《道路工程》第八4章.docx

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《道路工程》第八4章

8.6新建路面设计

8.6.1设计指标

1）路表容许弯沉值lR作为路面结构整体刚度、强度、承载能力的控制指标：

lSlR（8-22）

式中lS—路表面实际回弹弯沉值。

2）沥青面层和整体性基层底面容许弯拉应力R作为验算指标：

rR（8-23）

式中r—路面结构层最大弯拉应力。

3）高温季节沥青材料面层容许剪应力R作为验算指标：

aR（8-24）

式中a—面层破裂面上剪应力。

公路设计时只进行路表容许弯沉值（设计弯沉值）计算，整体性基层底面容许弯拉应力验算。

城市道路设计时按上述三项指标进行计算和验算。

8.6.2设计弯沉值确定

1）路表弯沉的变化规律

道路建好后路表弯沉的变化规律见图8-26，图中纵坐标是以竣工后第一年不利季节弯沉l0为基数的相对弯沉。

路表弯沉变化分为三个阶段。

第一阶段——路面竣工后第一、二年。

由于交通荷载的压密作用以及半刚性基础材料强度的增长，路表弯沉逐渐减少，在竣工后第二年达到最小值。

第二阶段——路面竣工后两至四年。

由于在交通荷载的重复作用、水温状况变化以及材料不匀等因素影响下，路面结构内部的微观缺陷扩散，形成小范围局部破损，使结构整体刚度下降、弯沉增大。

该阶段弯沉不断增大为主要特征。

第三阶段——路面竣工后三四年至路面达到极限破坏状态。

该阶段路面结构刚度达到较低水平的新的相对稳定，路表弯沉进入一个比较稳定的缓慢发展阶段，即结构疲劳破坏的稳定发展阶段，一直延续至出现疲劳破坏。

图8-26弯沉逐年变化曲线

2）容许弯沉值lR

按沥青路面的外观，将沥青路面的外观状况分为五个等级，见表8-14。

表8-14沥青路面外观等级划分标准

外观等级

外观状况

路表表面外观特征

一

好

坚实、平整、无裂缝、无变形

二

较好

平整、无变形、少量发裂

三

中

平整、有轻微变形、有少量纵向或不规则裂缝

四

较坏

有明显变形、有较多纵横向裂缝或局部网裂

五

坏

连片严重龟裂（网）裂或有车辙、沉陷

第四级作为路面达到临界破坏状态，路面处于使用期末，此时不利季节实测路表弯沉与该路面经受的标准轴载之间存在良好的对数关系，见图8-27。

将路面使用期末，在标准轴载作用下容许出现的最大回弹弯沉值定义为容许弯沉值lR。

图8-27一级公路沥青路面容许弯沉试验结果

3）设计弯沉值ld

路面使用期末的弯沉值与竣工时的弯沉值不同，因此不能直接用容许弯沉值作为竣工时验收的标准。

半刚性基层材料设计龄期为6个月，接近路面竣工后第一个不利季节，路面竣工后第一年不利季节的弯沉值与最大刚度状态对应的弯沉值接近，因此将路面竣工后第一年不利季节的路面状态假定为路面整体结构的最大刚度状态和路面结构的设计状态，设计弯沉值ld与竣工验收弯沉值l0及容许弯沉值lR之间关系为：

ld=l0=lR/AT（8-25）

式中AT—相对弯沉变化系数，AT=1.2。

观测资料分析得到容弯沉值与标准轴载累计作用次数的关系：

（8-26）

式中ld—路面设计弯沉值，0.01mm；

Ne—设计年限内一个车道累计当量轴载；

Ac—公路等级系数，高速公路、一级公路Ac=1.0；二级公路Ac=1.1；三、四级公路Ac=1.2；

As—面层类型系数，沥青混凝土路面As=1.0；热拌沥青碎石路面、上拌下贯式路面As=1.1；沥青表面处置As=1.2；中、低级路面As=1.3；

Ab—基层类型系数，半刚性基层、底基层总厚度20cm，Ab=1.0；柔性基层、低基层Ab=1.6。

目前，城市道路设计规范仍然采用容许弯沉值作为柔性路面厚度设计时的控制的路表弯沉值。

许多城市道路采用公路规范进行路面结构设计。

8.6.3轴载换算

我国公路沥青路面设计规范（97规范）提出的轴载换算公式：

1）以设计弯沉值为指标以及验算沥青面层层底弯拉应力

（8-27）

式中N—标准当量轴次，次/d；

ni—换算车型各级轴载作用次数，次/d；

P—标准轴载，kN；

Pi—换算车型的各级轴载，kN，Pi>25；

C1,i—轴数系数。

轴距>3m，按单轴计算，C1,i=m（轴数）；当轴距<3m，按双轴或三轴计算，C1,i=1+1.2（m-1）；

C2,i—轮组系数，单轮组C2,i=6.4，双轮组C2,i=1，四轮组C2,i=0.38。

2）进行半刚性基层层底弯拉应力验算

（8-28）

式中Pi—换算车型的各级轴载，kN，Pi>50kN；

C’1,i—轴数系数。

轴距>3m，按单轴计算，C’1,i=m（轴数）；当轴距<3m，按双轴或三轴计算，C’1,i=1+2（m-1）；

C’2,i—轮组系数，单轮组C’2,i=18.5，双轮组C’2,i=1.0，四轮组C’2,i=0.09。

8.6.4路面弯沉计算

计算包括理论弯沉l、实际弯沉lS和设计弯沉值ld计算与确定。

1）理论弯沉计算l

（8-29）

2）实际弯沉计算lS

理论计算得到的路表回弹弯沉与路面实际弯沉值有出入，必须进行修正，采用弯沉综合修正系数进行修正。

（8-30）

式中F—综合修正系数。

路面设计时lSld，取lS=ld，则：

（8-31）

理论弯沉系数为：

（8-32）

用途：

已知ld，利用综合修正系数F求路面结构厚度。

例如，新建道路设计时，已知路面结构层参数，采用上式可以计算路面结构某一层结构的厚度。

3）多层体系换算

实际路面结构层往往多于三层，利用三层体系计算图必须进行等效换算成当量三层体系（采用专用程序APDS97计算，不需要换算），即：

保持面层的模量E1和厚度h1不变，路基模量E0不变，其间各层利用下式换算为模量与第二层模量相同的等效层，见图8-28。

（8-33）

图8-28等效路表回弹弯沉的结构层换算

4）路基土和路面材料的回弹模量

（1）路基土回弹模量值E0

路基土回弹模量值E0取决于土的类型、性质、湿度和密度。

路面设计时采用最不利季节实测确定，通常采用经验方法或查表：

（8-34）

式中K—土的压实度；

wc—土的稠度；

A、a、b—随地区和土的类型而异的试验参数。

路面设计过程中通常根据自然区划、土性及稠度查表确定值E0。

高等级公路通常采用低剂量石灰处理（石灰含量4%~7%）土基，路基回弹模量E0大幅度提高，可达到200~250MPa。

（2）路面材料回弹模量值

路面材料回弹模量值受材料来源、组成、施工工艺、气候等影响，应根据现场具体条件试验确定。

高等级道路，在初步设计阶段，对拟选材料在选定配合比基础上按道路有关试验规程实验确定；在工程可行性研究阶段及其他道路的初步设计阶段可以查表确定。

表8-15-1沥青混合料设计参数

材料名称

抗压模量（MPa）

15C劈裂强度（MPa）

备注

20C

15C

细粒式沥青混凝土

密级配

1200~1600

1800~2200

1.2~1.6

AC-10,AC-13

开级配

700~100

1000~1400

0.6~1.0

OGFC

沥青玛蹄脂碎石

1200~1600

1600~2000

1.4~1.9

SMA

中粒式沥青混凝土

1000~1400

1600~2000

0.8~1.2

AC-16,AC-20

密级配粗粒式沥青混凝土

800~1200

1000~1400

0.6~1.0

AC-25

沥青碎石基层

密级配

1000~1400

1200~1600

0.6~1.0

ATB25,ATB35

半开级配

600~800

—

—

AM-25,AM-40

沥青贯入式

400~600

—

—

—

表8-15-2基层设计参数

材料名称

配合比或

规格要求

抗压模量E（MPa）

（弯沉计算用）

抗压模量E（MPa）

（拉应力计算用）

劈裂强度（MPa）

水泥砂砾

4%~6%

1100~1500

3000~4200

0.4~0.6

水泥碎石

4%~6%

1300~1700

3000~4200

0.4~0.6

二灰砂砾

7:

13:

80

1100~1500

3000~4200

0.6~0.8

二灰碎石

8:

12:

80

1300~1700

3000~4200

0.5~0.8

石灰水泥粉煤灰砂砾

6:

3:

16:

75

1200~1600

2700~3700

0.4~0.55

水泥粉煤灰碎石

4:

16:

80

1300~1700

2400~3000

0.4~0.55

石灰土碎石

粒料>60%

700~1100

1600~2400

0.3~0.4

碎石灰土

粒料>40%~50%

600~900

1200~1800

0.25~0.35

水泥石灰砂砾土

4:

3:

25:

68

800~1200

1500~2200

0.3~0.4

二灰土

10:

30:

60

600~900

2000~2800

0.2~0.3

石灰土

8%~12%

400~700

1200~1800

0.2~0.25

石灰土处理路基

4%~7%

200~350

—

—

级配碎石

基层连续级配型

300~350

—

—

基层骨架密实型

300~500

—

底基层、垫层

200~250

—

填隙碎石

底基层

200~280

—

—

未筛分碎石

做底基层用

180~220

—

—

级配砂砾、天然砂砾

做底基层用

150~200

—

—

中粗砂

垫层

80~100

—

—

注：

路面设计时，弯沉计算中沥青混合料采用20C时的抗压回弹模量；对于半刚性材料中水泥稳定类粒料和细粒土，采用龄期为3个月的抗压回弹模量，对于石灰粉煤灰稳定粒料或细粒土、石灰稳定材料，采用龄期为6个月的抗压回弹模量。

表8-15-3碎、砾石土的设计参数

碎石含量

路基干湿类型

回弹模量值（MPa）

密度（t/cm3）

含水量（%）

>70%

干燥

90~100

2.05~2.25

7

中湿

70~80

2.00~2.20

8

潮湿

55~65

1.95~2.15

11

50~70

干燥

75~85

2.00~2.20

7

中湿

55~65

1.95~2.15

8

潮湿

45~55

1.90~2.10

11

30~50

干燥

47~57

1.90~2.10

<10

中湿

30~40

1.85~1.95

10~15

潮湿

20~30

1.75~1.85

>15

<30

干燥

30~40

1.80~1.90

<10

中湿

15~25

1.70~1.80

10~15

潮湿

15

1.60~1.70

>15

例1：

已知ld=0.39mm，选用BZZ100为标准轴载，p=0.7MPa，=10.65cm。

根据ld确定第三层水泥稳定砂的厚度。

表1路面结构层参数

层次

材料

名称

层厚

（cm）

抗压回弹模量（20C）（MPa）

抗压回弹模量（15C）（MPa）

1

AC-16

4

1200

1800

2

AM-30

6

800

3

水泥稳定砂

？

1500（弯沉）/3000（拉应力）

4

石灰土

15

400（弯沉）/1200（拉应力）

5

土基

39

解：

按设计弯沉计算路面厚度：

1）计算综合修正系数

2）计算l’

3）进行3层体系换算

h1=4cmE1=1200MPa

h=h1=4cmE1=1200MPa

h2=6cmE2=800MPa

h3=?

E3=1500MPa

H=?

cmE2=800MPa

h4=15cmE4=400MPa

E0=39MPa

E0=39MPa

图1弯沉3层体系换算图

h/=4/10.65=0.38E2/E1=800/1200=0.67查图得：

=7.3

h/=4/10.65=0.38E0/E2=39800=0.05查图得：

k1=1.0

k2=0.68h/=0.38E0/E2=0.05查图得：

H/=3.4，H=3.410.65=36.2cm

h3=14.6cm取h3=15cm。

8.6.5路面结构层的应力验算及防冻层厚度检验

1）路面结构层弯拉应力验算

路面结构层在交通荷载作用下层底面产生弯拉应力应满足（8-9）要求。

（1）结构层弯拉应力计算

路面结构层在交通荷载作用下层底面产生弯拉应力可以采用程序（APDS97）计算，也可采用三层体系诺模图计算。

（8-35）

式中r1—三层体系上层底面弯拉应力；r2—三层体系中层底面弯拉应力。

、m1、m2、n1、n2—查三层体系上层、中层底面弯拉应力系数诺模图。

（2）多层路面换算

采用三层体系计算时需要将多层路面按应力相等的原则换算成上层、中层和下层半空间体的弹性三层体系，然后用三层体系诺模图计算对应层底面弯拉应力。

上层底面弯拉应力

上层指换算为三层体系的上层，见图8-29。

换算方法是：

计算第x层底面弯拉应力时，将x层以上的各层换算为模量为Ex、厚度为h的一层，即上层；将x+1至n-1层换算为模量为Ex+1、厚度为H的一层，即中层，换算公式为：

（8-36）

图8-29多层体系计算上层底面弯拉应应力换算图

中层底面弯拉应力

中层即为路基之上的n-1层底面弯拉应力，中层为H=hn-1，上层为n-2层和以上各层换算为模量En-2的换算厚度，换算公式为：

（8-37）

图8-30多层体系计算中层底面弯拉应应力换算图

结构层材料的计算模量和强度

验算结构弯拉应力时，各层模量均采用抗压回弹模量。

沥青混凝土面层采用15C时的抗压回弹模量和劈裂强度；水泥稳定类材料为龄期90天的抗压回弹模量和劈裂强度；二灰稳定类和石灰稳定类材料为龄期180天的抗压回弹模量和劈裂强度。

结构层材料的容许拉应力

（8-38）

式中R—容许拉应力，MPa；

sp—沥青混凝土或半刚性材料在规定温度和龄期的劈裂强度，MPa；

Ks—抗拉强度结构系数。

沥青混凝土面层：

（8-39）

式中Aa—沥青混凝土级配类型系数。

细、中粒式沥青混凝土Aa=1.0，粗粒式沥青混凝土Aa=1.1。

无机结合料稳定集料类：

（8-40）

无机结合料稳定细粒土类：

（8-41）

2）路面结构层的剪应力验算

路面结构在垂直和水平交通荷载作用下产生的剪应力应满足（8-12）式。

（1）破坏面上的剪应力和正应力

处于三向受力状态的路面结构，在其破坏面上取单元体，其三个主应力分别为1、2、3，且1>2>3。

依据莫尔强度理论，材料的剪切破坏与破坏面上的剪应力和正应力相关，且决定于1和3。

图8-31莫尔圆应力分析图

破坏面上的剪应力a和正应力a为：

（8-42）

由于m=（1-3）/2，（8-42）可以写成：

（8-43）

路表面轮缘计算点D在f=q/p=0.3条件下的m，1，可由诺模图直接查得，其他的f值按下式求得：

（8-44）

（2）面层材料的抗剪强度和容许剪应力R

根据库仑理论，材料的抗剪强度取决于材料的粘聚力、内摩擦角以及破坏面上的正应力：

（8-45）

式中c、—路面材料的粘聚力和内摩擦角。

路面材料的容许剪应力：

（8-46）

式中K—抗剪结构强度系数。

停车站、交叉口等缓慢制动处（f=0.2），沥青混合料的抗剪强度结构系数为：

（8-47）

式中Nt—停车站、交叉口在设计年限内同一位置累计标准轴载作用次数。

紧急制动情况下（f=0.5）：

（8-48）

（3）多层路面换算

多层路面沥青面层剪应力计算时，需要将多层路面按剪应力等效的原则换算为三层体系，才能使用诺模图，换算方法与弯沉计算相同，既以沥青面层为上层、将其下和路基之上各层换算为中层。

（4）结构层材料的抗剪强度参数及计算回弹模量

结构层材料的抗剪强度参数c、采用三轴试验确定，试验温度为当地实际最高月份温度的平均值。

结构层计算回弹模量采用抗压回弹模量。

3）防冻层厚度验算

季冻区的中湿、潮湿路段，应对路面结构进行防冻层厚度检验。

路面结构的总厚度应大于最小防冻厚度的规定，不足采用加垫层补足。

道路多年最大冻深采用下式计算：

（8-49）

式中Zmax—道路多年最大冻深，m；

a—路面路基材料热物性参数；b—路基湿度系数；c—路基断面形式系数；

Zd—大地标准冻深，m。

表8-16-1路面结构层材料热物性系数a

路基材料

粘质土

粉质土

粉土质砂

细粒土质砾、粘土质砂

含细粒土质砾（砂）

热物性系数

1.05

1.1

1.2

1.3

1.35

路基材料

水泥混凝土

沥青混凝土

二灰土及水泥土

二灰碎石及水泥碎（砾）石

级配碎石

热物性系数

1.4

1.35

1.35

1.4

1.45

表8-16-2路基湿度系数b

干湿类型

干燥

中湿

潮湿

过湿

湿度系数

1.0

0.95

0.90

0.80

表8-16-3路基形式系数c

填挖形式

路基填土高度（m）

路基挖方深度（m）

零填

2

4

6

>6

2

4

6

>6

断面形式系数

1.00

1.02

1.05

1.08

1.10

0.98

0.95

0.92

0.90

例2．广西南宁地区新建二级公路，经调查路基土为高液限粘土，地下水位1m,路基填土高度为1.2m。

近期交通量如表所示，交通量年增长率为7%。

拟选沥青混凝土面层，沥青混凝土的c=0.25MPa、=40，Nt=15%Ne，使用年限为15年。

该公路为双车道混合交通，车道系数取=0.7,沿线可开采碎石、砂砾，并有粉煤灰、石灰供应。

试设计该路面结构和厚度。

表1交通组成表

车型

黄河JN150

东风EQ140

太脱拉138

上海130

小汽车

辆/日

720

1080

240

120

100

解：

1）交通量计算

计算弯沉和验算沥青面层层底弯拉应力时，按下式计算交通量，计算结果见表2。

表2交通量计算表

车型

Pi

（kN）

C1,i

C2,i

C1,iC2,i（Pi/P）4.35

ni

次/日

nbi

次/日

黄河

JN150

后轴

101.6

1

1

1.071

720

771.1

前轴

49.0

1

6.4

0.287

720

206.6

东风

EQ140

后轴

69.3

1

1

0.203

1080

219.2

前轴

22.7

1

6.4

0.010

1080

10.8

上海130

后轴

23.0

1

6.4

0.011

100

1.1

太脱拉

138

后轴

80.0

2.2

1

0.758

240

181.9

前轴

51.4

1

6.4

0.354

240

85.0

N=nbi=1476次/日

进行半刚性基层层底弯拉应力验算时，按下式计算交通量，计算结果见表3。

表3交通量计算表

车型

Pi

（kN）

C’1,i

C’2,i

C’1,iC’2,i（Pi/P）8

ni

次/日

nbi

次/日

黄河JN150

后轴

101.6

1

1

1.135

720

817.5

前轴

49.0

1

18.5

0.061

720

44.3

东风EQ140

后轴

69.3

1

1

0.053

1080

57.4

太脱拉138

后轴

80.0

3

1

0.503

240

120.8

前轴

51.4

1

18.5

0.090

240

21.6

N’=nbi=1062次/日

设计年限内一个车道上累计当量轴次为：

（次）

（次）

2）确定土基回弹模量E0

广西南宁地区属

7，估计路面厚度0.6m。

H=1.2+1-0.6=1.6m

查表H1=1.7~1.8（干燥），H2=1.4~1.5（中湿）。

H2

wc=1.025

查表得：

E0=35MPa

3）拟定路面结构及参数

拟定路面结构方案，确定路面材料回弹模量和极限抗弯拉强度见下表4：

表4路面结构及参数表

层

次

材料

名称

层厚

（cm）

抗压回弹模量（MPa）

劈裂强度

（MPa）

15C

20C

1

AC-16

4

1800

1200

1.0

2

AM-30

6

800

3

二灰砂砾

？

3000（拉应力）/1500（弯沉）

0.7

4

天然砂

15

150

5

土基

35

4）计算设计弯沉值

（0.01mm）

5）计算容许弯拉应力

（1）计算抗弯拉强度系数

沥青混凝土：

基层：

（2）计算容许弯拉应力

沥青混凝土：

R=sp/KS=1.0/2.80=0.357MPa

二灰砂砾：

R=sp/KS=0.7/1.80=0.389MPa

6）按容许弯沉计算路面厚度

（1）计算综合修正系数

（2）计算’l

（3）进行3层体系换算

h1=4cmE1=1200MPa

h=h1=4cmE1=1200MPa

h2=6cmE2=800MPa

h3=?

cmE3=1500MPa

H=?

cmE2=800MPa

h4=15cmE4=150MPa

E0=35MPa

E0=35MPa

图1弯沉3层体系换算图

h/=4/10.65=0.38E2/E1=800/1200=0.67查图得：

=7.3

h/=4/10.65=0.38E0/E2=35/800=0.044查图得：

k1=1.1

k2=0.508h/=0.38E0/E2=0.044查图得：

H/=5.5

H=5.510.65=58.58cm

h3=34.7cm取h3=35cm

7）验算弯拉应力

（1）验算沥青混凝土面层底面弯拉应力

h1=4cmE1=1800MPa

h=h1=4cmE1=1800MPa

h2=6cmE2=800MPa

h3=35cmE3=3000MPa

H=?

cmE2=800MPa

h4=15cmE4=150MPa

E0=35MPa

E0=35MPa

图2沥青混凝土面层底面弯拉应力3层体系换算图

cm

新建路各层间按连续验算。

h/=4/10.65=0.38E2/E1=800/1800=0.44查图得：

<0

r1<0

（2）验算二灰砂砾底面弯拉应力

h1=4cmE1=1800MPa

h=?

cmE1=3000MPa

h