路基路面课程设计

2024/8/51《路基路面工程课程》设计2024/8/52◆1.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一、沥青路面设计内容与方法2024/8/532.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。2024/8/54沥青路面设计基本理论－层状弹性体系理论◆3.层状弹性体系理论的图式2024/8/551）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。◆4.层状弹性体系理论的假定2024/8/565.沥青路面的破坏状态、设计指标和标准沥青路面的破坏路面破坏与设计指标主要的设计指标与要求我国沥青路面的设计指标与要求路面弯沉设计标准2024/8/57

①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：σz0≤[σz0]或εz0≤[εz0]②结构残余变形的累积（车辙）：要求：RDre≤[RDre]

6.沥青路面的破坏状态、设计指标和标准◆主要的设计指标与要求2024/8/58③结构疲劳开裂（整体性材料结构层的疲劳开裂）：要求：εr≤［εR

］或σr≤［σR］④面层抗剪切推移：要求：τmax≤［τR］（应使用高温时的弹模）⑤结构低温缩裂：要求：σrt≤［σtR

］（应使用低温时的弹模）⑥路面弯沉：要求：ls≤ld

2024/8/597.我国沥青路面的设计指标与要求

我国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。τmax≤τR2024/8/510①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，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。②路表弯沉值可以简单地量测，操作简便；压应变、拉应变指标测试较困难。弯沉指标既可作为设计指标，又可以作为质量检验、路面养护的评价手段。8.以弯沉作为设计指标的原因2024/8/5119.沥青路面结构组合设计沥青面层结构沥青路面基层结构沥青路面垫层结构沥青路面层间结合2024/8/512◆沥青路面结构组合设计的基本原则①总原则：面层耐久、基层坚实、土基稳定

②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2024/8/5132024/8/514稳定基层稳定底基层面层

路基

StructureⅠ路面类型沥青稳定基层

稳定类底基层面层路基级配碎石StructureⅢ稳定底基层面层路基StructureⅡ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=28-30cm2024/8/515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2024/8/516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结构沥青疲劳层2024/8/5172024/8/518面层：单层、双层或三层沥青面层基层：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◆沥青路面结构组合2024/8/5192024/8/520沥青层最小厚度要求2024/8/521◆基层最小厚度和适宜厚度要求2024/8/52210.我国沥青路面厚度设计我国沥青路面设计指标和标准路面结构厚度设计要求新建路面厚度设计新建沥青路面厚度计算实例路面交工验收指标未来基于使用性能的设计方法2024/8/523b、设计指标和要求：轮隙中间路表面（A点）计算弯沉值小于或等于设计弯沉值

轮隙中心下（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉应力应小于或等于容许拉应力

(CEG)ccpEn=E0rAAE1E2En-1hn-1h2h1B1）我国沥青路面设计指标和标准a、设计理论-层状弹性体系理论●●●●DEFGBDF2024/8/524①回弹弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生垂直变形，卸载后能恢复的那一部分变形。②残余弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的卸载后不能恢复的那一部分变形。③总弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的总垂直变形（回弹弯沉+残余弯沉）。④容许弯沉：路面设计使用期末不利季节,标准轴载作用下双轮轮隙中间容许出现的最大回弹弯沉值。（代表值吗？）⑤设计弯沉：是指路面竣工验收时、不利季节、在标准轴载作用下,标准轴载双轮轮隙中间的最大弯沉值。（代表值吗？）◆弯沉概念2024/8/525——

路面结构层材料的容许拉应力(MPa);——

沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度(MPa)；——

抗拉强度结构系数。对沥青混凝土的极限劈裂强度，系指15℃时的极限劈裂强度；对水泥稳定类材料龄期为90d的极限劈裂强度(MPa)；对二灰稳定类、石灰稳定类材料系指龄期为180d的极限劈裂强度(MPa)，水泥粉煤灰稳定类120d的极限劈裂强度(MPa)

。无机结合料稳定集料类：沥青混凝土层的抗拉强度结构系数：无机结合料稳定细粒土类：◆容许弯拉应力2024/8/526弯沉修正系数弹性层状理论是在一定假设条件下（半无限空间体、材料各向同性、均质体且不计自重）经过复杂的力学、数学推演的理论体系，假设条件与路面实际不完全相符合，这是导致理论与实际不一致的原因。因此引入弯沉修正系数F，将理论弯沉值进行修正，使计算弯沉与实测弯沉值趋于接近。

2)路面结构厚度设计要求◆路面结构的弯沉计算2024/8/5272024/8/528理论最大拉应力系数：实际设计时，该值通过程序计算得到。◆路面结构层低的弯拉应力计算2024/8/5291）设计要求：交通量已知，各层材料模量、泊松比、抗拉应力已知，除待设计层外各层厚度已知，需计算设计层厚度：2）设计过程：①根据拟定的结构层材料，确定设计弯沉计算公式中各参数，计算设计弯沉值；②目标：交工验收时轮隙中心实测路表弯沉小于等于设计弯沉；③通过诺模图或电算程序，查图或电算求出待设计层的厚度；④通过弯拉应力验算；⑤抗冻层厚度验算⑥技术经济比较11.新建路面的厚度设计2024/8/5303）新建路面的厚度设计程序2024/8/5314）新建路面的厚度设计2024/8/532

需要得到的设计参数：其中：是标准轴载累计作用次数；

是土基的回弹模量和泊松比；其它参数为土基以上结构层材料的模量和泊松比，其泊松比一般可取为0.25～0.35（强度高时取小值），弹性模量可取规范推荐值，或试验确定。规范要求：5）路面结构的设计参数2024/8/5336）土基回弹模量设计值的规定2024/8/534①现场测试法：承载板测试法：采用直径30cm的刚性承载板，在现场土基表面，通过承载板对土基逐级加载、卸载的方法，测出每级荷载下相应的土基回弹变形值，采用1mm线性归纳法按下式计算测点处路基回弹模量值：回弹弯沉测试：落锤式弯沉仪：9）土基回弹模量取值方法承载板测试法：2024/8/53510）土基回弹模量的参数2024/8/536

甲乙两地之间计划修建一条四车道的一级公路，在使用期内交通量的年平均增长率为10%。该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为1.0，沿途有大量碎石集料，并有石灰供给。预测该路竣工后第一年的交通组成如表所示，试进行路面设计。(看教材上的365页例题)11.新建沥青路面厚度计算示例◆1）新建路面的厚度设计实例2024/8/537注：轴载小于25KN的轴载作用可以不计。

①轴载换算（弯沉及沥青层弯拉应力分析时）◆2）交通分析2024/8/538注：轴载小于50KN的轴载作用可以不计。

②轴载换算（半刚性层弯拉应力分析时）◆2）交通分析2024/8/539◆2）交通分析③累计标准轴载作用次数（累计当量轴次）作弯沉计算及沥青层底弯拉应力验算时

Ne1=1.09*107作半刚性基层层底弯拉应力验算时

Ne2=9.9*1062024/8/540①设计年限内一个行车道上累计标准轴次为900*105次左右。根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构面层用沥青混凝土(18cm)，基层用水泥稳定碎石（厚度取20cm），底基层用石灰土（厚度待定）。②采用三层式沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土(厚度4cm)，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土(厚度6cm)，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土(厚度8cm)。

◆3）初拟结构组合和材料选取2024/8/541①查表得到各层材料的抗压回弹模量和劈裂强度。抗压回弹模量取20℃的模量，得到20℃的抗压回弹模量：细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa，水泥碎石为1500MPa，石灰土550MPa。②拉应力验算时抗压回弹模量（沥青层取15℃的值），分别为2000MPa、1800MPa、1200MPa、3550MPa、1480MPa。

③各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为1.4MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1.0MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为0.8MPa，水泥碎石为0.5MPa，石灰土0.225MPa。◆4）各层材料的抗压模量与劈裂强度2024/8/542该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为1.0，查表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值(MPa)”得土基回弹模量为40MPa。本公路为一级公路，公路等级系数取1.0，面层是沥青混凝土，面层类型系数取1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数取1.0。设计弯沉值为：Ld=0.6*AC*AS*AB/Ne10.2=0.0235cm◆5）土基回弹模量的确定◆6）设计指标的确定-设计弯沉值2024/8/543细粒式密级配沥青混凝土；σR=σSP/

(0.09*Ne10.22/AC)=0.4402Mpa中粒式密级配沥青混凝土；σR=σSP/

(

0.09*Ne10.22/AC)=0.3144Mpa粗粒式密级配沥青混凝土；

σR=σSP/

(

0.09*Ne10.22/AC)=0.2515Mpa◆7）设计指标的确定-容许拉应力σR=σSP/Ks2024/8/544水泥碎石：σR=σSP/(

0.35*Ne20.11/AC)=0.2429Mpa石灰土：

σR=σSP/(

0.35*Ne20.11/AC)=0.0850Mpa◆7）设计指标的确定-容许拉应力σR=σSP/Ks2024/8/545设计弯沉值为23.5（0.01mm）◆8）设计资料汇总2024/8/546通过程序设计计算得到，石灰土的厚度为40.29cm，实际路面结构的路表实测弯沉值为23.5(0.01mm)，沥青面层的层底均受压应力，水泥碎石层底的最大拉应力为0.2429MPa，石灰土层底最大拉应力为0.085MPa。上述设计结果满足指标要求，底基层厚度40cm。◆8）设计资料汇总◆9）确定石灰土层厚度

2024/8/547二、水泥混凝土路面设计内容与方法2024/8/5481）水泥混凝土路面是指由水泥混凝土面板和基层或底基层所组成的路面，也称刚性路面，包括普通混凝土路面（JPCP）、钢筋混凝土路面（JRCP）、连续配筋混凝土路面（CRCP）、钢纤维混凝土路面（SFCP）、预应力混凝土路面、装配式混凝土路面等。2）普通水泥混凝土路面由普通混凝土面层板和基层或底基层所组成的路面，是除接缝区和局部范围（边缘及角隅）外，不配置钢筋的混凝土路面。有时也被称为白色路面。

1.水泥混凝土路面2024/8/5492024/8/5501）路面结构层组合设计；

2）混凝土路面板厚度设计；

3）混凝土面板的平面尺寸与接缝设计

2.水泥混凝土路面设计内容2024/8/5513.弹性地基板经典理论弹性地基板体系理论水泥混凝土路面荷载应力分析2024/8/5521）弹性地基上的小挠度薄板模型

弹性地基：因为混凝土板下的基层与土基的作用的应力应变很小，不超过材料的弹性区域弹性板：因为板的模量高，应力承受能力强，一般受力不超过弹性比例极限应力；挠度与板厚相比很小。水泥混凝土路面设计理论：弹性地基上的小挠度薄板理论2024/8/553完全接触假设：始终接触吻合，且可自由滑动（是在刚度差异大、板平面变形微小情况下的近似），即接触面不脱空且剪应力视为零。没有摩擦假设：板和地基之间没有摩擦，可以自由活动。◆2）板与地基接触的假设

◆地基模型假定弹性半空间地基假定；文克勒地基假设。

2024/8/5544.水泥混凝土路面荷载应力分析水泥混凝土路面荷载应力的有限元分析结果2024/8/5555.水泥混凝土路面温度应力胀缩应力翘曲应力2024/8/556（1）胀缩应力：温度均匀变化时产生-胀缝、缩缝来解决（2）无限大板的翘曲应力板内任一点在温差影响下的应变：板中部受到地基摩阻力作用，板中心点不产生平面位移，εx=εy=0，因此：

板纵向边缘中部或窄长板，εx=0，σy=0，因此

：2024/8/557当气温变化较快时，由于混凝土板导热性能差，在板内产生温度差，当气温升高时板中部有隆起趋势，当气温降低时板边缘和角隅有翘起趋势。由于板的自重、地基反力和相邻板的约束作用，使部分翘曲变形受阻，从而使板内产生应力，这种应力即称为水泥混凝土板的翘曲应力。威斯特卡德对文克勒地基作进一步假定来计算温度应力：1)温度沿板断面呈线性变化；2）板与地基始终保持接触；3）不计板自重。有限尺寸板，沿板长和板宽方向上的翘曲应力解答（板长L，板宽B）：（3）有限尺寸板的翘曲应力2024/8/558板边中点：弹性半空间体地基时：（4）温度线性分布时的翘曲应力温度沿板断面呈线性变化2024/8/559

对于较厚的板，采用温度沿板断面呈直线分布的假设，即按板顶和板底的温度差确定的温度梯度计算的温度翘曲应力，会得到偏大的温度翘曲应力值。为此，应考虑由于温度的非线性分布而引起的内应力。我国规范的温度应力计算：（5）温度非线性分布时翘曲应力计算2024/8/560Cx和Bx关系曲线2024/8/5616.混凝土路面的破坏及设计指标与标准路面破坏的极限状态与设计准则路面厚度设计指标与标准路面厚度设计流程2024/8/5621).路面破坏的极限状态与设计准则（1）定义：在规定的设计使用年限内，在环境条件和荷载作用下，路面能够发挥其预期功能的概率。（2）我国水泥混凝土路面设计方法：路面板的车辆荷载疲劳应力及温度疲劳应力之和小于混凝土的极限抗折强度。（3）公式左边三项分别代表：可靠度系数、荷载疲劳应力和温度疲劳应力、极重荷载应力最大温度应力；

右边：水泥混凝土面板材料的极限抗折强度。2024/8/5632024/8/5642)、路面厚度设计流程2024/8/5657.路面结构的可靠度设计可靠度系数与可靠度指标路面结构的目标可靠度路面结构的可靠性设计指标2024/8/5661）路面结构设计的可靠度理论a、结构的极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。b、结构的极限状态分类（1）承载力极限状态：结构或结构构件达到最大承载力，出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。（2）正常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。2024/8/567c、结构可靠性的含义结构可靠性是结构在规定时间(设计基准期)内、规定条件(正常设计、正常施工、正常使用和维护)完成预定功能的能力。其功能要求为:(1)安全性；(2)适用性；(3)耐久性。当结构或构件超过承载能力极限状态，就可能产生以下后果（1）由于材料强度不够而破坏，或因疲劳而破坏；（2）产生过大的塑性变形而不能继续承载，结构或构件丧失稳定；（3）结构转变为机动体系。超过这一极限状态，结构或其构件就不能满足其预定的安全性要求。2024/8/568适用性结构在正常使用期间应具有良好的工作性能。如，不发生过大变形、振幅、过宽裂缝等，以免影响正常使用。

安全性结构应能承受在正常施工和正常使用的情况下可能出现的各种作用，在设计规定的偶然事件发生时及发生后，结构仍能保持必需的整体稳定性，不致发生倒塌。

结构的功能要求耐久性结构在正常使用和正常维护条件下应具有足够的耐久性能，以保证结构能够正常使用到预定的设计使用期限。

2024/8/5698、水泥混凝土路面结构组合设计水泥混凝土路面板水泥混凝土路面基层水泥混凝土路面的垫层和路基2024/8/570面层类型适用条件普通混凝土面层各级公路连续配筋混凝土面层高速公路沥青上面层与连续配筋混凝土或横缝设传力杆的普通混凝土下面层组成的复合式路面特重交通的高速公路碾压混凝土面层二级及二级以下公路、服务区停车场钢纤维混凝土面层标高受限路段、收费站、混凝土加铺层和桥面铺装矩形或异形混凝土预制块面层服务区停车场、二级及以下公路桥头引道沉降未稳定段1).水泥混凝土路面板面板要求2024/8/571厚度要求2024/8/572A.基层要求：

①刚度和稳定性；②厚度要求；③基顶当量回弹模量要求2).水泥混凝土路面基层B.基层类型要求：2024/8/573C.基层厚度要求2024/8/574路基：1）干湿类型保证；2）填料；3）密实、稳定和均匀3).水泥混凝土的垫层与路基◆垫层◆路基2024/8/5759.水泥混凝土路面厚度设计设计计算模型及选择弹性地基的综合回弹模量单层板模型的设计方法与实例2024/8/5761).设计计算模型及选择基本假定①基层板与面层板的平面尺寸可以不相等；②荷载应力应用有限元法求解，基层板与面层板采用立方体弹性单元，层间水平光滑、竖向受压连续但不承受拉力；③温度翘曲应力用近似解析法求解，基层板与面层板采用薄板假定，层间为竖向线性弹簧相连。2024/8/577路面结构分析力学模型①弹性地基单层板模型适用于粒料基层上混凝土面层，旧沥青路面加铺混凝土面层；面层板底面以下部分按弹性地基处理。2024/8/578a、设计计算模型及选择临界荷位定义：水泥混凝土应力分析中，最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏最大的位置混凝土面层板的临界荷位为板纵缝边缘中部。

2024/8/5792024/8/5802024/8/581b、弹性地基的综合回弹模量1）综合模量的计算假定①单层水泥混凝土路面板下，以粒料类材料作基层时，将粒料层及其以下层看作地基，包含粒料层本身；②单层水泥混凝土路面板下，以非粒料层为基层时，将基层（不含基层本身）以下各层看作地基；③结合式双层板下，无论基层材料类型，将基层以下各层看作地基，包含基层本身；④旧沥青路面加铺水泥混凝土路面板时，以旧路面顶测试的指标换算出当量回弹模量。2024/8/5822）综合模量Et的计算粒料基层单层板Et2024/8/5833）路基和结构层参数2024/8/5844).单层板模型的设计方法2024/8/585A.荷载疲劳应力2024/8/586集中荷载下的荷载应力2024/8/587认真看教材456页上的例题2024/8/5882024/8/58910.水泥混凝土路面构造1）水泥混凝土路面的接缝的设置2024/8/5902024/8/591设置目的①水泥混凝土硬化过程中的收缩；②施工过程应设置横向工作缝和纵向工作缝；③混凝土面板的热胀冷缩温度均匀变化时：水平拉伸或水平压缩温度不均匀变化时：白天，板表面温度高于板底温度，水泥砼板中部有向上隆起的趋势，受阻后，顶面受压、板底受拉；夜晚相反，板边有翘起趋势，顶面受拉、板底受压2024/8/592垂直于行车方向的接缝：

包括缩缝、胀缝和工作缝①缩缝：保证板因温度和湿度的降低而收缩时沿该薄弱断面缩裂，从而避免产生不规则的裂缝。②胀缝：保证板在温度升高时能部分伸张，从而避免产生路面板在热天的拱胀和折断破坏，同时胀缝也能起到缩缝的作用。③施工缝：因施工不连续，暂时停止施工时要设置施工缝。常设置在缩缝、胀缝位置处，必须添加传力钢筋，保证纵向整体性。（1）横向接缝2024/8/593垂直于行车方向的接缝：包括缩缝、胀缝和工作缝（1）横向接缝2024/8/594

①胀缝的构造

胀缝是贯通接缝、缝宽达到20mm左右、虽然设置传力杆，但是由于不断的伸长与收缩，再加上荷载的作用，是水泥混凝土最薄弱的环节。目前只在结构物位置设置胀逢，设置胀逢的数量与水泥混凝土路面长度没有关系。（2）横缝的构造与设置2024/8/595缩缝间距一般4～6m，同板长，根据气温状况、地质水文情况选择。如：5m×4m的板块，按5m固定间距设置缩缝。

②缩缝的构造假缝型假缝+传力杆企口