沥青路面结构设计优秀课件.ppt

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1、沥青路面结构设计第1 页，本讲稿共74 页第一节 弹性层状体系理论概述一 基本假设与解题方法弹性层状体系是由若干个弹性层组成，上面各层具有一定厚度，最下一层为弹性半空间体，如图14-1 所示。应用弹性力学方法求解弹性层状体系的应力、变形和位移等分量时，引入如下一些假设：(1)各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的，以及位移和形变是微小的；(2)最下一层在水平方向和垂直向下方向为无限大，其上各层厚度为有限、水平方向为无限大；(3)各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处，其应力、形变和位移为零；(4)层间接触情况，或者位移完全连续(称连续体系)，或者层间仅竖向应力和位移连续而无摩阻力(

2、称滑动体系)：(5)不计自重第2 页，本讲稿共74 页第二节 沥青路面的破坏状态与设计标准沥青路面由于环境因素的不断影响和行车荷载的反复作用，经过一段时间的使用，便会产生破坏而失去原有的使用能力。下面着重叙述沥青路面的结构破坏状态与设计标准。一、沉陷 是路面在车轮作用下表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象出现，如图14-6 所示造成路面沉陷的主要原因是路基土的压缩。当路基土的承载能力较低，不能承受从路面传至路基表面的车轮压力，便产生较大的垂直变形即沉陷。为控制路基土的压缩引起路面的沉陷，可选用路基土的垂直压应力或垂直压应变作为设计标准第3 页，本讲稿共74 页车辙 车辙是路面的结构

3、层及土基在行车重复荷载作用下的补充压实，以及结构层材料的侧向位移产生的累积永久变形。这种变形出现在行车轮带处，即形成路面的纵向带状凹陷 车辙是高级沥青路面的主要破坏型式。因为这类路面的使用寿命较长，即使每一次行车荷载作用产生的残余变形量很小，而多次重复作用累积起来的残余变形总和也将会较大，足以影响车辆的正常行使。路面的车辙同荷载应力大小，重复作用次数以及结构层和土基的性质有关。有代表性的控制车辙深度的指标有两种：一种是路面各结构层包括土基的残余变形总和；另一种是路基表面的垂直变形。L(14-16)路基表面的垂直应变标准，可表示为：(14-17)第4 页，本讲稿共74 页 三、疲劳开裂开裂是路面

4、在正常使用情况下，由行车荷载的多次反复作用引起的。疲劳开裂的特点是，路面无显著的永久变形，开裂开始大都是形成细而短的横向开裂，继而逐渐扩展成网状，开裂的宽度和范围不断扩大。产生疲劳开裂的原因，是沥青结构层受车轮荷载的反复弯曲作用，使结构层底面产生的拉应变(或拉应力)值超过材料的疲劳强度(它较一次荷载作用的极限值小很多)，底面便开裂，并逐渐向表面发展。经水硬性结合料稳定而形成的整体性基层也会产生出疲劳开裂，甚至导致面层破坏。结构层达到临界疲劳状态时所承受的荷载重复次数称为疲劳寿命。某一种路面结构层疲劳寿命的大小，主要取决于所受到的重复应变(或应力)大小，同时也与路面的环境因素有关。以疲劳开裂作为

5、设计标准时，用结构层底面的拉应变或拉应力不超过相应的容许值控制设计，即：(14-18)(14-19)第5 页，本讲稿共74 页四、推 移 当沥青路面受到较大的车轮水平荷载作用时(例如经常启动或制动路段及弯道、坡度变化处等)，路面表面可能出现推移和拥起。造成这种破坏的原因是，车轮荷载引起的垂直力和水平力的综合作用，使结构层内产生的剪应力超过材料的抗剪强度。同时也与行驶车轮的冲击振动有关。为防止沥青面层表面产生推移和拥起，可用面层抗剪强度标准控制设计。第6 页，本讲稿共74 页五、低温缩裂 路面结构中某些整体性结构层在低温(通常为负温度)时由于材料收缩受限制而产生较大的拉应力，当它超过材料相应条件

6、下的抗拉强度时便产生开裂。由于路面的纵向尺度远大于横向，低温收缩时侧向约束不大，故这种开裂一般为横向间隔性的裂缝，严重时才发展为纵向裂缝。在冰冻地区，沥青面层和用无机结合料稳定的整体性基层，冬季可能出现这种开裂。低温缩裂是一项同荷载因素无关的设计指标，即低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力 应不大于该温度时材料的容许拉应力。即：第7 页，本讲稿共74 页六、路面弯沉设计标准 路面弯沉是路面在垂直荷载作用下，产生的垂直变形。一般认为，路面弯沉不仅能够反映路面各结构层及土基的整体强度和刚度，而且与路面的使用状态存在一定的内在联系，同时弯沉值的测定也比较方便。所以我国现行的沥青路面设计方法采

7、用设计弯沉作为路面整体刚度的设计指标。高速公路、一级公路和二级公路的沥青路面除了按弯沉设计路面结构之外，还须对沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层进行层底拉应力的验算。城市道路路面设计尚须进行沥青混合料面层的剪应力验算。路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，它是根据设计年限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型而确定的路面弯沉设计值，是路面厚度计算的主要依据。路面设计弯沉值可以作为路面竣工后第一年不利季节、路面温度为20 时在标准轴载100kN 作用下，竣工验收的最大回弹弯沉值，它与交通量、公路等级、面层和基层类型有关。第8 页，本讲稿共74 页第三节 沥青路面的结构

8、设计1、路面结构组成 1 沥青路而结构层可由面层、基层、底基层、垫层组成。2 面层是直接承受车轮荷载反复作用和自然因素影响的结构层，可由一至三层组成。表面层应根据使用要求设置抗滑耐磨、密实稳定的沥青层；中面层、下面层应根据公路等级、沥青层厚度、气候条件等选择适当的沥青结构层。3 基层是设置在面层之下，并与面层一起将车轮荷载的反复作用传布到底基层、垫层、土基，起主要承重作用的层次。基层材料的强度指标应有较高的要求。4 底基层是设置在基层之下，并与面层、基层一起承受车轮荷载反复作用，起次要承重作用的层次。底基层材料的强度指标要求可比基层材料略低。5 基层、底基层视公路等级或交通量的需要可设置一层或

9、两层。当基层或底基层较厚需分两层施工时，可分别称为上基层、下基层，或上底基层、下底基层。6 垫层是设置在底基层与土基之间的结构层，起排水、隔水、防冻、防污等作用。第9 页，本讲稿共74 页4 沥青面层4.1 一般规定4.1.1 沥青面层的技术要求 为了给汽车运输提供安全、快速、舒适的行车条件，沥青路面应具有坚实、平整、抗滑、耐久的品质，同时，还应具有高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害以及防止雨水渗入基层的功能。4.1.2 沥青面层分类及适用范围 沥青面层分为沥青混凝土、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。沥青混凝土适用于做各级公路的沥青路面面层。对高速公路、一级公

10、路的表面层、中面层、下面层应采用沥青混凝土：二级公路的表面层宜用沥青混凝土。热拌沥青碎石适用于做二级及二级以下公路的面层、柔性路面的上基层以及调平层 乳化沥青碎石混合料适用于做三级、四级公路的沥青面层、二级公路养护罩面以及各级公路的调平层。沥青贯入式碎石(含上拌下贯式)适用于做二级及二级以下公路的沥青面层。若沥青贯入碎石设在沥青混凝土层与半刚性基层、粒料基层之间时，沥青贯入式碎石应不撤封层料，也不做上封层。沥青表面处治适用于三级、四级公路的面层、旧沥青面层上加铺罩面或抗滑层、磨耗层等。第10 页，本讲稿共74 页4.1.3、选择沥青 高速公路、一级公路的沥青路面，应选用符合“重交通道路石油沥青

11、技术要求”的沥青，以及经过试验论证、行之有效的改性沥青。二级及二级以下公路的沥青路面，可采用符合“中、轻交通道路石油沥青技术要求”的沥青或改性沥青.沥青路面所用沥青标号，应根据气候条件、面层结构类型、施工方法和施工季节等按表4 1 3 选用。4.1.4、集料的技术要求各种沥青面层的粗集料、细集料、填料应符合公路沥青路面施工技术规范(JTJ 032)的有关规定。4.1.5、沥青路面抗滑性能高速公路、一级公路的沥青路面应具有良好的抗滑性能，其抗滑性能应符合表41 5 的要求。二级及三级公路应根据各路段的具体情况采取必要的技术措施，以提高路面抗滑性能。第1 1 页，本讲稿共74 页公路等级 竣工验收

12、值横向力系数SFC 摆值Fb（BPN）构造深度TC（mm）高速公路一级公路54 45 0.55表4 1 5 抗滑标准(p519)(1)摩擦系数：高速公路、一级公路宜在竣工后第一个夏季采用摩擦系数测定车，以(50 土1)km h 的车速测定横向力系数(SFC)。(2)路面宏观构造深度：路面宏观构造深度，应在竣工后第一个夏季用铺砂法或激光构造深度仪测定。(3)竣工后第一个夏季测定沥青面层横向力系数(或摆值)、路面宏观构造深度，应符合表4 1 5 规定的竣工验收值的要求。第12 页，本讲稿共74 页4.2 高级路面4 2 1 沥青混凝土1 沥青面层可由单层或双层或三层沥青混合料组成，各层混合料的组成

13、设计应根据其层厚和层位、气温和降雨量等气候条件、交通量和交通组成等因素，按表4 21 选用适当的最大粒径及级配类型，使之满足对沥青面层使用功能的要求。表4 2 1 沥青混合料类型的选择(方孔筛)层位沥青层厚度混合料类别高速公路、一级公路 二级及二级以下三层式 双层式表面层2.5-44-5细粒式中粒式AC-13AC-16AC-13AC-16AC-13AM-13AC-16中面层4-65-6中粒式粗粒式AC-20AC-25-下面层4-55-66-8中粒式粗粒式粗粒式AC-25AC-30AC-20AC-25AC-30AC-20AM-25AC-25AM-30AC-30上基层调平层5-66-88-10粗粒

14、式粗粒式特粗粒式AM-25AM-30AM-40AM-25AM-30AM-40AM-25AM-30抗滑表层2.5-4 细粒式中粒式AK-13AAK-13BAK-16AAK-16BAK-13AAK-13BAK-16AAK-16BAK-13AAK-16A第13 页，本讲稿共74 页2 选择沥青面层各层级配时，应至少有一层是I 型密级配沥青混凝土，以防止雨水下渗。三层式沥青面层的表面层采用抗滑表层时，中面层应用I 型密级配沥青混凝土，下面层宜根据当地气候、交通量采用I 型或II 型沥青混凝土。双层式沥青面层的表面层采用抗滑层时，下面层应用I 型密级配沥青混凝土；若采用半开级配或开级配热拌沥青碎石做表面

15、层时，应在沥青面层下设下封层。多雨地区采用乳化沥青碎石混合料作面层时，必须设置上封层或下封层。3、各种类型的沥青混合料级配组成可参考附录 B 表B1 选用。第14 页，本讲稿共74 页4 2 3 沥青混凝土的稳定性 对高速公路、一级公路的表面层和中面层的沥青混凝土作配合比设计时，应进行车辙试验，以检验沥青混凝土的高温稳定性。高温稳定性是以温度60、07MPa 轮压条件下进行车辙试验所获得的动稳定度表示，对高速公路的表面层、中面层沥青混合料，其动稳定度不应低于800 次mm；对一级公路的表面层、中面层沥青混合料不应低于600 次mm。第15 页，本讲稿共74 页表4 2 4 沥青混合料水稳性指标

16、年 降 雨 量（mm）1000 5001000 250500250浸水马歇尔试验（48h）残留稳定度，%，不低于75 70 65 60沥青与石料的粘附性，级，不低于4 级 4 级 3 级 3 级冻融劈裂试验残留强度，不低于70 70 654 2 4 沥青混凝土的水稳性 高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土应具有良好的水稳定性。沥青混合料的水稳性指标，除通常采用浸水马歇尔试验和沥青与矿料的粘附性试验，以检验沥青混合料受水损害时的抗剥落性能外，对年最低气温低于-21 5 的寒冷地区，还应增加沥青混合料冻融劈裂残留强度试验。沥青混合料的水稳性指标应符合表4 2 4 的规定。第16 页，本讲稿共7

17、4 页4 2 5 沥青玛蹄脂碎石混合料 沥青玛蹄脂碎石混合料(简称SMA)，是一种以沥青、矿粉及纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂结合料，填充于间断级配的矿料骨架中，所形成的沥青混合料。具有抗滑耐磨、密实耐久、抗疲劳、抗高温车辙，减少低温开裂的优点。适用于高速公路、一级公路做抗滑表层使用，其厚度宜为3 5cm4cm。SMA 应选用磨光值大于42 的硬质石料，最大粒径宜为13mm 或16mm。应选用针入度较小、粘度较大的沥青，并宜采用改性沥青，油石比不宜小于6 2 纤维稳定剂的用量，对木质素纤维为混合料总质量的0 3，矿物纤维为混合料总质量的0 4。SMA 混合料的矿料级配及配合比设计可采用国内成功的经

18、验及方法进行，5mm 以上粗集料用量不低于70，0 075mm 通过量宜为8 13，马歇尔稳定度不宜低于6 2kN，空隙率宜控制在2 4 范围内。但必须进行车辙试验检验，动稳定度不应低于1 500 次mm。第17 页，本讲稿共74 页4 3 次高级路面4 3 1 热拌沥青碎石热拌沥青碎石的配合比设计应根据实践经验和马歇尔试验的结果，并通过施工前的试拌、试铺确定。热拌沥青碎石的级配可参照附录B 表B1 选用。4 3 2 乳化沥青碎石混合料乳化沥青碎石混合料的面层宜做成双层式,若用单层式应根据当地降雨量设置下封层或上封层。混合料的级配宜符合附录B 表B1 的要求。混合料配合比设计可根据当地成功的经

19、验或试拌试铺确定。4 3 3 沥青贯入式路面1 沥青贯入式面层的厚度一般为4cm8cm。当沥青贯入式的上部加铺拌和的沥青混合料时，也称为上拌下贯，此时拌和层的厚度宜为3cm4cm，其总厚度为7cm10cm。乳化沥青贯入式路面厚度不宜大于5cm 沥青贯入式面层之下应做下封层，以避免雨雪下渗至基层，或滞留在面层与基层之间而导致路面破坏。2 沥青贯入式路面采用的沥青、集料的技术要求，应符合本规范4 1 3 和4.1 4 条的规定，其材料规格和用量应符合附录B 表B2、B3 的要求第18 页，本讲稿共74 页4 3 4 沥青表面处治沥青表面处治按施工方法分类有层铺法和拌和法1 层铺法可分为单层、双层、

20、三层，厚度宜为1 0cm3 0cm。单层表处厚度为1 0cm 1 5cm；双层表处厚度为1 5cm 2 5cm；三层表处厚度为2 5cm3 0cm。层铺法沥青表面处治和乳化沥青表面处治，集料的规格与用量应符合附录B 表B4 的规定。2 拌和法沥青表面处治路面可采用热拌热铺或冷拌冷铺法施工，其混合料级配可参照附录B 表B1 选用。拌和法沥青表处治路面厚度宜为3cm4cm。采用拌和法施工时，基层顶面应洒透层沥青或粘层沥青或做下封层，使面层与基层之间结合紧密，防止雨雪下渗。第19 页，本讲稿共74 页5 基层、底基层及垫层 5 1 基层、底基层5 1 1 一般规定1 基层、底基层应具有足够的强度和稳

21、定性，在冰冻地区还应具有一定的抗冻性。2 高级路面下的半刚性基层应具有较小的收缩(温缩及干缩)变形和较强的抗冲刷能力。3 基层、底基层结构设计应贯彻就地取材的原则，认真做好当地材料的调查，根据不同公路等级、交通量对基层、底基层的技术要求，选择技术可靠、经济合理的基层、底基层结构。4 半刚性材料基层、底基层的配合比设计，应根据重型击实标准制件，混合料7d 龄期的无侧限抗压强度试验确定。5 一般公路的基层宽度每侧宜比面层宽出25cm，底基层每侧宜比基层宽15cm.在多雨地区，透水性好的粒料底基层，宜铺至路基全宽，以利于排水。高速公路、一级公路的基层宽度应按照本规范9 2 3 条规定确定。6 基层和

22、底基层的压实度、平整度应符合公路路面基层施工技术规范(JTJ 034)的规定。第20 页，本讲稿共74 页5 1 2 分类与适用范围 基层可分为有结合料稳定类(有机结合料、无机结合料)和无结合料的粒料类(嵌锁型、级配型)。底基层可分为无机结合料稳定类和无结合料的粒料类。1 有机结合料稳定类；包括热拌沥青碎石或乳化沥青碎石混合料、沥青贯入碎石等。其技术要求应符合本规范4 1 及4 3 节的有关规定。2 无机结合料稳定类(也称半刚性类型)：1)水泥稳定类：包括水泥稳定砂砾、砂砾土、碎石土、未筛分碎石、石屑、土等，以及水泥稳定经加工、性能稳定的钢渣、矿渣等2)石灰稳定类：包括石灰稳定土(石灰土)、天

23、然砂砾土(石灰砂砾土)、天然碎石土(石灰碎石土)、以及用石灰土稳定级配砂砾(砂砾中无土)、级配碎石和矿渣等。第21 页，本讲稿共74 页3)工业废渣稳定类：石灰粉煤灰类：包括石灰粉煤灰(二灰)、石灰粉煤灰土(二灰土)、石灰粉煤灰砂(二灰砂)、石灰粉煤灰砂砾(二灰砂砾)、石灰粉煤灰碎石(二灰碎石)、石灰粉煤灰矿渣(二灰矿渣)等。水泥粉煤灰类：包括水泥粉煤灰稳定砂砾、碎石及砂等。石灰煤渣类：包括石灰煤渣、石灰煤渣土、石灰煤渣碎石、石灰煤渣砂砾、石灰煤渣矿渣、石灰煤渣碎石土等。水泥稳定类、石灰粉煤灰稳定类材料适用于各级公路的基层和底基层，但是水泥或石灰、粉煤灰稳定细粒土不能用做高级路面的基层。石灰稳

24、定类材料适用于各级公路的底基层，也可用做二级和二级以下公路的基层，但石灰稳定细粒土不能用做高级路面的基层。第22 页，本讲稿共74 页3 粒料类 1)嵌锁型包括泥结碎石、泥灰结碎石、填隙碎石等。2)级配型包括级配碎石、级配砾石、符合级配的天然砂砾、部分砾石经轧制掺配而成的级配砾、碎石等。级配碎石适用于各级公路的基层和底基层 级配砾石、级配碎砾石以及符合级配、塑性指数等技术要求的天然砂砾，可用做二级和二级以下公路的基层，也可用做各级公路的底基层。填隙碎石适用于各级公路的底基层和三、四级公路的基层。第23 页，本讲稿共74 页5 2 垫 层5 2 1 垫层的设置原则 处于下列状况的路基应设置垫层，

25、以排除路面、路基中滞留的自由水，确保路面结构处于干燥或中湿状态。1 地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段。2 排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段。3 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。4 基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。5 2 2 垫层材料 垫层材料可选用粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等粒料以及水泥或石灰煤渣稳定粗粒土，石灰粉煤灰稳定粗粒土等。若采用粗砂砂砾料时，通过0 074mm 筛孔的颗粒含量不应大于5。采用煤渣时，小于2mm 的颗粒含量不宜大于20。为防止软弱路基污染粒料底基层、垫层，或为隔断地下水的影响，

26、可在路基顶面设土工合成材料隔离层。5 2 3 垫层宽度 高速公路、一、二级公路的排水垫层应铺至路基同宽，以利路面结构排水，保持路基稳定。三、四级公路的垫层宽度可比底基层每侧至少宽25cm。第24 页，本讲稿共74 页2、路面等级与类型 路面等级、面层类型应与公路等级、交通量相适应。路面等级、面层类型的选择应根据公路等级与使用要求、设计年限内标准轴载的累计当量轴次、筑路材料和施工机械设备等因素按表3 0 2 确定。表3 0 2 路面类型的选择(p378)(p380)公路等级 路面等级 面层类型 设计年限 设计年限内累计标准轴次(a)万次一车道 高速公路 一级公路高级路面 沥青混凝土 15 400

27、二级公路 高级路面 沥青混凝土 12 200 次高级路面热拌沥青碎石混合料沥青贯入式10 100200 三级公路 次高级 乳化沥青碎石混合料沥青表面处治8 10100四级公路 中级路面 水结碎石、泥结碎石、级配碎(砾)石、半整齐石块路面5 10低级路面 粒料改善土 5对有特殊使用要求的公路，其路面等级与面层类型的选择可根据实际情况选用 第25 页，本讲稿共74 页3、标准轴载及轴载换算 路面设计以双轮组单轴载100kN 为标准轴载，以BZZ 100 表示。标准轴载的计算参数按表3 0.3 确定。表3 0 3 标准轴载计算参数 标 准 轴 载 BZZ-100 标 准 轴 载 BZZ-100 标准

28、轴载P(kN)100 单轮传压面当量圆直径d(cm)21 30 轮胎接地压强p(MPa)0.70 两轮中心距(cm)1 5d 第26 页，本讲稿共74 页（1）当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，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均应按公式(3 0 3 1)换算成标准轴载P 的当量作用次数N。式中：N-标准轴载的当量轴次(次日)；Ni-被换算车型的各级轴载作用次数(次日)P-标准轴载(kN)；Pi-被换算车型的各级轴载(kN)C1-轴数系数；C2-轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为l.0,四轮组为0.38；当轴间距大于3m 时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为1m；当轴间距小于3m 时，按双轴或多轴计算，轴数系数按公式(3.0.3 2)计算。c1=1+1.2(m 1)式中：m-轴数。第27 页，本讲稿共74 页