边坡坡面不会受到冲刷的情况下，应采用在路堤边坡上横向漫坡的方式排除路面表面水。2、路面表面排水3）在路堤较高，边坡坡面在未做防护而易

58、遭受路面表面水流冲刷，或者坡面虽已采取防护措施但仍有可能受到冲刷时，应沿路肩外侧边缘设置拦水带，汇集路面表面水，然后通过泄水口和急流槽排离路堤。4）设置拦水带汇集路面表面水时，拦水带过水断面内的水面，在高速公路及一级公路上不得漫过右侧车道外边缘，在二级及二级以下公路上不得漫过右侧车道中心线。3、路面表面排水拦水带可由沥青混凝土现场浇筑，或者由水泥混凝土预制块铺砌而成。采用水泥混凝土预制块拦水带时，应避免预制块影响路面内部水的排泄。拦水带的顶面应略高于过水断面的设计水面高（水深），按设计流量公式（7-1）计算确定。公式（7-1）3、路面表面排水4、中央分隔带排水4、中央分隔带排水超高路段中央分隔

59、带 三个要求（1）宽度小于3m且表面采用铺面封闭的中央分隔带排水，降落在分隔带上的表面水排向两侧行车道，其坡度与路面的横坡度相同；在超高路段上，可在分隔带上侧边缘处设置缘石或泄水口，或者在分隔带内设置缝隙式圆形集水管或碟形混凝土浅沟和泄水口（图7-31），以拦截和排泄上侧半幅路面的表面水。缘石过水断面的泄水口可采用开口式，格栅式或组合式；碟形混凝土浅沟的泄水口采用格栅式。 4、中央分隔带排水超高路段中央分隔带（2）宽度大于3m且表面未采用铺面封闭的中央分隔带排水，降落在分隔带上的表面水汇集在分隔带中央的低洼处，并通过纵坡排流到泄水口或横穿路界的桥涵水道中。 （3）表面无铺面且未采用表面排水措施

60、的中央分隔带，降落在分隔带上的表面水下渗，由分隔带内的地下排水设施排除。 4、中央分隔带排水超高路段中央分隔带4、中央分隔带排水超高路段中央分隔带5、路面内部排水路面结构内部水的危害（1）浸湿各结构层材料和路基土，易造成无黏结粒状材料和地基土的强度降低；（2）使水泥混凝土路面产生唧泥，随之出现错台、开裂和整个路肩破坏；（3）进入空隙的自由水在行车荷载的作用下，会形成高孔隙水压力和高流速的水流，引起路面基层的细颗粒产生唧泥，结果失去支承；5、路面内部排水路面结构内部水的危害（4）在冰冻深度大于路面厚度的地方，高地下水位会造成冻胀，并在冻融期间降低承载能力；（5）水使冻胀土产生不均匀冻胀；（6）与