沥青路面结构设计.ppt

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1、第十一章 沥青路面结构设计,第十一章 沥青路面结构设计,第一节 概述 第二节 损坏形式与设计控制指标 第三节 路面结构组合设计 第四节 新建沥青路面结构层厚度设计 第五节 沥青路面改建设计,第一节 概述,一、沥青路面结构设计内容与要求内容：原材料的调查与选择、沥青混合料配合比以及基层材料配合比设计、各项设计参数的测试与选定、路面结构组合设计、路面结构层厚度验算以及路面结构方案的比选等。对于高速公路和一级公路，除了行车道路面外，路面设计还包括路缘带、匝道、硬路肩、加减速车道、紧急停车带、收费站和服务区场面的设计，以及路面排水系统设计等。要求：为汽车行驶提供快速、舒适、安全、稳定的服务功能，并须满

2、足设计交通量下应具有足够的整体刚度（即承载能力）及各结构层的应力应变的要求。,沥青路面技术指标,现代高等级道路沥青路面应符合下表11-1的各项技术要求。,二、沥青路面结构设计的原则,沥青路面结构设计的原则,1、根据使用要求及气候、水文、土质等自然条件密切结合当地实践经验，将路基路面作为一个整体考虑，进行综合设计。,2、遵循“因地制宜、合理选材 等原则进行路面设计方案的技术经济比较,3、结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果,4、充分考虑沿线环境的保护、自然生态的平衡，有利于施工、养护工作人员的健康与安全,6、对于地处不良地基的路段，路面结构可以遵循“一次设计，分期修建”的方案,5、尽可能选择

3、有利于机械化、工厂化施工的设计方案,三、沥青路面结构设计方法沥青路面结构设计方法可分为经验和半经验法及解析（或理论）法两大类型。（一）经验和半经验法经验和半经验法是以已往的修建和使用经验为基础。如果路面结构的材料、环境和受荷条件同经验和半经验法制定时所依据的相似，那么按此方法设计的路面结构可以得到满意的使用效果。由于环境条件的差异、轴载和交通量的迅速增长、新材料的涌现，不断地提出把经验关系式外延的要求，经验和半经验法就不再适用。,（二）解析（或理论）法解析法是以结构分析为基础，按设计荷载所产生的应力、应变和位移量不超过路面任意结构层中材料所容许的范围，来选择和确定铺面结构层的组合及其尺寸。这类

4、设计方法的特征是：选择一个合适的力学模型来代替现实的路面结构，寻求此模型中应力、应变和位移方程的解；表征各结构层中的材料在相应的环境和加载条件下的力学性质；定义以基本的应力、应变和位移量表示的设计标准（或指标）；用简便的方式表示设计体系和步骤。我国的沥青路面结构设计是以解析法为的设计方法，然而，由于影响因素复杂、材料和结构性质的变异性大，对荷载和环境的影响认识得还不够充分，结构分析和使用性能之间尚未建立起定量的内在联系，采用解析法设计路面结构还存在着许多不足，需要依赖经验予以补充。,第二节 损坏形式与设计控制指标,一、沥青路面的损坏形式常见的沥青路面破损类型有如下四类：裂缝类破损：包括龟裂、块

5、裂及各类单根裂缝等；变形类破损：包括车辙、沉陷、拥包、波浪等；松散类破损：包括掉粒、松散、剥落、脱皮等引起的集料 散失、坑槽等；其他破损：包括泛油、磨光（抗滑性能差）等。,（一）裂缝,裂缝,横向裂缝,纵向裂缝,网状裂缝,由单根裂缝发展而引起，春融期间反复的冻融交替等原因,荷载型裂缝,非荷载型裂缝,横向裂缝的主要形式；形成原因复杂，最主要的是温缩裂缝和半刚性基层开裂引起的反射性裂缝,路面承载能力下降、强度不足以承担车辆荷载或者反复循环荷载作用引起的疲劳所产生,产生的原因多种：荷载作用过大，承载能力不足，纵向接缝没有做好，车辙裂缝 等,（二）车辙 车辙是渠化交通的高等级道路沥青路面的主要损坏形式之

6、一。在正常情况下，沥青路面的车辙有三种类型（或三种机理）。（1）第一种类型是由路面基层及路基变形引起的。发生在沥青面层以下包括路基在内的各结构层的永久性变形，宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面呈“V”形（2）第二种类型是在温度较高的季节，经车辆反复碾压下产生永久变形和塑性流动而逐渐形成的沥青混凝土的侧向流动变形。出现侧向隆起，成“W”形车辙。（3）第三种类型是轮胎（冬季埋钉）形成的磨损性车辙，主要发生在冰雪严重的寒冷地区。,（三）水损害水损害是指沥青路面在水的作用下，沥青逐渐丧失与矿料的粘结力，从集料表面脱落，在车辆的作用下沥青面层呈现松散状态，以致集料从路面脱落形成坑槽。,造成沥青路面的水损

7、害的原因是多方面的，其主要表现为以下几方面：（1）沥青混合料的空隙率较大，施工时压实不足，更使空 隙率变大。（2）许多路面没有考虑设置完善的路面内部排水结构体系。（3）使用了与沥青粘附性不好甚至很差的中性或者酸性石 料，界面上容易为水浸入，降低粘附性。,（四）表面功能下降沥青路面在使用过程中，在车轮反复滚动摩擦的作用下，集料表面被逐渐磨光，有时还伴有沥青的不断上翻、泛油，导致沥青面层表面光滑，尤其在雨季常会因此而酿成车祸。采用敏感性比较大的沥青混合料级配类型有关。（五）松散和坑槽由于面层材料组合不当或施工质量差，结合料含量太少或粘结力不足，使面层混合料的集料间失去粘结而成片散开，称为松散。网裂

8、的后期，碎块被行车荷载继续碾碎，并被带离路面形成坑槽。原因：沥青与矿料之间的粘附性较差，混合料加热温度过高，沥青老化。,二、设计控制指标,由于沥青路面损坏模式的多样化，各种损坏对路面使用性能有不同性质和程度的影响，沥青路面设计不能像其他结构物的设计那样，仅选用一种损坏模式作为临界状态和选用单一的指标作为设计标准，而必须是多种临界状态和多项设计标准。在沥青路面的各项损坏模式中，有些损坏是由于面层材料的组成不当或者施工和养护质量欠佳所引起的（如松散和泛油等），它不属于结构设计考虑的范围；有些损坏（如沉陷）在通常情况下，通过采用改善路基水温状况和加设垫层以减小路基应力等结构组合措施，完全可以避免出现

9、；还有些损坏（如反射裂缝）则通过采取与荷载、温度或材料特性相适应的材料组成设计和结构措施可以使之避免出现或减轻其危害程度。通常认为：疲劳开裂、车辙（永久变形）和低温开裂是导致路面结构破坏的三项最主要的损坏模式，在结构设计中应予着重考虑。：,（一）疲劳开裂,路面材料在出现疲劳开裂前所能承受的荷载重复作用次数，称为疲劳寿命。疲劳寿命的大小，与组成材料的特性、环境条件（温度）以及路面所受到重复应变（或应力）级位的大小有关。以疲劳开裂作为临界状态的设计，可以选用沥青层底面的拉应变（或拉应力）作为设计指标，以标准轴载在当量疲劳温度时产生的沥青层底面拉应变（或拉应力）不大于该材料在该温度条件下的容许疲劳拉

10、应变（或拉应力）作为设计标准。无机结合料稳定类基层，由于刚度较大（相对于垫层或土基）而易出现较大的径向拉应力，应控制其底面的最大拉应力不大于基层材料的容许疲劳拉应力，以免产生疲劳开裂并导致面层断裂。,（二）路表回弹弯沉路表面在荷载作用下的回弹弯沉量，反映了路基路面结构的整体刚度。弯沉的大小与路面的使用状态（疲劳开裂和塑性变形量）之间存在着一定的内在关系；回弹弯沉量越大，相应的塑性变形量也越大，而出现疲劳开裂的机率越高（亦即，能承受的轴载作用次数越小）。根据路面使用状态和使用年限的要求，可以确定一次荷载（标准轴载）作用下路面的容许回弹弯沉量。路面以回弹弯沉作为设计指标时，是以路基路面结构表面在双

11、圆均布荷载作用下轮隙中心处的实测路表弯沉值小于或等于设计弯沉值作为确定沥青路面结构厚度的设计标准。,（三）车辙（永久变形）车辙是路基和路面各结构层在荷载反复作用下产生的塑性变形的累积。车辙的深度与重复应力的大小、作用次数、路基和路面各结构层材料的模量以及温度状况有关。以车辙作为临界状态的设计方法，选用车辙深或永久变形量作为指标，限定设计年限内的累积车辙深或永久变形量不超出行驶质量和行车安全所容许的车辙深或永久变形量。（四）低温开裂与荷载因素无关、适用于寒冷地区。温度下降时，面层材料因收缩受阻而产生的温度应力不大于该温度下沥青材料的抗拉强度。还应在抗滑性和平整度方面另外提出设计标准,第三节 路面

12、结构组合设计,沥青路面是多层次结构物。结构组合设计是路面结构设计中的重要组成部分，在设计之前必须进行地质、环境、气候和水文状况的调查。根据当地材料供应情况，确定满足密实、抗滑、耐久的路面结构方案，合理设计各层路面结构，满足使用要求。沥青路面结构层次的合理选择和安排，是整个路面结构是否能在设计使用年限内承受行车荷载和自然因素的共同作用，同时又能发挥各结构层的最大效能，使整个路面结构经济合理的关键。,一、沥青路面典型结构形式,根据基层类型，沥青路面结构可组合成四种典型结构形式：（1）半刚性基层沥青路面在半刚性基层上设有较薄的沥青层结构。（2）柔性路面各结构层由沥青混合料，或沥青贯入碎石、或冷拌沥青

13、混合料、级配碎石、砂砾等柔性材料组成，无半刚性材料层的结构类型。（3）刚性基层沥青路面采用贫混凝土、混凝土等基层的沥青路面。（4）混合基层沥青路面在半刚性材料或刚性材料层与沥青面层之间设置柔性基层的路面结构。,二、结构组合设计原则根据实践经验和理论分析，结构组合时宜考虑下述几方面的原则：（1）按道路的等级及交通繁重程度选择面层的类 型和厚度；（2）满足对各结构层（面层、基层和垫层）的相 关功能要求；（3）适应各结构层的荷载应力分布特性；（4）要顾及各结构层本身的结构特性；（5）考虑当地水文状况的不利影响；（6）选择适当的结构层数和层厚，以便利施工；（7）协调行车道与路肩部分的铺面结构，考虑表

14、面水和结构内部自由水的疏导和排放；（8）顾及当地的使用经验、已有习惯和施工技术 水平。,三、结构组合设计方法（一）按各结构层功能及其使用要求选择结构层次 1、面层面层是直接承受轮荷载反复作用和各种自然因素影响，并将荷载传递到基层以下的结构层，面层应满足表而功能性和结构性的使用要求。面层一般为单层、双层。双层结构称为表面层、下面层；若采用三层结构可称表面层、中面层、下面层。沥青路面表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久的服务功能，同时应具用高温抗车辙、抗低温开裂、抗老化等品质。旧路面可加设磨耗层以改善表面服务功能。中、下面层应密实、基本不透水，并具有高温抗车辙、抗剪切、抗疲劳的力学性能。沥青面

15、层分为热拌沥青混合料、冷拌沥青混合料、沥青贯入式、沥青表面处治与稀浆封层等几种类型。,2、基层与底基层沥青路面面层下设置基层的主要作用有以下几个方面：承受行车荷载的作用，它作为道路的主要承重层和面层一起将车轮荷载的反复作用传布到底基层、垫层和土基；增加道路整体强度和面层的疲劳抗力，防止或减轻面层裂缝的出现；缓解土基不均匀冻胀或不均匀体积变形对面层的不利影响；为面层施工机械提供稳定的行驶面和工作面。基层要求:具有足够的强度和稳定性，在冰冻地区具有一定的抗冻性；高级路面下的半刚性基层应具有较小的收缩变形和较强的抗冲刷能力；表面平整、密实，拱度与面层一致，高程符合要求。,底基层是设置在基层之下并与面

16、层、基层一起承受车轮荷载反复作用的次要承重层，因此，对底基层材料的技术指标要求可比基层材料略低，底基层也可分为上、下底基层。基层、底基层设计应贯彻就地取材、就近取材的原则，认真做好当地材料的调查，根据交通量及其组成、气候条件、筑路材料以及路基水文状况等因素，选择技术可靠、经济合理的结构。基层可选用无机结合料稳定类或沥青混合料、粒料、贫混凝土等材料，底基层应充分利用沿线地方材料，可采用无机结合料稳定细粒士类或粒料类等。基层、底基层厚度应根据交通量大小、材料力学性能和扩散应力的效果，充分发挥压实机具的功能，以及有利于施工等因素选择各结构层的厚度。各结构层的材料变化不宜过于频繁，应有利于施工组织、管

17、理与质量控制。,3、垫层垫层是设置在底基层与土基之间的结构层，起排水、隔水、防冻、防污及减下层间模量比、降低半刚性底基层拉应力的作用。为排除路面、路基中滞留的自由水，确保路面结构处于干燥或中湿状态。下列情况下的路基应设置垫层：地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段；排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼盼等水文不良的岩石挖方路段；季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段，可能产生冻胀需设防冻层的路段；基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。垫层材料可选用粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等粒料，以及水泥或石灰煤渣稳定粗粒土、石灰粉煤灰稳定粗粒土等。为防止软弱路基污染粒料底基层、垫层，或为隔断地下

18、水的影响，可在路基顶面设土工合成材料隔离层。垫层应与路基同宽，其最小厚度为15cm。一般来说，面层、基层（底基层）和垫层是路面结构层的基本组成，各级道路应根据具体情况设置必要的结构层，但是，对三、四级公路最少也不得低于两层，即面层和基层。,4、路（土）基 路（土）基，特别是路床部分，是路面结构的支承体。路面对路（土）基的基本要求是密实、均匀和水稳定。应采取各项技术措施，以减少土基的不均匀变形：（1）对于软弱地基，应进行加固处理以减少工后沉降量（残余沉降量）和不均匀沉降量；（2）对潮湿、过湿路基或软弱路基的上部，采用低剂量无机结合料（石灰、水泥）稳定或者换填砂（砂砾）、碎石等粒料，以保障路床部分

19、土的强度和水稳定性；路床顶面的回弹模量值应不小于30MPa或不小于25MPa；（3）选用优质填料，合理安排填筑顺序，以避免或减轻膨胀和收缩引起的不均匀变形；（4）适当控制压实时的含水量，按要求压实度进行充分压实，以提供塑性变性小且支承均匀的土基；（5）充分考虑路基地表和地下排水，以改善土基的水文状况。,（二）按各结构层的应力分布特性作用在路面上的行车荷载，通常包括垂直力和水平力。路面在垂直力作用下，内部产生的力和应变随深度向下而递减。水平力作用产生的应力、应变，随深度递减的速率更快。因此，对各层材料的强度和刚度的要求也可随深度的增大而相应降低。路面各结构层如按强度刚度自上而下递减的方式组合，则

20、既能充分发挥各结构层材料的能力，又能充分利用当地材料充当底基层或基层，从而降低造价，以使各结构层材料的效能得到充分发挥。采用递减规律组合路面结构层次时，还须注意相邻结构层之间的刚度不能相差过大。上下两层的相对刚度比过大时，上层底面将出现较大的弯拉应力（或弯拉应变）。此值一旦超过上层材料的抗拉强度（或抗拉应变）时，上层将产生开裂。根据应力分析和设计经验，沥青路面基层与面层之间的模量比不宜大于3；基层与底基层之间的模量比不宜大于2.5；底基层与土基之间模量比不大于10。,（三）选用适当的层厚和层数,各类结构层，应按所用材料的规格（公称最大粒径）和施工工艺（摊铺、压实和整修）的要求，有一最小厚度的规

21、定，低于此厚度就不能形成稳定而有效的结构层次。各沥青层的厚度应与混合料的公称最大粒径相匹配，一般沥青层的最小压实厚度不宜小子混合料公称最大粒径的2.53倍，对断级配或以粗集料为主的嵌挤型级配的沥青混合料，其一层压实最小厚度不宜小于公称最大粒径的2.5倍，以利于辗压密实，提高其耐久性、水稳性。沥青层最小厚度和适宜厚度应符合教材表112的要求。为便于施工，路面结构层的层数不宜过多。同时，各结构层的适宜厚度应按压实机具所能达到的效果选定。适宜的结构层厚度需结合材料供应、施工工艺并按该表的规定确定，从强度要求和造价考虑，宜自上而下由薄到厚。,沥青层厚度应根据公路等级、交通量和交通组成、气候条件以及所选

22、路面结构类型等因素拟定：,（l）当采用半刚性基层沥青路面时，高速公路、一级公路的沥青层厚度宜为120180mm；二级公路的沥青层厚度宜为60l20mm；三级公路的沥青层厚度宜为3050mm（拌和法）或l530mm（层铺法表处）；四级公路的沥青层厚度宜1030mm。（2）当采用柔性（基层）路面结构时，面层宜设计100l20mm双层式，其下设沥青混合料、贯入式碎石、级配碎石等柔性材料层。沥青厚度应根据公路等级、交通量等具体情况计算而定。（3）采用贫混凝土（刚性基层）沥青路面时宜设计100l80mm沥青层，当采取防止反射裂缝措施时，沥青层可适当减薄。（4）当采用混合式（基层）沥青路面时，面层宜设计1

23、00120mm双层式，其下设柔性基层。柔性基层，可为单层或双层，厚度宜为80180mm。,（四）要考虑各类结构层的特点与相邻层次之间的互相联系,路面结构层通常是用密实级配、嵌挤以及形成板体等方式构成的，由于各类结构层材料具有不同的特性，因而如何构成具有要求强度和刚度并且稳定的结构层是设计和施工都必须注意的问题。在组合时应注意相邻层次的互相影响，采取措施限制或消除所产生的不利影响。如在半刚性基层上修建沥青面层时，由于基层材料的干缩或低温收缩而开裂，会导致面层也相应地出现反射裂缝。在潮湿的粉土或粘性土路基上，不宜直接铺筑碎（砾）石等颗粒类材料，以防止相互掺杂而污染基层，或导致过大变形而使面层损坏。

24、对半刚性基层宜采取以下措施减少低温缩裂、防止反射裂缝：选用骨架密实型半刚性基层，并严格控制细料含量、水泥剂量、含水量；采用混合式沥青路面结构；在刚性基层上设置改性沥青应力吸收膜或应力吸收层。,（五）垫层与防冻层设计 当路基处于潮湿、过湿路段，应设置排水垫层；当路线通过潮湿、软弱地基，应换填2040cm厚的砂砾等透水材料，或掺入无机结合料固化剂等处理地基2030cm厚使其加固稳定，并根据实测资料适当提高路基回弹模量设计值。在冰冻地区潮湿、过湿路段应加设防冻层，进行防冻层验算。垫层材料可选用粗砂、砂砾、碎石、煤渣、矿渣等；粒料以及水泥或石灰煤渣稳定类，石灰粉煤灰稳定类等。（l）防冻垫层应采用透水性

25、好的粒料类材料，通过0.075mm筛孔颗粒含量不宜大于5%。采用煤渣时，小于2mm的颗粒含量不宜大于20%。垫层厚度视具体情况而定，一般l525cm，防冻层宜根据需要设计。（2）采用碎石和砂砾垫层时，最大粒径应与结构层厚度相协调，一般最大粒径应不超过结构层厚度的l/2，以保证形成骨架结构，提高结构层的稳定性。颗粒组成应符合规定的要求。（3）为防止路基污染粒料垫层或为隔断地下水的影响，可在路基顶面设土工合成材料的隔离层。,防冻层厚度检验,季节性冰冻地区各级公路的中湿、潮湿路段，设计时应进行防冻厚度检验。根据交通量计算结构层总厚度应不小于教材表117最小防冻厚度的规定。防冻厚度与路基潮湿类型，路基

26、土类、道路冻深以及路面结构层材料的热物性有关。若结构层总厚度小于最小防冻层时，应增加防陈层使其满足最小防冻厚度的要求。,第四节 新建沥青路面结构层厚度设计,沥青路面结构厚度设计是在结构组合设计的基础上，通过结构分析确定各结构层所需的厚度，同时，利用结构分析也可了解路面结构的应力和位移状况，从而判断结构层组合的合理性，并进行相应的调整。,一、设计标准和计算图式,我国现行沥青路面设计规范采用以下几项设计标准确定路面结构所需的厚度：（1）路面结构表面在双轮荷载作用下轮隙中心处的弯沉值不大于设计（容许）弯沉值；（2）沥青混合料层底面的最大拉应力不大于该层混合料的容许拉应力；（3）半刚性基层或底基层底面

27、的最大拉应力不大于该层材料的容许拉应力；,路面弯沉和拉应力计算分析时，将路面结构看成为多层弹性体系，体系顶面作用有相当于双轮组（P=225kN）的双圆均布荷载，各层面间的接触条件按完全连续处理，计算图式分别见图112和图113。在图112中，弯沉计算A点的位置选在轮隙中心处。验算各结构层底部拉应力时，应力最大点在B和C两点之间，可分别计算图113中点B、D、C、E的应力，然后取其中的最大值作为层底最大拉应力。,11-2,11-3,国外的沥青路面设计方法（如壳牌方法、美国沥青协会方法等）大多采用以下两项或三项主要设计标准确定路面结构所需的厚度：沥青面层底面的最大拉应变不大于该层混合料的容许拉应变

28、；土基顶面的竖向压应变不大于容许压应变；采用半刚性基层时，水泥稳定类基层底面的最大拉应力不大于该层材料的容许拉应力。应力、应变计算分析时，将路面结构看作三层弹性体系（沥青面层、基层和土基）或四层弹性体系（沥青面层、沥青基层、粒料基垫层和土基），体系顶面作用有相当于双轮组（P=220kN）的双圆均布荷载，各层面间的接触条件按完全连续处理。,二、路面设计弯沉和实际弯沉值计算,（一）路面设计弯沉车轮荷载作用下双轮轮隙中心处的路表回弹弯沉值大小，反映了路基路面结构的整体强弱状况，在相同车轮荷载下，路面的弯沉值愈大，则路面抵抗垂直变形的能力愈弱，反之则强。实践表明，回弹弯沉值大的路面，在经受了轮载不太多

29、次的重复作用后，即呈现出某种形态的破坏；而回弹弯沉值小的路面，能经受轮载较多次重复作用才能达到这种形态的破坏。在达到相同程度的破坏时，回弹弯沉大小同该路面的使用寿命即轮载累计重复作用次数成反比关系。找出路面达到某种破坏状态时的重复荷载作用次数与此时弯沉值之间的关系，就可以根据对该种路面所要求的使用寿命来确定它所容许的最大弯沉值，这个弯沉值被称作容许弯沉值。路面容许弯沉值的确切含义是：路面在使用期末的不利季节，在设计标准轴载作用下容许出现的最大回弹弯沉值。,容许弯沉值与路面使用寿命的关系可通过调查测定确定。选择使用多年并出现某种破坏状况的路面，测定弯沉值，调查累计交通量，进行分析整理。我国对沥青

30、路面按外观特征分为五个等级，如下表所示，并把第四外观等级作为路面临界破坏状态，以第四级路面的弯沉值的低限作为临界状态的划界标准。沥青路面外观等级描述表,从表中所列的外观特征可知，这样的临界状态相当于路面已疲劳开裂并伴有少量永久变形的情况。对相同路面结构不同外观特征的路段进行测定后发现，外观等级数愈高，弯沉值愈大，并且外观等级同弯沉值大小有着明显的联系。这样，便可确定路面处于不同极限状态的容许弯沉值，并将此弯沉值同该路面在以前使用期间的累计交通量建立关系。国内外的大量调查测定资料表明，路面达到某种临界状态时，累计交通量同容许弯沉值之间存在良好的双对数关系。为了建立累计交通量和容许弯沉之间的关系，

31、选择有代表性路段进行调查，将不同路面外观状态的实测路面弯沉值，分别计算其代表弯沉值。图114是实测各路段的容许弯沉值与累计标准当量轴次的回归结果：这种关系可普遍地表示为，式（114）：,（114）,图114累计交通量同容许弯沉关系,路面设计弯沉值是根据设计年限内每个车道通过的累计当量轴次、道路等级、面层和基层类型确定的，相当于路面工后第一年不利季节、路面在标准轴载100kN作用下，测得的最大回弹弯沉值。路面设计弯沉和容许弯沉的关系实际上反映了路表弯沉在使用期间的变化，该变化过程是一个多方面因素综合作用的复杂过程。路基路面结构层的材料特性、压实程度、干湿状况、温度环境、结构类型、气候条件、交通组

32、成、检测时的环境条件以及所使用的仪器设备等均将对弯沉的变化产生很大的影响。根据对已建成道路的多年实测资料分析，路表回弹弯沉随时间的推移而变化。图115所示为半刚性基层上沥青路面弯沉逐年变化曲线。,图115 弯沉逐年变化的曲线,由图（115）可看出，路表面的弯沉变化过程可分为三个阶段：,第一阶段：路面交工后的第一、二年。由于交通荷载的压密作用以及半刚性基层材料的强度增长，路表弯沉逐渐减少，大致在竣工后第二年达最小值。第二阶段：路面交工后二至四年。由于交通荷载的重复作用，水温状况变化以及材料不均匀等因素影响下，路面结构内部的细微缺陷因局部范围的应力集中而扩展，形成小范围的局部破损，使结构整体刚度下

33、降、弯沉增大。此阶段以弯沉不断增大为主要特征。第三阶段：路面交工后三、四年至路面达到极限破坏状态。由于结构内部缺陷附近局部区域积蓄的高密度能量，已通过前阶段缺陷的扩展而转移，形成新的能量平衡，路面结构的整体刚度达成较低水平的新的相对稳定，路面弯沉进入一个比较稳定的缓慢变化阶段，即结构疲劳破坏的稳定发展阶段，一直延续至结构出现疲劳破坏。,我国沥青路面设计规范，经过大量的测试和分析，得到路面设计弯沉值计算公式：路面设计弯沉值是根据设计年限内每个车道通过的累计当量轴次、道路等级、面层和基层类型确定的，相当于路面工后第一年不利季节、路面在标准轴载100kN作用下，测得的最大回弹弯沉值。,（二）路面实际

34、弯沉值计算双轮轮隙中心点的路表回弹弯沉值，可按式（109）利用计算机软件求得。对计算结果进行试验验证后发现，按上述层状体系理论弯沉公式算得的弯沉值，同实测弯沉值之间存在一定的偏差，此偏差呈现出一定的规律性。当路基刚度较低时，由理论公式算得的面层厚度偏大；而当路基刚度较高时，则由理论算得的面层厚度偏薄。出现这种现象，主要是因为路基路面材料并非线性弹性体，而所采用的评定材料刚度（回弹模量）的测定方法并不能反映它们在结构层内的真实工作状态。为使理论计算和实测结果相符，目前在设计规范中引入了一个综合修正系数F，即：,由此，路表回弹弯沉的计算公式便修正为：,式中：ls路面实测弯沉值，0.01mm；p、标

35、准轴的轮胎接触压力（MPa）和当量圆半径（cm）；c理论弯沉系数；,其中E0为土基回弹模量值（MPa），E1，E2，En-1各层材料回弹模量（MPa），h1，h2,，hn-1为各结构层厚度（cm）。,三、拉应力和容许拉应力,（一）结构层底拉应力计算面层或基（垫）层底面各计算点的拉应力值利用计算机软件求得。比较各点的应力值，取最大值作为最大拉应力。,式中：,理论最大拉应力系数，按下式计算：,可应用括号内的参数为输入数据，应用通用软件计算得到。,（二）容许拉应力计算,我国现行沥青路面设计规范提出沥青混凝土面层、半刚性基层、底基层以弯拉应力为设计指标时，路面材料的容许拉应力计算公式：,式中：R路面结

36、构层材料的容许拉应力，MPa；s结构层材料的极限抗拉强度，MPa；Ks结构层材料的极限强度因疲劳而降低的抗拉强度结构系数。,路面各结构层材料的极限强度一般用规定尺寸的梁式试件三分点加载测定，或者通过劈裂试验测定。我国现行沥青路面设计规范规定采用劈裂强度s代替抗弯拉强度。沥青混凝土的极限强度以15作为测试温度。水泥稳定类材料的极限强度龄期规定为90d，二灰稳定类、石灰稳定类的极限强度龄期为180d。,表征结构层材料的极限强度因疲劳而降低的抗拉强度结构系数，根据荷载应力与达到疲劳临界状态的荷载作用次数之间关系的疲劳方程可表示如下：,（1）沥青混凝土面层：（2）无机结合料稳定中、粗粒土：（3）无机结

37、合料稳定细粒土：（4）贫混凝土：,四、沥青路面设计荷载分析与交通等级,1、沥青路面设计年限 新建高速公路、一级公路的路面设计年限应为15年，有特殊要求时可适当延长设计年限。对改、扩建的高速公路、一级公路的路面设计年限宜为1015年，大修加铺工程可视具体情况确定设计年限。二级公路的路面设计年限应为12年，有特殊使用要求时可适当延长。三级公路的路面设计年限应为612年。四级公路的沥青表处路面设计年限应为8年，砂石路面可为5年。,2、标准轴载与轴载当量换算,路面设计时使用累计当量轴次的概念，但在道路上行驶的车辆不会是同一种类型，因此，进行轴载累计作用次数计算时，须选定一种标准轴型，把各种不同类型的轴

38、载换算成这种标准轴载。根据道路运输实际车辆的现状及发展趋势。我国路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载，以BZZ100表示。标准轴载的计算参数按表119确定。,各种轴载换算为标准轴载，应遵循原则：以达到相同的损坏状态为标准，亦即，同一种路面结构，甲轴作用了N1次后，路面达到某种损坏状态，乙轴作用了N2次后，路面也达到同样的损坏状态，则此时甲轴和乙轴的作用是等效的；按此等效性建立两种轴载作用次数间的换算关系；对于同一个交通组成，无论以其中哪一种轴载作为标准进行等效换算后所得到的路面厚度计算结果应当是相同的。根据上述原则，可以利用不同损坏状态的疲劳方程和轴载与设计指标间的关系，建立相应的轴载换

39、算公式。,（1）以设计弯沉作为临界损坏状态及设计指标时的轴载换算公式：,另由大量弯沉测定结果可整理得到，不同轴载作用在同一个路面结构上的弯沉值之间存在下述关系式：,（2）以半刚性基层底面容许拉应力为设计指 标时的轴载换算关系式：,（3）对贫混凝土基层以拉应力为设计指标时，可按下式进行轴载当量换算：上述轴载换算公式仅适用于单轴轴载小于130kN的轴载换算。对于城市道路的路面设计，请参照城市道路设计规范的有关规定进行轴载换算。,3、设计年限内标准轴载累计当量轴次设计年限内一个车道沿一个方向通过的累计当量标准轴次数 公式：,式中：为设计年限内一个车道沿一个方向通过的累计标准当量轴次（次）；T设计年限

40、（年）；N1路面营运第一年双向日平均当量轴次（次/日）；设计年限内交通量平均增长率（%）；为与车道数有关的车辆横向分布系数，简称车道系数，见表11-10所示。,车道系数 表1010,4、交通等级 路面结构在设计年限内承担交通荷载的繁重程度以交通等级来划分。各交通等级的划分标准见下表。,五、土基和路面材料参数,按弹性层状体系理论求解路表弯沉或面层和基、垫层底面的弯拉应力（应变）时，必须知道路基土和各层路面材料的弹性模量值。无论是路基土还是路面材料，其应力应变关系或多或少呈现非线性状，因而表征其性状的模量值都是应力状态（应力级位和作用时间）的函数。与此同时，它们又是材料组成、压实状态及环境（温度和

41、温度）的函数。,（一）路基土的回弹模量值,土基回弹模量E0是路面结构设计的重要参数，其取值的大小对路面结构厚度有较大影响，正确地确定E0是十分重要的。各类路基土的回弹模量值除了受加荷方式和应力状态等因素影响外，还主要取决于土的湿度和密实度状态。由于路基土的湿度在年内发生季节性变化，因而各时期有不同的模量值。路面设计时，可按一年内不同时期（如每个月）的湿度状态测定相应的弹性模量值后，通过加权平均确定其设计回弹模量；或者，按一年内最不利季节的湿度状态试验确定路基土的设计回弹模量值。目前，确定土基回弹模量（E0）的常用方法有现场实测法、室内试验及换算法、查表预估法等几种。,1、现场实测法：（1）刚性

42、承载板弯沉法；（2）贝克曼梁轮弯沉法；（3）落锤式弯沉仪法。2、室内试验及换算法：3、查表法：对于新建公路，路基尚未建成，无实测条件时，根据道路所处的公路自然区划，沿线土质及水文状况，路基设计高度等条件，确定临界高度，土的平均稠度，可按下述步骤由查表法预估路基回弹模量，待路基建成之后，进行实测，验证预估的准确性。,（1）确定临界高度临界高度是指土基在不利季节，分别处于干燥、中湿或潮湿状态时，路床表面距地下水位或积水水位的最小高度。可根据当地土质、气候条件，按经验确定。若缺乏实际资料时，干燥、中湿或潮湿状态的路基临界高度可参考教材表33选用。（2）拟定土的平均稠度在新建公路设计时，可根据当地经验

43、或路基临界高度判断各路段、路基的干湿类型，利用教材表1114和表1115论证各路段路基土的平均稠度Wc值。（3）预估路基回弹模量根据土类和自然区划以及拟定的路基土的平均稠度，参考教材表1116预估路基回弹模量E0。当采用重型击实标准时，土基回弹模量值可较表列值提高2035%。教材表1117，还列出了沥青路面设计规范中提出的常用碎（砾）石土类土基的回弹模量值参考范围。,（二）路面材料的设计参数路面材料设计参数的测定是材料组成设计、结构设计中的重要内容，路面设计参数应根据路面的损坏类型、受力模式采用不同测定方法测定相应的参数。1、结构层材料的回弹模量路面结构层材料的回弹模量值是沥青路面结构设计的重

44、要参数。由于结构层材料性质的不同，测量回弹模量的试验方法也不一样。通常在选择试验方法和决定回弹模量取值时，应考虑因素：测试方法简便，测试结果稳定；测得的模量值应较好地反映该结构层在路面结层位中的工作状态和力学特性；设计参数应与设计方法能较好地匹配。,我国现行公路沥青路面设计规范规定沥青路面结构按设计回弹总弯沉和设计容许弯拉应力两个指标控制厚度设计。当采用回弹总弯沉设计结构厚度时，所有结构层的回弹模量均采用抗压回弹模量；当采用层底拉应力设计结构层厚度时，拟验算的结构层采用弯拉回弹模量，其他结构层均采用抗压回弹模量。半刚性材料的抗压回弹模量、弯拉回弹模量按我国公路工程无机结合料稳定材料试验规程有关

45、规定进行试验测定。沥青混合料结构层的抗压回弹模量与弯拉模量按我国公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行试验测定。测定抗压回弹模量时，取标准试验温度为20；测定弯拉回弹模量时，取标准试验温度为15，以适应不同设计控制指标所对应的最不利环境温度。无结合料粒料结构层的抗压回弹模量测试，可以在工地现场铺筑整层试槽，通过承载板测定方法进行测试。,2、结构层材料的弯拉极限强度沥青面层与有机结合料或无机结合料稳定粒料基层的弯拉极限强度，应按照我国有关规程规定的方法进行测定。我国规范规定，当条件受限制时，也可采用间接拉伸试验，即劈裂试验，测定结构层材料的弯拉极限强度。路面结构层的各项设计参数，包括抗压回弹模量、

46、抗弯拉回弹模量以及弯拉极限强度等原则上都应该在确定原材料料源之后，配合工程，按规定取样后在试验室完成测定工作。对于高速公路和一级公路，所有的设计参数必须通过试验室测定，其他等级公路若部分参数确实有困难无法实际测定时，可以参考教材表1118和表1119论证选定。,六、新建沥青路面厚度设计步骤,（1）根据设计任务书的要求按设计回弹弯沉和容许弯拉应力两个设计指标，分别计算设计年限内的标准轴载累计当量轴次，确定交通量等级、面层类型、并计算设计弯沉值ld和容许弯拉应力R。（2）按路基土类与干湿类型及路基横断面形式，沿线将路基划分为若干路段，确定各路段的土基回弹模量Eo。（3）参考本地区工程经验，拟定若干

47、个路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比设计，测定各结构层材料的抗压回弹模量、弯拉模量与抗弯拉强度，确定各结构层的设计参数Ei、S。（4）计算路面结构表面弯沉值lS以及结构层层底弯拉应力m。（5）根据设计指标，采用多层弹性体系理论设计程序计算路面结构设计层的厚度，即：（6）对于季节性冰冻地区，应验算防冻层厚度是否满足要求。若不能满足，则可增加防冻层厚度，达到规定厚度，以满足防冻要求。（7）进行技术经济比较，选定最佳路面结构方案。,七、路面交工验收指标沥青路面交工验收时，验收弯沉值是工程验收的重要指标，它是以不利季节，BZZ100标准轴载作用下，轮隙中心处实测路表弯沉代表值进行评定的。

48、即：路面交工验收弯沉值的取值分两种情况决定，当以设计弯沉值作为控制指标设计路面时，路面设计弯沉值即为路面交工验收弯沉值，见教材式（116）；当以弯拉应力为控制指标设计路面时，以最后确定的路面结构层位，厚度和材料模量计算得到的弯沉值为路面交工验收弯沉值。,式中：实测每公里路面的代表弯沉值（0.01mm）；路面交工验收弯沉值。,路面的代表弯沉值检测通常在交工后第一年的不利季节，用标准轴载BZZ100的汽车实测路表弯沉值。检测时，若不是在不利季节进行测定，还应考虑季节修正。对于沥青厚度小于或等于5cm时，不考虑温度修正，若厚度大于5cm，应进行温度修正。通常以沥青层的温度为20作为标准温度，其余不在

49、20标准温度下测得的路表弯沉应作如下温度修正，其换算系数或弯沉温度修正系数为：,（T20）,（T20）,取经过季节修正和温度修正后得到的路表弯沉值作为验收评定的实测弯沉指标，并考虑一定的保证率，按式（1137）计算路面竣工验收弯沉 值，代入式（1133），作验收评定。式中：实测路表弯沉的平均值；实测路表弯沉的标准差；与保证率有关的系数，高速公路、一级公路=1.645，二级公路=1.50，三、四级公路=1.30。,第五节 沥青路面改建设计,沥青路面随着使用时间的延续，其使用性能和承载能力不断降低，超过设计使用年限后便不能满足正常行车交通的要求，而需补强或改建。当原有路面需要提高等级时，对不符合技

50、术标准的路段应先进行线形改善，改线路段应按新建路面设计。加宽路面、提高路基、调整纵坡的路段应视具体情况按新建或改建路面设计。在原有路面上补强时，按改建路面设计。路面补强设计工作包括现有路面结构状况调查、弯沉评定以及补强厚度计算。,一、路面结构状况调查与评定,对使用中的路面进行结构状况的调查与评定，其目的主要是了解路面现有结构状况和强度，据以判断是否需要加强或预估剩余使用寿命，分析路面损坏的原因及提出处理措施。（一）现有路面状况调查（1）交通调查。对于当前的交通量和车型组成进行实地观测。通过调查分析预估交通量增长趋势，确定年平均增长率。（2）路基状况调查。调查沿线路基土质、填挖高度、地面排水情况