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1、路面设计的任务和内容路面设计的任务和内容第1页/共45页路面设计的任务路面设计的任务 路面设计的任务是以路面设计的任务是以最低的寿命周期费用最低的寿命周期费用提供一种路面提供一种路面结构，它在设计使用期内能按目标可靠度满足预定的使用性结构，它在设计使用期内能按目标可靠度满足预定的使用性能要求。同时，这种路面结构所需的材料、施工技术和资金，能要求。同时，这种路面结构所需的材料、施工技术和资金，符合当地所能提供的条件和经验。符合当地所能提供的条件和经验。路面设计使用期路面设计使用期是指新建或改建的路面从开始使用到其是指新建或改建的路面从开始使用到其使用性能退化到预定的最低标准时的时段。设计使用期以
2、年使用性能退化到预定的最低标准时的时段。设计使用期以年数或该时段内标准轴载累计作用次数表示。到设计使用期末，数或该时段内标准轴载累计作用次数表示。到设计使用期末，路面并非损坏到完全无法使用的程度，而是必需采取重大的路面并非损坏到完全无法使用的程度，而是必需采取重大的改建措施以恢复其使用性能，使之达到与使用要求相适应的改建措施以恢复其使用性能，使之达到与使用要求相适应的水平。水平。设计使用期的选择，涉及技术的设计使用期的选择，涉及技术的合理性合理性和和可能性可能性、投资投资的效益的效益和和使用者的费用使用者的费用，可依据路面类型、交通繁重程度、，可依据路面类型、交通繁重程度、道路等级、资金供应等
3、条件确定。道路等级、资金供应等条件确定。第2页/共45页路面设计的内容路面设计的内容 路面设计的内容包括结构、构造、材料和表面特性等方面，或者分为以下六部分：行车道路面与路肩铺面的类型选择、结构层组合和厚度设计依据道路等级、当地环境、交通要求、路基支承条件、材料供应、施工和养护技术水平、资金来源等情况，选择路面和铺面类型，设计符合使用性能要求的路面和铺面结构的结构层组合方案和厚度。水泥混凝土路面面层的接缝构造和配筋设计选择和布设接缝的类型和位置，设计接缝构造，确定配筋量和布置钢筋。路面排水设计表面水排除措施(横坡、拦水带等)；需设置路面内部排水设施时，选择排水系统的布设方案，确定各项排水设施的
4、构造尺寸和材料规格要求。各结构层材料组成设计依据对所选材料和混合料的性状要求以及当地自然条件，进行各结构层混合料的组成设计和性质试验。路面表面特性设计按抗滑、透水或低噪声等使用要求，进行路面上面层的材料组成设计。经济评价和最终方案选择对各备选方案进行寿命周期费用分析，依据资金筹措情况、目标可靠度以及其他非经济因素，选择费用一效果最佳设计方案。第3页/共45页路面结构设计的方法路面结构设计的方法 通过试验路的行车荷载试验和路面使用状况观测，采集大量路面结构组合、通过试验路的行车荷载试验和路面使用状况观测，采集大量路面结构组合、轴载和作用次数以及路面使用性能指标的数据，经统计分析和整理后，建立使用
5、性轴载和作用次数以及路面使用性能指标的数据，经统计分析和整理后，建立使用性能指标同路面结构组合和荷载参数间的经验关系式。同时，进行试验路面结构的力能指标同路面结构组合和荷载参数间的经验关系式。同时，进行试验路面结构的力学分析，建立力学指标同荷载参数和使用性能指标间的关系式。组合这两方面关系学分析，建立力学指标同荷载参数和使用性能指标间的关系式。组合这两方面关系式而建立的设计模型，可用以预估不同路面结构的使用性能指标随标准轴载作用次式而建立的设计模型，可用以预估不同路面结构的使用性能指标随标准轴载作用次数的变化，从而可按预定的使用性能要求估计路面的使用寿命，或者确定所需的路数的变化，从而可按预定
6、的使用性能要求估计路面的使用寿命，或者确定所需的路面结构尺寸。面结构尺寸。经验法第4页/共45页路面结构设计的方法路面结构设计的方法 这类方法首先将路面结构模型化这类方法首先将路面结构模型化(简化为理想的结构图简化为理想的结构图式或力学模型式或力学模型)，并将行车荷载和环境因素的作用典型化，并将行车荷载和环境因素的作用典型化(转转化为代表值或等效当量值化为代表值或等效当量值)，采用结构分析理论，采用结构分析理论(弹性层状体弹性层状体系理论或弹性地基板理论等系理论或弹性地基板理论等)和计算方法和计算方法(解析法或有限元法解析法或有限元法等等)，建立起荷载和环境作用与路面结构的应力和位移反应，建立
7、起荷载和环境作用与路面结构的应力和位移反应之间的计算模型和公式，作为分析各结构设计变量对使用性之间的计算模型和公式，作为分析各结构设计变量对使用性能指标影响程度的手段，检验是否达到或超过预定使用性能能指标影响程度的手段，检验是否达到或超过预定使用性能指标的工具。所选用的使用性能指标指标的工具。所选用的使用性能指标(设计标准设计标准)，往往是可，往往是可以用力学指标如应力、应变、弯沉等表征的结构性能。而设以用力学指标如应力、应变、弯沉等表征的结构性能。而设计标准和各项设计参数的选取，都需通过试验路标定和使用计标准和各项设计参数的选取，都需通过试验路标定和使用经验验证或修正。经验验证或修正。力学经
8、验法第5页/共45页路面结构设计的过程路面结构设计的过程 路面结构设计的过程，可大致按下述步骤进行：路面结构设计的过程，可大致按下述步骤进行：(1)(1)采集数据采集数据包括交通包括交通(如交通量、轴载组成、年平均增长率等如交通量、轴载组成、年平均增长率等)，环境环境(道路气候区、月平均气温、最大温度梯度等道路气候区、月平均气温、最大温度梯度等)，材料，材料(料场位置、材料料场位置、材料品质、供应条件等品质、供应条件等)，地质和水文，地质和水文(岩质和土质、地下水位等岩质和土质、地下水位等)；经济；经济(概预算概预算定额、资金来源等定额、资金来源等)，当地技术和设备条件，路面使用经验等；进行路
9、面改，当地技术和设备条件，路面使用经验等；进行路面改建设计时，还应调查和收集有关现有路面使用状况的数据。建设计时，还应调查和收集有关现有路面使用状况的数据。(2)(2)初拟路面类型和结构层组合方案初拟路面类型和结构层组合方案包括行车道和路肩的面层类型、包括行车道和路肩的面层类型、各结构层类型和组合、材料组成和结构层大致厚度；采用路面内部排水设施各结构层类型和组合、材料组成和结构层大致厚度；采用路面内部排水设施时，还包括排水系统的布设方案、各项排水设施的构造和大致尺寸；对于水时，还包括排水系统的布设方案、各项排水设施的构造和大致尺寸；对于水泥混凝土路面，结构方案包括面层板的平面尺寸及接缝布置和构
10、造。泥混凝土路面，结构方案包括面层板的平面尺寸及接缝布置和构造。(3)(3)各结构层混合料组成设计和相应的力学性质试验。各结构层混合料组成设计和相应的力学性质试验。(4)(4)选择确定有关设计参数选择确定有关设计参数如分析期，目标可靠度，荷载、环境和如分析期，目标可靠度，荷载、环境和材料方面的有关参数。材料方面的有关参数。(5)(5)进行结构分析进行结构分析分析所拟路面结构方案在荷载和环境条件下的应分析所拟路面结构方案在荷载和环境条件下的应力、应变或位移量，预估有关设计标准的损坏量或使用性能指标值。力、应变或位移量，预估有关设计标准的损坏量或使用性能指标值。(6)(6)进行各路面结构方案的寿命
11、周期费用分析。进行各路面结构方案的寿命周期费用分析。(7)(7)综合各方面的分析和考虑，选择最终设计方案。综合各方面的分析和考虑，选择最终设计方案。第6页/共45页路面结构设计的过程路面结构设计的过程第7页/共45页路面设计的参数路面设计的参数第8页/共45页气候与环境气候与环境 自然因素的影响主要表现在温度和湿度两个方面。路面结构的温度和湿度状况随周围自然因素的变化而变化。这些变化使路面材料的性质和状态发生相应的改变。例如，温度和湿度的变化引起路面材料和路基土壤的强度和刚度的增加或减少。对沥青混凝土路面，当温度由0升高到40 时，动弹性模量降低25倍。说明沥青混凝土的刚度对温度的变化很敏感。
12、路基刚度随土中含水量增大而急速下降。自然因素对路面的影响第9页/共45页自然因素对路面的影响自然因素对路面的影响 收缩是水泥混凝土混合料在硬化最初阶段产生的体积变化。随之而来的问题是初期裂纹的产生，它将影响路面的强度和耐久性。在水泥水化阶段或水泥混凝土的冷却期，其温度与周围温度差异(温度坡差)越大，收缩裂纹就越多。这是在施工中经常发生的问题。此外，当含水量高的拌和物干燥时，可能形成过度的收缩，这就需要在施工过程中采取相应的防护措施，以防止由于过早干燥而加速裂纹的形成。第10页/共45页自然因素对路面的影响自然因素对路面的影响 路面材料和路基土的体积随路面体系内温度和湿度的变化而变化。由于温度和
13、湿度沿深度呈不均匀分布，不同深度处的体积变化是不相同的。当这种不均匀的体积变化受到各种因素的制约而不能实现时，路面结构内便会产生附加的内应力，即温度和湿度应力。第11页/共45页自然因素对路面的影响自然因素对路面的影响 材料的力学性质随温度和湿度的变化，将使路面结构设材料的力学性质随温度和湿度的变化，将使路面结构设计时材料计算参数的选取复杂化。各种材料随温度、湿度而计时材料计算参数的选取复杂化。各种材料随温度、湿度而产生的物理状态的不断变化，则会使路面结构即使没有受到产生的物理状态的不断变化，则会使路面结构即使没有受到车轮荷载的破坏作用，也会在自然因素的影响下逐渐损坏；车轮荷载的破坏作用，也会
14、在自然因素的影响下逐渐损坏；或者在车轮荷载的叠加影响下使路面损坏的速率加快。为此，或者在车轮荷载的叠加影响下使路面损坏的速率加快。为此，在进行路面结构的分析和设计时，应考虑自然因素的影响。在进行路面结构的分析和设计时，应考虑自然因素的影响。其中以自然因素影响下路面体系内的温度和湿度状况变化为其中以自然因素影响下路面体系内的温度和湿度状况变化为主，而温度状况主要讨论路面面层结构内的变化，湿度状况主，而温度状况主要讨论路面面层结构内的变化，湿度状况则以路基为主。则以路基为主。第12页/共45页气候与环境气候与环境 公路自然区划分开不同地理区域的自然条件对公路工程影响的差异性，可以为路基和路面设计确
15、定技术措施和设计参数提供参考。该区划是根据以下三原则制定的：1道路工程特征相似性的原则道路工程特征相似性的原则 即在同一区划内，在同样的自然因素下筑路具有相似性。例如，北方不利季节主要是春融时期，有翻浆病害；南方不利季节在雨季，有冲刷、水毁等病害；2地表气候区划差异性的原则地表气候区划差异性的原则 即地表气候是地带性差异与非地带性差异的综合结果。通常，地表气候随着当地纬度而变，如北半球，北方寒冷，南方温暖，这称为地带性差异。除此之外，还与高程的变化有关，即沿垂直方向的变化，如青藏高原，由于海拔高，与纬度相同的其他地区相比，气候更加寒冷，即称为非地带性差异；3自然气候因素既有综合又有主导作用的原
16、则自然气候因素既有综合又有主导作用的原则 即自然气候的变化是各种因素综合作用的结果，但其中又有某种因素起着主导作用。例如冻害是水和热综合作用的结果，但是在南方，只有水而没有寒冷气候的影响，不会有冻害，说明温度起主导作用；西北干旱区与东北潮湿区，同样都有负温度，但前者冻害轻于后者，说明水起主导作用。我国公路的自然区划第13页/共45页公路的自然区划的分级方法公路的自然区划的分级方法 我国公路自然区划，采用三级分区。一级区划主要按大范围的气候、地理和地貌等条件的差异，将全国划分为冻土、湿润、干湿过渡、湿热、潮暖、干旱和高寒7个大区。二级区划是在一级区划基础上以潮湿系数为主进行划分。三级区划是在二级
17、区内划分更低一级的区域或类型单元。第14页/共45页公路的自然区划的分级方法公路的自然区划的分级方法一级区划 一级区划以全国性的纬向地带性和构造区域性为依据，根据对公路工程具有控制作用的地理、气候因素来拟定，对纬向性的，特别是东部地区的界线，采用了气候指标；对非纬向性的，特别是西部地区的界线，则较多地强调构造和地貌因素；中部个别地区则采用土质作为指标。1以全年均温一2 等值线作为多年冻土和季节性冻土的分界线；2以一月份均温0 等值线，作为季节性冰冻区的分界线；3按我国自然地形的特点，以1000m和3000m等高线为界划分三级阶梯。三级阶梯的存在使气候具有不同的特色，成为划分一级区的主要标志；4
18、秦岭淮河以南不冻区，因雨型、雨量、不利季节与不利月分的差异，划分为东西两大片；5根据黄土对筑路的特殊性及其处于过渡的地区位置，同其他区域分开。这样，根据气候、地理、地貌等综合性指标相互交错与迭合，将全国划分为7个一级区。第15页/共45页公路的自然区划的分级方法公路的自然区划的分级方法第16页/共45页公路的自然区划的分级方法公路的自然区划的分级方法二级区划 在一级区划的基础上，以潮湿系数K为主要标志，综合考虑其他气候、地貌、土质、地下水和自然病害等多种因素，将全国划分为33个二级区和19个副区(亚区)。潮湿系数K值按其大小分为6个等级：过湿区 K2.0 中湿区 2.00K1.50 润湿区 1
19、.50K1.00 润干区 1.00K0.50 中干区 0.50K0.25 过干区 K0.25 潮湿系数K值为年降水量R与年蒸发量z之比，即：第17页/共45页公路的自然区划的分级方法公路的自然区划的分级方法三级区划 三级区划是二级区划的进一步具体化，按各区内气候、地貌、土质、水文等方面的差异，划分为更低一级的区划单位或类型单位。三级区划目前未列入全国区划图内，由各省、市和自治区结合当地自然条件自行划分。各级区划的范围不同，在公路工程上的应用也各有侧重。一级区划主要为全国性的公路总体规划和设计服务；二级区划主要为各地的公路路基路面设计、施工、养护提供较全面的地理、气候依据和有关计算参数，如土基和
20、路面材料的回弹模量，路基临界高度，土基压实标准等。第18页/共45页气候与环境气候与环境 同一地区，在自然条件相同的情况下，土基的强度在很大程度上与其相对含水量有关。处于干燥状态的土基强度较高，反之则较低。路基的强度与稳定性在很大程度上与路基的湿度以及大气温度引起的路基的水温状况有密切的关系。路基在使用过程中，受到各种外界因素的影响，使湿度发生变化。土基的干湿类型路基湿度的来源 路基湿度的来源可分为以下几方面：1大气降水大气降水通过路面，路肩边坡和边沟渗入路基；2地面水边沟的流水、地表泾流水因排水不良，形成积水、渗入路基；3地下水路基下面一定范围内的地下水浸入路基；4毛细水路基下的地下水，通过
21、毛细管作用，上升到路基；5水蒸汽凝结水在土的空隙中流动的水蒸汽，遇冷凝结成水；6薄膜移动水在土的结构中水以薄膜的形成从含水量较高处向较低处流动，或由温度较高处向冻结中心周围流动。第19页/共45页土基的干湿类型土基的干湿类型大气温度及其对路基水温状况的影响 路基湿度除了水的来源之外，另一个重要因素是受当地大气温度的影响。由于湿度与温度变化对路基产生的共同影响称为路基的水温状况。沿路基深度出现较大的温度梯度时，水分在温差的影响下以液态或气态由热处向冷处移动，并积聚在该处。这种现象特别是在季节性冰冻地区尤为严重。第20页/共45页土基的干湿类型土基的干湿类型路基的干湿类型 路基的强度与稳定性，同路
22、基的干湿状态有密切关系，并在很大程度上影响路面结构设计。土基的相对含水量应在最不利季节实测土基上部80cm(即路槽底面以下80cm)范围内，每10cm土层取一土样，测定其天然含水量和液限含水量，按下式计算路槽底面以下80cm深度内的算术平均相对含水量。第21页/共45页路基的干湿类型路基的干湿类型 土基的潮湿状况以干湿类型分为干燥、中湿、潮湿和过湿四类。划分的标准为分界相对含水量。在确定土基干湿类型时，应选择当地的不利季节，即土基湿度最高的季节，实地测定土基的分层含水量，取相对含水量的算术平均值与分界畲水量对照，可大致确定土基的干湿类型。土基的干湿类型也可以参考土的平均稠度日。作为区划的标准。
23、土的平均稠度Bm。按下式计算：第22页/共45页交通荷载交通荷载 交通荷载的作用是影响路面使用寿命的关键因素之一。路面设计所需考虑的交通荷载作用参数主要有：初始(基)年的年平均日货车交通量，货车交通量的方向分布和车道分布系数，设计使用期内货车交通量的增长系数，货车的类型、轴型和轴载谱，车轮轮迹横向分布系数，轮胎特性、内压力、接触压力和面积等。各个路面设计方法中，对交通荷载影响的考虑有两种方案。一种方案采用增量法，逐月分析设计使用期内不同类型车辆的各级轴载对路面结构的损坏作用，而后，累计得到设计使用期内路面结构的总损坏；另一种方案采用当量法，选定一个标准轴载，将设计使用期内不同类型车辆各级轴载的
24、损坏作用转换成标准轴载的损坏作用。第23页/共45页车辆的种类车辆的种类 公路上通行的汽车车辆主要分为客车和货车两大类。客车又分为小客车、中客车和大客车。货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。汽车的总重力通过车轴与车轮传递给路面，所以路面结构的设计主要以轴重作为荷载标准。在道路上行驶的多种车辆的组合中，重型货车与大客车起决定作用，轻型货车与中、小客车影响很小，有时可以不计。但是在考虑路面表面特性要求时，如平整性、抗滑性等，以小汽车为主要对象，因为小汽车的行驶速度高，所以要求在高速行车条件下具有良好的平稳性与安全性。在交通调查中，一般将汽车分为八类：即大型货车、中型货车、小型货车、大型客车、
25、小型客车、拖挂车、集装箱、大中型拖拉机。交通调查时，只要先熟悉每种汽车应属于何种类型，便可得出某断面昼夜混合汽车交通量。第24页/共45页车辆的轴型与轴重车辆的轴型与轴重 车辆停放在路面上时，车轮传给路面的荷载是静荷载。静荷载的大小与车辆总质量及轮轴的形式有关。无论是客车还是货车，车身的全部重量都通过车轴上的轮子传给路面，因此，对于路面结构设计而言，更加重视汽车的轴重。第25页/共45页车辆的轴型与轴重车辆的轴型与轴重 轴重的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结构强度，标准轴载问题涉及运输经济和路面结构经济性两个方面。国外目前有货车重型化、载客汽车小型化的趋势，使公路运输超限问题同样日趋严重
26、。对中国，由于市场经济的逐步建立，公路货运的经济性为货运部门主要考虑的因素，超限车辆的比例愈来愈大。路面结构的早期破坏与公路货运的超限有很大的关系，因此，必须加强管理，尽可能限制超限车辆的运行。第26页/共45页车辆的轴型与轴重车辆的轴型与轴重 超载运输是指车辆所装载的货物超过车辆额定载货质量。超限运输是指运输车辆超过路面结构规定的限值。超载但不超限的车辆对路面的使用寿命有一定的影响，超载且超限的车辆对路面的使用寿命有很大的影响，有的甚至超过路面或桥梁结构的极限承载力，使路面结构出现结构性破坏、使桥梁结构出现整体破坏，产生严重的安全事故。第27页/共45页车辆的轴型与轴重车辆的轴型与轴重第28
27、页/共45页车辆的轴型与轴重车辆的轴型与轴重第29页/共45页车辆的轴型与轴重车辆的轴型与轴重 由于作用在路面的设计荷载千变万化，一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准轴载，其他各种轴载按照一定的原则换算成标准轴载。而标准轴载一般要求对路面的响应较大、同时又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。路面结构设计与验算使用的交通量是标准轴载累计作用次数。实际计算时，对沥青路面，只将轴载大于2.5kN的汽车计入；对水泥混凝土路面，只将大于80kN的单轴和80kN的双轴汽车计人，小汽车、小型客车对标准轴载影响极小，一般忽略不计。第30页/共45页车辆对路面的静态压力车辆对路面的静态压力 汽车对道路的
28、作用可分为停驻状态和行驶状态。当汽车处于停驻状态下，对路面的作用力为静态压力，主要是由轮胎传给路面的垂直压力p，它的大小受下述因素的影响。1)汽车轮胎的内压力pi；2)轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形状；3)轮载的大小。第31页/共45页车辆对路面的静态压力车辆对路面的静态压力 轮胎与路面的接触面形状轮廓近似于椭圆形，因其长轴与短轴的差别不大，在工程设计中以圆形接触面积来表示。将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并采用轮胎内压力作为轮胎接触压力p。当量圆的半径可以按下式确定。第32页/共45页车辆对路面的静态压力车辆对路面的静态压力 对于双轮组车轴，若每一侧的双轮用一个圆表示，称为单圆荷载；如用
29、二个圆表示，则称为双圆荷载。单圆荷载的当量圆直径D和双圆荷载的直径d，分别按下式计算：我国现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ-100的P=100/4KN,p=700KPa，可分别得到相应的当量直径为：第33页/共45页运动车辆对路面的动态影响运动车辆对路面的动态影响 行驶状态的汽车除了施加给路面垂直静压力之外，还给路面施加水平力，震动力。此外，由于汽车以较快的速度通过，这些动力影响还有瞬时性的特征。车轮施加于路面的各种水平力Q值与车轮的垂直压力P，以及路面与车轮之间的附着系数有关，其最大值Qmax不会超过P与的乘积，即：若以q和p分别表示接触面上的单位水平力和单位垂直接触压力，则最大水平力
30、qmax应满足：第34页/共45页运动车辆对路面的动态影响运动车辆对路面的动态影响第35页/共45页轴载换算轴载换算 不同车类和轴型的各级轴载作用次数，可以按照路面损坏等效的原则换算为标准轴载的当量作用次数。根据道路汽车运输车辆的现状及发展趋势。我国路面设计以双轮组单轴载100kn为标准轴载，以BZZ-100表示。第36页/共45页沥青路面轴载换算沥青路面轴载换算沥青路面沥青路面 根据公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）相关规定，当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载换算成标准轴载P的当量轴次N公式为：当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算：当轴间距小于3m时，双轴
31、或多轴的轴数按下式计算：第37页/共45页沥青路面轴载换算沥青路面轴载换算沥青路面沥青路面 根据公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）相关规定，当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时，各级轴载换算成标准轴载P的当量轴次N公式为：双轴或多轴的轴数系数按下式计算：第38页/共45页沥青路面轴载换算沥青路面轴载换算沥青路面沥青路面沥青路面在设计年限内一个车道上的累计当量轴次Ne计算公式为：第39页/共45页沥青路面轴载换算沥青路面轴载换算沥青路面沥青路面第40页/共45页沥青路面轴载换算沥青路面轴载换算沥青路面沥青路面第41页/共45页沥青路面轴载换算沥青路面轴载换算水泥混凝土路面水泥混凝土路面 根据公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D40-2002）相关规定，水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴-轮型和轴载的作用次数，按下式换算为标准轴载的作用次数。：第42页/共45页沥青路面轴载换算沥青路面轴载换算水泥混凝土路面水泥混凝土路面交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数Ne（104）2000100200031003交通分级第43页/共45页沥青路面轴载换算沥青路面轴载换算水泥混凝土路面水泥混凝土路面第44页/共45页感谢您的观看！第45页/共45页