道路路面结构设计讲义.ppt

路面结构设计路面结构设计主要参考书：1.邓学钧等.路面设计原理与方法2.张起森.高等路面结构设计理论与方法3.朱照宏等.路面力学计算4.张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用5.交通部有关技术标准.授课内容授课内容Chp1 概论Chp2 车辆与交通Chp3 气候与环境Chp6 沥青路面应力分析Chp7 水泥混凝土路面应力分析Chp11 公路沥青路面设计方法Chp12 公路水泥混凝土路面设计方法.Chp1 Chp1 概论概论1 1 我国干线公路及高速公路的发展我国干线公路及高速公路的发展 l国家干线公路网（1979年）l国道主干线（1992年）l西部开发公路建设规划（1999年）l国家重点公路（2001年）l国家高速公路网（2004年）.规划方案：五纵七横 共12条线路总里程：约3.5万公里实施年限：技术标准：以汽车专用公路为主几个五年计划时间l国道主干线规划方案.l国家高速公路网规划2004年底完成的“7918”国家高速公路网规划，总规模达8.5万公里，覆盖10多亿人口，连接所有20万以上人口的城市。各个省（区、市）在国家高速公路网规划框架下编制地方高速公路网规划。未来中国的高速公路将由国家高速公路网和地方高速公路网组成，总里程将达1213万公里。.l全国公路网结构图.2 2 路面类型与结构分层路面类型与结构分层一、路面分类一、路面分类一、路面分类一、路面分类1.路面分类体系框架.柔性基层沥青路面半刚性基层沥青路面刚性基层沥青路面组合式基层沥青路面l沥青路面分类.2.路面等级、适用类型与道路等级路面等级 面层类型设计年限（年）公路等级 城市道路等级 高级路面 沥青混凝土15高速公路 一级公路 城市快速路 主干路 水泥混凝土20-30高级路面 沥青混凝土12二级公路 次高级路面 热拌沥青碎石混合料 沥青贯入式 10 城市主干路 次干路 次高级路面 乳化沥青碎石混合料 沥青表面处治 8 三级公路 中级路面 水（泥）结碎石 级配碎（砾）石 半整齐石块路面5 四级公路 城市支路 低级路面 粒料改善土 5.l沥青路面适应的累计当量轴次.l高速公路l一级公路l二级公路l三级公路l四级公路l等外公路3.公路等级根据交通部公路工程技术标准.二、路面结构分层二、路面结构分层二、路面结构分层二、路面结构分层路缘石路缘石面层面层硬路肩硬路肩土路肩土路肩拦水带拦水带基层基层垫层垫层纵向排水渗沟纵向排水渗沟路缘带路缘带路基路基槽式槽式全铺式全铺式.二、路面结构分层二、路面结构分层二、路面结构分层二、路面结构分层路缘石路缘石面层面层硬路肩硬路肩土路肩土路肩拦水带拦水带基层基层垫层垫层纵向排水渗沟纵向排水渗沟路缘带路缘带路基路基路床路面结构层以下80cm的路基部分，030cm为上路床，3080cm为下路床上路堤距路面底部80150cm的填方部分，以下的填方部分为下路堤.l路面结构层次划分.3 3 路面的使用性能路面的使用性能一、结构性能一、结构性能一、结构性能一、结构性能1.承载能力2.稳定性3.耐久性二、功能性能二、功能性能二、功能性能二、功能性能1.平整舒适性能2.抗滑性能三、环保性能三、环保性能三、环保性能三、环保性能.l路面表面不平整与轮胎或车辆性状的相互作用.l路面功能性损坏和结构性损坏结构性损坏：路面的整体、一个或几个组成部分的破坏。功能性损坏：由于路面的不平整或太光滑，使其不再具有预期的功能。路面结构在使用过程中，在荷载和自然因素多种循环重复作用而出现的使用品质的逐渐破坏，功能性损坏发展到一定程度就成为结构性损坏。.l沥青路面疲劳开裂.l沥青路面永久变形.l裂缝产生与发展示意图.l半刚性基层反射裂缝.l南非半刚性路面三阶段.l松散的半刚性基层.l半刚性基层沥青路面结构破坏机理.l行车道下基层开裂.l基层内水可以积聚.l路面唧浆.l美国全厚式沥青路面结构.l广深高速公路路面结构.l路面开裂率随沥青层总厚度变化情况.l法国国家公路网路面结构形式.l英国长寿命沥青路面典型结构.l刚性基层耐久性沥青路面结构.4 4 4 4 路面设计的任务、内容与方法路面设计的任务、内容与方法路面设计的任务、内容与方法路面设计的任务、内容与方法一、路面设计的任务一、路面设计的任务一、路面设计的任务一、路面设计的任务 以最低的寿命周期费用，提供一种在设计使用期内满足预定使用性能要求的路面结构。1.路面设计任务2.设计使用期|设计使用期是指新建或改建的路面从开始使用到使用性能衰变到预定的最低标准时的时段。|使用期末，路面不一定损坏到无法使用的程度，而是必须采取重大的措施恢复其使用性能，使之达到要求的水平。.l水泥混凝土路面使用性能衰变曲线.二、路面设计内容二、路面设计内容二、路面设计内容二、路面设计内容（1）路面结构组合设计（2）各结构层材料组成设计（3）路面厚度计算（4）路面排水设计（5）技术经济分析.三、路面设计方法三、路面设计方法三、路面设计方法三、路面设计方法欧尔德和哥尔德贝克首先提出以悬臂变截面梁体系的抗弯强度为控制指标设计水泥混凝土板的厚度。1925年，美国威斯特卡德首先提出了以弹性地基板的抗弯强度为控制指标设计水泥混凝土路面厚度的方法。1929年，太沙基等提出采用公路土分类确定路面厚度；美国加利福尼亚公路局提出通过压入试验测定土基承载比CBR值，从而确定路面厚度。.1.路面结构设计经验法通过试验路长期观测或者通过重要工程长期观测积累的数据进行分析处理，建立起车辆荷载、通行次数、地基支承和路面结构厚度之间的统计数学关系式或者关系曲线，用于设计新建或改建公路路面结构的方法称为经验法。世界最著名、最有代表性的沥青路面经验设计法有美国CBR法、美国AASHTO法、加拿大运输部（CDOT）法等。.（1）CBR设计法1929年，美国加利福尼亚交通部提出CBR指标表征道路材料抗力，并根据调查结果提出CBR设计法，给出经验设计曲线，以控制路基的剪切破坏。美国陆军工程师兵团采用CBR方法，按照“等剪切”的原则将设计标准外延到各类飞机荷载范围，1956年提出路面厚度与轮载、轮胎压力的关系式，之后又多次修正。CBR设汁法是一种经验性方法，设计过程简单、概念明确，适用于重载、低等级的路面设计，所提出的CBR指标已得到广泛应用。.（2）AASHTO设计法产生于19581962年间的AASHO道路试验，建立了路面结构、轴载级位和作用次数与路面使用性能之间的经验关系模型。.（2）AASHTO设计法产生于19581962年间的AASHO道路试验，建立了路面结构、轴载级位和作用次数与路面使用性能之间的经验关系模型。首次提出了使用性能概念，采用现时服务能力指数PSI评定路面的服务质量。AASHTO设计方法是以AASHO试验路的试验结果为基础，以服务能力指数PSI为设计指标建立起来。.lAASHO设计过程AASHTO路面设计指南已经过1986、1993和2002年三次修订。.lAASHO设计方法的特点（1）路面服务水平提出了路面耐用性和工作状态的概念，对路面使用状况提出了评价标准（PSI）（2）沥青路面设计基本方程式提出了现时服务指数荷载路面各因素之间的关系（3）路面结构数与荷载作用次数的关系（4）基于设计方程的车辆当量换算方法，其中包括：单轴和双轴的等效关系（5）可靠度概念考虑了路面设计过程的不确定性（6）排水系数考虑了水对路面结构和材料的影响.（3）LTPP研究|美国在SHRP后续研究中列入了路面长期使用性能观测计划（LTPP），对路面结构、荷载和环境因素作用与路面使用性能之间的关系，进行了长期、系统的数据采集，建立了可靠的使用性能预估模型。|1994年开始，美国进行西部环道试验（Westrack），验证Superpave沥青混合料设计方法的合理性，并为水平2和水平3提供模型数据。.2.路面结构设计力学经验法首先将行车荷载和环境因素作用典型化，采用弹性地基板或弹性层状体系等结构分析理论和有效的计算方法，建立起荷载和环境的作用与路面结构的应力和挠度响应之间的计算模型和公式。再通过大量试验测试和室内的路面材料力学性能试验，确定不同材料、不同环境下的设计参数和对设计理论的试验修正。我国沥青路面设计法、美国沥青学会法及Shell等沥青路面设计方法，和我国水泥混凝土路面设计、美国波特兰水泥协会法及美国陆军机场刚性道面设计方法等水泥混凝土路面结构设计方法，都是半经验半力学分析法。.l以多层弹性体系理论构建的沥青路面结构模型.力学经验法设计力学经验法设计沥青路面的基本过程沥青路面的基本过程.3.路面典型结构设计方法幅员不大的国家或地区，可以交通特性和地基支承特性为选择依据，采用路面典型结构设计法，德国、法国等都采用典型结构设计方法。我国公路工作者在第八个五年计划期间，在全国范围内组织开展了“半刚性基层沥青混凝土路面典型结构研究”，总结归纳了若干套路面典型结构图。路面典型结构图除了直接用于路面结构设计之外，还用于提出初选方案，作为进一步分析研究的基础，以最终提出合理的结构设计成果。.5 5 机场道面简介机场道面简介机场道面设计的主要任务是提供适合当地自然环境条件、满足飞行使用要求的道面结构。机场道面设计与公路路面设计所必须考虑的主要因素基本相同，但每一因素所选定的数值却差别很大。飞机的总质量远大于汽车，轮胎压力也远大于汽车，但公路行驶的汽车重复荷载次数远大于机场。.