路基路面工程第14章

第一節(jié)彈性層狀體系理論概述

第二節(jié)瀝青路面的破壞狀態(tài)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

第三節(jié)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

第四節(jié)新建瀝青路面的結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算

第五節(jié)路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力計(jì)算

第六節(jié)瀝青路面改建設(shè)計(jì)

第十四章瀝青路面設(shè)計(jì)第一頁，共六十三頁。內(nèi)容：

（1）材料選擇（2）配合比設(shè)計(jì)（3）結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)（4）厚度驗(yàn)算（5）方案比選（6）其他路面構(gòu)造的設(shè)計(jì)力學(xué)模型：

（1）彈性半空間體系（2）彈性層狀體系

（3）粘彈性層狀體系（4）彈性地基板（5）彈性地基有限元（6）非線彈性層狀體系第二頁，共六十三頁。

荷載形式

層次結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)程序第三頁，共六十三頁。人物第四頁，共六十三頁。§14.1彈性層狀體系理論概述一、基本圖式與基本假定

力學(xué)模型：彈性層狀體系基本假定（1）各層都是由均質(zhì)，各向同性的彈性材料組成，位移、變形微小，這種材料的力學(xué)性能服從胡克定律（2）土基在水平方向和向下深度方向均為無限，其上各層厚度均為有限，但水平方向仍為無限（3）土層表面作用著軸對稱圓形均布荷載（可以是垂直均布荷載，也可以是一般圓形荷載）同時在下層無限深處及水平無限遠(yuǎn)處應(yīng)力、應(yīng)變、位移都是零第五頁，共六十三頁。（4）層間接觸面滿足一定的條件，可以是假定完全連續(xù)，完全光滑，也可介于兩者之間（5）不計(jì)自重第六頁，共六十三頁。2、基本原理（解題方法）第七頁，共六十三頁。簡化荷載：圓形均布荷載（垂直，水平）圓柱坐標(biāo)（γ，θ，Z）三個法向分力：

三對剪應(yīng)力：

軸對稱荷載：

由彈性理論：

力平衡方程：

①第八頁，共六十三頁。物理方程（應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系）②

其中，G為剪切模量

幾何方程（位移連續(xù)）③第九頁，共六十三頁。①~③式中，共有十個變量（再加上U(r),W(z)），十個方程式，理論上結(jié)合邊界條件即可解出未知值，但是實(shí)際解法相當(dāng)困難，一般采用應(yīng)力函數(shù)求解微分單元體相鄰單元變形是協(xié)調(diào)的，物體在變形前后是一個連續(xù)體，消去位移分量，可得變形連續(xù)方程：④第十頁，共六十三頁。單圓垂直均布荷載雙層連續(xù)體系:表面荷載作用軸線上的垂直位移（即彎沉）為：稱為垂直位移系數(shù)（查諾謨圖）第十一頁，共六十三頁。二、主應(yīng)力計(jì)算（強(qiáng)度驗(yàn)算）

彈性體內(nèi)任意點(diǎn)的三個主應(yīng)力，由下式確定

⑨

解得⑨式三個實(shí)根，即三個主應(yīng)力

解得⑨式三個實(shí)根，即三個主應(yīng)力第十二頁，共六十三頁?！?4.2瀝青路面的破壞狀態(tài)與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一、破壞模式

1、裂縫類——路面結(jié)構(gòu)的整體性受到破壞2、變形類——路面的表面形狀發(fā)生改變3、表層損壞類——路面表層局部受到破壞第十三頁，共六十三頁。二、破壞狀態(tài)

（一）沉陷：車輪作用下表面產(chǎn)生局部凹陷變形產(chǎn)生原因：路基土承載不足，形成壓縮與變形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：路基土的垂直應(yīng)力，

（二）車轍：車輪重復(fù)作用導(dǎo)致塑性變形的積累。行車輪帶處形成縱向帶狀凹陷產(chǎn)生原因：車輪重復(fù)作用導(dǎo)致塑性變形的積累

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：第十四頁，共六十三頁。（三）疲勞開裂：路面在無顯著永久變形下，形成短而細(xì)的橫向裂縫，并逐漸擴(kuò)展成網(wǎng)狀，開裂寬度范圍不斷增大。產(chǎn)生原因：車輪反復(fù)作用，結(jié)構(gòu)層底面拉應(yīng)變超過材料的疲勞強(qiáng)度，底面看先開裂并向表面發(fā)展

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：

（四）推移：路面表面在較大水平荷載作用下出現(xiàn)推移與擁包鼓起現(xiàn)象產(chǎn)生原因：結(jié)構(gòu)層內(nèi)剪應(yīng)力超過材料的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：面層中可能最大剪應(yīng)力適于：停車站、交叉口、緊急制動路段第十五頁，共六十三頁。（五）低溫縮裂：低溫時材料收縮受限產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，當(dāng)它超過材料當(dāng)時的抗拉強(qiáng)度時便產(chǎn)生開裂

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：低溫收縮受約束產(chǎn)生的溫度應(yīng)力

（六）路面彎沉：垂直荷載作用下，產(chǎn)生的垂直變形

產(chǎn)生原因：整體剛度不足

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)測路面彎沉值小于設(shè)計(jì)彎沉值第十六頁，共六十三頁。§14.3瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)一、適應(yīng)行車荷載的要求

１、按交通要求選擇面層等級和類型２、按各結(jié)構(gòu)層的功能選擇結(jié)構(gòu)層次３、按各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分布特性確定材料和厚度，相鄰結(jié)構(gòu)層之間相對剛度比不宜過大。一般，基層與面層模量比不小于0.3，土基與基層或底層的模量比宜為0.08~0.4第十七頁，共六十三頁。二、在各種自然因素作用下穩(wěn)定性好

三、考慮各結(jié)構(gòu)層本身的特點(diǎn)

層次組合合理適當(dāng)?shù)膶雍窈蛯訑?shù)四、路面結(jié)構(gòu)組合示例第十八頁，共六十三頁。高速公路、一級公路：細(xì)粒或中粒瀝青混凝土

中?；虼至Ｊ綖r青混凝土粗粒式瀝青混凝土或?yàn)r青碎石水泥穩(wěn)定類碎石或二灰穩(wěn)定類碎石二灰土或水泥土土基

細(xì)?；蛑辛r青混凝土

中?；虼至Ｊ綖r青混凝土水泥（二灰）穩(wěn)定類碎石級配碎（礫）石或砂礫土基

第十九頁，共六十三頁。二級、三級公路：瀝青混凝土

瀝青碎石水泥或二灰穩(wěn)定類碎石二灰（石灰）土或級配碎礫石土基

瀝青表面處治或乳化瀝青碎石

水泥（二灰）穩(wěn)定類碎石級配碎（礫）石或砂礫土基

瀝青貫入式或?yàn)r青碎石

水泥（二灰）穩(wěn)定類碎石二灰（石灰）土級配碎礫石土基

第二十頁，共六十三頁?！?4-4新建瀝青路面的結(jié)構(gòu)厚度計(jì)算采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性體系理論方法：以路表面回彈彎沉值、瀝青混凝土層彎拉應(yīng)力、半剛性材料層彎拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)完后，路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉與結(jié)構(gòu)層的彎拉應(yīng)力均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的極限標(biāo)準(zhǔn)。第二十一頁，共六十三頁。一、計(jì)算圖式１、路面彎沉值計(jì)算圖示第二十二頁，共六十三頁。２、瀝青面層與半剛性材料層的底層拉應(yīng)力計(jì)算圖示第二十三頁，共六十三頁。３、三層彈性體系剪應(yīng)力計(jì)算圖示第二十四頁，共六十三頁。二、路面容許彎沉和設(shè)計(jì)彎沉值

１、容許彎沉值:路面在試用期末得罪不利季節(jié)，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下容許出現(xiàn)的最大回彈彎沉值

臨界破壞狀態(tài)：外觀等級五級以第四級彎沉值的底限為臨界狀態(tài)第二十五頁，共六十三頁。２、路面設(shè)計(jì)彎沉值：由設(shè)計(jì)年限內(nèi)每個車道的累積當(dāng)量軸次、公路等級、面層和基層類型確定，相當(dāng)于路面竣工后第一年不利季節(jié)，路面在標(biāo)準(zhǔn)軸載100KN作用下測得的最大回彈彎沉值Ld——設(shè)計(jì)彎沉值，0.01mm;Ne——設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個車道上累計(jì)當(dāng)量軸次Ac——公路等級系數(shù)，高速、一級1.0，二級1.1，三、四級1.2As——面層類型系數(shù)，瀝青混凝土1.0，熱拌瀝青碎石、上拌下貫、乳化瀝青碎石1.1，瀝青表處1.2，中、低級1.3Ab——基層類型系數(shù)，半剛性基層厚度大于15cm為1.0，級配碎石小于15cm為1.0，其他取1.6第二十六頁，共六十三頁。路面厚度計(jì)算理論依據(jù)：（假設(shè)）

注：理論假設(shè)與實(shí)際狀態(tài)存在差異，需要修正令實(shí)測彎沉，計(jì)算路面厚度H第二十七頁，共六十三頁。三、標(biāo)準(zhǔn)軸載于軸載換算

１、標(biāo)準(zhǔn)軸載：路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中雙輪組單軸100KN（BZZ—100）２、計(jì)算參數(shù)：BZZ—100計(jì)算參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)軸載P(KN)100單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑（cm）d＝21.30單輪荷載P(KN)25兩輪中心距Rl（cm）3輪胎接地壓強(qiáng)P(Mpa)0.7當(dāng)量圓半徑（cm）10.65第二十八頁，共六十三頁。３、軸載換算

（1）基本原則a.換算以達(dá)到相同的臨界狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)b.對于某一種交通組成，不論以哪種軸載的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軸載換算，由換算所得的軸載作用次數(shù)計(jì)算的路面厚度應(yīng)該是相同的。第二十九頁，共六十三頁。（2）現(xiàn)行規(guī)范軸載換算方法a.當(dāng)以設(shè)計(jì)彎沉值為指標(biāo)及瀝青層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時，凡軸載大于25kN的各級軸載Pl的作用次數(shù)nl，按下式換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載P的當(dāng)量作用次數(shù)NC1——軸數(shù)系數(shù)C2——輪組系數(shù)，單輪組6.4，雙輪組1.0，四輪組0.38m——軸數(shù)注：當(dāng)軸間距大于3m時，C1取m當(dāng)軸間距小于3m時，第三十頁，共六十三頁。四、土基回彈模量的確定

1、現(xiàn)場承載板試驗(yàn)測定第三十一頁，共六十三頁。2、查表法

（1）、確定臨界高度

（2）、確定土的平均稠度

（3）、預(yù)測土基回彈模量第三十二頁，共六十三頁。3、室內(nèi)小型承載板試驗(yàn)測定

a、試件用直徑15.2cm圓筒，承載板直徑5cm，對試件捶擊，計(jì)算試件相應(yīng)于90%，93%，95%，壓實(shí)度的模量值b、建立室內(nèi)小型承載板與現(xiàn)場承載板測定的回彈模量之間的關(guān)系，然后將室內(nèi)小型承載板結(jié)果換算成現(xiàn)場承載板測定的回彈模量值，計(jì)算90%保證率代表值c、確定最不利季節(jié)（北方春融期，南方雨季）路基土平均最大含水量d、根據(jù)平均最大含水量對實(shí)測的代表回彈模量進(jìn)行折減第三十三頁，共六十三頁。4、換算法

建立現(xiàn)場測定與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

得到值換算關(guān)系式，確定E0值第三十四頁，共六十三頁。五、路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)值

1、我國現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，各級公路各層材料的計(jì)算模量采用抗壓回彈模量，瀝青砼和半剛性材料的抗拉強(qiáng)度采用劈裂試驗(yàn)測得的劈裂強(qiáng)度

對于瀝青混合料，當(dāng)用于以設(shè)計(jì)彎沉值計(jì)算路面結(jié)構(gòu)厚度時，采用200C的抗壓模量；當(dāng)用于驗(yàn)算層底拉應(yīng)力時，采用150C的抗壓模量

第三十五頁，共六十三頁。2、路面材料回彈模量測定方法第三十六頁，共六十三頁。六、結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力

極限抗拉強(qiáng)度Mpa：由劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)確定，（瀝青砼150C），對于水泥穩(wěn)定類材料齡期90d；對于二灰穩(wěn)定類的齡期180d第三十七頁，共六十三頁。第三十八頁，共六十三頁。七、路面厚度計(jì)算與層底拉應(yīng)力驗(yàn)算：

1、彈性雙層體系雙圓荷載第三十九頁，共六十三頁。2、彈性三層體系：雙圓荷載第四十頁，共六十三頁。3、路面厚度計(jì)算：假定完全連續(xù)體系雙圓均部荷載設(shè)計(jì)時，先擬定某一層作為設(shè)計(jì)層，選定其他各層厚度；當(dāng)采用半剛性基層、底層結(jié)構(gòu)時，可選其中任一層為設(shè)計(jì)層。第四十一頁，共六十三頁。4、層底拉應(yīng)力驗(yàn)算第四十二頁，共六十三頁。八、多層體系的等效換算：

1、彎沉等效換算法：第四十三頁，共六十三頁。2、彎拉應(yīng)力等效換算算法：（1）計(jì)算上層底面彎拉應(yīng)力：第四十四頁，共六十三頁。第四十五頁，共六十三頁。（2）計(jì)算中層底面彎拉應(yīng)力：第四十六頁，共六十三頁。例一：現(xiàn)有五層體系，各層模量厚度如下表所列，請轉(zhuǎn)換三層體系，計(jì)算路面彎沉值和第一、二、四層底面彎拉應(yīng)力層位i五層體系

表面彎沉第一層底拉應(yīng)力第二層底面拉應(yīng)力第三層底面拉應(yīng)力Ei

(mpa)Li

(cm)Ei

(mpa)hi

(cm)Ei

(mpa)hi

(cm)Ei

(mpa)hi

(cm)Ei

(mpa)hi

(cm)115006.515006.515006.580017.617.629.828001080030.580021.435001050019.34250202502053535353535第四十七頁，共六十三頁。1、表面彎沉

2、第一層底面拉應(yīng)力

3、第二層底面拉應(yīng)力

4、第四層底面拉應(yīng)力第四十八頁，共六十三頁。第四十九頁，共六十三頁。第五十頁，共六十三頁。第五十一頁，共六十三頁。九、新建路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

1、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，確定路面等級和面層類型，設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個車道的累計(jì)當(dāng)量軸次和設(shè)計(jì)彎沉值2、按路基土類型與干濕類型，將路基劃分為若干階段，確定土基回彈模量3、擬定可能路面結(jié)構(gòu)組合，根據(jù)配合比試驗(yàn)測定或選用各結(jié)構(gòu)層材料的抗壓回彈模量，抗拉強(qiáng)度，確定各結(jié)構(gòu)層的材料設(shè)計(jì)參數(shù)4、根據(jù)設(shè)計(jì)彎沉值計(jì)算路面厚度5、整體性材料層應(yīng)驗(yàn)算容許拉應(yīng)力6、季節(jié)性冰凍區(qū)驗(yàn)算防凍厚度第五十二頁，共六十三頁?！?4-5路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力計(jì)算一、剪應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度第五十三頁，共六十三頁。f——摩擦系數(shù)，停車站交叉口等緩慢制動地點(diǎn)為0.2；偶爾緊急制動為0.5；諾謨圖f=0.3

第五十四頁，共六十三頁?！辜羟薪Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)，停車站交叉口等緩慢制動處

（f=0.2），；緊急制動處（f=0.5），多層路面瀝青路面面層的剪應(yīng)力時，需將多層路面按剪應(yīng)力等效原則換算為三層體系，此時換算的方法與彎沉計(jì)算相同。第五十五頁，共六十三頁?！?4-6瀝青路面改建設(shè)計(jì)一、路面結(jié)構(gòu)狀況調(diào)查與評定

1、現(xiàn)有路面狀況調(diào)查a、交通調(diào)查b、路基狀況調(diào)查c、路面狀況調(diào)查d、路