C14沥青路面设计 65页

2021/2/16 2021/2/16 14.1 设计方法 2021/2/16 CBR 设计法 2021/2/16 AASHTO 设计法 2021/2/16 2021/2/16 SHELL 设计法 2021/2/16 14.2 设计原则 1 、满足路面设计年限 2 、合理确定路面的交通等级 3 、应将路基路面作为一个整体考虑 4 、充分考虑环境保护，与自然协调。 5 、进行路面结构设计方案的技术经济比选 2021/2/16 14.3 设计标准 2021/2/16 14.4 弹性层状体系力学模型 2021/2/16 2021/2/16 1 、 引用应力函数  =  （ r ， z ），则应力分量为： 2021/2/16 2 、 由 应力分量可求变形分量： 3 、由应力分量和变形分量可得位移分量： 2021/2/16 14.5 沥青路面结构组合设计 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 江南地区沥青路面典型结构 .doc 2021/2/16 14.6 标准轴载与轴载换算 计算贫混凝土基层底拉应力时 2021/2/16 14.7 路基回弹模量的确定 2021/2/16 2021/2/16 14.8 路面材料回弹模量 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 14.9 路面设计规范 我国现行 《 公路沥青路面设计规范 》 规定： 沥青路面结构设计以设计 弯沉值 和设计容许层底 弯拉应力 两个指标设计路面厚度。（城市道路路面还要进行剪应力验算）即： 所有结构层材料的回弹模量采用 抗压 回弹模量； 土基 的回弹模量一律采用材料的 抗压 回弹模量。 2021/2/16 公路等级 沥青路面结构设计指标 路表面设计弯沉 沥青层弯拉应力 半刚性层弯拉应力 高速公路， 一、二级公路 0 0 0 三、四级公路 0 不同等级公路沥青路面结构的设计指标 2021/2/16 1 、路面设计弯沉值和路表弯沉值 路面设计弯沉值计算： A c — 公路等级系数，高速公路、一级公路为 1.0 ，二级公路为 1.1 ，三、四级公路为 1.2 ； A s — 面层类型系数，沥青混凝土面层为 1.0 ；热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、沥青表面处治、上拌下贯或贯入式路面为 1.1 ；中低级路面为 1.2 ； A B －路面结构系数，刚性基层、半刚性基层沥青路面为 1 ；柔性基层沥青路面为 1.6 路表弯沉值计算：  c —— 理论弯沉系数； ， 其中 E 0 为土基回弹模量值（ MPa ）， E 1 、 E 2 、 E n-1 各层材料回弹模量值（ MPa ）， h 1 、 h 2 、 h n-1 为各结构层厚度（ cm ）。 2021/2/16 2 、结构层容许拉应力和设计拉应力 结构层容许拉应力计算：  结构层材料的极限抗拉强度（Ｍ Pa) ，由实验确定。我国公路沥青路面设计规范采用极限劈裂强度； K s  抗拉强度结构系数； 对沥青混凝土面层： 对无机结合料稳定集料类： 对无机结合料稳定土类： 对贫混凝土类： 设计拉应力计算： —— 理论最大拉应力系数， 2021/2/16 14.10 路面厚度设计 1 ）计算图式 多层弹性体系：直接电算或换算成双层或三层体系查诺模图。 2 ）计算公式： 2021/2/16 双层体系解（单圆荷载） 2021/2/16 2021/2/16 三层体系解： ( 双圆荷载 ) 典型的三层路面计算图式 2021/2/16 2021/2/16 3 ）多层体系等效换算 三层体系： 双层体系： 2021/2/16 2021/2/16 14.11 层底拉应力验算 1 ）多层体系计算图式 2021/2/16 三层体系拉应力计算图式 双层体系 : 三层体系 : 2) 计算公式 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 3 ）多层体系等效换算 上层底面主拉应力等效： 中层底面主拉应力等效： 2021/2/16 沥青路面结构设计软件 2006.rar 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 2021/2/16 例 3 ：已知轮载 p  0.7Mpa ，双圆荷载的直径 d  21.3cm ，双层连续体系， E 0  50MPa ， E 1  200MPa ， h  24cm 。试按查图法计算双圆荷载轮隙中心处及相当单圆荷载中心处的弯沉值。 解：按双圆荷载计算：  =10.65cm ， h/  =24/10.65=2.25 ， E0/ E1=50/200=0.25 查图得  L  0.435 ，则弯沉值为： （ cm ） 按单圆荷载计算： 单圆荷载的直径 D = d = ×21.3 = 30.12 （ cm ） 查图 14-4 得  0.44 ，则弯沉值为： （ cm ） 2021/2/16 14.12 新建路面厚度设计 2021/2/16 例 4 甲乙两地之间计划修建一条四车道的一级公路，在使用期内交通量的年平均增长率为 10% 。该路段处于 IV7 区，为粉质土，稠度为 1.00 ，沿途有大量碎石集料，并有石灰供给。预测该路竣工后第一年的交通组成如下表 14-14 所示，试进行路面结构设计。 预测交通组成表 车型 前轴重 (KN) 后轴重 (KN) 后轴数 后轴轮组数 后轴距 交通量 ( 次 / 日 ) 三菱 T653B 29.3 48.0 1 双轮组 — 300 黄河 JN163 58.6 114.0 1 双轮组 — 400 江淮 HF150 45.1 101.5 1 双轮组 — 400 解放 SP9200 31.3 78.0 3 双轮组 >3m 300 湘江 HQP40 23.1 73.2 2 双轮组 >3m 400 东风 EQ155 26.5 56.7 2 双轮组  3m 400 2021/2/16 解 ： 1 ．轴载分析：路面设计以双轮组单轴载 100KN 为标准轴载。 (1) 以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次 轴载换算采用如下的计算公式： 轴载换算结果表（弯沉） 车型 轴重 (KN) 轴数系数 轮组系数 交通量 ( 次 / 日 ) 当量轴次 ( 次 / 日 ) 三菱 T653B 前轴 29.3 1 1 300 1.4 后轴 48.0 1 1 300 12.3 黄河 JN163 前轴 58.6 1 1 400 39.1 后轴 114.0 1 1 400 707.3 江淮 HF150 前轴 45.1 1 1 400 12.5 后轴 101.5 1 1 400 426.8 解放 SP9200 前轴 31.3 1 1 300 1.9 后轴 78.0 3 1 300 305.4 湘江 HQP40 后轴 73.2 2 1 400 205.9 东风 EQ155 前轴 26.5 1 1 400 1.2 后轴 56.7 2.2 1 400 74.6 注：轴载小于 25KN 的轴载作用不计。 1788.4 2021/2/16 累计当量轴次： 根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年限取 15 年，四车道的车道系数是 0.4 ～ 0.5 ，取 0.45 。 =9332998 次 （ 2 ）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次 ① 轴载换算 验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为： 计算结果如下表： 2021/2/16 轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力） 车型 轴重 (KN) 轴数系数 轮组系数 交通量 ( 次 / 日 ) 当量交通量 ( 次 / 日 ) 黄河 JN163 前轴 58.6 1 1 400 5.6 后轴 114.0 1 1 400 1141.0 江淮 HF150 后轴 101.5 1 1 400 450.6 解放 SP9200 后轴 78.0 3 1 300 123.3 湘江 HQP40 后轴 73.2 2 1 400 65.9 东风 EQ155 后轴 56.7 3 1 400 12.8 1799.2 注：轴载小于 50KN 的轴载作用不计。 2021/2/16 ② 累计当量轴次 参数取值同上，设计年限是 15 年，车道系数取 0.45 。 =9389359 次 2. 结构组合与材料选取 由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次为九百万次左右。根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构面层采用沥青混凝土 (15cm) ，基层采用水泥碎石（取 25cm ），底基层采用石灰土（厚度待定）。 规范规定高速公路、一级公路的面层由二层至三层组成。查规范沥青路面采用三层式沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土 ( 厚度 4cm) ，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土 ( 厚度 5cm) ，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土 ( 厚度 6cm) 。 2021/2/16 3. 各层材料的抗压模量与劈裂强度 查表 14-12 ， 14-13 ，得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取 20℃ 的模量，各值均取规范给定范围的中值，因此得到 20℃ 的抗压模量：细粒式密级配沥青混凝土为 1400MPa ，中粒式密级配沥青混凝土为 1200MPa ，粗粒式密级配沥青混凝土为 1000MPa ，水泥碎石为 1500MPa ，石灰土 550MPa 。各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为 1.4MPa ，中粒式密级配沥青混凝土为 1.0MPa ，粗粒式密级配沥青混凝土为 0.8MPa ，水泥碎石为 0.5MPa ，石灰土 0.225MPa 。 4. 土基回弹模量的确定 该路段处于 IV7 区，为粉质土，稠度为 1.00 ，查表 14-9 “ 二级自然区划各土组土基回弹模量参考值（ Mpa ）”查得土基回弹模量为 40MPa 。 2021/2/16 5. 设计指标的确定 对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。 （ 1 ）设计弯沉值 路面设计弯沉值根据规公式计算。本公路为一级公路，公路等级系数取 1.0 ，面层是沥青混凝土，面层类型系数取 1.0 ，半刚性基层，底基层总厚度大于 20cm ，基层类型系数取 1.0 。 设计弯沉值为： （ 2 ）各层材料的容许层底拉应力 ： 2021/2/16 细粒式密级配沥青混凝土： 中粒式密级配沥青混凝土： 粗粒式密级配沥青混凝土： 水泥碎石： 石灰土： 2021/2/16 6. 总结设计资料：设计弯沉值为 24.22 （ 0.01mm ）相关设计汇总如表 设计资料汇总表 材料名称 h(cm) 20℃ 模量 (MPa) 容许拉应力 (MPa) 细粒式沥青混凝土 4 1400 0.4560 中粒式沥青混凝土 5 1200 0.3257 粗粒式沥青混凝土 6 1000 0.2367 水泥碎石 25 1500 0.2439 石灰土 ? 550 0.0856 土基 — 40 — 7. 确定石灰土层厚度 通过计算机设计计算得到，石灰土的厚度为 24.5cm ，实际路面结构的路表实测弯沉值为 24.19(0.01mm) ，沥青面层的层底均受压应力，水泥碎石层底的最大拉应力为 0.1223MPa ，石灰土层底最大拉应力为 0.075MPa 。 上述设计结果满足设计要求 。 2021/2/16 14.14 沥青路面改建设计 2021/2/16 （ 3 ）原路面当量回弹模量的计算 —— 标准轴载所测弯沉值与承载板所测弯沉值之比 —— 原路面当量回弹模量扩大系数 （ 4 ）加铺层设计 2021/2/16 本章基本要求 了解弹性层状体系理论； 熟悉沥青路面的破坏状态与设计标准、沥青路面结构组合设计； 掌握新建沥青路面的结构厚度计算、路面结构的弯拉应力验算、沥青路面改建设计方法； 了解 AASHTO 和 SHELL 沥青路面设计方法。 2021/2/16 思考题 试分析应用弹性层状体系理论进行柔性路面结构计算分析的合理性与存在的问题。 沥青路面设计为什么要选用多指标作为设计控制指标？说明各指标的意义及其与路面损坏现象的联系。 完成一个路面结构组合设计方案应包括哪些内容？ 试总结新建沥青路面与改建路面设计中的不同之处。 2021/2/16 计算题 1 、某双车道沥青路面改建，调查断面交通量如下表所示，交通量增长率为 6% ，试估算 15 年内设计车道标准轴载 (100kN) 累计作用次数。 n=4.35 车型 每日交通量 前轴重 (kN) 后轴重 (kN) 后轴数 后轴距 (m ） 跃进 NJ-130 1380 15.3 38.3 1 解放 CA-10B 2010 20.3 60.0 1 黄河 JN-150 45 49.0 101.6 2 4 东风 SP9135B 1200 20.1 72.6 1 长征 980 40 37.1 72.65 2 1.22 2021/2/16 2 、按三层体系简化法计算路面结构弯沉值和求第一、第三、第四层底面拉应力的当量图和当量厚度。 沥青混凝土 沥青贯入碎石 水泥稳定砂砾 石灰土 路基