路面工程設(shè)計

1第七講：路面工程設(shè)計路面工程概述路面設(shè)計方法瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計路面工程最新發(fā)展路面的功能和要求路面結(jié)構(gòu)與層次劃分經(jīng)驗設(shè)計方法基于力學(xué)的設(shè)計方法路面結(jié)構(gòu)層次組合設(shè)計CBR法AASHO法SHELL法SUPERPAVE法路面的病害與防治路面結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計的基本過程路面分類和分級路面種類與材料31.路面工程概述路面的功能和要求路面結(jié)構(gòu)及其層次劃分路面的分級與分類我國道路路面種類及材料介紹41.1路面的功能和要求功能：提供汽車在道路上全天候行駛，保證汽車以一定的速度，安全、舒適、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

背景知識：與砂石路相比,瀝青路面行駛速度從30上升到50-60km/h,油耗降低15-20%,輪胎行駛公里增加20%,運(yùn)輸成本降低18-20%.道路造價中,高級路面占60-70%,低級路面占20-30%。51.1路面的功能和要求要求強(qiáng)度和剛度：力學(xué)要求穩(wěn)定性耐久性表面平整度表面抗滑性能少塵性61.2路面的結(jié)構(gòu)和層次劃分結(jié)構(gòu)

路拱平均坡度:瀝青或水泥混凝土路面:1.5%；廠拌瀝青碎石等:1.5-2.5%；石砌路面:2-3%；碎石,礫石路面:2.5-3.5%，土路:3-4%71.2路面的結(jié)構(gòu)和層次劃分層次荷載工況特點(diǎn)性能要求常用材料面層行車荷載較大、受降水浸蝕和氣溫變化影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抗變形能力，水、溫度穩(wěn)定性較高。耐磨，不透水；良好的抗滑性和平整度水泥、瀝青混凝土、瀝青碎(礫)石混合料、塊料基層荷載垂直力，經(jīng)受地下水和滲入雨水

足夠的強(qiáng)度和剛度，有良好的擴(kuò)散應(yīng)力的能力，足夠的水穩(wěn)定性

結(jié)合料、穩(wěn)定土石、貧水泥混凝土、砂礫石材，工業(yè)廢渣墊層改善土基的濕度和溫度狀況擴(kuò)散荷載應(yīng)力水穩(wěn)定性和隔溫性能要好砂石、爐渣透水性墊層，水泥或石灰穩(wěn)定土穩(wěn)定類墊層

81.3路面的分級和分類分級：各等級公路路面材料路面等級面層類型公路等級高級水泥混凝土、廠伴瀝青碎石、整齊石塊條石高速、一級、二級次高級瀝青灌入碎石、路伴瀝青碎石、瀝青表面處治、半整齊石塊二級、三級中級泥結(jié)或級配碎石、水結(jié)碎石、不整齊石塊三級、四級低級各種粒料或當(dāng)?shù)夭牧细纳仆?，爐渣土、礫石土、砂礫土四級91.3路面的分級和分類路面荷載工況特點(diǎn)各層材料柔性路面總體結(jié)構(gòu)剛度較小，彎沉變形較大，路面結(jié)構(gòu)的抗彎拉強(qiáng)度較低，通過各結(jié)構(gòu)層將車輛荷載傳遞給土基粒料基層和各類瀝青面層、碎(礫)石面層或塊石面層剛性路面強(qiáng)度高，抗彎拉強(qiáng)度高，剛性較大。水泥混凝土板的抗彎拉強(qiáng)度承受車輛荷載，基礎(chǔ)上單位壓力多。

水泥混凝土作面層或基層半剛性路面前期有柔性路面的力學(xué)性質(zhì)，后期的強(qiáng)度和剛度有較大幅度的增長。空隙瀝青混凝土注入水泥砂漿的道路路面水泥、石灰處治的土石及含有水硬性結(jié)合料的工業(yè)廢渣101.4路面種類與材料碎石礫石路面和基層塊料路面瀝青混凝土水泥混凝土路面111.4.1碎石礫石路面和基層土、碎（礫石）石混合料的物理狀態(tài)121.4.2塊料路面131.4.2塊料路面141.4.2塊料路面151.4.3瀝青混凝土路面特點(diǎn)表面平整、無接縫行車舒適、耐磨、振動小、噪聲低施工期短、養(yǎng)護(hù)維修簡便、適宜于分期修建強(qiáng)度與穩(wěn)定性在很大程度上取決于土基和基層瀝青路面的抗彎強(qiáng)度較低要求在溫暖干燥的氣候下施工施工161.4.3瀝青混凝土路面種類按強(qiáng)度構(gòu)成原理分：密實類（按最大密實原則設(shè)計）和嵌擠類（顆粒尺寸較為單一）按施工工藝分:層鋪法，路拌法，廠拌法按技術(shù)特性分:瀝青混凝上、熱拌瀝青碎石、乳化瀝青碎石混合料、瀝青貫入式、瀝青表面處治五種類型171.4.3瀝青混凝土路面勁度模量181.4.3瀝青混凝土路面溫度變化191.4.3瀝青混凝土路面疲勞強(qiáng)度201.4.3瀝青混凝土路面穩(wěn)定性高溫穩(wěn)定性低溫抗裂性水穩(wěn)定性211.4.3瀝青混凝土路面各種性能之間的矛盾高溫穩(wěn)定性與疲勞性能、低溫抗裂性能的矛盾路面表面特性與耐久性的矛盾221.4.3瀝青混凝土路面瀝青材料材料：石油瀝青、煤瀝青、液體石油瀝青和乳化瀝青根據(jù)路面類型、施工條件、氣候選取231.4.3瀝青混凝土路面粗集料材料材料：碎石、篩選礫石、破碎礫石、礦渣與瀝青有良好的粘附性路面抗滑表面選用堅硬、耐磨、抗沖擊好的碎石高等級公路路面符合規(guī)定的石料磨光值241.4.3瀝青混凝土路面細(xì)集料材料天然沙、機(jī)制沙石、石屑，臨界2.36mm潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)高等級公路不用碎石251.4.4水泥混凝土路面類型普通混凝土：就地?fù)现摻罨炷粒和涟迤矫娉叽巛^大，路面板縱橫向配筋連續(xù)配筋混凝土：高等級路面或機(jī)場跑道預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式混凝土：混凝土預(yù)制成板塊鋼纖維混凝土：使用纖維混凝土261.4.4水泥混凝土路面特點(diǎn)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性與耐久性好色澤鮮明，有利于夜間行車對水泥和水的需要量大有接縫修復(fù)困難開放交通較遲271.4.4水泥混凝土路面基層性能預(yù)防沖刷和唧泥防水防凍減少路基頂面壓應(yīng)力提高路面的承載能力281.4.4水泥混凝土路面291.4.4水泥混凝土路面301.4.4水泥混凝土路面31小結(jié)路面設(shè)計需要保證強(qiáng)度和剛度、穩(wěn)定性、耐久性路面的結(jié)構(gòu)自上到下包括面層、基層、墊層，各層工作狀況、材料各不一樣路面的分級和分類路面主要有碎石礫石路面和基層、塊料路面、瀝青混凝土、水泥混凝土路面，瀝青路面與水泥路面的結(jié)構(gòu)、種類和特點(diǎn)322.路面設(shè)計方法經(jīng)驗設(shè)計方法基于力學(xué)的設(shè)計方法路面結(jié)構(gòu)層次組合設(shè)計332.1基于經(jīng)驗的設(shè)計方法CBR設(shè)計方法關(guān)鍵指標(biāo)：CBA是表征道路材料抗力的指標(biāo)，以材料灌入抗力與標(biāo)準(zhǔn)碎石抗力的百分比基本思想：路面提供足夠的厚度與質(zhì)量特點(diǎn)：設(shè)計過程簡單，概念明確適用性：適用重載、低等級的路面設(shè)計342.1.2AASHO法提出服務(wù)能力指數(shù)PSI352.1.2AASHO法定義路面結(jié)構(gòu)等效厚度，認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)數(shù)相同，路面的使用性能與使用壽命相同其中Α與材料的類型強(qiáng)度有關(guān)362.1.2AASHO法新的AASHO設(shè)計指南采用力學(xué)經(jīng)驗法、設(shè)計中引入力學(xué)經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕O(shè)計參數(shù)為多級輸入提高一套完整的設(shè)計軟件372.1.2AASHO法382.2.1基于力學(xué)的Shell法63年圖解法→78年出版設(shè)計手冊→計算機(jī)Shell法把路面當(dāng)成多層線彈性體考慮溫度的影響392.2.1基于力學(xué)的Shell法兩項主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)容許水平拉應(yīng)力εr路基頂面容許壓應(yīng)變εz402.2.1基于力學(xué)的Shell法兩項次要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定類材料地面的彎拉應(yīng)力路表面的永久變形412.2.1基于力學(xué)的Shell法兩項次要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)蠕變實驗車轍預(yù)估模型422.2.2SUPERPAVE法設(shè)計流程432.2.2SUPERPAVE法設(shè)計思想：按照路面的使用性能進(jìn)行路面和材料設(shè)計，達(dá)到路面抗疲勞、抗車轍、抗低溫的能力成果：SUPERPAVE（SuperiorPerformingAsphaltPavement）高性能路面設(shè)計和分析系統(tǒng)44以力學(xué)法為主依賴經(jīng)驗作為補(bǔ)充2.2.3力學(xué)經(jīng)驗路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法4546小結(jié)介紹了路面設(shè)計的基本方法：基于經(jīng)驗的設(shè)計方法（CBA法、AASHO法）和基于力學(xué)的設(shè)計方法（Shell法和SUPERPAVE法），任何方法都建立在大量的模型建立和實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上473.瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計瀝青路面病害與防治瀝青路面結(jié)構(gòu)層次設(shè)計瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法瀝青路面的設(shè)計過程483.1.1瀝青路面的損壞模式裂縫：橫向裂縫、縱向裂縫、塊狀裂縫、網(wǎng)狀裂縫（龜裂）變形：沉陷、車轍、搓板、推移、擁起表層的損壞：露骨、松散、剝落、坑槽、泛油493.1.2瀝青路面的常見病害沉陷503.1.2瀝青路面的常見病害車轍513.1.2瀝青路面的常見病害疲勞開裂523.1.2瀝青路面的常見病害反射裂紋和低溫開裂533.1.2瀝青路面的常見病害松散和坑槽543.1.2瀝青路面的常見病害泛油、推移和擁包553.1.3路面病害預(yù)防的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)采用多種臨界狀態(tài)和多項設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)松散和泛油主要由面層材料和施工養(yǎng)護(hù)的質(zhì)量引起沉陷主要由路基質(zhì)量引起路面設(shè)計主要考慮疲勞開裂、車轍和低溫開裂563.1.3路面病害預(yù)防的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)疲勞開裂累加判斷法當(dāng)量損耗法573.1.3路面病害預(yù)防的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)車轍相關(guān)因素：應(yīng)力大小、重復(fù)作用次數(shù)以及結(jié)構(gòu)層設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)1：設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)2583.1.3路面病害預(yù)防的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)路面回彈彎沉以軸載作用下路表面的回彈彎沉量小于容許的彎沉量與交通量、公路等級以及面層和基層材料有關(guān)593.1.3路面病害預(yù)防的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低溫開裂面層材料因收縮產(chǎn)生的溫度應(yīng)力不大于瀝青材料的抗拉強(qiáng)度，適用于寒冷地區(qū)603.2瀝青路面結(jié)構(gòu)層次組合組合的原則和方法按交通需求選擇面層的等級和類型按各結(jié)構(gòu)層的功能選擇結(jié)構(gòu)層次按各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分布特性顧及個結(jié)構(gòu)層本身的結(jié)構(gòu)特性考慮水溫的不利影響適當(dāng)?shù)暮穸群蛯訑?shù)613.2.1面層等級的選擇623.2.2選擇結(jié)構(gòu)層次高等級路面面層2-3層上層磨耗層：中粒、細(xì)粒式混凝土中層：抵抗水平剪應(yīng)力，中粒、粗粒式混凝土下層：抵抗彎曲疲勞，粗粒式混凝土，熱伴瀝青碎石水文條件差的路段使用低劑量石灰穩(wěn)定路基上層土季節(jié)性冰凍地區(qū)滿足防凍的要求63643.2.3按各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分布特性各層的輕度和剛度隨深度的增加而降低相鄰層剛度差異不能過大653.2.4各層本身的結(jié)構(gòu)各層之間材料會相互影響663.2.5水溫狀況的不利影響673.2.6適當(dāng)?shù)暮穸群蛯訑?shù)683.2.6適當(dāng)?shù)暮穸群蛯訑?shù)693.3瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和計算圖式路面彎沉的計算和設(shè)計的容許彎沉值拉應(yīng)力和容許的拉應(yīng)力軸載的換算路基和路面的材料參數(shù)703.3.1設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和計算圖式設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)表面在雙輪荷載作用下輪隙中心處的彎沉值不大于設(shè)計（容許）彎沉值。瀝青面層底面的最大拉應(yīng)力不大于該層混合料的容許拉應(yīng)力半剛性基層或底基層底面的最大拉應(yīng)力不大于該層材料的容許拉應(yīng)力。713.3.1設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和計算圖式計算圖式計算中將路面結(jié)構(gòu)看作三層或四層彈性體系各層面按完全接觸處理A、B、C、D最大的應(yīng)力作為底層拉應(yīng)力723.3.1設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和計算圖式其他的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（美國瀝青協(xié)會方法）瀝青面層底面的最大拉應(yīng)變不大于該層混合料的容許拉應(yīng)變。土基頂面的豎向壓應(yīng)變不大于容許壓應(yīng)變。采用半剛性基層時，水泥穩(wěn)定類基層底面的最大拉應(yīng)力不大于該層材料的容許拉應(yīng)力733.3.2路表彎沉計算和容許彎沉值路面彎沉計算743.3.2設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和計算圖式容許彎沉計算公式753.3.3拉應(yīng)力和容許拉應(yīng)力滿足抗疲勞性能容許拉應(yīng)力763.3.3拉應(yīng)力和容許拉應(yīng)力瀝青面層無機(jī)結(jié)合物穩(wěn)定料粒無機(jī)結(jié)合物穩(wěn)定料土773.3.4軸載的換算以對路面的損壞程度來進(jìn)行。容許彎沉疲勞損壞783.3.4軸載的換算兩種軸載左右次數(shù)的關(guān)系不同軸載作用在同一個路面彎沉值的關(guān)系793.3.4軸載的換算軸載換算公式（以彎沉值作為設(shè)計指標(biāo)）803.3.4軸載的換算軸載換算公式（以半剛性路面基層容許拉應(yīng)力作為設(shè)計指標(biāo)）813.3.5路基和路面的材料參數(shù)路基土回彈模量通過實驗獲?。ㄈ缛S加載實驗）一年的不同時期內(nèi)加權(quán)平均（或最不利季節(jié)實驗值）土的回彈模量因適度和密實度的變化，可以通過實驗建立起它們之間的經(jīng)驗公式823.3.5路基和路面的材料參數(shù)粒料回彈模量半剛性材料的回彈模量瀝青混合料的回彈模量

以上材料參數(shù)都需要通過實驗手段獲得，相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范也有一些可以參考數(shù)據(jù)833.4瀝青路面的設(shè)計過程根據(jù)交通調(diào)查和預(yù)測數(shù)據(jù)，計算設(shè)計年限內(nèi)設(shè)計車道的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)N。根據(jù)道路等級和交通繁重程度，確定路面等級和面層類型。按路基土質(zhì)和干濕類型，將路基劃分為若干路段，分別確定各路段的土基回彈模量。按路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計原則，參考設(shè)計和使用經(jīng)驗，擬定幾種路面結(jié)構(gòu)層組合和厚度方案843.4瀝青路面的設(shè)計過程對各結(jié)構(gòu)層材料進(jìn)行混和料配合比設(shè)計和試驗，并測定其強(qiáng)度和回彈模量，確定相應(yīng)的設(shè)計值。由設(shè)計軸次N、劈裂強(qiáng)度計算確定容許彎沉值和容許拉應(yīng)力值。應(yīng)用層狀體系結(jié)構(gòu)分析軟件及各結(jié)構(gòu)層材料的設(shè)計參數(shù)，對各路面結(jié)構(gòu)層組合和厚度方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下各計算點(diǎn)的表面彎沉和層底面拉應(yīng)力計算。對比計算值和相應(yīng)的容許值，分析結(jié)構(gòu)層組合和厚度方案的合理性，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和方案選擇85小結(jié)介紹了路面的病害以及機(jī)理路面結(jié)構(gòu)層次選取的設(shè)計的基本原理和方法路面的設(shè)計方法和設(shè)計過程路面材料參數(shù)的含義以及獲取的方法864.水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計水泥路面病害與防治結(jié)構(gòu)層面的設(shè)計板厚的設(shè)計水泥路面的設(shè)計過程874.1.1水泥路面的病害斷裂

原因：板內(nèi)應(yīng)力超過混凝土強(qiáng)度，地基的不均勻沉降、施工期間收縮應(yīng)力過大，是板的結(jié)構(gòu)性破壞884.1.1水泥路面的病害錯臺

原因：唧泥附近板底抽空，降低了行車的平穩(wěn)性和舒適性894.1.1水泥路面的病害接縫碎裂

原因：板邊緣混凝土開裂、斷裂成為碎塊。或混凝土在高壓狀態(tài)下收到擠壓904.1.1水泥路面的病害起皮

原因：在施工中養(yǎng)護(hù)不當(dāng)或者材料結(jié)構(gòu)不當(dāng)914.1.1水泥路面的病害拱起沉陷紋裂924.1.2水泥路面的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：防止面層出現(xiàn)斷裂，防止由于載荷和周期性變化溫度翹曲應(yīng)力反復(fù)作用對路面的疲勞破壞。根據(jù)疲勞破壞制訂的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：934.1.2水泥路面的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)抗彎拉強(qiáng)度制訂的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)944.1.2水泥路面的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)通過限制板的尺寸限制溫度翹曲應(yīng)力，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)限制荷載應(yīng)力不超過混凝土的疲勞強(qiáng)度954.2水泥路面的結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計面層路基基層和墊層內(nèi)部排水系統(tǒng)964.2.1面層普通混凝土整體式澆注或分層式澆注鋪筑中使用常規(guī)的搗振或碾壓（碾壓混凝土）974.2.1面層鋼筋混凝土：在板內(nèi)配置縱向和橫向的混凝土面層板的長度較大（10-20m）板地下有其他設(shè)施路基有可能產(chǎn)生不均勻沉降板的形狀不規(guī)則或有孔（如排水井）984.2.1面層連續(xù)配筋混凝土路段長度一般不設(shè)置橫縫，縱向連續(xù)配置鋼筋配筋率0.6%-0.8%橫向裂縫間距1.0-4.5m，縫隙寬0.2-0.5mm面層厚度與普通混凝土相當(dāng)或略小994.2.1面層預(yù)應(yīng)力混凝土混凝土或鋼筋施加預(yù)應(yīng)力鋼纖混凝土混凝土內(nèi)滲入低碳鋼或不銹鋼纖維混凝土塊料路面1004.2.2路基工作狀態(tài)荷載應(yīng)力值很小，小于0.05mpa需要一定的穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生不均勻沉降、不均勻凍脹、膨脹土產(chǎn)生的不均勻支撐1014.2.2路基處理措施選擇低膨脹土或?qū)Ρ鶅霾幻舾械耐粒绕涫巧蠈邮褂昧己锰钪牧峡刂茐簩嵍群蛪簩嵵械暮勘M量提高路基的設(shè)計高程對路基上層采用低劑量石灰和水泥結(jié)合料穩(wěn)定處理設(shè)置路基排水設(shè)施1024.2.3基層和墊層作用防止或者減輕唧泥和錯臺現(xiàn)象的出現(xiàn)減少路基不均勻凍脹和變形對路面的影響為穩(wěn)定施工提供穩(wěn)定的工作條件

交通量較大的道路上，通常使用水泥和瀝青穩(wěn)定粒料或者貧混凝土作為混凝土路面的基層1034.2.3基層和墊層1044.2.3基層和墊層1054.2.4內(nèi)部的排水系統(tǒng)1064.2.4內(nèi)部的排水系統(tǒng)1074.3面層厚度設(shè)計設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)荷載疲勞應(yīng)力分析溫度疲勞應(yīng)力分析1084.3.1設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)使用年限內(nèi)混凝土板出現(xiàn)疲勞開裂為臨界狀態(tài)（我國采用）現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)PSI1