第七章 瀝青鋪面結構設計

1、第七章 瀝青鋪面結構設計一、 引言1、 路面設計方法不過是對一些基本知識的集成，對路面理解的不同獲側重點的不同，可以有不同的集成方法，從而得到了不同的設計方法2、 任何一個設計過程雖然強調的是計算過程，但計算只是設計過程的一部分，不能將設計理解為計算，雖然定量的計算是必不可少的3、 除了計算以外，許多重要的設計內容都是以原則、準則等定性或半定性的方式給出的，這同樣是設計的內容，同樣是十分重要的。對高等級公路設計而言，這種準則尤為重要。這些準則與定量計算類似，也是必須滿足的條件4、 理解設計方法l 路面設計不能解決道路使用中所遇到的所有問題，只是正常情況下遇到的普遍存在的問題，其他問題的解決還依

2、賴于道路整體設計中對路面的考慮l 路面結構設計方法中考慮的因素也是有限的，許多因素需要通過構造設計來解決，這體現(xiàn)了多樣性l 材料因素對路面性能的影響是很大的，但結構設計時只考慮了力學參數(shù)，這是不夠的，尤其對高速公路l 滿足設計要求不是充分條件，只是必要條件。我們需要舉一反三，但在工程設計中必須慎重l 隨著情況的越發(fā)復雜，對問題和設計方法的理解應該是與時俱進的5、目前的設計方法根據(jù)其建立方法的不同可以分為幾類l 經(jīng)驗法如CBR法，AASHTO法l 理論法SHELL法，AI法，我國方法l 基于性能的方法SHRP方法另一種更科學的分類方法l 經(jīng)驗法如早期的CBR法l 經(jīng)驗-分析法AASHTO法、末期

3、的CBR法l 分析-經(jīng)驗法SHELL法，AI法，我國方法l 基于性能的方法SHRP等6、大部分路面設計過程都可以歸結為以下流程Monismith的傳統(tǒng)流程我們提出的基于性能的最新流程環(huán)境因素材料來源環(huán)境系數(shù)材料選擇土基狀況交通參數(shù)材料特性設計結構組合設計力學和行為模型生成厚度設計道路等級：性能要求經(jīng)濟模型、標準總造價最小的優(yōu)化結果總費用最小的優(yōu)化結果面層厚度組合設計面層材料組成設計面層功能要求抗變形、疲勞要求輸出完整的設計結果施工考慮輸入概念設計：初期損壞考慮詳細設計：厚度設計，經(jīng)濟優(yōu)化，早期損壞考慮材料設計：耐久性、功能性、初期損壞考慮輸出基層、墊層材料設計二、路面損壞分析與設計考慮1、路面

4、損壞分析路面的損壞可分為幾種類型，即開裂類（疲勞裂縫、反射裂縫、低溫裂縫）、變形類（車轍、沉陷）和表面損壞類（松散、坑槽、泛油）。l 疲勞裂縫荷載重復作用造成路面材料的疲勞，進而產(chǎn)生開裂，形成龜紋狀的開裂。l 反射裂縫和低溫開裂l 車轍沿輪跡帶的狹長形凹陷。造成車轍的主要原因是混合料的高溫穩(wěn)定性相對于交通量而言不足，是塑性變形的累積，渠化交通和雨水的作用將加劇這種趨勢。l 沉陷路面表面的局部凹陷，水文狀況差、材料水穩(wěn)定性差或局部壓實不足所造成。l 波浪，擁包l 坑槽l 松散l 泛油2、 設計指標路面損壞的類型具有多樣性，不同的損壞類型產(chǎn)生的原因和產(chǎn)生的后果各不相同，所以在設計中應該考慮不同因素

5、的影響，采用多種設計指標控制路面的不同損壞。這也是路面設計的主要特點之一。上述各類常見損壞類型中，一些是結構性損壞，一些與荷載的重復作用有直接的關系，還有一些與荷載的重復作用或與路面結構的關系不大。前兩類損壞如疲勞開裂、車轍，后者如泛油、松散、溫度裂縫等。在傳統(tǒng)的路面結構設計中，主要考慮前兩類，其他問題則通過材料設計、材料選擇以及其他相關的設計手段加以避免。在結構設計中考慮的主要因素包括疲勞開裂和車轍；低溫開裂、泛油、松散等損壞類型則在材料設計時考慮。實際上，我國的設計方法中，車轍也是在材料設計中考慮的。三、路面結構組合設計1、 輕交通中交通（<1000萬ESAL）時的結構組合設計原則l

6、 按照道路等級和交通要求選擇面層等級和類型n 路面的等級：高級路面、次高級路面、中級路面、低級路面n 高速及一、二級公路應采用高級路面，交通量較小時，二級公路也可以采用次高級路面，三級以下的公路采用次高級或中低級路面。交通量較大時，三級公路也可以采用高級路面。n 高級路面還包括水泥混凝土路面（P175）n 表中的熱拌瀝青碎石目前最好不要使用，不適用于高級路面類型，這是早期的分類n 二級公路一般情況下應該采用高級路面，除非交通量較??；實際上，目前許多二級路的交通量是非常繁重的l 按各結構層的功能選擇結構層次n 高級路面一般應設計成兩層，即磨耗層和聯(lián)接層磨耗層墊層基層面層路基聯(lián)結層上基層下（底）基

7、層上墊層下墊層n 次高級路面可以做成單層，也可以多層。表中瀝青上拌下貫式指表層為拌和式表處，下層為貫入式n 貫入式路面單層的最大厚度為6cm，雙層最大厚度為8cm。貫入式上面設一層表處是一種好的結構組合n 基層要有足夠的強度、剛度和水穩(wěn)定性l 按各結構層的應力分布特性n 從路面表面到下部，材料的抗力（強度和剛度）可以遞減，因為應力分布如此n 相鄰層次之間的模量比不宜太大，以減少疲勞裂縫或反射裂縫n 當采用半剛性基層時，基層模量一般大于面層，此時為倒裝結構；這種結構可以有效地減小路面地彎沉，增大輕交通路面地抗力l 顧及各結構層次本身的特性當采用半剛性基層時，應考慮反射裂縫地影響，措施n 適當加厚

8、面層，以增強抵抗反射裂縫地能力n 下面層（聯(lián)接層）采用開級配瀝青混合料（瀝青碎石），充作緩沖層l 考慮環(huán)境狀況的不利影響n 確?；鶎?、底基層、墊層和路基底水穩(wěn)定性n 保證路面最小防凍厚度（P177，表11-2）l 適當?shù)膶訑?shù)和厚度n 從材料最大粒徑和施工工藝底要求，每一攤鋪層的厚度不能太小，從壓實考慮，也不能太大（P177，表11-3）n 對瀝青混凝土，每一層最小攤鋪厚度>=本層最大粒徑（方孔篩）×3或最大粒徑（圓孔篩）×21cm2、 重交通（>1000萬ESAL）時的結構組合設計原則l 正確認識各結構層的作用，考慮各結構層對路面長期使用性能的影響n 面層，由磨

9、耗層和聯(lián)接層組成，不僅起功能性作用，還在第一時間擴散荷載，承受復雜應力（剪、拉）和環(huán)境因素的作用n 基層，進一步擴散由面層傳遞下來的荷載，應具有足夠的抵抗荷載力和水侵蝕的能力，盡可能小的干縮特性n 墊層，進一步擴散由基層傳遞下來的荷載，應具有足夠的水穩(wěn)定性n 路基，承擔墊層傳遞下來的荷載，應具有足夠的水穩(wěn)定性l 瀝青層應保證足夠的厚度，交通量越大，瀝青層的厚度應越大n 瀝青層能夠作為一個整體起作用，不管是作為面層還是基層。面層、基層的劃分只是人為的、功能性的n 足夠的厚度可以使瀝青層真正形成一個完整的結構層n 靠增加基層厚度或模量來減小面層厚度的效果并不好，即便下層強度剛度很大，瀝青層也需要足

10、夠的厚度，以滿足其功能需要n 對重交通路面而言，瀝青層是主要承載層，不管是汽車荷載，還是環(huán)境荷載l 瀝青層材料設計n 表面層必須具有足夠的耐久性，并滿足以下要求： 集料具有足夠的紋理深度，面層具有適當?shù)臉嬙焐疃龋?具有很強的高溫抗變形能力； 具有足夠的低溫韌性； 具有足夠的強度，具有擴散荷載的能力，能夠抵抗荷載的重復剪切作用和其他疲勞作用； 具有很強的抗水作用能力。設計時瀝青含量可取低限。常用的磨耗層材料有：u SMAu AK類面層材料u AC混合料u OGFC混合料，具有表面排水功能n 中面層的主要功能是 抗車轍； 抗低溫縮裂； 抗?jié)B。要實現(xiàn)這些功能，中面層必須滿足以下要求： 具有很強的高溫

11、抗變形能力； 具有足夠的低溫韌性； 具有很高的強度，以抵抗荷載的重復作用； 具有很強的抗水作用能力； 具有很強的耐久性。設計時瀝青含量可取中限。常用的中面層材料是：u AC混合料，具有較強的抗車轍能力n 底面層在一般情況下極少出現(xiàn)可計量的永久變形，其主要功能是： 抗疲勞； 抗?jié)B或排水。要實現(xiàn)這些功能，底面層必須滿足以下要求： 具有很高的強度，以抵抗荷載的重復疲勞作用； 具有較強的抗水作用能力； 具有足夠的耐久性。 設計時瀝青含量可取高限。常用的底面層材料是：u AC混合料u 開級配排水層l 基層模量應具有適當?shù)哪Ａ炕鶎幽Ａ康牟煌馕吨煌牟牧蟦 模量太小時可能造成面層底面的彎拉應力太大，產(chǎn)生

12、彎拉疲勞損壞n 模量太大可能造成面層內的剪切應力太大，產(chǎn)生剪切疲勞損壞n 所以基層的模量最好與面層相同n 采用半剛性基層時，不是模量（強度）越大越好，有時需要將基層致裂常用的基層材料為：n 瀝青混合料n 高質量級配碎石n 半剛性基層材料l 當采用半剛性材料作為基層或墊層時，應作適當?shù)奶幚頌榱朔乐狗瓷淞芽p，或適當減小面層內的剪切應力，可對基層作適當處理n 致裂處理n 假設應力阻斷層l 十分重視路面排水系統(tǒng)的設計n 路面排水系統(tǒng)n 表面排水層n 內部排水3、 結構組合示例見公路設計手冊路面（姚祖康 主編）四、我國現(xiàn)行瀝青路面設計方法1、設計指標和計算圖式設計指標：路面表面回彈彎沉，瀝青混凝土面層底

13、面彎拉應力，整體性基層底面彎拉應力，計算圖式：三層路面結構2、彎沉計算l 計算彎沉n 路面理論彎沉，彎沉系數(shù)由P140、圖10-7計算n 理論彎沉需要修正，修正系數(shù)F為： ，為與軸載有關的系數(shù)n 計算彎沉為l 設計彎沉n 容許彎沉使用年限末的彎沉，按照表11-4（P181）確定，選擇臨界狀態(tài)，建立臨界彎沉與荷載作用次數(shù)的關系，實際上是疲勞方程N：每個車道上的標準荷載累計作用次數(shù)，按照復利公式計算。車道系數(shù)見P182的表11-5。解釋一下車道系數(shù)與橫向分布系數(shù)。n 設計彎沉容許彎沉為使用年限末的彎沉，路面設計需要使用年限初的彎沉，所以應該將容許彎沉換算為設計彎沉。容許彎沉比設計彎沉大1.2倍，如

14、下圖。Log llogN所以，n 基層考慮上式建立的年代比較久遠，只適用于碎礫石柔性基層，對半剛性基層，上式應該除以1.6的系數(shù)。最后，Ab為基層類型系數(shù)，半剛性基層時，Ab=1；柔性基層時，Ab=1.6。Ac，對高速公路和一級公路都為1。n 關于新規(guī)范的說明3、應力計算l 路面應力計算按照P141、142的圖10-8、10-9計算。l 容許應力計算n 材料的彎拉疲勞方程可以寫成，fr為彎拉強度。我國采用劈裂強度代替彎拉強度n 不同材料的容許彎拉應力瀝青材料：無機結合料穩(wěn)定粒料：無機結合料穩(wěn)定土：式中系數(shù)見交通部公路瀝青路面設計規(guī)范（JTJ014-97），人民交通出版社。4、 軸載換算l 軸載的等效換算兩種軸載作用于同一路面結構上，所造成的疲勞損耗相同，則稱兩種荷載的作用次數(shù)等效l 基于彎沉指標的等效換算假設甲乙兩種荷載作用在路面結構上次，則其疲勞消耗為： 和 令D1=D2，則根據(jù)大量的彎沉實測結果，可知，代入上式，可得 或 式中，C1為軸型系數(shù)，C1=1+1.2(m-1), m為軸數(shù)C2為輪組系數(shù)，單輪組時C26.4，雙輪組時C21.0。l 基于彎拉應力指標的等效換算推導過程與上面的過程類似，請同學