道路工程技术辅导教程doc 15页文档格式.docx
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各级公路采用新材料时，也必须实测设计参数。
（2）高速公路、一级公路初步设计或二级及二级以下公路设计时可借鉴本地区已有的试验资料或工程经验确定。
（3）可行性研究阶段可参考规范推荐值确定设计参数。
具体取值要求如下：
1）沥青混合料面层
当以路表弯沉值为设计或验算指标时，选用试验温度为20℃的抗压回弹模量；
当以沥青层或半刚性材料结构层层底拉应力为设计或验算指标时，选用试验温度为15℃的抗压回弹模量。
沥青针入度大于100时，设计参数采用低值。
2）基层、底基层
沥青路面在计算层底拉应力时，应考虑模量的最不利组合，计算层以下各层的模量通过计算求得。
3）水泥混凝土面层强度系数设计参考值可根据交通等级选定，见下表。
混凝土弯拉强度标准值
交 通 等 级
轻
中 等
重、特重
水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa）
4.0
4.5
5.0
水泥混凝土的抗压强度（MPa）
29.7
35.8
41.8
水泥混凝土的弯拉弹性模量（GPa）
27
29
31
3．标准轴载与轴次换算方法
（1）标准轴载
道路上行驶的车辆种繁多，不同车型和不同作用次数对路面影响不同，为方便路面设计，需将不同车型组合而成的混合交通量，以某种统一轴载为准，换算成一定的当量轴次。
这种统一的轴载，称为标准轴载。
路面设计采用双轮组单轴载100kN作为标准轴载，以BZZ-100表示。
标准轴载的计算参数按下表确定。
标准轴载计算参数
标准轴载
BZZ-100
标准轴载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
当把各种轴载换算为标准轴载时，为使换算前后轴载对路面的作用达到相同的效果，应该遵循等效原则。
第一，换算以达到相同的临界状态为标准，即对同一种路面结构，甲轴载作用N1次后路面达到预定的临界状态，路面弯沉为l1，乙轴载作用路面达到相同临界状态作用次数为N2，弯沉为l2此时甲乙两种轴载作用是等效的。
因此应按此等效原则建立两种轴载作用次数之间的换算关系。
第二，对某一种交通组成，不论以哪种轴载的标准进行轴载换算,由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度是相同的。
（2） 换算方法
1）沥青路面设计中，当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载均应按下式换算成标准轴载P的当量轴次N。
式中：
——以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载的当量轴次（次/d）；
——被换算车型的各级轴载作用次数（次/d）；
——标准轴载（KN）；
——被换算车型的各级轴载（KN）；
——被换算车型的轴数系数,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，按双轴或多轴的轴数系数计算,此时
，
为轴数；
——被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0.38；
K——被换算车型的轴载级别。
沥青路面设计中，当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时，各级轴载均应按下式换算成标准轴载P的当量轴次N′。
——以半刚性材料层的拉应力为设计指标时的标准轴载的当量轴次（次/d）；
——被换算车型的轴数系数；
当轴间距小于3m时，
；
——被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。
2）水泥混凝土设计中，采用疲劳断裂为标准建立的疲劳方程，可以推导出产生等效疲劳损坏时的轴载换算公式见下式。
-----标准轴载的当量轴次（次/d）；
------单轴-单轮、单轴-双轮组或三轴-双轮组轴型
级轴载的总重（kN）；
n------轴型和轴载级位数；
-----各类轴型
级轴载的作用次数；
------轴-轮型系数,单轴-双轮组时,
=1；
单轴-单轮时,按
计算；
双轴-双轮组时,按
三轴-双轮组时,按
计算。
4．累计当量轴次与交通等级
（1）累计当量轴次
累计远景交通量是指从（当前）路面开始使用时起，一到设计年限未某一繁重车道的标准轴载当量轴载的总量。
由于它是建立在累积疲劳的基础上，因此累计远景交通量被作为路面设计的一个重要依据。
设计年限内一个车道的标准轴载累计作用次数
可用下式计算。
——设计年限内一个车道的累计当量轴次（次/车道）；
t——沥青路面设计中的设计年限，水泥混凝土路面设计中的设计基准期；
——营运第一年双向日平均当量轴次（次/d）；
——设计年限内交通量的平均年增长率（%）；
——沥青路面设计中的车道系数，为设计车道的交通流量与断面交通流量之比，见下表1；
水泥混凝土路面设计中的车轮轮迹横向分布系数。
（2）交通等级
沥青路面交通量根据下表的规定划分为4个等级。
设计时可根据累计当量轴次或每车道、每日平均大型客车及中型以上的各种货车交通量，选择一个较高的交通等级作为设计交通等级。
交通等级
交通等级
BZZ-100累计标准轴次Ne
大客车及中型以上的各种货车交通量
（次/车道）
[辆/（d·
车道）]
轻交通
<
3×
106
600
中等交通
106~12×
600~1500
重交通
12×
106~25×
1500~3000
特重交通
>
25×
3000
水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为4级,分级范围如下表。
交通分级表
特重
重
中等
设计车道标准轴载累计作用次数
2000
100～2000
3～100
3
11.2沥青路面的破坏状态与设计标准
路面的结构性能是指路面保持其较好的结构完整性而不出现损坏的能力。
路面在使用过程中受到行车荷载和环境等因素的作用而出现各种结构损坏称为结构性破坏。
路面的功能性破坏是路面不平整或太光滑，使路面不具有预定的使用功能。
如路面出现泛油、磨光等导致路面表面的抗滑指标不满足要求。
结构承载能力同损坏状况有内在的联系。
在使用过程中，承载能力逐渐下降，而损坏逐步发展，承载能力低的路面结构，其损坏必然较严重。
因此，分析路面产生各种破坏之前，必须首先进行路面破坏状况的调查，了解破坏的类型，才能找出原因。
1．沥青路面的破坏状态
沥青路面在行车荷载的反复作用和自然因素不断影响下，会逐渐出现损坏。
由于环境、材料组成、结构层组合、荷载、施工和养护等条件的变异，损坏的形态多种多样。
从表面上看，有各式各样的裂缝，如横向裂缝、纵向裂缝、网状裂缝等；
也有各种类型的变形，如凹陷和隆起、车辙、搓板、推挤和拥包等，有时可能还有各种露骨、松散、剥落、坑槽、泛油等现象出现。
这些损坏现象，有时单独出现，有时则几种形态同时出现，显得错综复杂。
然而，如果透过现象，进一步分析造成这些损坏的原因，便可发现其中存在一定的规律性。
根据这些损坏现象的肇因，它们的危害性和对使用性能的影响，可以把沥青路面常见的损坏划分为下列几种主要模式：
（1）沉陷
沉陷是路面在车轮作用下其表面产生的较大的凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象出现。
造成路面沉陷的主要原因是路基土的压缩，路基由于水文条件差或翻浆而过于湿软，通过路面传给路基的轮载应力超过了土抗剪强度。
（2）车辙
车辙是渠化交通的高等级道路沥青路面的主要损坏类型之一。
路面并未出现很大的凹陷和隆起变形，但轮带处出现相对其两侧来说较大的变形（10~20mm以内），在纵向形成车辙。
车辙一般是在温度较高的季节，沥青面层在车辆的反复碾压作用下产生永久变形和塑性流动而逐渐形成。
（3）推移
在车辆经常启动和制动的路段上，路面受到较大的水平荷载的作用。
当荷载（包括垂直和水平力）产生的剪应力或拉应力大于材料的抗剪或抗拉强度时，面层材料沿行车方向发生剪切或拉裂破坏而出现推挤和拥包。
（4）开裂
裂缝是高等级道路沥青路面最主要的一种破坏形式，尤其是半刚性基层沥青路面。
上述各种变形常常伴随着裂缝产生。
沥青路面上出现的裂缝，可分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝三种类型。
横向裂缝是指垂直于行车方向的裂缝。
按其成因不同，横向裂缝又可分为荷载型裂缝与非荷载型裂缝两大类。
荷载型裂缝是由于路面结构设计不当或施工质量低劣，或由于车辆严重超载，致使半刚性基层沥青路面在反复的交通荷载作用下，沥青面层或半刚性基层内产生的拉应力超过其疲劳强度而断裂。
非荷载型裂缝是横向裂缝的主要型式。
这种裂缝又有两种情况：
沥青面层缩裂和基层反射裂缝。
沥青面层温缩裂缝是在温度应力的反复作用下，逐渐发展与扩张的，多发生在冬季气温较低的地区或易发生温度聚变的地区。
基层反射裂缝是指半刚性基层先于沥青面层开裂，在荷载应力与温度应力的共同作用下，在基层开裂处的面层底部产生应力集中而导致面层底部开裂，而后逐渐向上扩张而使裂缝贯穿。
纵向裂缝产生的原因有两种可能性：
一种情况是沥青面层分路幅摊铺时，两幅接茬处未处理好，在车辆荷载与大气因素作用下逐渐开裂；
另一种情况是由于路基压实度不均匀或由于路面边缘受水浸蚀产生不均匀沉陷而引起。
网状裂缝主要是由于路面的整体强度不足而引起，沥青在施工期间以及在长期使用过程中的老化也是导致沥青面层形成网裂的原因之一。
（5）松散和坑槽
由于面层材料组合不当或施工质量差，结合料含量太少或粘结力不足，使面层混合料的集料间失去粘结而成片散开，称为松散。
产生松散剥落的原因主要是由于沥青与矿料之间的粘附性较差，在水或冰冻的作用下，沥青从矿料表面剥离所致。
网裂的后期，碎块被行车荷载继续碾碎，并被带离路面，也会形成坑槽。
（6）表面磨光
沥青路面在使用过程中，在车轮反复滚动摩擦的作用下，集料表面被逐渐磨光，有时还伴有沥青的不断上翻，从而导致沥青面层表面光滑。
表面磨光的内在原因是集料质地软弱、缺少棱角，或矿料级配不当，粗集料尺寸偏小、细料偏多，或沥青用量偏多等。
综上所述沥青路面各种损坏现象的产生，其原因是路面结构在行车与自然环境因素的反复作用下，产生的应力应变超过了路面结构层材料本身所具有的抵抗变形的能力所致。
因此根据各道路承担的不同交通量的要求，有效地将应力应变控制在允许的范围内，是路面设计的目标。
2．设计标准
路面结构设计采用双圆垂直均布荷载作用下的弹性层状连续体系理论。
以设计弯沉值为路面结构整体刚度的设计指标，计算路面结构所需的厚度。
对于高速公路、一级公路和二级公路的沥青混凝土面层和半刚性的基层、底基层应进行层底拉应力的验算。
城市道路还应作沥青面层剪应力验算。
路面荷载及计算点图示
（1）弯沉指标
为控制路基路面结构的总变形，防止沉降、车辙等整体强度不足的损坏，采用弯沉设计指标即路基路面结构表面在双圆垂直均布荷载作用下轮隙中心处（A点）的实测路表计算弯沉值
小于或等于设计弯沉
作为确定沥青路面结构厚度的设计标准。
≤
路面设计弯沉
是表征路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据。
路面设计弯沉应根据公路等级、设计年限内累计标准轴次、面层和基层类型，按下式计算确定：
——设计弯沉值（0.01mm）；
——设计年限内一个车道累计当量轴次（次／车道）；
——公路等级系数，高速公路、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、沥青贯入式路面（含上拌下贯式路面）、沥青表面处治为1.1；
——路面结构类型系数，半刚性基层为1.0，柔性基层为1.6。
（2）弯拉指标
为防止沥青混凝土或半刚性基层、底基层的疲劳开裂，采用拉应力指标即沥青混凝土面层或半刚性材料层的各层底面计算点（B点或C点）的拉应力
应小于或等于该层材料的容许拉应力
——路面结构层的容许拉应力（MPa），按下列公式计算：
——沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度（MPa），对沥青混凝土，系指15℃时的极限劈裂强度；
对水泥稳定类材料系指龄期为90d的极限劈裂强度；
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；
——抗拉强度结构系数，按下式计算。
对于沥青混凝土层：
对于无机结合料稳定集料类：
对于无机结合料稳定细粒土类：
（3）剪切指标
由于汽车在沥青面层上启动、制动常常引起面层表面产生推挤和拥起等破坏，我国《城规》规定在弯沉、拉应力两项设计指标外，增加剪应力指标。
在作沥青面层的剪应力验算时，要求面层在车轮垂直荷载与水平荷载共同作用下，其破坏面上可能产生的剪应力
，应不超过材料的容许剪应力
，即下式的要求。
11.3沥青路面结构组合设计原则
沥青路面结构组合设计是路面设计的核心，结构组合必须结合交通组成、环境、气候和材料供应等联合确定。
沥青路面结构层次的合理选择和安排，是整个路面结构是否能在设计使用年限内承受行车荷载和自然因素的共同作用，同时又能发挥各结构层的最大效能，使整个路面结构经济合理的关键。
沥青路面结构组合设计原则如下：
1．适应行车荷载作用的要求
路面在行车荷载作用下，内部产生的应力和应变随深度向下而递减。
水平力作用产生的应力和应变，随深度递减的速度更快。
因此，要求路面面层具有足够的强度和抗变形能力，其下各层的强度和抗变形能力可自上而下逐渐减少。
这样，在进行路面结构组合时，各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律安排。
按照这种原则组合路面时，结构层的层数愈多愈能体现强度和刚度沿深度递减的规律。
但就施工工艺、材料规格和强度形成原理而言，层数又不宜过多，即不能使结构层厚度过小。
适宜的结构层厚度需结合材料供应、施工工艺等确定。
从强度要求和造价考虑，宜自上而下由薄到厚。
各沥青层的厚度应与混合料的公称最大粒径相匹配，沥青混合料的压实最小厚度不宜小于混合料公称最大粒径的2.5~3倍，OGFC或SMA的压实最小厚度不宜小于混合料公称最大粒径的2~2.5倍。
基层、底基层应根据交通量大小、材料性能，充分发挥压实机具的功能，以及考虑有利于施工等因素选择各结构层的厚度。
为便于施工组织、管理，各结构层的材料不宜频繁变化。
各结构层的压实最小厚度与适宜厚度宜符合表11-3-2的要求，并不得设计小于15cm厚的半刚性材料薄层。
对半刚性基层沥青路面的结构层组合设计，基层与沥青面层的模量比宜在1.5~3之间；
基层与底基层的模量比不宜大于3.0；
底基层与土基的模量比宜在2.5~12.5之间。
2．在各种自然因素作用下具有较好的稳定性
如何保证沥青路面的水稳定性，是路面结构层选择与组合需要解决的重要问题。
在潮湿和某些中湿路段上修筑沥青路面时，由于沥青层不透气，使路基和基层中水分蒸发的通路被隔断，因而向基层积聚。
如果基层材料中含细颗粒多（如泥结碎石、级配砾石），遇水变软，强度和刚度急剧下降，结果导致基层唧泥、路面开裂破坏。
所以沥青路面的基层一般应选择水稳性好的材料。
在季节性冰冻地区，当冻深较大、路基土为易冻胀土时，常会产生冻胀和翻浆。
在这种路段上，路面结构中应设置防止冻胀和翻浆的垫层。
路面总厚度的确定，除满足强度要求外，还应满足防冻厚度的要求，以避免在路基内出现较厚的聚冰带，防止产生导致路面开裂的不均匀冻胀。
3．考虑结构层的特点
如何构成具有要求的强度和刚度并且稳定的路面结构层是设计必须注意的问题。
影响结构层构成的因素，除材料选择、施工工艺之外，路面结构组合也十分重要。
如沥青面层不能直接铺筑在铺砌片石基层上，否则铺砌片石不平稳或片石可能的松动都会反映到沥青面层上，造成面层不平整甚至沉陷开裂。
如热拌沥青混凝土等高级面层与粒料基层或稳定土基层之间应设沥青稳定碎石，并保证有一定的厚度，以提高其抗疲劳性能。
如半刚性基层上不宜铺筑薄层沥青面层，以防止反射裂缝。
为了保证路面结构的整体性和结构层之间应力传递的连续性，应采取设置透层和粘层等技术措施使结构层之间结合紧密稳定，避免产生层间滑移。
⑴透层设置在基层上，透层沥青应具有良好的渗透性能，可选择液体沥青（稀释沥青）、乳化沥青等。
透层油渗入基层的深度宜不小于5mm（无机结合料稳定集料基层）~10mm（无结合料基层），并能与基层联结成一体。
⑵热拌沥青混合料路面的沥青层之间，新、旧沥青层之间，沥青层与旧水泥混凝土板之间应设置粘层。
粘层沥青宜采用热沥青或改性乳化沥青、改性沥青，喷洒的粘层油必须成均匀雾状，在路面全宽度内均匀分布成一薄层。
11.4新建及改建沥青路面结构设计方法
1．新建沥青路面结构设计步骤
（1）根据设计要求，按弯沉和弯拉指标分别计算设计年限内设计车道的累计标准轴次，确定设计交通量与交通等级，拟定面层、基层类型，并计算设计弯沉值与容许拉应力。
（2）按路基土类与干湿类型将路基划分为若干路段，确定各个路段土基回弹模量设计值。
（3）参考本地区的经验拟定几种可行的路面结构组合与厚度方案，根据工程选用的材料进行配合比试验，测定各结构层材料的抗压回弹模量、劈裂强度等，确定各结构层的设计参数。
（4）根据设计指标采用沥青路面设计程序（HPDS2006）计算或验算路面厚度。
1）路面厚度计算
路面厚度是根据多层弹性理论，层间接触条件为完全连续体系，在双圆均布荷载作用下轮隙中心处路表弯沉值小于或等于设计弯沉值进行计算。
路表弯沉值按下式计算。
其中：
——路表计算弯沉值（0.01mm）；
——弯沉综合修正系数，为路面实测弯沉值与理论计算弯沉值之比；
P，δ——标准车型的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径（cm）；
——理论弯沉系数；
或
——土基抗压回弹模量值（MPa）；
，…，
——各层材料抗压回弹模量值（MPa）；
——各结构层厚度（cm）。
沥青路面厚度设计时，先拟定某一层作为设计层，选定其他各层的厚度。
当采用半刚性基层、底基层结构时，可选其中任一层为设计层；
当采用半刚性基层、粒料类材料为底基层时，应以半刚性基层为设计层。
2）层底拉应力验算
层底拉应力以单圆中心（B点）及双圆轮隙中心（C点）为计算点，采用多层弹性理论验算，层间接触条件设定为完全连续体系，并取较大值为层底拉应力。
最大拉应力计算公式如下：
11-4-4
11-4-5
——理论最大拉应力系数。
其余符号意义同式11-4-2。
（5）对于季节性冰冻地区验算防冻厚度是否符合要求。
并进行技术经济比较，确定路面结构方案。
2．改建沥青路面结构设计方法
沥青路面随道使用时间的延续,其使用性能和承载能力不断降低,超过设计使用年限后便不能满足正常行车交通的要求，而需补强或改建。
当对不符合技术标准的路段进行线型改善，改线路段应按新建路面设计。
加宽路面、提高路基、调整纵坡的路段应视具体情况按新建或改建路面设计。
在原有路面上补强时，按改建路面设计。
（1）现有路面调查与强度评定
1）现有路面调查
现有路面状况调查工作包括如下内容。
a）交通调查。
对于当前的交通量和车型组成进行实地观测。
通过调查分析预估交通量增长趋势，确定年平均增长率。
b）路基状况。
调查沿线路基土质、填挖高度、地面排水情况、地下水位，以确定路基土组和干湿类型。
c）路面状况调查。
调查路面结构类型、组合和各层厚度。
为此需开挖试坑进行量测和取样试验，量测路基和路面宽度。
详细记载路表状况及路拱大小。
对路面的病害和破坏应详加记述并分析产生原因。
2）路面修建和养护历史调查。
路面结构强度的评定，通常采用测量路表轮隙回弹弯沉的方法。
路面在一年内的不同时期具有不同的强度，而经补强设计路面必须保证在最不利季节具有良好的使用状态，因此原有路面的弯沉值应在不利季节测定，若在非不利季节测定，应按各地的季节影响系数进行修正。
如在原砂石路面上加铺沥青面层时，因补强后对路基湿度有影响，路基和基层中的水分蒸发较以前困难，致使路基和基层中湿度增加，强度降低，弯沉增大，因此还应根据当地经验进行湿度影响的修正。
当原路面为沥青面层时，弯沉测定值还随路面温度的变化而变化。
为了使不同温度时测定的弯沉结果可资比较，以及便于进行补强设计，需把不同温度测定的结果换算为标准温度20℃的弯沉值。
3）现有路面强度评定
各路段应采用BZ
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