路面工程设计

1第七讲：路面工程设计路面工程概述路面设计方法沥青路面结构设计水泥路面结构设计路面工程最新发展路面的功能和要求路面结构与层次划分经验设计方法基于力学的设计方法路面结构层次组合设计CBR法AASHO法SHELL法SUPERPAVE法路面的病害与防治路面结构层次的设计沥青路面结构设计方法设计的基本过程路面分类和分级路面种类与材料31.路面工程概述路面的功能和要求路面结构及其层次划分路面的分级与分类我国道路路面种类及材料介绍41.1路面的功能和要求功能：提供汽车在道路上全天候行驶，保证汽车以一定的速度，安全、舒适、经济运行

背景知识：与砂石路相比,沥青路面行驶速度从30上升到50-60km/h,油耗降低15-20%,轮胎行驶公里增加20%,运输成本降低18-20%.道路造价中,高级路面占60-70%,低级路面占20-30%。51.1路面的功能和要求要求强度和刚度：力学要求稳定性耐久性表面平整度表面抗滑性能少尘性61.2路面的结构和层次划分结构

路拱平均坡度:沥青或水泥混凝土路面:1.5%；厂拌沥青碎石等:1.5-2.5%；石砌路面:2-3%；碎石,砾石路面:2.5-3.5%，土路:3-4%71.2路面的结构和层次划分层次荷载工况特点性能要求常用材料面层行车荷载较大、受降水浸蚀和气温变化影响结构强度，抗变形能力，水、温度稳定性较高。耐磨，不透水；良好的抗滑性和平整度水泥、沥青混凝土、沥青碎(砾)石混合料、块料基层荷载垂直力，经受地下水和渗入雨水

足够的强度和刚度，有良好的扩散应力的能力，足够的水稳定性

结合料、稳定土石、贫水泥混凝土、砂砾石材，工业废渣垫层改善土基的湿度和温度状况扩散荷载应力水稳定性和隔温性能要好砂石、炉渣透水性垫层，水泥或石灰稳定土稳定类垫层

81.3路面的分级和分类分级：各等级公路路面材料路面等级面层类型公路等级高级水泥混凝土、厂伴沥青碎石、整齐石块条石高速、一级、二级次高级沥青灌入碎石、路伴沥青碎石、沥青表面处治、半整齐石块二级、三级中级泥结或级配碎石、水结碎石、不整齐石块三级、四级低级各种粒料或当地材料改善土，炉渣土、砾石土、砂砾土四级91.3路面的分级和分类路面荷载工况特点各层材料柔性路面总体结构刚度较小，弯沉变形较大，路面结构的抗弯拉强度较低，通过各结构层将车辆荷载传递给土基粒料基层和各类沥青面层、碎(砾)石面层或块石面层刚性路面强度高，抗弯拉强度高，刚性较大。水泥混凝土板的抗弯拉强度承受车辆荷载，基础上单位压力多。

水泥混凝土作面层或基层半刚性路面前期有柔性路面的力学性质，后期的强度和刚度有较大幅度的增长。空隙沥青混凝土注入水泥砂浆的道路路面水泥、石灰处治的土石及含有水硬性结合料的工业废渣101.4路面种类与材料碎石砾石路面和基层块料路面沥青混凝土水泥混凝土路面111.4.1碎石砾石路面和基层土、碎（砾石）石混合料的物理状态121.4.2块料路面131.4.2块料路面141.4.2块料路面151.4.3沥青混凝土路面特点表面平整、无接缝行车舒适、耐磨、振动小、噪声低施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层沥青路面的抗弯强度较低要求在温暖干燥的气候下施工施工161.4.3沥青混凝土路面种类按强度构成原理分：密实类（按最大密实原则设计）和嵌挤类（颗粒尺寸较为单一）按施工工艺分:层铺法，路拌法，厂拌法按技术特性分:沥青混凝上、热拌沥青碎石、乳化沥青碎石混合料、沥青贯入式、沥青表面处治五种类型171.4.3沥青混凝土路面劲度模量181.4.3沥青混凝土路面温度变化191.4.3沥青混凝土路面疲劳强度201.4.3沥青混凝土路面稳定性高温稳定性低温抗裂性水稳定性211.4.3沥青混凝土路面各种性能之间的矛盾高温稳定性与疲劳性能、低温抗裂性能的矛盾路面表面特性与耐久性的矛盾221.4.3沥青混凝土路面沥青材料材料：石油沥青、煤沥青、液体石油沥青和乳化沥青根据路面类型、施工条件、气候选取231.4.3沥青混凝土路面粗集料材料材料：碎石、筛选砾石、破碎砾石、矿渣与沥青有良好的粘附性路面抗滑表面选用坚硬、耐磨、抗冲击好的碎石高等级公路路面符合规定的石料磨光值241.4.3沥青混凝土路面细集料材料天然沙、机制沙石、石屑，临界2.36mm洁净、干燥、无风化、无杂质高等级公路不用碎石251.4.4水泥混凝土路面类型普通混凝土：就地挠筑钢筋混凝土：土板平面尺寸较大，路面板纵横向配筋连续配筋混凝土：高等级路面或机场跑道预应力混凝土装配式混凝土：混凝土预制成板块钢纤维混凝土：使用纤维混凝土261.4.4水泥混凝土路面特点强度高、稳定性与耐久性好色泽鲜明，有利于夜间行车对水泥和水的需要量大有接缝修复困难开放交通较迟271.4.4水泥混凝土路面基层性能预防冲刷和唧泥防水防冻减少路基顶面压应力提高路面的承载能力281.4.4水泥混凝土路面291.4.4水泥混凝土路面301.4.4水泥混凝土路面31小结路面设计需要保证强度和刚度、稳定性、耐久性路面的结构自上到下包括面层、基层、垫层，各层工作状况、材料各不一样路面的分级和分类路面主要有碎石砾石路面和基层、块料路面、沥青混凝土、水泥混凝土路面，沥青路面与水泥路面的结构、种类和特点322.路面设计方法经验设计方法基于力学的设计方法路面结构层次组合设计332.1基于经验的设计方法CBR设计方法关键指标：CBA是表征道路材料抗力的指标，以材料灌入抗力与标准碎石抗力的百分比基本思想：路面提供足够的厚度与质量特点：设计过程简单，概念明确适用性：适用重载、低等级的路面设计342.1.2AASHO法提出服务能力指数PSI352.1.2AASHO法定义路面结构等效厚度，认为路面结构数相同，路面的使用性能与使用寿命相同其中Α与材料的类型强度有关362.1.2AASHO法新的AASHO设计指南采用力学经验法、设计中引入力学经验模型主要设计参数为多级输入提高一套完整的设计软件372.1.2AASHO法382.2.1基于力学的Shell法63年图解法→78年出版设计手册→计算机Shell法把路面当成多层线弹性体考虑温度的影响392.2.1基于力学的Shell法两项主要设计标准容许水平拉应力εr路基顶面容许压应变εz402.2.1基于力学的Shell法两项次要设计标准稳定类材料地面的弯拉应力路表面的永久变形412.2.1基于力学的Shell法两项次要设计标准静态蠕变实验车辙预估模型422.2.2SUPERPAVE法设计流程432.2.2SUPERPAVE法设计思想：按照路面的使用性能进行路面和材料设计，达到路面抗疲劳、抗车辙、抗低温的能力成果：SUPERPAVE（SuperiorPerformingAsphaltPavement）高性能路面设计和分析系统44以力学法为主依赖经验作为补充2.2.3力学经验路面结构设计方法4546小结介绍了路面设计的基本方法：基于经验的设计方法（CBA法、AASHO法）和基于力学的设计方法（Shell法和SUPERPAVE法），任何方法都建立在大量的模型建立和实验数据基础上473.沥青路面结构设计沥青路面病害与防治沥青路面结构层次设计沥青路面结构设计方法沥青路面的设计过程483.1.1沥青路面的损坏模式裂缝：横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝、网状裂缝（龟裂）变形：沉陷、车辙、搓板、推移、拥起表层的损坏：露骨、松散、剥落、坑槽、泛油493.1.2沥青路面的常见病害沉陷503.1.2沥青路面的常见病害车辙513.1.2沥青路面的常见病害疲劳开裂523.1.2沥青路面的常见病害反射裂纹和低温开裂533.1.2沥青路面的常见病害松散和坑槽543.1.2沥青路面的常见病害泛油、推移和拥包553.1.3路面病害预防的设计标准采用多种临界状态和多项设计标准松散和泛油主要由面层材料和施工养护的质量引起沉陷主要由路基质量引起路面设计主要考虑疲劳开裂、车辙和低温开裂563.1.3路面病害预防的设计标准疲劳开裂累加判断法当量损耗法573.1.3路面病害预防的设计标准车辙相关因素：应力大小、重复作用次数以及结构层设计标准1：设计标准2583.1.3路面病害预防的设计标准路面回弹弯沉以轴载作用下路表面的回弹弯沉量小于容许的弯沉量与交通量、公路等级以及面层和基层材料有关593.1.3路面病害预防的设计标准低温开裂面层材料因收缩产生的温度应力不大于沥青材料的抗拉强度，适用于寒冷地区603.2沥青路面结构层次组合组合的原则和方法按交通需求选择面层的等级和类型按各结构层的功能选择结构层次按各结构层的应力分布特性顾及个结构层本身的结构特性考虑水温的不利影响适当的厚度和层数613.2.1面层等级的选择623.2.2选择结构层次高等级路面面层2-3层上层磨耗层：中粒、细粒式混凝土中层：抵抗水平剪应力，中粒、粗粒式混凝土下层：抵抗弯曲疲劳，粗粒式混凝土，热伴沥青碎石水文条件差的路段使用低剂量石灰稳定路基上层土季节性冰冻地区满足防冻的要求63643.2.3按各结构层的应力分布特性各层的轻度和刚度随深度的增加而降低相邻层刚度差异不能过大653.2.4各层本身的结构各层之间材料会相互影响663.2.5水温状况的不利影响673.2.6适当的厚度和层数683.2.6适当的厚度和层数693.3沥青路面结构设计方法设计标准和计算图式路面弯沉的计算和设计的容许弯沉值拉应力和容许的拉应力轴载的换算路基和路面的材料参数703.3.1设计标准和计算图式设计标准路面结构表面在双轮荷载作用下轮隙中心处的弯沉值不大于设计（容许）弯沉值。沥青面层底面的最大拉应力不大于该层混合料的容许拉应力半刚性基层或底基层底面的最大拉应力不大于该层材料的容许拉应力。713.3.1设计标准和计算图式计算图式计算中将路面结构看作三层或四层弹性体系各层面按完全接触处理A、B、C、D最大的应力作为底层拉应力723.3.1设计标准和计算图式其他的设计标准（美国沥青协会方法）沥青面层底面的最大拉应变不大于该层混合料的容许拉应变。土基顶面的竖向压应变不大于容许压应变。采用半刚性基层时，水泥稳定类基层底面的最大拉应力不大于该层材料的容许拉应力733.3.2路表弯沉计算和容许弯沉值路面弯沉计算743.3.2设计标准和计算图式容许弯沉计算公式753.3.3拉应力和容许拉应力满足抗疲劳性能容许拉应力763.3.3拉应力和容许拉应力沥青面层无机结合物稳定料粒无机结合物稳定料土773.3.4轴载的换算以对路面的损坏程度来进行。容许弯沉疲劳损坏783.3.4轴载的换算两种轴载左右次数的关系不同轴载作用在同一个路面弯沉值的关系793.3.4轴载的换算轴载换算公式（以弯沉值作为设计指标）803.3.4轴载的换算轴载换算公式（以半刚性路面基层容许拉应力作为设计指标）813.3.5路基和路面的材料参数路基土回弹模量通过实验获取（如三轴加载实验）一年的不同时期内加权平均（或最不利季节实验值）土的回弹模量因适度和密实度的变化，可以通过实验建立起它们之间的经验公式823.3.5路基和路面的材料参数粒料回弹模量半刚性材料的回弹模量沥青混合料的回弹模量

以上材料参数都需要通过实验手段获得，相应的设计规范也有一些可以参考数据833.4沥青路面的设计过程根据交通调查和预测数据，计算设计年限内设计车道的标准轴载累计作用次数N。根据道路等级和交通繁重程度，确定路面等级和面层类型。按路基土质和干湿类型，将路基划分为若干路段，分别确定各路段的土基回弹模量。按路面结构组合设计原则，参考设计和使用经验，拟定几种路面结构层组合和厚度方案843.4沥青路面的设计过程对各结构层材料进行混和料配合比设计和试验，并测定其强度和回弹模量，确定相应的设计值。由设计轴次N、劈裂强度计算确定容许弯沉值和容许拉应力值。应用层状体系结构分析软件及各结构层材料的设计参数，对各路面结构层组合和厚度方案进行标准轴载作用下各计算点的表面弯沉和层底面拉应力计算。对比计算值和相应的容许值，分析结构层组合和厚度方案的合理性，并进行相应的调整和方案选择85小结介绍了路面的病害以及机理路面结构层次选取的设计的基本原理和方法路面的设计方法和设计过程路面材料参数的含义以及获取的方法864.水泥路面结构设计水泥路面病害与防治结构层面的设计板厚的设计水泥路面的设计过程874.1.1水泥路面的病害断裂

原因：板内应力超过混凝土强度，地基的不均匀沉降、施工期间收缩应力过大，是板的结构性破坏884.1.1水泥路面的病害错台

原因：唧泥附近板底抽空，降低了行车的平稳性和舒适性894.1.1水泥路面的病害接缝碎裂

原因：板边缘混凝土开裂、断裂成为碎块。或混凝土在高压状态下收到挤压904.1.1水泥路面的病害起皮

原因：在施工中养护不当或者材料结构不当914.1.1水泥路面的病害拱起沉陷纹裂924.1.2水泥路面的设计标准主要设计标准：防止面层出现断裂，防止由于载荷和周期性变化温度翘曲应力反复作用对路面的疲劳破坏。根据疲劳破坏制订的设计标准：934.1.2水泥路面的设计标准根据抗弯拉强度制订的设计标准944.1.2水泥路面的设计标准通过限制板的尺寸限制温度翘曲应力，设计标准限制荷载应力不超过混凝土的疲劳强度954.2水泥路面的结构层组合设计面层路基基层和垫层内部排水系统964.2.1面层普通混凝土整体式浇注或分层式浇注铺筑中使用常规的捣振或碾压（碾压混凝土）974.2.1面层钢筋混凝土：在板内配置纵向和横向的混凝土面层板的长度较大（10-20m）板地下有其他设施路基有可能产生不均匀沉降板的形状不规则或有孔（如排水井）984.2.1面层连续配筋混凝土路段长度一般不设置横缝，纵向连续配置钢筋配筋率0.6%-0.8%横向裂缝间距1.0-4.5m，缝隙宽0.2-0.5mm面层厚度与普通混凝土相当或略小994.2.1面层预应力混凝土混凝土或钢筋施加预应力钢纤混凝土混凝土内渗入低碳钢或不锈钢纤维混凝土块料路面1004.2.2路基工作状态荷载应力值很小，小于0.05mpa需要一定的稳定性，防止产生不均匀沉降、不均匀冻胀、膨胀土产生的不均匀支撑1014.2.2路基处理措施选择低膨胀土或对冰冻不敏感的土，尤其是上层使用良好填筑材料控制压实度和压实中的含水量尽量提高路基的设计高程对路基上层采用低剂量石灰和水泥结合料稳定处理设置路基排水设施1024.2.3基层和垫层作用防止或者减轻唧泥和错台现象的出现减少路基不均匀冻胀和变形对路面的影响为稳定施工提供稳定的工作条件

交通量较大的道路上，通常使用水泥和沥青稳定粒料或者贫混凝土作为混凝土路面的基层1034.2.3基层和垫层1044.2.3基层和垫层1054.2.4内部的排水系统1064.2.4内部的排水系统1074.3面层厚度设计设计标准荷载疲劳应力分析温度疲劳应力分析1084.3.1设计标准使用年限内混凝土板出现疲劳开裂为临界状态（我国采用）现时服务能力指数PSI1