《道路工程》第八4章.docx

1、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：r R （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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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，Pi25；C1,i轴数系数。轴距3m，按单轴计算，C1,i=m（轴数）；当轴距50kN；C1,i轴数系数。轴距3m，按单轴计算，C1,i=m（轴数）；当轴距60%7001100160024000.30.4碎石灰土粒料40%50%600900120018000.250.35水泥石灰砂砾土4:3:25:688001200150022000.30.4二灰土10:30:60600900200028000.20.3石灰土8%12%400700120018000

7、.20.25石灰土处理路基4%7%200350级配碎石基层连续级配型300350基层骨架密实型300500底基层、垫层200250填隙碎石底基层200280未筛分碎石做底基层用180220级配砂砾、天然砂砾做底基层用150200中粗砂垫层80100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901002.052.

8、257中湿70802.002.208潮湿55651.952.15115070干燥75852.002.207中湿55651.952.158潮湿45551.902.10113050干燥47571.902.101530干燥30401.801.9015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)1AC-164120018002AM-3068003水泥稳定砂？1500(弯沉)/3000(拉应力)4石灰土

9、15400(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=4cm E1=1200MPah=h1=4cm E1=1200MPah2=6cm E2=800MPa h3=? E3=1500MPa H=?cm E2=800MPah4=15cm E4=400MPaE0=39MPaE0=39MPa 图1 弯沉3层体系换算图h/=4/10.65=0.38 E2/E1=800/1200=0.67 查图得：=7.3h/=4/10.65=0.38 E0/E2=39800=0.05 查图得：k1=1.0k2=0.68 h/=0.38 E0/

10、E2=0.05 查图得：H/=3.4，H=3.410.65=36.2cmh3=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

11、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

12、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

13、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123。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

14、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

15、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1.051.11.21.31.35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

16、泥碎(砾)石级配碎石热物性系数1.41.351.351.41.45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1.00.950.900.80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24662466断面形式系数1.001.021.051.081.100.980.950.920.90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

17、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7201080240120100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,iC2,iC1,i C2,i (Pi/P)4.35ni次/日nbi次/日黄河JN150后轴101.6111.071720771.1前轴49.016.40.287720206.6东风EQ140后轴69.3110.2031080219.2前轴22.716.40.01010

18、8010.8上海130后轴23.016.40.0111001.1太脱拉138后轴80.02.210.758240181.9前轴51.416.40.35424085.0N=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)C1,iC2,iC1,i C2,i (Pi/P)8ni次/日nbi次/日黄河JN150后轴101.6111.135720817.5前轴49.0118.50.06172044.3东风EQ140后轴69.3110.053108057.4太脱拉138后轴80.0310.503240120.8前轴51.4118

19、.50.09024021.6N=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=1.71.8（干燥），H2=1.41.5（中湿）。H2H H1 该路段路基为中湿类型，查表得稠度：wc=1.025查表得：E0=35MPa3）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)15C20C1AC-164180012001.02AM-3068003二

20、灰砂砾？3000(拉应力)/1500(弯沉)0.74天然砂151505土基354）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=0.389MPa6）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=4cm E1=1200MPah=h1=4cm E1=1200MPah2=6cm E2=800MPa h3=?cm E3=1500MPa H=?cm E2=800MPah4

21、=15cm E4=150MPaE0=35MPaE0=35MPa图1 弯沉3层体系换算图h/=4/10.65=0.38 E2/E1=800/1200=0.67 查图得：=7.3h/=4/10.65=0.38 E0/E2=35/800=0.044 查图得：k1=1.1 k2=0.508 h/=0.38 E0/E2=0.044 查图得：H/=5.5 H=5.510.65=58.58cm h3=34.7cm 取h3=35cm7）验算弯拉应力（1）验算沥青混凝土面层底面弯拉应力h1=4cm E1=1800MPah=h1=4cm E1=1800MPah2=6cm E2=800MPah3=35cm E3=3000MPa H=?cm E2=800MPah4=15cm E4=150MPaE0=35MPaE0=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=0.38 E2/E1=800/1800=0.44 查图得：0 r10R（2）验算二灰砂砾底面弯拉应力h1=4cm E1=1800MPah=?cm E1=3000MPah