第12章沥青路面设计

第12章沥青路面设计第一页，共53页。第12章沥青路面设计第12章沥青路面设计沥青路面设计的任务：根据公路使用要求以及水文、地质、气候等自然条件，交通条件，当地筑路材料及施工条件，设计确定技术经济合理的路面结构。以保证路面在预定的使用期限内，既能适应当地自然环境条件，又能满足行车的使用要求。路面设计内容：选择适当的路面材料，进行材料配合比设计并确定设计参数，路面结构组合设计，路面厚度计算以及不同路面结构方案的比选。路面设计方法的发展：第一代古典理论设计法——唐氏公式第二代以土基强度为基础的经验设计法——CBR法第三代以路用性能为基础的经验设计法——AASHTO法第四代力学-经验设计法——SHELL法、AI法第二页，共53页。第12章沥青路面设计12.1弹性层状体系理论分析12.2沥青路面破坏状态与设计标准12.3沥青路面结构组合设计12.4新建沥青路面的结构设计12.5沥青路面改建设计12.6国外设计方法（Sell法）概述第12章沥青路面设计第三页，共53页。12.1弹性层状体系理论分析第12章沥青路面设计

将路面结构视为弹性半空间地基上由若干个具有一定厚度材料组成的弹性层状体系，假设：①各层由均质、连续的、均匀的、各向同性的线弹性材料组成，用弹性模量和泊松比表征其弹性参数；②最下一层为水平方向和竖直向下方向无限延伸的半无限体。其上各层在水平方向为无限大，但竖向具有一定厚度；③各层在水平方向无限远处及最下层无限深处的应力、变形和位移为零；④各层分界面上的应力和位移完全连续（称连续体系），或者仅竖向应力和位移连续，而层间无摩擦力（称滑动体系）；⑤不计各层材料自重。第四页，共53页。12.1弹性层状体系理论分析第12章沥青路面设计平衡方程物理方程几何方程第五页，共53页。12.1弹性层状体系理论分析第12章沥青路面设计弹性双层体系第六页，共53页。12.1弹性层状体系理论分析第12章沥青路面设计弹性三层体系（1）表面弯沉（2）上、中层底面最大弯拉应力（3）上层表面最大剪应力第七页，共53页。12.1弹性层状体系理论分析第12章沥青路面设计第八页，共53页。12.1弹性层状体系理论分析第12章沥青路面设计第九页，共53页。12.1弹性层状体系理论分析第12章沥青路面设计第十页，共53页。12.1弹性层状体系理论分析第12章沥青路面设计第十一页，共53页。12.1弹性层状体系理论分析第12章沥青路面设计多层体系的等效换算（1）路表弯沉等效换算（2）上层底面弯拉应力等效换算（3）中层底面弯拉应力等效换算第十二页，共53页。12.2沥青路面破坏状态与设计标准第12章沥青路面设计沥青路面的路用性能随着行车荷载的反复作用及环境因素的变化，而导致其功能逐渐衰减、变坏，以致于丧失正常的工作能力。因此，沥青路面设计的具体目标是，在预定的使用年限内控制和限制路面各项结构性能，使之处于某一正常范围以完成路面的预定功能。

综合分析沥青路面的破坏形态，基本上可分为三大类型：①裂缝类，如纵向或横向裂缝，网状裂缝、块状裂缝等；②变形类，如沉陷、车辙、搓板、推移和拥起等；③表面功能性损坏，如剥落、松散、坑槽和泛油等。1）沉陷2）车辙3）疲劳开裂4）低温缩裂5）反射裂缝6）推移、拥包7）松散、坑槽第十三页，共53页。

沥青路面设计标准第12章沥青路面设计由于沥青路面破坏模式和原因较为复杂，因此应选择既能反映沥青路面主要破坏特点，同时又能在路面结构设计中起到控制作用的临界破坏状态和设计标准。目前，国内外的设计方法均以开裂和变形为沥青路面的两大主要破坏模式。（1）疲劳开裂（2）低温缩裂（3）车辙（4）推移（5）路面回弹弯沉第十四页，共53页。12.3沥青路面结构组合设计第12章沥青路面设计沥青路面是一种多层结构。如何正确合理地选择路面结构层层次及材料组成，是路面结构设计首先面临的问题，也是决定路面是否能在设计使用期完成其正常使用功能的关健。路面结构组合应该结合交通荷载、环境因素和当地筑路材料等条件，从技术经济角度出发，选择经济合理的路面结构体系，以充分发挥路面各层及结构的整体效能。第十五页，共53页。路面结构组合设计的原则第12章沥青路面设计

（1）面层类型和等级的选择由于面层直接承受行车荷载和环境因素作用，因此宜选择强度高、耐磨、稳定性好的材料作面层。第十六页，共53页。路面结构组合设计的原则第12章沥青路面设计（2）按路面受力特征选择各结构层次荷载应力随深度增加而递减，对路面各结构层材料强度和刚度的要求也随着深度的增加而降低。因此，在进行路面结构组合时，各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律组合，以充分发挥各层次材料的效能。同时考虑到面层强度、刚度高，造价也高，而基层底基层强度、刚度较面层低，造价也低这一情况，在厚度组合时，宜从上到下由薄到厚，以达到经济的目的。路面结构中相邻结构层材料的模量比，对路面结构的应力分布有显著影响。相邻两层材料模量比过大，上层底面将产生过大的弯拉应力（或弯拉应变）容易使上层开裂。第十七页，共53页。路面结构组合设计的原则第12章沥青路面设计第十八页，共53页。路面结构组合设计的原则第12章沥青路面设计（3）考虑结构层自身结构特征注意相邻层次的相互影响，尽量避免和消除相邻层次间的不利影响。例如，沥青面层不能直接铺筑于碎（砾）石基层上，而宜在其间设沥青碎石作过渡层，以防止由于基层的松动而造成面层不平整或变形开裂。又如，在无机结合料稳定类半刚性基层上铺筑沥青混凝土，为防止和减缓基层干缩和温缩开裂而引起面层反射裂缝，通常宜适当加厚面层，或者设置沥青碎石、级配碎石等联结层。此外，在软弱潮湿的路基上，不宜直接铺筑碎（砾）石基层，以防止污染基层或产生过大的变形。第十九页，共53页。路面结构组合设计的原则第12章沥青路面设计（4）考虑不利水温状况的影响一般应选择水稳定性好的材料作沥青路面的基层，特别是中湿和潮湿路段。在冻深较大的季节性冰冻地区，当路基土为易冻胀土时，尚应考虑冻胀和翻浆的危害。路面总厚度的确定，除了要满足力学强度的要求外，还应满足防冻层厚度的要求。第二十页，共53页。路面典型结构组合示例第12章沥青路面设计路面结构组合应该根据公路等级和交通量，结合当地水文地质和气候情况、土基状况、筑路材料以及已有的路面结构状况和使用经验，参照路面组合原则，拟定几个满足各方面要求的路面组合方案，以供进一步的结构厚度计算之用，从而通过最终技术经济比较获得最优化的路面结构。第二十一页，共53页。12.4新建沥青路面结构设计第12章沥青路面设计设计模型：双圆垂直均布荷载作用下的多层连续弹性层状体系设计指标：路表设计弯沉验算指标：整体性结构层层底弯拉应力（高速公路、一级公路和二级公路）剪应力（城市道路、高温季节）

□路面结构设计计算图式及设计标准

□路面设计弯沉值

□容许弯拉应力

□容许剪应力

□轴载换算与累计当量轴次

□路基土回弹模量值的确定

□路面材料设计参数值

□新建沥青路面结构设计步骤第二十二页，共53页。路面结构设计计算图式及设计标准第12章沥青路面设计

多层弹性层状连续体系在双圆垂直均布荷载作用下，轮隙中心处路表实测弯沉Ls等于设计弯沉Ld的原则进行计算。

1）按弯沉进行路面厚度计算

由于力学计算模型与实际路面的差异，以及土基、路面材料的非线性及参数理论值与实际状态的差异等因素，使理论弯沉值和实测弯沉值之间存在一定误差，因此需要对理论弯沉值进行修正。

弯沉综合修正系数:第二十三页，共53页。路面结构设计计算图式及设计标准第12章沥青路面设计

对于高速公路、一级公路和二级公路的沥青路面，当以弯沉为设计指标计算出路面厚度后，还应验算其沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层的弯拉应力。

2）层底拉应力验算3）面层剪应力验算

我国城市道路设计规范规定，为了防止高温季节道路交叉口、停车场等汽车经常启动、制动地方，沥青面层产生推挤（拥包）等破坏现象，要求验算沥青面层抗剪强度。第二十四页，共53页。路面设计弯沉值第12章沥青路面设计

弯沉值的大小反映了路基路面的整体强度。在达到相同的路面破坏状态时，回弹弯沉值大小同作用于路面的行车荷载累计作用次数或使用寿命成反比关系。

轮载累计重复作用次数N与此时路表面回弹弯沉的关系，可通过对已使用多年的各类路面进行弯沉测定，并调查路面已承受的累计交通量，经整理分析后得出。在使用期末不利季节，路面处于临界破坏状态时的实测回弹弯沉，称为路面的容许弯沉值。将容许弯沉值同该路面在使用期间标准轴载累计作用次数相关联，得第二十五页，共53页。路面设计弯沉值第12章沥青路面设计

将公路沥青路面按外观特征分为五级。并把第四外观等级作为路面临界破坏状态，以该级路面的弯沉值的低限作为临界状态的划界标准。第二十六页，共53页。路面设计弯沉值第12章沥青路面设计

我国有关部门进行了广泛的调查，所调查路面的公路等级包括高速公路、一级公路、二级公路和三级公路。面层类型有沥青混凝土、沥青碎石、上拌下贯沥青面层和沥青表面处治；基层类型有水泥稳定砂砾、二灰碎石（砂砾）、石灰水泥砂砾、碎石灰土、灰土碎石等半刚性基层及少量级配碎石等柔性基层，交通量换算为BZZ－100标准累计轴次的范围为27×104～1470×104。统计回归得：第二十七页，共53页。路面设计弯沉值第12章沥青路面设计

路面设计弯沉值是根据设计年限内，每个车道通过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型确定的，设计弯沉相当于路面竣工后第一年不利季节，路面在标准轴载100kN作用下，所测得的最大回弹弯沉值。将路面竣工后第一年不利季节的路面结构状态取作路面设计状态。

设计弯沉值→竣工后第一年不利季节。

容许弯沉值→使用期末不利季节（临界破坏状态）。

从设计弯沉值（路面竣工弯沉）到容许弯沉值之间的弯沉增加(或强度刚度衰减)这一变化，是行车荷载、环境因素不断作用以及路面各结构材料层力学性能不断衰变等多方面因素综合作用的复杂过程，通常定义AT为表征相对弯沉变化系数。

通过对全国共31段试验路和生产路段的长期跟踪观测，经过对大量测试数据的分析，AT近似取1.2。第二十八页，共53页。路面设计弯沉值第12章沥青路面设计

Ld——路面设计弯沉值（0.01mm）；Ne——设计年限内一个车道上的累计当量轴次；

Ac——公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；

As——面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面为1.1；沥青表面处治为1.2；中低级路面为1.3；

Ab——基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度等于或大于20cm时为1.0；若面层与半刚性基层之间设置等于或小于15cm级配碎石层、沥青贯入碎石、沥青碎石的半刚性基层结构时，仍取1.0；柔性基层、底基层或柔性基层厚度大于15cm，底基层为半刚性下卧层时为1.6。第二十九页，共53页。容许弯拉应力第12章沥青路面设计

沥青路面结构层材料的容许拉应力是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳应力。

——路面结构层材料的容许拉应力（MPa）；——结构层材料的极限抗拉强度（MPa），我国沥青路面设计规范采用劈裂强度；——抗拉强度结构系数。

我国现行沥青路面设计规范规定，采用劈裂试验测定路面结构层材料的极限抗拉强度（劈裂强度）。沥青混凝土的劈裂强度与温度有关，规范规定试验温度为15℃，水泥稳定类材料的龄期为90d，二灰稳定类、石灰稳定类的龄期规定为180d。第三十页，共53页。容许弯拉应力第12章沥青路面设计沥青混凝土面层无机结合料稳定集料无机结合料稳定细粒土

表征结构层材料的抗拉强度因疲劳而降低的抗拉强度结构系数Ks，与材料的疲劳特性有关。——反映沥青混合料性质的混合料级配系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0；粗粒式沥青混凝土为1.1；

——公路等级系数。

第三十一页，共53页。容许剪应力第12章沥青路面设计

当验算沥青路面面层抗剪强度时，需要确定易于发生面层推移（或拥包）等现象的夏季高温时，沥青混合料的容许剪应力：

抗剪强度τ按库仑理论计算。沥青混合料的抗剪强度参数，粘聚力和内摩擦角通常由三轴剪切试验测定，并以当地高温月份路表实际温度的平均值为试验标准温度。计算面层剪应力时，各结构层计算模量采用抗压回弹模量。

沥青混合料的抗剪切结构强度系数同行车荷载作用情况有关。经调查整理，停车站、交叉口等缓慢制动处（f=0.2）：

在紧急制动时（f=0.5）：Nt——停车站或交叉口在设计使用年限内同一位置停车的标准轴载累计数；Ac——道路等级系数。第三十二页，共53页。轴载换算与累计当量轴次第12章沥青路面设计轴载换算原则：①以达到相同的临界状态为标准，即同一种路面结构，甲轴作用了次后达到预定的临界状态，乙轴作用了次后，路面也达到同样的临界状态，此时甲乙两种轴载作用是等效的，按此等效原则建立两种轴载作用次数间的换算关系；②对于同一种交通组成，不论以其中哪一种轴载为标准进行等效换算后，由此所计算的路面厚度结果应当是相同的。

第三十三页，共53页。轴载换算与累计当量轴次第12章沥青路面设计

当以设计弯沉为指标以及验算沥青层层底拉应力时，凡轴载大于25kN的各级轴载（包括车辆的前、后轴）Pi的作用次数ni均应按下式换算成标准轴载为P的当量作用次数N。N——标准轴载的当量轴次（次／日）；ni——被换算车辆的各级轴载作用次数（次／日）；P——标准轴载（kN）；Pi——被换算车辆的各级轴载（kN）；C1——轴数系数，当轴间距大于3m时，按单独的一个轴载计算，当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算,轴数系数C1＝1+1.2(m－1)，m为轴数。C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38；K——被换算车辆的类型数。第三十四页，共53页。轴载换算与累计当量轴次第12章沥青路面设计

当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50kN的各级轴载（包括车辆的前、后轴）Pi的作用次数ni均应按下式换算成标准轴载为P的当量作用次数N’。C1’——轴数系数，当轴间距小于3m的双轴或多轴，轴数系数

C1＝1+2(m－1)，m为轴数。C2’——轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为1，四轮组为0.09；第三十五页，共53页。轴载换算与累计当量轴次第12章沥青路面设计

设计车道上标准轴载在使用年限（t年）内的累计作用次数Ne，可在通过调查得到整个行车道的第一年标准轴载日平均作用次数N1和交通量年平均增长率r后，按下式计算：第三十六页，共53页。路基土回弹模量值的确定第12章沥青路面设计（1）现场实测法

在已成路基上，在不利季节用大型承载板测定土基0~0.5mm（路基软弱时测至1mm）的变形～压力曲线，计算回弹模量。

也可采用弯沉仪测定土基弯沉值，计算土基回弹模量值E0：

在实测得某路段土基回弹模量后，确定该路段土基回弹模量设计值E0s：

——某路段实测土基回弹模量平均值与标准差；

——保证率系数，高速公路、一级公路为2.0；二、三级公路为1.648；四级公路为1.5；

——不利季节影响系数，若在非不利季节测定应考虑季节影响系数，并根据当地经验选用。第三十七页，共53页。路基土回弹模量值的确定第12章沥青路面设计（2）查表法对于新建公路，在无实测条件时，可按查表法预测土基回弹模量值。①确定临界高度②确定土基平均稠度③预测土基回弹模量第三十八页，共53页。路基土回弹模量值的确定第12章沥青路面设计（3）室内试验法取代表性土样在室内根据最佳含水量条件下求得小承载板的回弹模量E0值试验结果，并考虑不利季节，不利年份的影响，乘以折减系数λ。第三十九页，共53页。路基土回弹模量值的确定第12章沥青路面设计（4）换算法通过现场大型承载板试验测定土基回弹模量E0，并同时测定土基的压实度K、土基稠度wc以及室内CBR值，建立E0与CBR之间可靠的换算关系，从而可以利用K、wc和CBR值等推算现场土基回弹模量。第四十页，共53页。路面材料设计参数值第12章沥青路面设计路面材料的弹性模量是表征材料刚度的指标，采用不同测试方法测得的弹性模量，其数值不同，目前我国测定路面材料强度和模量的方法有压缩试验、劈裂试验和弯拉试验。采用哪种试验及其强度和模量值作为设计参数主要取决于以下因素：①强度和模量值应较好地反映行车荷载作用下各种路面材料的力学特性；②强度和模量值用于厚度计算时，所计算路面厚度应较好与实际情况相吻合；③参数测试方法简便，测试结果比较稳定。我国现行公路沥青路面设计规范规定：以设计弯沉值计算路面厚度并对结构层进行层底拉应力验算时，各层材料的模量均采用抗压回弹模量，沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验测得的劈裂强度。以路面设计弯沉计算路面厚度时，采用20℃的抗压模量，验算层底拉应力以15℃的抗压模量为计算值。

第四十一页，共53页。路面材料设计参数值第12章沥青路面设计第四十二页，共53页。路面材料设计参数值第12章沥青路面设计第四十三页，共53页。新建沥青路面结构设计步骤第12章沥青路面设计①根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型，计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值。②按路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段（在一般情况下路段长度不宜小于500m，若为大规模机械化施工，不宜小于1km），确定各路段土基的回弹模量值。③拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比试验及测定各结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度，确定各结构层材料设计参数。④根据设计弯沉值计算路面厚度。对高速公路、一级公路、二级公路沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层，应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求。如不满足要求，应调整路面结构层厚度，或变更路面结构组合，或调整材料配合比、提高极限抗拉强度，再重新计算。对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，尚应验算防冻厚度是否符合要求。⑤进行技术经济比较，确定采用的路面结构方案。

第四十四页，共53页。新建沥青路面结构设计步骤第12章沥青路面设计第四十五页，共53页。12.5沥青路面改建设计第12章沥青路面设计1.路面结构状况调查与评定1）路面结构状况调查①交通调查②路基状况调查③路面状况调查④路面修建与养护资料调查2）路面结构承载力调查

①路线分段②弯沉检测③计算弯沉值采用非标准轴载检测弯沉的修正：计算弯沉值：——路段的计算弯沉值（0.01mm）；——路段内原路面实测弯沉的平均值(0.01mm)；——路段内原路面实测弯沉的标准差（0.01mm）；——保证率系数，补强二级及二级以上的公路路面时，取1.5，补强三、四级公路时取1.3；

——季节影响系数和湿度影响系数，可根据当地经验选用；

——温度修正系数。第四十六页，共53页。12.5沥青路面改建设计第12章沥青路面设计2.原路面当量回弹模量的计算m1—轮板对比值，即用标准轴载的汽车在原路面上测得的弯沉值与相同压强条件下用承载板所测得的回弹变形之比,在缺乏对比资料的情况下，可取1.1；m2—原路面当量回弹模量扩大系数，计算与原有路面接触的补强层层底拉应力时，按下式计算，计算其它补强层层底拉应力及弯沉值时，取1.0。—与原路面接