南非沥青路面设计方法.docx

资源描述

南非沥青路面设计方法.docx

《南非沥青路面设计方法.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《南非沥青路面设计方法.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

南非沥青路面设计方法.docx

南非沥青路面设计方法

第四篇南非沥青路面设计方法

南非《城市间与乡村道路柔性路面结构设计规范》是南非公路技术建议系列中的一个重要组成部分，由南非共和国交通部出版发行，第一版发表于1985年，分别于1989、1992、1995、1996年再版，并于1995和1996年进行了修订，1996年版为现行标准。

南非《城市间与乡村道路柔性路面结构设计规范》提出了城市间与乡村道路柔性和半刚性路面结构设计与选择的方法，基于不同的道路服务目标，划分了四个不同道路类型，充分体现了交通类型、行车质量和安全标准的不同要求。

其路面结构设计过程中考虑了服务目标、道路类型、寿命期决策、交通荷载谱、路面材料与性能、环境条件、工艺要求等诸多因素，最终设计结果的确定依据路面类型、要求的寿命周期决策以及经济分析结果和15年间的重车模拟实验成果。

第一章路面设计有关概念

1.1路面结构设计的目的（）

路面结构设计的目的是提供一个良好的路面结构层，保护路基，抵抗车辆荷载作用，满足所选定的服务水平，并与分析期间路面的维修与管理相结合，达到尽可能经济的效果。

1.2服务目标（SO）

管理部门认定的在一定区域内需要改善可达条件或交通承受能力时，应首先作出两个基本决策以确定路面结构设计所必需的输入条件，其一是道路或设施完善的功能性服务水平；其二是预计服务时段的分析期，该条件即为项目服务目标，其与假定的目标背景和现况基础设施系统条件有关，涉及到道路连接重要性、行车质量、安全性、交通承受能力、投资等。

服务目标大体决定了道路结构与线形设计标准，也可根据需要在道路寿命期间发生改变，这又反过来影响到将来的道路管理对策，所以，应以历史发展的观点看待整个路面设计过程。

1.3功能性服务水平（FSL）

道路的功能性要求与结构性要求是不同的，前者是为满足服务目标的需要；而后者与结构承载力有关，并以结构设计可靠度保证服务目标的实现。

道路的功能性服务水平是对给定位置处道路使用状况的定性量度，与该条件下的驾驶者感觉密切相关，它主要由车速、运行时间、延误、交通流自由度、安全性和驾驶舒适性等因素决定。

1.4分析期（AP）

分析期通常是与管理者提出的服务目标所对应的功能保证期，与道路类型和其质量总目标相关，是任一寿命周期策略所必须包括的时段，由一个或多个结构设计期组成。

1.5结构设计期（SDP）

结构设计期是指初建的路面结构到需要大修以前的时间，或者是两次大修之间的时间。

它相当于新建的、重建的或经过大修的结构，由其初始服务能力，损坏到最终服务能力所经过的时间。

（由其初始服务开始，损坏到最终服务能力丧失所经过的时间。

）。

设计者必须在管理部门的经验和政策所规定的最小和最大允许范围内选定结构设计期。

结构设计期的选定受如下因素的影响：

路面的功能等级，维护的类型和水平，用于初期修建的资金，寿命周期费用和其它工程上的考虑。

1.6寿命周期决策（LCS）

任何路面设计的寿命周期决策是与该路面预计养护维修计划相结合的，并取决于主要条件下的预期路面性能。

在路面寿命期间首先考虑设计过程，最终路面设计成果不仅受到路面特性影响，而且与其可维修性（维修频率和类型）及路面恢复程度有关，因此，寿命周期决策考虑整个分析期间路面结构性与经济性的综合效果。

在路面管理系统中的所有道路路面应按寿命周期决策予以管理，并通过修正以满足费用优化。

1.7结构目标（STO）

当路面初次设计或更新设计时，路面设计应满足当前服务目标且符合寿命周期决策。

此外，为使设计者更好地对更新设计与适当的改善相比较，应进行基本费用分析，这个过程中要考虑现况道路路基或要改善路面的结构承载力。

基本结构目标被概括为：

在预计环境条件下形成具有充分承载能力的结构上平衡的路面结构，以满足由功能性服务水平决定的功能性要求，包括寿命周期决策中预计的设计与维修，使按照服务目标在结构设计期中实现交通费用优化。

1.8路面设计过程框图

1．设计理论与方法

服务目标

分析期

结构设计期

寿命周期决策

结构设计目标

↓

2．道路种类

分类与定义

↓

3．路面设计

承载力

分析期的选择

结构设计期的选择

路面结构的平衡

↓

4．设计交通量与路面等级

（转至3，重复）

交通分级（ES0.003-ES100）

等效轴载

敏感性分析

↓

5．材料

（转至3，重复）

材料列表

可用性

单价

↓

6．环境

气候分区

材料厚度

路基范围的描述

设计CBR（填方、挖方）

↓

7．实际考虑

排水

压实

有问题的路基

横断面形式

人工建筑方法

环境影响

↓

8．结构设计与路面类型选择

（转至3，重复）

路面设计方法

路面特性

临界条件

路面层选择

查表法

↓

9．费用分析

（转至3，重复）

费用现值

建设费

贴现率

未来管理费

残值

道路使用费

第二章用于路面设计的交通轴载调查

进行交通轴载调查是为了获得路面设计的数据以及对路面性能进行评价。

一般采用两种轴载称重方法，一种是在车辆运动时称重即动力方法；另一种是在车辆停止时称重即静力方法。

针对实测时各种变化提出了车辆荷载的不同特性与分布以及量测轴载的方法。

2.1影响车辆测重的因素

当车辆运动时，轮载或轴载发生连续变化，这些变化由多种因素引起，包括设计、建造和车辆的力学条件，道路坡度及表面粗糙度和车辆驾驶方法（如加速，制动，转弯），以及气候因素等。

因此，施加在道路上的动载，应随时间与地点不同而短暂变化。

2.1.1实际车辆荷载分布影响

车辆称重的基本误差来自实际上荷载集中与分布不定，误差程度取决于：

测重轴的倾斜与水平程度；轴距及轮间空间大小；轴的中心之上的荷载高度。

因此，车辆应尽可能在一水平地点称重是重要的，即要求车的所有轮停驻在一个平面上。

2.1.2加减速运动时荷载分布的变化

车辆加减速运动时，减速制动产生前轴荷载增加和后轴荷载减少；加速情况与其相反。

因此，在测重点上应保证车辆缓慢运动以消除其影响，量测时制动必须取消。

2.1.3量测的重复要求

轴载连续量测时存在偏差，这是由于各种因素造成，如货物及车辆重心的变化、轴与其连接部件位置的变化、称重时车的排列、平整度等。

重复量测的平均结果可使前述影响减小。

2.2动态车辆称重

在多车道道路，地形和交通流条件不允许对所有车辆静态测重时，可采用永久或半永久装置以及轻便装置进行动态测重。

2.2.1地点选择步骤

选择调查路段，以100m为单元，其PSI现时服务能力指数大于2.8。

选择可安置记录仪的路侧范围。

测重范围内的道路满足：

离交叉口、上下坡大于200m；无公交车站等停车点；在直线段；具有足够的视距等，或行车观察选定平整部分。

路上划线。

标记车辆平均轮迹位置。

选定最终检测器位置。

需找出各车道中交通量最大者，重量检测器则安置于此。

2.2.2可利用设备

可利用设备范围广泛，依据设计、安置和操作不同可以分为永久式、运载式和便捷式称重设备。

在正常速度下永久式、运载式称重设备适于在已建道路网高交通密度区域监视交通趋势。

在减速下永久式、运载式称重设备测重一般用于检修道路或车辆沿标线慢行的专用道路。

在正常速度下便捷式轴重检测器用于非预备测点处测重，是以片状粘贴在路表。

复杂检测系统可得到以下车辆与交通参数：

轴重；轴距；车长；轮胎触地长度；车速；车辆分类。

这些数据可通过电话连接或存储在可移动存储器并转换到主机，而后可被加工。

也可利用一个简单的只连接重量检测器的数据收集器，从而可收集已知时间段的轴重数据。

2.2.3轴重量测设备的校核

动态测重时，检测设备的工作状态检查是重要的。

永久式、运载式称重设备可以在工厂标定，用标准重物标定，或用已知轴重的卡车标定。

便捷式测重设备一般在工厂标定，对于安装后设备状态的检查，以已知轴重的重车标定，野外标定可与测点附近相当于交通流随机取样的静态量测轴载比较。

当发现设备精度差异时，靠查阅手册或联系厂商以更正。

2.3静态车辆称重

通常每周两三天在白天称重。

这一过程与直观调查相结合得到对该点总体交通的估计。

2.3.1称重精度

当对车辆静态量测时，在重交通路段，往往对总交通中的样本进行量测，静态量测一般精度为1%以内。

2.3.2地点选择

静态量测的地点应符合：

在道路直线段；在路表平整路段，纵坡小于2%，有正常横坡与路拱；交叉口、弯道、坡道在至少200m以外，以保证测点安全。

静态测重测点依据设备而变，永久式测重设备需复杂规划设计，设施齐全；便携式轴重量测设备利用足够宽路肩或关闭一个车道，以利于良好交通控制。

2.3.3可利用设备

测重设备一般归类为电子、液压或机械操纵系统及其结合型，轴重称和分计轮重称为独立单元，不宜移动，与基础一体，可被看作为永久性设备。

轮组或车辆测重设备可量测粗略车重或轴组重。

2.3.4轴重量测设备的标定

永久地秤或称重平台以标准重物在测点标定，标定4点，范围在4—16吨。

便携式与分轮测重器以压力机静压标定，压重从2—8吨，2吨一级。

第三章路面设计的基本条件

3.1道路种类

道路管理者一般根据社会服务目标要求采用各种道路类型以适应不同服务水平，每种道路类型应有一定的线形与结构标准保证满足分析期道路服务目标，重要的道路其服务水平高，因而其力学特性与标准也高，在结构设计期被破坏的危险性则减少（设计可靠性高）。

确定了道路的服务目标和功能性服务水平，道路管理者可大致预计道路类型，承载能力与结构质量，其中A类道路比B，C，D类道路路面以高功能性而标准高（在安全、行车质量、舒适性等方面）。

表4.1道路分类

道路种类

描述

主要城间高速路,乡村道路

城间干道

乡村道路

轻交通乡村道路,战备路

乡村支路

重要度

非常重要

重要

不重要

服务水平

非常高

高

中等

中到低

危险性

非常低

低

中等

高

设计可靠度%

总标准轴次/车道（年限）

3-100×106，20年

0.3-10×106，取决设计决策

<3×106，取决设计决策

<1×106，取决设计决策

路面等级（ES）

等效标准轴等级

ES10-ES100

ES1-ES10

ES0.003-ES3

ES0.003-ES1

日交通量（e.v.u）

等效车辆单位

>4000

600-10000

<600

<500

路面行车质量

PSI

HRI（mm/m,m/km）

路面临界行车质量

PSI

HRI（mm/m,m/km）

3.5-4.5

1.5-1.0

2.5

2.4

3.0-4.5

2.0-1.0

2.0

3.5

2.5-3.5

2.7-1.5

1.8

3.9

2.0-3.5

3.5-1.5

1.5

4.5

警告车辙水平mm

临界车辙水平mm

超过临界条件的道路范围%

3.2路面承载—标准轴载

同其他工程结构物一样，路面结构应具有抵抗荷载作用，其荷载考虑为车辆荷载谱，南非与许多国家一样规定标准轴载为80kN，而其法定最大允许荷载为88KN，见表4.2。

路面设计承载能力以标准轴载重复次数表示，在其作用下的路面老化为临界条件，即路面结构破坏至无法满足服务目标要求的功能性服务水平。

路面承载能力用106单位的标准轴载谱说明，在路面结构设计中，一般车辆荷载谱应转化为等效标准轴载，针对不同设计目标、路面结构类型与组成，相同交通量可能转化为不同的等效轴载次数。

表4.2法定允许轴载

轴型

轮数/轴

轴载（kN）

单（转向）

单（非转向）

单

>=4

双

>=4

三

>=4

78.3

3.3设计年限

3.3.1分析期的选择

路面设计需提出一个适当的分析期，分析期经常与道路线形有关，如果道路线形是适当的，可采用30年的分析期。

在不确定或较差的线形或交通条件改变的情况下，所考虑的路面寿命具有时间限度，则应采用较短分析期，表4.3列出了各种道路类型的分析期范围与建议值。

3.3.2结构设计期的选择

选择适当的结构设计期，可满足符合路面设计要求的寿命周期决策，这也依赖于可用资源的数量、质量、以及政策导向。

某一寿命周期决策可以是在初期建设阶段考虑采用较低标准，而后是高投入和大力度的长期管理维修过程；而另一极端是初期标准较高及比较低的管理维修要求。

结构设计期采用值见表4.3。

对于A类道路，其结构设计期相对较长，原因是：

（1）属最重交通道路；

（2）选择较短结构设计期将造成道路使用者费用较高，造成的交通混乱抵消了路面费用的节省；（3）一般道路线形是确定不变的；（4）公众往往不接受道路管理者对所建路面的重大维修。

B、C、D类道路的结构设计期则依次减小。

表4.3分析期与结构设计期采用值

路面分类

分析期范围

20-40

15-30

10-30

10-20

建议高限

建议低限

10-15

结构设计期范围

15-30

15-25

10-20

7-15

建议

3.4路面结构平衡性要求

路面结构设计的目的是获得一个结构平衡的路面，因为路面是一个由各路面结构层构成，相互作用为一体的组合系统，各结构层在最大承载力下达到相同破坏程度为良好的结构平衡状态，该路面结构承载力将随路面厚度增加而均匀增加，直至达到路面承载目标。

如路面最终承载力主要由上层结构提供，则路面结构较薄，反之则较厚，路面的薄厚变化是相对的，路面相关破坏指数n一般随路面厚度增加而增加。

3.5设计荷载交通量

作用于路面的所有各个轴载累积破坏影响一般以等效80KN单轴轴载作用次数表示。

因此，在结构设计中，假定两者均达到相同破坏程度，以此为基础估计分析期间累积等效交通量是必要的。

累积等效交通量是通过将预计交通荷载谱转换为每车道每日等效轴次，并对整个设计期间累加得到，代表设计荷载交通量。

5用于路面结构设计的路面与交通分级

3.5.1在查表进行路面设计时，将路面划分为ES0.003至ES100十个等级，其中包含了极轻到极重交通，见表4.4，路面各个分级中设计承载能力定义为单车道百万80kN标准轴次。

分别给出了各路面等级交通量，ES0.003-ES3的交通量采用每日每车道车辆数，ES10-ES100的交通量采用每日每方向车辆数。

ES0.003-ES3通常是轻至极轻交通，其路面材料从粒料到表面处治，通常比中交通的气候敏感性大，其间各路面等级界限不很严格，需经仔细判断选择合适的路面等级。

ES1-ES100是轻至非常高的交通量或高比例满载重交通条件，这种道路具备全天候良好路面条件。

表4.4用于结构设计的路面与交通分级

路面等级（ES）

等效标准轴等级

路面设计承载能力

（百万80kN轴次/车道）

交通容量与类型

近似v.p.d./车道

（每日车辆数/车道）

状况描述

ES0.003

<0.003

非常轻交通等级道路

很少重载交通，包括砂石路面至表面处治道路，半永久或全天候路面条件

ES0.01

0.003-0.01

3-10

ES0.03

0.01-0.03

10-20

ES0.1

0.03-0.1

20-75

ES0.3

0.1-0.3

75-220

ES1

0.3-1

220-700

轻交通道路，主要为小汽车，轻货车和农用车，很少重交通

ES3

1-3

>700

中交通容量，少重车

ES10

3-10

>700

高交通容量，多重车

ES30

10-30

>2200

非常高交通容量，高比例满载重车

ES100

30-100

>6500

3.5.2确定平均日车道等效轴次的不同荷载信息来源

适当的路面类型选择关键在于正确估计设计交通量，设计交通量是结构设计期间最大交通量车道累积等效标准轴次。

它的计算需要估计现况交通量并将其换算为平均日等效交通量（ADE），观测期平均每日单车道等效轴次，可通过以下荷载信息源计算确定：

公布的观测结果；运输规划模型；查表法；测重法。

3.5.3将交通荷载信息转化为设计标准轴次

通过动、静态观测得到的信息是各种确定轴载及其重复次数，它们具有不同荷载等效系数（F），与路面组成与类型，材料类型，边界条件，破坏模型和道路可靠度有关。

F=（P/80）n，P为各种确定轴载大小；n为相关破坏指数。

相关破坏指数一般为4，但路面结构对超载敏感，特别是较薄水泥稳定基层路面的n值大于4。

表4.5通过重车模拟实验研究得到各类路面建议破坏指数。

平均日等效交通量计算公式为：

ADE=∑tj×Fj

其中tj为各种确定轴载的重复次数；Fj为不同荷载等效系数。

表4.5各类路面建议n值

路面（基层，底基层）类型

范围

建议

碎石/碎石

3-6

碎石/水泥稳定类

2-4

水泥稳定类/碎石

早期破坏

后期破坏

4-10

3-6

水泥稳定类/水泥稳定类

早期破坏

后期破坏

3-6

2-5

4．5

热沥青类/水泥稳定类

2-5

3.5.4计算年均日标准轴次（标准轴次）

理想的交通量数据应通过长期观测得到以减少不利影响，但这往往难以做到，采用年均日标准轴次可对交通流各种变化予以修正，将每车道每年总标准轴次除以365得到年均日标准轴次，无论交通量数据来自最新调查还是历史信息，确定年均日标准轴次考虑以下修正因素：

平日与休息日的变化

异常环境与平常期的变化

季节性变化

3.5.5交通量车道横向分布的估计

对于多车道道路，单方向交通分布于各个车道，还应注意混合交通量分布与等效交通量分布不同，交通量分布也根据线形要素、纵坡等条件沿道路长度而改变，分布系数如表4.6所示，该系数值被认为是最大值，可根据使用者经验调整减小。

表4.6混合交通量与等效交通量在车道及路肩分布系数Be与B

双向车道数

设计分布系数Be或B

铺面路肩

车道1（外）

车道2

车道3

等效交通量（标准轴次）系数Be

0.95

0.70

0.95

0.70

0.30

0.60

0.25

混合交通量（总轴数）系数B

0.70

0.30

0.70

0.30

0.50

0.40

年均日单车道等效轴次（AADE）可由下式计算：

AADE=ADE×Be

3.5.6确定未来交通荷载

交通量增长率考虑两个影响因素，即重车交通量增长；重车荷载增长，可按以下方法确定：

历史增长率；南非乡村道路交通模型。

设计者应慎重确定增长指数，考虑其可靠性及是否符合当地条件，包括：

区域内重车数量额外增长是否可能；

经济增长如何；

变更运输模型的可能性；

政府政策影响如何（鼓励或限制车载等）；

有多少交通量转移至所计划的新路；

增长率可否为负；

对不同增长率2，4，6，8%进行的敏感性分析。

表4.7交通量增长率范围

道路类型

增长率范围

2-12

2-10

2-15

典型增长率

不定

3.5.7结构设计期交通荷载的确定

3.5.7.1对初期基年的考虑

上述确定AADE的时刻一般早于设计开始期，设计初年交通量应考虑增长系数如下：

gx=（1+i%）xx：

确定交通量与设计开始期间年限。

故设计初年交通量由下式确定：

AADE（初）=AADE×gx

3.5.7.2累积标准轴次的计算

路面设计分析期间可采用不同交通量增长率，计算设计初年AADE采用增长系数gx，各个增长期的累计标准轴次计算采用增长系数fy，最后累加得到设计期标准轴次。

而后设计者应根据表4.4，确定设计交通等级。

标准轴次（总）=∑AADE（初期）×fyfy：

累积系数

3.5.8确定交通量的敏感性分析

对于计算累计标准轴次信息的不精确性，需进行敏感性分析，从而得到基本数据对最终决策的影响的变化规律。

3.6路面材料

道路路面设计中选择路面材料应考虑材料可用性，环境，建筑方法，经济性和已有经验，结合设计期寿命周期决策确定最适合当地条件的材料种类。

路面材料分类见表4.8。

表4.8路面材料分类简况

代号

材料

分类简况

级配轧制碎石

密级配未风化轧制碎石，最大粒径37.5mm，表观密度86-88%，土的塑性指数PI〈4。

密级配轧制碎石，最大粒径37.5mm，体积密度85%，土的塑性指数PI〈6。

密级配碎石土，最大粒径37.5mm，土的塑性指数PI〈6。

G10

轧制或天然碎石

天然碎石

碎石土

最小CBR为80%，最大粒径37.5mm，土的塑性指数PI〈6，最大膨胀率0.2%；

最小CBR为45%，最大粒径63mm或2/3层厚，土的塑性指数PI〈10，最大膨胀率0.5%；

最小CBR为25%，最大粒径63mm或2/3层厚，土的塑性指数PI〈12，最大膨胀率1.0%；

最小CBR为15%，最大粒径2/3层厚，土的塑性指数PI〈12，最大膨胀率1.5%；

最小CBR为10%，最大粒径2/3层厚，土的塑性指数PI〈12，最大膨胀率1.5%；

最小CBR为7%，最大粒径2/3层厚，土的塑性指数PI〈12，最大膨胀率1.5%；

最小CBR为3%，最大粒径2/3层厚。

水泥稳定轧制碎（砾）石

水泥稳定天然碎（砾）石

无侧限抗压强度6-12Mpa，G2以上碎石，密级配，最大粒径37.5mm；

无侧限抗压强度3.5-6Mpa，最小直拉强度400Kpa，G2或G4以上碎石，密级配，最大粒径37.5mm，最大细料损失5%；

无侧限抗压强度1.5-3.5Mpa，最小直拉强度250Kpa，最大粒径63mm，最大塑性指数为6，最大细料损失20%；

无侧限抗压强度0.75-1.5Mpa，最小直拉强度200Kpa，最大粒径63mm，最大塑性指数为6，最大细料损失30%。

BEM

BES

乳化沥青改善碎（砾）石

乳化沥青稳定碎（砾）石

残留沥青0.6-1.5%，最小CBR为45，最小无侧限抗压强度500Kpa；

残留沥青1.5-5%，最小直拉强度100Kpa，最小弹性模量1000Kpa。

BC1

BC2

BC3

热沥青混合料

最大粒径53mm；

连续级配，最大粒径37.5mm；

连续级配，最大粒径26.5mm；

半间断级配，最大粒径37.5mm。

沥青表层

间断级配

连续级配

半间断级配

开级配

多孔排水沥青路面

表面处治

砂封层

石屑封层

沥青稀浆封层

表面更新

单层

多层

细级配

中级配

粗级配

再生

稀释乳液

展开阅读全文