六沥青路面设计幻灯片课件

第十二讲沥青路面设计主要内容第一节概述

第二节弹性层状体系理论

第三节沥青路面结构组合设计

第四节沥青路面的设计指标与标准

第五节（我国）新建沥青路面设计

第六节我国沥青路面设计实例第七节沥青路面改建设计第八节国外沥青路面设计方法简介（自学）第一节概述1.1沥青路面设计内容原材料的调查和选择

沥青混合料配合比和基层材料配合比设计

设计参数的测试与选定

路面结构组合设计

路面结构层厚度验算

路面结构方案的比选

排水系统设计

附属设施设计第一节概述1.2路面结构设计原则路基路面整体综合设计原则密切结合自然条件及实践基础原则满足交通与使用要求原则因地制宜、合理选材原则保护自然生态与沿线环境原则工厂及机械化施工、方便施工原则技术与经济性并重原则分期修建、方便养护原则第一节概述1.4交通等级的确定（1）确定路面设计年限：参考表14－1（2）标准轴载和轴载当量换算：不同力学参数的疲劳等效效应不同，因而各参数不一样。分三种情况：

弯沉值和沥青层的层底拉应力

半刚性材料结构层的层底拉应力

贫混凝土基层拉应力（3）设计年限累计当量标准轴载数（4）交通等级：

轻交通，＜3×106＜600

中等交通，3×106

～1.2×107600～1500

重交通，1.2×107～2.5×1071500～3000

特重交通，＞2.5×107＞3000城市道路一般规定：快速路、主干路为20年；次干路为15年；支路10年～15年。为什么公路与城市道路设计年限有差别？第二节弹性层状体系理论简介2.1弹性层状体系理论的图式沥青路面设计基本理论－弹性层状体系理论第二节弹性层状体系理论简介2.2弹性层状体系理论的假定（1）各层连续、弯曲弹性、均匀、各向同性，位移、形变微小；（2）最下一层（路基）在水平方向和垂直方向无限大，其上各层厚度有限，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，或位移完全连续（连续体系），或层间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，车轮荷载简化为圆形均布荷载。2.3弹性层状体系理论的求解过程第二节弹性层状体系理论简介2.4多个轴对称荷载下的主应力计算第三节沥青路面结构组合设计3.1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：

适应行车及车辆荷载作用的要求：

从上至下：从薄到厚，从强到弱？？，表层抗滑、抗磨耗

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

充分考虑结构层的特点：上下层匹配，总体上强度足够（路面结构厚度设计时，要进行弯沉计算、验算），各层强度也需要保证

考虑防冻、防水要求

尽可能利用当地的材料第三节沥青路面结构组合设计（3）详细组合原则：必须考虑材料特点和施工工艺以及强度和造价等方面考虑；

结构层应具有适宜的厚度，不宜使层数过多而厚度过小；

视不同的路面材料、道路等级，合理选择相邻结构层之间的模量比：高等级沥青路面，面层基层模量尽量接近；其他等级公路、一般城市道路，本着节省的原则，酌情考虑；

对于低温地区，应考虑收缩裂缝，进行合理的防止反射裂缝组合，并保证有适宜的沥青面层厚度；

对于潮湿地区及多雨地区，应考虑水稳定性，选择水稳定性好的基层及尽量考虑不透水的面层；

路面还应满足防冻厚度的要求；

应考虑结构层间的结合性，尽量提高层间黏结。第三节沥青路面结构组合设计（4）轻交通—中等交通结构组合设计原则按照道路等级和交通要求选择面层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各结构层次本身的特性考虑环境状况的不利影响适当的层数和厚度

做好道路防水、排水系统第三节沥青路面结构组合设计（5）重交通路面结构组合设计原则正确认识各结构层的作用，考虑各结构层对路面长期使用性能的影响沥青层应保证足够的厚度，交通量越大，沥青层的厚度应越大沥青层材料设计基层模量应具有适当的模量当采用半刚性材料作为基层或垫层时，应作适当的处理十分重视路面排水系统的设计第三节沥青路面结构组合设计3.2沥青路面结构组合

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、坚固、不透水层间结合：牢固

透层

粘层

单层表处下封层

稀浆封层第三节沥青路面结构组合设计3.3沥青路面面层要求

沥青面层应满足功能性和结构性的使用性能要求

表面层应平整、密实、抗滑、耐磨、稳定、耐久、抗车辙、抗开裂、抗老化

中、下面层：密实防水、抗剥离、抗剪、抗疲劳、抗水损第三节沥青路面结构组合设计3.3沥青路面面层要求

空隙率3%～5%，7%，＞6%？？（实验室试件？）

对重交通和特重交通道路，表面层宜采用改性沥青

沥青面层厚度设计时，要做沥青层层底拉应力计算和验算第三节沥青路面结构组合设计3.3沥青层面层要求最小厚度要求——节省造价但要满足压实效果

第三节沥青路面结构组合设计3.4沥青路面基层要求基层是承上启下保证路面结构耐久、稳定的承重结构层

要求基层强度合适、稳定、耐久

教材中“级配碎石适合于轻、中交通的沥青路面基层”，值得商榷

半刚性基层主要缺点：本身收缩，引起沥青面层反射裂缝

基层可分为上基层、下基层（或叫底基层）

各种基层可以组合使用

路面厚度设计时，应对

基层逐层进行验算

第三节沥青路面结构组合设计3.5沥青路面垫层要求基层之下。用于路基状况不良的路段，确保路面结构不受路基中滞留的自由水的浸蚀，以及冻融的危害。

路基处于以下情况时，需专门设置垫层：

地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态

排水布朗的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段

季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段，可能产生冻胀需设置防冻垫层的路段

基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段第三节沥青路面结构组合设计3.5沥青路面垫层要求垫层的种类：

防水垫层：粗砂、沙砾、矿渣等粗粒材料，不得含粉土、黏土。在防水垫层以下应铺设不透水层（如黏土层或土工织物反滤层）

排水垫层：

防污垫层：土工合成材料与粒料，分多层间隔铺筑，它可以设置在排水垫层或者防水垫层以下

防冻垫层：煤渣、矿渣、石灰煤渣稳定粒料等隔温性能好导热系数低的材料

当路基类型为中湿或者潮湿时，路面有最小防冻厚度要求第四节我国沥青路面设计方法4.1设计指标和标准（1）沥青路面的破坏疲劳开裂车辙推挤（2）路面破坏与设计指标控制疲劳的指标：应变、应力、弯沉(我国)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第四节沥青路面的设计指标与标准4.2主要的设计指标与要求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]第四节沥青路面的设计指标与标准③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：lr≤lR

4.2主要的设计指标与要求第四节沥青路面的设计指标与标准4.3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。第四节沥青路面的设计指标与标准

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。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。总弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的总垂直变形容许弯沉：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（代表？）回弹弯沉值。设计弯沉：是指路面交工验收时、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（代表？）回弹弯沉值。弯沉的定义：路面结构在设计标准轴载作用下，垂直方向的位移。它是表征路面结构总体刚度的指标。（1）弯沉第四节沥青路面的设计指标与标准以弯沉作为设计指标的原因①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。第四节沥青路面的设计指标与标准①贝克曼法：传统检测方法，速度慢，静态测试，试验方法成熟，目前为规范规定的标准方法。②自动弯沉仪法：利用贝克曼法原理快速连续测定，属于试验范畴，但测定的是总弯沉，因此使用时应用贝克曼进行标定换算。③落锤弯沉仪法（FWD）：利用重锤自由落下的瞬间产生的冲击载荷测定弯沉，属于动态弯沉，并能反算路面的回弹模量，快速连续测定，使用时应用贝克曼进行标定换算。FWD弯沉的测量第四节沥青路面的设计指标与标准

设计弯沉值——设计弯沉值（0.01mm）；——设计年限内一个车道累计当量轴次；——公路等级系数，高速、一级公路为1.0，

二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；——面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；

热拌和冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、

沥青表面处治为1.1。——基层类型系数，半刚性基层取1.0，柔性基层取1.6

设计弯沉值是路面峻工验收时、最不利季节、路面在标准轴载作用下测得的最大(代表)回弹弯沉值。可根椐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路面弯沉设计值。第四节沥青路面的设计指标与标准(2)容许弯拉应力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：——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。第四节沥青路面的设计指标与标准4.4路面结构厚度设计方程式

路面结构组合设计的各项工作之后，即结构层材料选型、层位确定、结构层厚度初步选定之后，要进行路面厚度设计和验算

目的：考察拟定的路面结构在经受设计使用期当量标准轴载的反复作用之后，是否能满足两项设计指标的要求，即

必须同时满足以上2式，否则，需要重新调整结构层的材料、层位与厚度等，直至二者都满足要求

第四节沥青路面的设计指标与标准4.4路面结构厚度设计方程式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。第四节沥青路面的设计指标与标准4.4路面结构厚度设计方程式理论最大拉应力系数：实际设计时，该值通过程序计算得到。第四节沥青路面的设计指标与标准4.5路面结构厚度设计的参数及其取值方法（1）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：第四节沥青路面的设计指标与标准4.5路面结构厚度设计的参数及其取值方法（2）路基回弹模量

基本要求第四节沥青路面的设计指标与标准4.5路面结构厚度设计的参数及其取值方法（2）路基回弹模量

土基模量室内实验第四节沥青路面的设计指标与标准4.5路面结构厚度设计的参数及其取值方法（2）路基回弹模量

土基模量室内实验第四节沥青路面的设计指标与标准4.5路面结构厚度设计的参数及其取值方法（2）路基回弹模量

土基模量现场测试

承载板测试法：在不利季节，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，参见《公路路基路面现场测试规程》：回弹弯沉测试：落锤式弯沉仪：各参数含义见教材P393－394第四节沥青路面的设计指标与标准4.5路面结构厚度设计的参数及其取值方法

土基回弹模量的取值方法②查表法：（自己看书熟悉） 确定临界高度（根据自然区划、土质）；

拟定土的平均稠度（根据路基设计高度与临界高度的关系，确定路基顶面以下80cm范围内不同深度的含水量，计算平均稠度；

预测土基回弹模量（根据平均稠度、土质、自然区划查表）③室内试验法： 根据室内小承载板测得回弹模量，乘以折减系数。④换算法： 通过回归分析，确定特定地区、土质的CBR等现场试验数据与回弹模量的关系；①

现场测试法第四节沥青路面的设计指标与标准4.5路面结构厚度设计的参数及其取值方法（3）结构层的回弹模量以路表弯沉值为设计指标时，设计参数采用抗压回弹模量。对于沥青混凝土试验温度为20℃；以弯拉应力（应变）为设计指标时，拟验算的结构层采用弯拉回弹模量（对于沥青混凝土试验温度为15℃），其它结构层采用抗压回弹模量。考虑到模量取值的不利组合，回弹模量的设计值取值：2）计算层底拉应力时，计算层以下各层的模量应采用式（1）计算其设计值；计算层及以上各层模量应采用式（2）计算其设计值：1）计算路表弯沉值时，抗压回弹模量应按下式计算其设计值：第四节沥青路面的设计指标与标准4.5路面结构厚度设计的参数及其取值方法（4）沥青层的参数取值第四节沥青路面的设计指标与标准4.5路面结构厚度设计的参数及其取值方法（5）基层底基层的参数取值第五节新建路面的厚度设计5.1概述（1）需要的已知条件交通量已知；

各层材料模量、泊松比、抗拉应力（强度）已知；

除待设计层外各层厚度已知，（2）求什么？

某一设计层的厚度5.2设计步骤第五节新建路面的厚度设计5.3设计流程第六节我国沥青路面设计实例

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。（1）已知条件第六节我国沥青路面设计实例

（2）交通分析1）轴载换算（弯沉及沥青层弯拉应力分析时）注：轴载小于25KN的轴载作用可以不计。

第六节我国沥青路面设计实例

2）轴载换算（半刚性层弯拉应力分析时）（2）交通分析注：轴载小于50KN的轴载作用可以不计。

第六节我国沥青路面设计实例

（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*106计算公式见教材公式（14-6），P379第六节我国沥青路面设计实例

（4）初拟结构组合和材料选取设计年限内一个行车道上的累计标准轴次为九百万次左右。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，路面结构面层采用沥青混凝土(18cm)，基层采用水泥稳定碎石（厚度取20cm），底基层采用石灰土（厚度待定）。

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)。第六节我国沥青路面设计实例

（5）各层材料的抗压模量与劈裂强度

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。

弯拉回弹模量和弯拉强度沥青层取15℃的值，分别为2000MPa、1800MPa、1200MPa、3550MPa、1480MPa。

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。第六节我国沥青路面设计实例

（6）土基回弹模量的确定该路段处于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。（表14-11续表，P396）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

(公式14-21，教材P390)Ld=0.6*AC*AS*AB*Ne-0.2=0.0235cm（7）设计指标的确定-设计弯沉值第六节我国沥青路面设计实例

（8）设计指标的确定-容许拉应力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

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第六节我国沥青路面设计实例

（9）设计资料汇总设计弯沉值为23.5（0.01mm）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。（10）确定石灰土层厚度第七节沥青路面改建设计沥青路面随时间，其性能和承载能力不断降低，超过设计使用年限（或超过累计当量轴次后）将不能满足正常行车要求，需进行补强或改建。

改建的种类：加宽、提升等级，提升线形标准（局部改线）等，如果有老路面作为