路面路基工程课件第14章沥青路面设计文档.pptx

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1、路面路基工程汽车与交通学院第十四章 沥青路面设计 第一节 弹性层状体系理论概述 第二节 沥青路面的破坏状态与设计标准 第三节 沥青路面结构组合设计 第四节 新建沥青路面的结构厚度计算 第五节 路面结构剪应力计算 第六节 沥青路面改建设计 第十四章 沥青路面设计内容：（1）材料选择 （2）配合比设计 （3）结构组合设计 （4）厚度验算 （5）方案比选 （6）其他路面构造的设计力学模型：（1）弹性半空间体系 （2）弹性层状体系 （3）粘弹性层状体系 （4）弹性地基板 （5）弹性地基有限元 （6）非线弹性层状体系我国沥青路面设计规范发展历程我国沥青路面设计规范发展历程解放前，参照美国CBR设计方法进

2、行路面结构设计；1958年，交通部制定并颁布了路面设计规范（草案），以苏联的伊万诺夫设计法替代。1978年，编制了公路柔性路面设计规范（内部试行）。该规范系统建立了以双层弹性体系理论为基础，以路面容许弯沉值作为控制路面整体刚度指标的设计方法。1986年交通部颁布的公路柔性路面设计规范采用三层或多层弹性体系理论公式代替双层弹性体系理论公式计算路面结构厚度，仍以容许弯沉值作为路面整体刚度的控制指标。1997年颁布了公路沥青路面设计规范，采用路面设计弯沉值为设计指标，调整了轴载设计标准（取消了BZZ-60）和沥青路面和半刚性基层材料的抗拉强度结构系数。编制了专门的计算机程序，取消了当量法、查图法。2

3、006年，再次颁布了公路沥青路面设计规范，中交公路规划设计院。荷载形式 层次结构 计算机程序 人物 力学经验法的基本套路14.1 弹性层状体系理论概述一、基本图式与基本假定 力学模型：弹性层状体系 基本假定（1）各层都是由均质，各向同性的弹性材料组成，位移、变形微小，这种材料的力学性能服从胡克定律（2）土基在水平方向和向下深度方向均为无限，其上各层厚度均为有限，但水平方向仍为无限（3）土层表面作用着轴对称圆形均布荷载（可以是垂直均布荷载，也可以是一般圆形荷载）同时在下层无限深处及水平无限远处应力、应变、位移都是零（4）层间接触面满足一定的条件，可以是假定完全 连续，完全光滑，也可介于两者之间

4、（5）不计自重 2、基本原理（解题方法）简化荷载：圆形均布荷载（垂直，水平）圆柱坐标（，Z）三个法向分力：三对剪应力：轴对称荷载：由弹性理论：平衡方程：物理方程 其中，G为剪切模量 几何方程 式中，共有十个变量（再加上U(r),W(z)），十个方 程式，理论上结合边界条件即可解出未知值，但是实际 解法相当困难，一般采用应力函数求解。微分单元体相邻单元变形是协调的，物体在变形前后是 一个连续体，消去位移分量，可得变形连续方程：式中：式为形变连续方程，又称相容条件，由圣维南 （B.desaint-Venant）于1864年提出 其意义：形变分量必须满足式，才能保证位移分量的 存在，若不满足，则由几

5、何方程求出的位移分 量将互不相容，这表示形变后的物体不再连续 而发生相互脱离或互相侵入的情况，式中的 四个相容条件是相互等效或自然等于零.采用应力函数法求解轴对称课题主要有Love函数法及Southwell函数法 Love函数法（洛夫法，1906年A.E.H.Love）设应力函数 ，并给定应力分量表达式为 将式代入和式，除式中第一个方程自然满足恒 等于零外，其余全部转化为重调和方程，即共同满足:若应力函数是重调和方程的解，则能满足平衡微分方程 和变形连续方程，并可由式求得应力分量，再由物理 方程式求得应变分量。位移分量由式求得:求解方程 的方法有分离变量法和 积分变换法(汉克尔积分变换理论）由

6、于 满足重调和方程，所以有解以上方程，得应力函数:求上式汉克尔逆变换得：式中：积分常数，由每一层边界与层间结合条件确定，下标j表示同 该层次相应的计算参数.将式代入式可得各应力分量和位移分量表达式单圆垂直均布荷载双层连续体系 图示 二、主应力计算 弹性体内任意点的三个主应力，由下式确定 解得式三个实根，即三个主应力 解得式三个实根，即三个主应力 14.2 沥青路面的破坏状态与设计标准一、损坏模式 1、裂缝类路面结构的整体性受到破坏 2、变形类路面的表面形状发生改变 3、表层损坏类路面表层局部受到破坏二、破坏状态 （一）沉陷：车轮作用下表面产生局部凹陷变形 产生原因：路基土的压缩与变形 设计标准

7、：路基土的垂直应力，（二）车辙：车轮重复作用导致塑性变形的积累。行车轮带处形成纵向带状凹陷 产生原因：车轮重复作用导致塑性变形的积累 设计标准：（三）疲劳开裂：路面在无显著永久变形下，形成短而细的 横向裂缝，并逐渐扩展成网状，开裂宽度范 围不断增大。产生原因：车轮反复作用，结构层底面拉应变超过材 料的疲劳强度，底面看先开裂并向表面发展 设计标准：（四）推移：路面表面在较大水平荷载作用下出现推移与 拥包鼓起现象 产生原因：结构层内剪应力超过材料的抗剪强度 设计标准：面层中可能最大剪应力（五）低温缩裂：低温时材料收缩受限产生较大拉应力，当 它超过材料当时的抗拉强度时便产生开裂 设计标准：低温收缩受

8、约束产生的温度应力 （六）路面弯沉设计标准：垂直荷载作用下，产生的垂直变形 设计标准：实测路面弯沉值，设计弯沉值14.3沥青路面结构组合设计 一、适应行车荷载的要求 、按交通要求选择面层等级和类型、按各结构层的功能选择结构层次、按各结构层的应力分布特性确定材料和厚度，相邻结构层之间相对刚度比不宜过大。一般，基层与面层模量比不小于0.3，土基与基层或 底层的模量比宜为0.080.4二、在各种自然因素作用下稳定性好 三、考虑各结构层本身的特点 层次组合合理 适当的层厚和层数 四、路面结构组合示例14-4新建沥青路面的结构厚度计算一、计算图式、路面弯沉值计算图示、沥青面层与半刚性材料层的底层拉应力计

9、算图示、三层弹性体系剪应力计算图示二、路面容许弯沉和设计弯沉值 、容许弯沉值:路面在试用期末得最不利季节，在设计标准 轴载作用下容许出现的最大回弹弯沉值。临界破坏状态：外观等级 五级 以第四级弯沉值的底 限为临界状态 、路面设计弯沉值路面设计弯沉值：由设计年限内每个车道的累积当量：由设计年限内每个车道的累积当量 轴次、公路等级、面层和基层类型确定，相轴次、公路等级、面层和基层类型确定，相 当于路面竣工后第一年不利季节，路面在标当于路面竣工后第一年不利季节，路面在标 准轴载准轴载100KN100KN作用下测得的最大回弹弯沉值作用下测得的最大回弹弯沉值 Ld设计弯沉值，0.01mm;Ne设计年限内

10、一个车道上累计当量轴次 Ac公路等级系数，高速、一级1.0，二级1.1，三、四级1.2 As面层类型系数，沥青混凝土1.0，热拌沥青碎石、上拌下贯、乳化沥青碎石1.1，沥青表处1.2，中、低级1.3 Ab基层类型系数，半刚性基层厚度大于15cm 为1.0，级配碎石小于15cm为1.0，其他取1.6 路面厚度计算理论依据：（假设）注：理论假设与实际状态存在差异，需要修正 令实测弯沉，计算路面厚度H三、标准轴载于轴载换算四、土基回弹模量的确定五、路面材料设计参数值 1、我国现行公路沥青路面设计规范规定，各级公路层材料的计算模量采用抗压回弹模量，沥青砼和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验测得的劈裂强度

11、 对于沥青混合料，当用于以设计弯沉值计算路面结构厚度时，采用200C的抗压模量；当用于验算层底拉应力时，采用150C的抗压模量 六、结构层材料的容许拉应力 极限抗拉强度Mpa：由劈裂强度试验劈裂强度试验确定，（沥青砼150C），对于水泥稳定类材料龄期90d；对于二灰稳定类的龄期180d七、路面厚度计算与层底拉应力验算：1、弹性双层体系双圆荷载2、弹性三层体系：双圆荷载3、路面厚度计算：假定完全连续体系双圆均部荷载设计时，先拟定某一层作为设计层，选定其他各层厚度；当采用半刚性基层、底层结构时，可选其中任一层为设计层。4、层底拉应力验算八、多层体系的等效换算：1、弯沉等效换算法：2、弯拉应力等效换

12、算算法：（1）计算上层底面弯拉应力：（2）计算中层底面弯拉应力：九、九、新建路面结构设计步骤新建路面结构设计步骤 1 1、根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型，、根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型，设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值 2 2、按路基土类型与干湿类型，将路基划分为若干阶段，、按路基土类型与干湿类型，将路基划分为若干阶段，确定土基回弹模量确定土基回弹模量 3 3、拟定可能路面结构组合，根据配合比试验测定或选用、拟定可能路面结构组合，根据配合比试验测定或选用 各结构层材料的抗压回弹模量，抗拉强度，确定各结各结构层

13、材料的抗压回弹模量，抗拉强度，确定各结 构层的材料设计参数构层的材料设计参数 4 4、根据设计弯沉值计算路面厚度、根据设计弯沉值计算路面厚度 5 5、整体性材料层应验算容许拉应力、整体性材料层应验算容许拉应力 6 6、季节性冰冻区验算防冻厚度、季节性冰冻区验算防冻厚度14-5 路面结构的剪应力计算 一、剪应力与抗剪强度 f摩擦系数，停车站 交叉口等缓慢制动 地点为0.2；偶尔 紧急制动为0.5；诺谟图f=0.3 抗剪切结构强度系数，停车站交叉口等缓慢制动处 （f=0.2），；紧急制动处 （f=0.5），多层路面沥青路面面层 的剪应力时，需将多层路面按剪应力等效原则换 算为三层体系，此时换算的方法与弯沉计算相同。