柔性路面设计及弯沉计算.docx

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柔性路面设计及弯沉计算

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第八章柔性路面结构设计

8.6路面补强层设计

随着使用时间的延续，柔性路面的使用性能和承载能力不断降低，当通过的轴次超过设计当量轴次，或路表破损严重时，便不能满足正常行车交通的要求，而需补强或改建。

路面补强设计工作包括现有路面结构状况调查、承载能力评定以及补强结构选择、厚度计算和拉应力验算等。

一、路面结构状况调查和评定

对使用中的路面结构状况的调查和评定，其目的主要是了解路面现有结构状况和承载能力，据以预估剩余使用寿命、判断是否需要加强、分析路面损坏的原因及提出处理措施，并为补强设计提供可靠的设计参数。

1.路面概况调查

现有路面概况调查工作包括如下内容：

（1）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。

（2）路基状况调查

调查沿线土质、填挖高度、地面排水情况、地下水位，以确定路基土组及干湿类型。

（3）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。

（4）路面修建和养护历史调查

将上述调查结果填入图8-36的相应栏目中。

2.路面承载能力评定

（l）评定指标及测定方法

路表弯沉量反映了路基和路面体系的抗变形能力，它同路基的模量

路面层楼量

之间大致存在下述关系：

和

所以，路基模量

对弯沉的敏感性甚于路面模量

，而路面层的抗变

形能力主要同轮载作用下弯沉盆的曲率半径

和曲率半径

关系密切。

因而，采用弯沉

两项指标可以更全面地反映路基路面结构的承载能力。

）设计的弯沉仪测定。

弯沉仪的简路表回弹弯沉值采用贝克曼

（

图如图8-37所示。

弯沉仪的测头穿过测定车后轴双轮轮隙，放在车轮前方的路表面上。

梁在后三分点处通过支点支承于底座上。

梁的另一端处架设一百分表，以测定测头的升降量。

车辆以爬行速度向前行驶，车辆经过测头时，读取百分表

的最大读值；车辆驶离后，再读取百分表

；两者相减后乘以2便是路表的回弹弯沉值。

也即，

。

的规定（见表2-6）。

测定车的后轴计算参数，应符合标准轮载

通常，测点治外侧车轮轮带布置，因为此轮带往往显现出较高的弯沉值。

然而，如果沿内侧轮带路面损坏较严重，则应取内侧轮带测定弯沉。

测点间距可为

，视路段长短和所要求的测定精度而定。

（2）代表性弯沉值

由于弯沉值大小同路面面层类型、结构组合和厚度、路基土类型和状态，交通量和组成、路面使用期限以及路面温度有关，因此实测弯沉值之间存在着差异，即使将测点间距缩小，仍会出现这种差异。

为了利用测得的众多弯沉值评定一段路面的承载能力，需对所测弯沉值进行统计加工，寻求有代表性的弯沉值。

对测定弯沉值进行统计加工时，假定测定是在相同条件下的等精度测量，测定结果的分布符合正态分布规律。

因此可由正态分布定理求得已知测点

应弯沉值

的平均弯沉值

、标准差及变差系数

，即

和相

（8——49）

由此得一段路的代表性弯沉值为

（8——50）

式中，

为保证率系数，与道路等级有关，二级公路及二级以上公路

取1.5；三级和四级公路取1.3。

城市快速路、主干路取2.0；城市次干路取

1.5；城市支路取1.3。

不同的保证率系数相应有不同的保证率，如Za为l.5和2.0的保证率分别为93.%和97.7%。

（3）测定季节对弯沉的影响

由于路面在一年内的不同时期具有不同的承载能力，而经补强设计的路面必须保证在最不利季节具有良好的使用状况，因而弯沉测定应在一年的最不利季节进行。

但是由于种种原因常不能在不利季节测定，使得实测弯沉值偏小，所以要乘以根据多年累积测定资料统计分析得到的季节影响系数

。

值因地

区、土质、路基干湿类型以及路面结构类型而异，应根据多年连续弯沉测定对比分析的结果和本地区的经验确定。

（4）加铺沥青层对原砂石路面弯沉的影响

在原有砂石路面上加铺沥青层以后，路基和基层中的水分蒸发较前困难，致使路基和基层中湿度增加，承载能力降低，弯沉增大。

尤其是季节性冰冻区路基为潮湿或过湿的路段，更易产生沥青面层下的湿度累积，降低承载力。

因此，在原砂石路面测得的弯沉值上应乘以反映这种湿度变化导致弯沉增大的湿度影响系数k2，其数值应根据对比测定或本地区的使用经验确定。

（5）温度对弯沉的影响

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，需把不同温度时测定的结果换算为标准温度20℃时的弯沉值L20，其换算系数或弯沉温度修正系数为

（8——51）

式中，

，为测定时沥青面层平均温度

时的弯沉值。

值宜按各地经验确定，它与路基的回弹模量

、沥青面层的厚度等因素有关。

当无实测资料时，我国路面设计规范建议参用下述经验方法：

（8——52）

式中=

；

——沥青面层的厚度（）；

;

一一测定时路表温度与前5小时平均气温之和

（

经过标准温度

与测定温度

）。

时两种弯沉测定值之比的统计分析得到如下弯沉温度修正系数经验公式：

当

时，

（8——53）

当

时，

（8——54）

若沥青面层厚度小于或等于

在

，路面弯沉值不需温度修正，又路面温度时，也不进行温度修理正。

（6）测定用轴载对弯沉的影响

路表某一点处的弯沉值大小，与测定用轴载（轮重、轮压、轮迹圆直径）有关。

轴载大则测得的弯沉值也大。

通过大量轻、重车弯沉对比测定，建立了弯沉和轴载间的经验关系如下：

（8—55）

式中

，

，

——不同轴载的弯沉轴载换算系数；

—

—标准轴载及相对应的弯沉值；

——非标准轴载及相对应的弯沉值。

当受条件限制，测弯沉所用汽车的后轴轴载与补强设计采用的标准轮载不一致时，可利用式（8—55）将实测弯沉

（7）计算弯沉

值；换算为设计轮载的弯沉

值。

考虑季节影响、湿度影响、温度影响以及测定用轴型的影响后，一个路段的计算弯沉值可由下式确定：

（8—56）

计算弯沉值反映了该路段路基路面结构的承载能力。

在确定各路段的计算弯沉值时，应将全线划分为若干段落，各段路基干湿类型和土质应相同，弯沉值比较接近。

每段内弯沉测点应不少于20点，测点间距一般为

，特殊路段或因需要可适当加密。

路段的最小长度还应与施工

，在水文、土质复杂或需要专门处理的软弱路方法相适应，一般不小于

段可视实际情况决定。

二、路面补强计算

补强层的计算方法很多，可分为经验法和理论法两大类。

经验法——是以补强试验路资料为基础进行归纳总结的方法，其实用简便，但使用有一定的局限性。

理论法——则以力学分析为基础，结合交通、环境和材料等特性，对理论计算结果进行修正的方法。

我国现行路面设计规范对补强层厚度的计算都采用理论法。

下面介绍公路部门采用的方法，而城市道路部门的方法有一定差异，详细可参阅城市道路设计规范。

1.原路面当量回弹模量的计算

采用理论法计算补强层厚度的关键问题是如何确定原有路基路面体系的计算回弹模量。

若大量进行现场承载板试验，显然不太现实。

若能利用便于大量测定的路表弯沉值进行求解，则比较可行。

将原路基路面结构体系视作表面计算弯沉相等的弹性均质体，利用弹性半空间体表面在圆形刚性承载板下的荷载一弯沉关系式，并考虑计入承载板测定的弯沉与汽车测定的弯沉间的差异及补强层材料的影响，各路段的当量回弹模量值

算：

可据各路段的计算弯沉值按式（8—57）计

（8—57）

式中

——原路面的当量回模量

（）；

）；

）；

——标准轴载车型轮胎接地压强

（——标准轴载单轮传压面当量圆半径（

——原路面的计算弯沉

（）；

——用标准轴载的汽车在原路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测得的回弹变形值之比，即轮板对比值。

若当地无对比试验资料，可取M1=1.1进行计算；

——原路面当量回弹模量扩大系数。

当计算与原路面接触的补强层层底拉应力时，

时，

按式（8－58）计算；计算弯沉值及其他补强层层底拉应力。

（8—58）

式中

——与原路面接触材料的抗压回弹模量

（）；

）。

——各补强层等效为与原路面接触层

h'可按式

（8－59）计算。

相当的等效总厚度（

（8—59）

式中

——第

层补强层材料的抗压回弹模量

（）；

——第

层补强的厚度（）；

——补强层层数。

2.补强层的厚度计算及验算

拟定补强层结构组合后，尚需进一步确定补强层的厚度。

在计算补强层厚度时，仍以设计弯沉值作为路面整体刚度的控制指标，对于二级和二级以上公路还应验算补强层层底拉应力，在季节性冰冻地区潮湿、中湿路段还应验算防冻厚度。

设计弯沉值、各补强层材料的容许拉应力及层底拉应力的计算方法、弯沉综合修正系数及补强层材料参数的确定，均与新建路面时的方法相同。

当补强层为单层时，以双层弹性体系为计算力学模型；当补强层为

时，以

解。

例8.7在

区，某条公路原路面基层为泥灰结碎石，面层为厚

的层层弹性体系为力学模型。

可用专用计算机程序求解，也可用诺模图求沥青上拌下贯，在不利季节用后轴轴载相当于

的汽车测定的弯沉值如图8－36所示，其中，766＋000~767＋800一段路基为中湿类型，测定时路表温度

，前5h的平均气温为

；767＋800~769＋300

。

预一段为干燥类型，测定时路表温度为

计使用期间内通过

，前5小时平均气温为

标准轴的累计轴数（已考虑横向分布）

次，沿线有碎石供应，河滩有砂砾，沥青可外购。

试按二级公路

设计路面补强厚度。

解1.确定原路面计算弯沉值和当量回弹模量

（l）766＋000~767＋800段

据测定弯沉的季节及当地自然条件取

后轴轴载与设计采用的标准车轴相同

，

，现求

。

，弯沉测定车

则

原路当量回弹模量

厚度时，取

,

，当以设计弯沉控制求算补强层

（2）767＋800~769＋300段

2.计算设计弯沉值

道路等级系数

强，面层类型系数

（二级公路），拟采用沥青混凝土和沥青碎石双层补，基层类型系数

。

3.确定补强层厚度

据当地使用经验，补强层材料参数为：

沥青混凝土在

时的

，在

时的

，

；

沥青碎石20℃时的

厚度，先设定沥青混凝土面层厚度人

（1）766＋000~767＋800段

弯沉综合修正系数为

，采用图解法（利用诺漠图）求解补强层，计算沥青碎石层所需厚度

。

由

，

，

，查图8-11得

，

。

而

查图8—11得

则

。

验算沥青混凝土层层底拉应力，因该层底不与原路面接触，所以原路面当量回弹模量仍为

。

由

，

，

，及

查图8-13，

发现系数

拉应力验算通过。

沥青碎石层厚定为

。

，说明沥青混凝土层底受压力，即不出现拉应力，所以，

（2）767＋800~769＋300段

弯沉综合修正系数

由

，

，

查图8-11得

，

则

，所以

取

。

，再查图8-11得

验算沥青混凝土层层底拉应力，因该层底不与原路面接触，所以原路面当量回弹模量仍为

由

，

，

，及

查图8-13，

发现系数

4.方案比较

若有几个补强方案，可据施工条件、材料单价、气候状况、工期要求等，对所提方案作技术经济比较（此略），所以拉应力验算通过。

该段沥青碎石曾厚定为

。