路面施工技术9――沥青路面设计课件 53页

公路路面施工技术——沥青路面施工学习情境2沥青路面设计n路面损坏分析与设计考虑路面损坏分析泛油坑槽松散沉陷车辙低温裂缝反射裂缝疲劳裂缝裂缝类变形类表面损坏类n疲劳裂缝n反射裂缝低温开裂n沉陷车辙n波浪、拥包n坑槽n松散泛油n沥青路面设计的任务沥青路面设计的任务是根据公路使用要求以及水文、地质、气候等自然条件，交通条件，当地筑路材料及施工条件，设计确定技术经济合理的路面结构，以保证路面在预定的使用期限内，既能适应当地自然环境条件，又能满足行车的使用要求。n沥青路面设计的内容路面设计内容包括：选择适当的路面材料，进行材料配合比设计并确定设计参数；路面结构组合设计，路面厚度计算以及不同路面结构方案的比选。对高速公路、一级公路的路面设计，除行车道部分路面外，还应包括路缘带、硬路肩、加减速车道、紧急停车带、匝道、收费站和服务区的路面设计。n沥青路面设计的方法目前世界各国沥青路面设计方法基本上可分两类：一类是以经验或试验为依据的经验法，其著名代表是美国加州承载比法(CBR法)和美国各州公路工作者协会(AmericanAssoeiationofStatesHighwayOfficials)法，简称AASHO法；另一类是以力学分析为基础，同时考虑环境因素、交通条件和路面材料特性的理论法，如英荷壳牌(Sell)法、美国地沥青协会(AI)法。理论法大多采用弹性层状体系理论分析沥青路面结构的应力、变形和位移，并可以运用电子计算机技术。因此，理论法具有广阔的应用发展前景。我国现行沥青路面设计方法，正是基于弹性层状体系理论进行沥青路面结构设计与计算的方法。n弹性层状体系理论在沥青路面设计中，多层路面的力学计算通常采用弹性层状体系理论。该理论采用如下基本假定：(1)各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的，以及位移和形变是微小的。(2)最下一层在水平方向和垂直向下方向为无限大，其上各层厚度为有限、水平方向为无限大。(3)各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处，其应力、形变和位移为零。(4)层间接触情况，均为连续接触。(5)不计自重。n沥青路面设计标准(1)路面结构设计应采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行计算。(2)高速、一级、二级公路的路面结构设计，应以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层层底拉应力(拉应变)及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。三、四级公路以路表面设计弯沉值为设计指标。有条件时，对重载交通路面宜检验沥青混合料的抗剪切强度。(3)路面结构厚度设计应满足结构整体承载力与抵抗疲劳开裂的要求。n沥青路面设计程序路面结构设计应按相应的流程进行，主要设计内容包括：(1)根据设计任务书的要求，按弯沉或弯拉指标分别计算设计年限内一个车道的累计标准当量轴次，确定设计交通量与交通等级、面层、基层类型，并计算设计弯沉值或容许拉应力。(2)按路基土类与干湿类型及路基横断面形式，将路基划分为若干路段，确定各个路段土基回弹模量设计值。(3)参考本地区的经验拟订几种可行的路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比试验，测定各结构层材料的抗压回弹模量、弯拉模量与抗拉强度等，确定各结构层的设计参数。(4)根据设计指标采用多层弹性体系理论设计程序计算路面厚度。(5)对于季节性冰冻地区应验算防冻厚度是否符合要求。(6)进行技术经济比较，确定路面结构方案。n确定土基回弹模量路面结构设计确定材料模量计算新建沥青路面厚度学习任务计算设计弯沉值计算底层拉应力计算累计当量轴次编写沥青面层工程量清单n计算累计当量轴次n标准轴载与轴载换算标准轴载我国现行路面设计以双轮组单轴轴载100kN为标准轴载，以BZZ--100表示。标准轴载的计算参数按下表确定。当量轴次(equivalentsingleaxleloads)按弯沉等效或拉应力等效的原则，将不同车型、不同轴载作用次数换算为与标准轴载100kN相当的轴载作用次数。换算原则(1)按等效原则建立两种轴载作用次数之间的换算关系，即某种轴载在同一路面结构上作用N2次所达到的临界状态，可以用标准轴载作用N1次代替。(2)对某一种交通组成，不论以哪种轴载为标准进行轴载换算，由换算所得作用次数计算的路面厚度是相同的。n轴载换算方法(1)当以设计弯沉值为设计指标及进行沥青层层底拉应力验算时，各级轴载（包括车辆的前、后轴）Pi的作用次数ni均应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N。式中：N——标准轴载的当量轴次，次/日；ni——被换算车辆的各级轴载作用次数，彬日；P——标准轴载，kN；Pi——被换算车辆的各级轴载，kN；k——被换算车辆的类型数；C1——轴数系数，C1=1+1.2(m一1)，m是轴数。当轴间距大于3m时，按单独的一个轴载计算，当轴间距小于3m时，应考虑轴数系数；C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。n轴载换算方法(2)当进行半刚性基层层底拉应力验算时，各级轴载(包括车辆的前、后轴)Pi的作用次数ni均按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N’。式中：C’1——轴数系数，当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数C’1=1+2(m一1)；C’2——轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09。(3)上述轴载换算公式，适用于单轴轴载小于或等于130kN的各种车型的轴载换算。n累计当量轴次计算在沥青路面设计中，既要考虑使用初期日交通量和远景交通量(即使用年限末期交通量)，还要计算出路面设计使用年限，设计车道累计承担多少次标准轴载的反复作用。路面使用年限末期的远景交通量是由有关部门根据国民经济发展规划给定，或根据交通部门的调查统计资料进行推算而得。我国有关调查统计资料表明，交通量的增长基本上符合几何级数的递增规律，即：式中：Nt——设计年限末年的双向平均当量轴次，次/日；N1——路面竣工后第一年的双向平均当量轴次，次/日；t——设计年限，年；γ——设计年限内交通量的平均增长率，％，应根据调查预测分析确定。n累计当量轴次计算沥青路面在设计年限内一个车道上的累计当量轴次Ne计算公式为：n累计当量轴次计算n计算设计弯沉值n设计弯沉值设计弯沉值(designdeflection)设计弯沉值是根据设计年限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级、路面结构类型而确定的路表设计弯沉值。n设计弯沉值的计算设计弯沉值应根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型，按下式计算确定。式中：ld——设计弯沉值，O.01mm；Ne——设计年限内一个车道累计当量轴次；Ac——公路等级系数，高速公路、一级公路为1.O，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；As——面层类型系数，沥青混凝土面层为1.O，热拌和冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1，中、低级路面为1.2；Ab——基层类型系数，对半刚性基层Ab=1.0，柔性基层Ab=1.6，对于混合式基层采用线性内插确定基层类型系数：HF——为半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚度，cm。n确定土基回弹模量n划分土基类型路面设计应根据路基土的分界稠度确定路基干湿类型。路基的干湿类型可以实测不利季节路床表面以下800mm深度内土的平均稠度ωc，再按路基干湿状态的稠度建议值表中的路基干湿状态的稠度建议值确定。也可根据自然区划、土质类型、排水条件以及路床表面距地下水位或地表积水水位的高度按路基干湿类型表的一般特征确定。路基的平均稠度ωc按下式计算：式中：ωc——土的平均稠度；ω——土的平均含水率；ωL、ωP——分别为土的液限、塑限，可按《公路土工试验规程》(JTGE40—2007)中T0118法测定。对新建公路可根据当地稳定的平均天然含水率、液限、塑限计算平均稠度，并考虑路基填土高度，有无地下水、地表积水的影响，论证地确定路基土的干湿类型。n确定土基回弹模量路基回弹模量设计值宜按下列方法确定：①新建公路初步设计时，宜根据查表法、室内试验法、换算法等，经综合分析、论证，确定沿线不同路基状况的路基回弹模量设计值。②当路基建成后，应在不利季节路基最不利状况实测各路段路基回弹模量代表值，以检验是否符合设计值的要求。现场实测方法宜采用承载板法，也可采用贝克曼梁弯沉仪法、便携式落锤弯沉仪法。若现场实测路基回弹模量代表值小于设计值，应采取翻晒补压、掺灰处理等加强路基或调整路面结构厚度的措施，以保证路基路面的强度和稳定性。n确定土基回弹模量室内试验法测定土的回弹模量应按以下要求进行。①应选择土料场，取土样，按照《公路土工试验规程》(JTGE40—2007)中T0135小承载板法试验要求进行，宜采用100mm直径承载板。回弹模量测试结果应采用下式修正：式中：Eos——修正后的回弹模量，MPa；λ——试筒尺寸约束修正系数，50mm直径承载板取0.78，100mm直径承载板取O.59。E——室内试验法回弹模量实测值，MPa。②试件制备应根据重型击实标准确定的最佳含水率，采用三组试样，每组三个试件，每个试件分别按重锤三层98次、50次、30次击实制件，测得不同压实度与其相对应的回弹模量值，绘成压实度与回弹模量间的关系线，查图求得标准压实度条件下土的回弹模量值。n确定土基回弹模量③路基回弹模量设计值应考虑公路等级、不利季节和路基干湿类型的影响，采用下式计算：式中：EOD——路基回弹模量设计值，MPa；Eos——室内承载板法考虑试筒尺寸约束修正后的回弹模量测试结果，MPa；Z——考虑保证率的折减系数，根据公路等级参考下表选取；K——考虑不利季节和路基干湿类型的综合影响系数，参考下表选取，或者根据室内承载板法回弹模量与稠度的关系分析确定，或根据当地经验确定。n路面结构设计n路面结构设计的一般原则在沥青路面结构设计工作中，应遵循以下一些技术经济原则：(1)因地制宜，合理选材。(2)方便施工，利于养护。(3)分期修建，逐步提高。(4)整体考虑，综合设计。(5)考虑气候因素和水温状况的影响。n路面结构层选择沥青面层分为热拌沥青混合料、冷拌沥青混合料、沥青贯人式、沥青表面处治与稀浆封层四种类型。热拌沥青混合料包含沥青混凝土、沥青碎石混合料。沥青混凝土适用于各级公路的面层。热拌沥青碎石混合料、沥青贯人式(含上拌下贯沥青碎石)可用于二级、三级公路的面层，以及用于柔性基层、调平层。沥青表面处治与稀浆封层可用于三、四级公路的面层和各级公路的上、下封层。冷拌沥青混合料可用于三、四级公路面层，或旧路修补工程。n沥青层的厚度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于混合料公称最大粒径的2.5～3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，以利于碾压密实，提高其耐久性、水稳性。沥青层最小厚度和适宜厚度宜符合下表要求。n基层、底基层设计基层、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集料类或沥青混合料、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土类或粒料类等。n基层、底基层厚度基层、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，以利于施工组织、管理。各结构层施工最小厚度与适宜厚度应符合下表的要求。半刚性材料基层、底基层的一层压实厚度宜为180～200mm，并不得分层铺筑小于15cm的薄层，对半刚性材料的上基层厚度不宜小于180mm。n结构组合设计(1)应根据公路所在区域的水文地质、气候特点，公路等级与使用要求，交通量及其交通组成等因素，结合当地实践经验，选择适宜的路面结构组合，拟定沥青层厚度。(2)对半刚性基层沥青路面的结构层组合设计，基层与沥青面层的模量比宜在1.5～3之间；基层与底基层的模量比不宜大于3.O；底基层与土基模量比宜在2.5—12.5之间。(3)刚性基层沥青路面应采取措施加强沥青层与刚性基层间的结合，并提高沥青混合料的抗剪强度。(4)为防止雨水、雪水渗入基层，应设置结构内部的排水系统，将水排出路基。(5)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。①地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段。②排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段。③季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段，可能产生冻胀需设防冻垫层的路段。④基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。n结构组合设计(6)对于半刚性基层沥青路面宜采取以下措施，减少收缩开裂和反射裂缝。①选用骨架密实型半刚性基层，严格控制细料含量、结合料剂量、含水率，及时养生。②适当增加沥青层的厚度，在半刚性材料层上设置沥青碎石或级配碎石等柔性基层。③在半刚性基层上设置改性沥青应力吸收膜、应力吸收层或铺设经实践证明有效的土工合成材料等。(7)设计时应采取技术措施，加强路面各结构层之间的结合，提高路面结构的整体性，避免产生层间滑移。①沥青层之间应设置黏层。黏层沥青可用乳化沥青、改性乳化沥青或热沥青，洒布数量宜为O.3～O.6kg／m2。②各种基层上宜设置透层沥青。透层沥青应具有良好的渗透性能，可用液体沥青(稀释沥青)、乳化沥青等。③在半刚性基层上应设下封层。④新、旧沥青层之间，沥青层与旧水泥混凝土板之间应洒布黏层沥青，宜用热沥青或改性乳化沥青、改性沥青。⑤拓宽路面时，新、旧路面接茬处，宜喷涂黏结沥青。⑥双层式半刚性材料基层宜采取连续摊铺、碾压工艺，增强层间结合，以形成整层。(8)下封层可用沥青单层表面处治或砂粒式、细粒式密级配沥青混合料，稀浆封层等。其材料规格与要求宜符合本规范有关规定。n确定材料模量n确定材料模量路面设计中各结构层的材料设计参数应根据公路等级和设计阶段的要求确定。(1)高速公路、一级公路施工图设计阶段，应根据拟采用的路面材料实测设计参数；各级公路采用新材料时，也必须进行材料试验实测设计参数。(2)高速公路、一级公路初步设计阶段或二级及其以下公路施工图设计阶段，可借鉴本地区已有的相近材料试验资料，根据使用经验确定。(3)初步设计阶段可根据下表确定设计参数。nn计算新建沥青路面厚度n计算新建沥青路面厚度沥青路面厚度计算，根据多层弹性理论、层间接触条件为完全连续体系时，在双圆均布荷载作用下，轮隙中心处实测路表弯沉值ls等于设计弯沉ld的原则进行计算，计算公式：ls=ld式中：p、δ—标准轴载轮胎接地压强和当量圆半径，p=0.7Mpa,δ=10.65cm.LC——理论弯沉值F——弯沉综合修正系数，E0——土基回弹模量；αc——理论弯沉系数，由弹性层状体系理论计算得出。n计算步骤(1)确定单车道累计当量轴次Ne。(2)对选定的结构组合，拟订某一层位作为设计层。先拟订某一层作为设计层，再拟订面层和其他各层的厚度。当采用半刚性基层、底基层结构时，可选任一层作为设计层；当采用半刚性基层、粒料类材料底基层时，应拟订面层、底基层厚度，半刚性基层为设计层；对于采用柔性基层、底基层的沥青路面，宜拟订面层、底基层的厚度，求算基层厚度，此时若求得基层厚度过厚时，可考虑选用沥青碎石或乳化沥青碎石作上基层，以减薄路面总厚度，增加结构强度和稳定性。(3)确定设计弯沉值ld。(4)确定路面材料设计参数。在初步设计阶段应选用沿线材料和外购材料进行配合比设计。在选定配合比的基础上，按有关规程实测材料设计参数，并论证地确定各层材料(沥青混合料在15℃、20。C时)的抗压回弹模量Ei和劈裂强度σsp、抗拉强度结构系数Ks、容许拉应力στ。(5)确定土基的回弹模量E0。(6)根据某车道累计轴次Ne、设计弯沉ld、各结构层的回弹模量Ei、劈裂强度σsp、土基回弹模量E0、已知结构层厚度hi等，利用专用设计程序即可求得某一结构层的厚度。n计算层底拉应力n层底弯拉应力计算公式整体性材料层底的拉应力值σm。采用最大拉应力的理论公式：式中：——理论最大拉应力系数。验算沥青混凝土面层及半刚性材料的基层、底基层的层底拉应力时，以单圆的中心点B、单圆半径的二分之一点D、单圆的内侧边缘点E及双圆间隙中心点C为计算点，并取最大值作为层底最大拉应力。n计算步骤在既定的结构组合及已知各结构层厚度的前提下可按下列步骤进行整体性结构层层底拉应力的验算。(1)确定路面材料设计参数。确定各结构层的劈裂强度σsp、路面设计弯沉ld、容许拉应力σr。①沥青混凝土面层、半刚性材料基层、底基层以弯拉应力为设计指标时，材料的容许拉应力σr应按下列公式计算：式中：σsp——沥青砼或半刚性结构层材料的劈裂强度Ks——抗拉强度结构系数，同荷载的反复作用次数有关。②对沥青混凝土的极限抗拉强度，系指15℃时的极限抗拉强度；对水泥稳定类材料，指龄期为90d的极限抗拉强度(MPa)；对二灰稳定类、石灰稳定类的材料，指龄期为180d的极限抗拉强度(MPa)。③的抗拉强度结构系数计算：沥青砼面层：无机结合料稳定集料类：无机结合料稳定细粒土类：n计算步骤④以路表弯沉值为设计指标时，设计参数采用抗压回弹模量；对于沥青混凝土，其试验温度为20℃。⑤以弯拉应力(应变)为设计指标时，应采用抗拉强度与弯拉回弹模量；对于沥青混凝土，其试验温度为15℃。也可采用劈裂强度与抗压回弹模量。(2)确定系数。确定公路等级系数、面层类型系数、基层类型系数、路面设计年限、车道横向分配系数、交通量年增长率等。(3)确定当量轴次。当以设计弯沉值为指标及沥青面层层底拉应力验算时，应确定相应的路面竣工后第一年的日当量轴次及设计年限内一个车道上的累计当量轴次；当进行半刚性基层层底拉应力验算时，应确定出相对应的路面竣工后第一年的日当量轴次、设计年限内一个车道上的累计当量轴次。(4)根据上述参数利用专用程序即可完成层底拉应力验算n编写沥青面层工程量清单n概述工程量清单是表现拟建工程的分部分项工程项目、措施项目、其他项目名称和相应数量的明细清单。是由招标人按照“计价规范”附录中统一的项目编码、项目名称、计量单位和工程量计算规则进行编制。包括分部分项工程量清单、措施项目清单、其他项目清单。(1)工程量清单是把承包合同中规定的准备实施的全部工程项目和内容，按工程部位、性质以及它们的数量、单价、合价等列表表示出来，用于投标报价和中标后计算工程价款的依据，工程量清单是承包合同的重要组成部分。(2)工程量清单是按照招标要求和施工设计图纸要求，将拟建招标工程的全部项目和内容依据统一的工程量计算规则和子目分项要求，计算分部分项工程实物量，列在清单上作为招标文件的组成部分，供投标单位逐项填写单价，并用于投标报价。路面工程，包括垫层、底基层、基层、沥青混凝土面层、水泥混凝土面层、其他面层、透层、黏层、封层、路面排水、路面其他工程。nnn