第十一章 公路沥青路面设计方法

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1、第十一章 公路沥青路面设计方法 v第一节 沥青路面损坏的极限状态及设计原则v第二节 AASHTO沥青路面设计方法v第三节 CBR设计法v第四节 美国地沥青学会(AI)设计法v第五节 Shell设计法v第六节 我国沥青路面设计法v第七节 沥青路面可靠度设计方法第一节 沥青路面损坏的极限状态及设计原则v一 路面的损坏现象及设计指标v疲劳开裂v以疲劳开裂为设计标准时，用结构层底面的拉应变或拉应力不超过相应的容许值控制和设计，即：v车辙v有代表性的控制车辙深度的指标有两种：一种是路面各结构层包括土基的残余变形总和；另一种是路基表面的垂直变形rRrRv对于第一种，可表示为：v对于第二种，可表示为：v低温

2、缩裂v低温缩裂是一项同荷载因素无关的设计指标，即低温时结构层材料因收缩受约束而产生的温度应力 应不大于该温度时材料的容许拉应力，即：v推移v为防止沥青面层表面产生推移和拥起，可用面层抗剪强度标准控制设计。即：rdrdLL00TTTRmaxRv坑槽v产生的原因有：面层龟裂松散又未及时养护；覆盖罩面的沥青混合料质量不好或温度太低；面层沥青老化；管道沟回填不实处理不当。v其他病害v如松散、脱皮、露骨、啃边等。v二 沥青路面结构设计指标与标准v疲劳开裂v英国设计规范疲劳方程：v对于密集配沥青碎石：v对于热碾沥青混凝土：v英国诺丁汉大学还建立了拉应变、疲劳荷载作用次数、沥青含量和软化点的关系：flg9.

3、38 4.16lgNflg9.38 4.32lgNv美国沥青协会路面设计方法中疲劳方程：v俄亥俄州立大学在沥青混合料性能研究中，应用了断裂力学的概念，从裂纹的扩展规律出发来研究疲劳性能。根据P.C.Paris的理论，裂缝扩展规律公式为：v国内在这方面也做了大量的研究工作，提出了控制应力的沥青混合料的疲劳方程：14.39lg24.240.7lglg5.31lg8.63lg15.8BRBBRBVTNVT33.2910.854f0.26594.325 10mNcS mdcAKdNspRaKv车辙v1979年美国联邦公路总署FHWA根据车辙发生的程度分成4个等级，如下表所示。v许多国家都根据本国的气候

4、、交通等具体情况，提出了各自的容许车辙深度，作为路面维修养护的极限标准。一些国家的标准如下表所示：v低温缩裂v目前对低温开裂的判断主要是将低温开裂温度作为重要的指标，认为低温开裂就是因为低温使材料或结构内产生的温度应力超过了材料或结构的抗拉强度而导致开裂的破坏，预估方法有直接法和间接法。v三 沥青路面的早期破坏原因v（1）由于沥青路面压实不足、沥青混凝土层级配不合理导致的早期破坏。v（2）高温车辙和变形问题v（3）由于路基压实不足引起的早期破坏v（4）高速公路表面功能，尤其是抗滑性能不足。v四 路面要求v要使路面具有良好的使用性能、满足行车使用要求减少损坏，路面各结构层必须达到下列要求：v（1

5、）强度和刚度。组成路面各结构层的材料和路基必须具有足够的强度和刚度，在行车荷载作用下不产生过大的应力和位移，从而防止出现开裂、坑槽、滑移、沉陷等破坏现象。v（2）稳定性。各结构层材料和路基必须具有一定的稳定性，能经受温度、水分、冰冻等各项自然因素的影响，高温时不出现车辙、推移，低温时不产生缩裂及其他破坏现象。v（3）平整度。路面的平整度不仅与各结构层材料和路基的强度、稳定性有关，还与施工质量和养护状况有关。路面不平整度不仅影响行车速度和舒适程度，还会提前或加速路面的破坏。v（4）抗滑性。路面不仅要平整且要有一定的粗糙度，以保证车辆在雨、雪天行驶时的安全。粗糙的表面可以通过改善面层或磨耗层材料的

6、组成来达到第二节 AASHTO沥青路面设计方法v一 AASHTO试验路v试验路与1962年提出报告，其主要成果有：v（1）得出了路面耐用性指数与路面工作状态间的关系，并根据不同道路等级对路面的使用状况要求，提出了路面设计标准。v（2）建立了路面设计方法的基本方程，提出了不同设计标准的路面厚度计算列线图和不同路面材料的结构层系数。v（3）导出了不同车型轴载与数量间等效关系的轴载换算公式。v二 耐用性指数与路面设计标准v1.现有耐用性评级PSR的确定方法v由包括从事道路建设、维修的工程人员、汽车运输工作者、车辆制造者、道路教育工作者的代表组成的小组，驱车行驶在选定的路段上，按5分制进行评级。v2.

7、现有耐用性指数PSI的确定方法v将各路面状况测定的物理量以PSR评级为一方，按以下公式进行回归统计：v经大量结果的回归分析已不是原来的现有耐用性评级PSR为了加以区分，称之为耐用性指数PSI。 1230112233PSR=bbbAA FA FA F2PSI=5.03-1.91lg 1 SV0.0320.21c fRD v3.不同道路等级设计标准的确定vAASHTO设计法规以20年为设计年限，在设计期间经过车辆行驶后，最终耐用性指数PSI=2.5作为主要公路的设计标准，PSI=2.0作为次要公路的设计标准。v三 AASHTO试验路基本方程v根据试验路的大量资料，把各路段的各个路面结构所经受不同车

8、型的荷载作用次数N与PSI的损失值的关系进行整理，得到以下公式：v该公式表示，耐用性指数损失值与荷载作用次数的比值，成双对数的直线关系，即：v这就是AASHTO试验路基本方程。001 .5tCpNC00lglglg1.5tCpGNCv四 AASHTO经验设计法v主要成就：v（1）首次将耐用性指数引进路面设计方法，而且提出了不同道路等级应有不同的设计标准，使路面设计与使用要求形成密切的关系。v（2）建立了不同轴载间的等效关系，使轴载轻重与交通量多少对路面的作用建立了合理的关系，解决了过去设计方法中已知未能解决的荷载问题。v（3）提出了路面结构数SN与加权轴载通过次数N之间关系的基本方程，此结果是

9、AASHTO方法的精华。v（4）初步确定了不同路面层材料的结构层系数，还引进了地区系数的概念，给以后的设计法以有益的启发。v五 AASHTO-2002力学经验-设计法v1.沥青路面设计过程v沥青路面设计流程图如下图所示：v2.设计输入参数v实验性输入参数及场地条件v设计输入水平v水平1：通过直接试验或测量获得的场地和材料性质。v水平2：利用相关性建立确定需要的输入。v水平3：运用国家或地区默认值来定义输入。v计分析期的输入处理v原始设计输入需要经过处理获得每个分析周期的交通、材料和气候输入参数，包括各种轴载作用次数、沥青层温度、粒料层的平均模量。季节性的输入处理在规范的软件中是自动的。v3.新

10、建沥青路面设计参数v参数信息；交通信息；气候条件；路面结构。v4.沥青路面设计v永久变形v随着时间推移和技术的发展，人们认识到车辙是由路面各层的永久变形累加起来的。计算公式如下：nsublayers1RD=iipihv沥青材料层的永久变形v其最终模型修正为：v无黏结粒料永久变形v其最终标定模型为：3.44881.56060.4792441depth112212210depth0.328196 0.10392.486817.342 0.01721.733127.428pracacacackTNkCCChhChh 其中：0GBvGB1.673NarNeh一般取v土基的永久变形v其最终标定模型为：v

11、路面结构总的永久变形等于各层永久变形的叠加：v疲劳开裂v疲劳开裂的预测基于Miner的破坏积累法则。破坏用预测的交通荷载重复作用次数与允许的荷载重复作用次数之比来表示，如下式：v沥青混合料的疲劳开裂0SGvSG1.35NarNeh一般取totalACGBSGRDRDRDRDi= 1TiinDNv其最终模型公式为：v无机结合料稳定材料（CSM)的疲劳开裂vCSM层的破坏模型为：v知道了初始MR，实际的疲劳重复作用次数Nf就可以计算出来，进而可以得到每个分析周期的累计破坏：3.94921.281f111110.00432Nk CEk其中，与沥青层厚度有关。c1c20.972MRlgCTB-Dama