2路面结构及其层次划分.doc

2路面结构及其层次划分一.路面断面路拱平均坡度:沥青或水泥混凝土路面:1.5%厂拌沥青碎石等:1.5-2.5%石砌路面:2-3%碎石,砾石路面:2.5-3.5%土路:3-4%二.层次划分和作用1面层: 面层是直接同行车和大气接触的表面层次，它承受较大的行车荷载的垂直力、水平力和冲击力的作用，同时还受到降水的浸蚀和气温变化的影响。因此，同其它层次相比，面层应具备较高的结构强度，抗变形能力，较好的水稳定性和温度稳定性，而且应当耐磨，不透水；其表面还应有良好的抗滑性和平整度。 修筑面层所用的材料主要有：水泥混凝土、沥青很凝土、沥青碎(砾)石混合料、砂砾或碎石掺上或不掺土的混合料以及块料等。 2基层: 基层主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并扩散到下面的垫层和土基中去,上基层是路画结构中的承重层，它应具有足够的强度和刚度，并具有良好的扩散应力的能力.基层遭受大气因素的影响虽然比面层小，但是仍然有可能经受地下水和通过面层渗入雨水，所以基层结构应具有足够的水稳定性。基层表面虽不直接供车辆行驶，但仍然要求有较好的平整度，这是保证面层平整性的基本条件。 修筑基层的材料主要有各种结合料(如石灰、水泥或沥青等)稳定土或稳定碎(砾)石、贫水泥混凝土、天然砂砾、各种碎石或砾石、片石、块石或圆石，各种工业废渣(如煤渣、粉煤灰、矿 渣、石灰渣等)和土、砂、石所组成的混合料等。3垫层: 垫层介于路基与基层之间，它的功能是改善土基的湿度和温度状况，以保证面层和基层的强度、刚度和稳定性不受土基水温状况变化所造成的不良影响。另一方面的功能是将车辆荷载应力加以扩散，以减小土基产生的应力和变形.同时也能阻止路基土挤入基层中，影响基层结构的性能。 修筑垫层的材料，强度要求不一定高，但水稳定性利隔温性能要好。常用的垫层材料分为两类，一类是由松散粒料，如砂、砾石、炉渣等组成的透水性垫层；另一类是用水泥或石灰稳定土等修筑的稳定类垫层。第一节 路面结构及其分类1、沥青路面 （1）柔性基层沥青路面 （2）半刚性基层沥青路面 （3）刚性基层沥青路面 （4）全厚式沥青路面 2、我国常用的高速公路沥青路面的结构(半刚性基层沥青路面）(A级或改性）沥青 AC-13 Sup-13 SMA-13 4cm(A级或B级或改性）沥青AC-20 Sup-19 6cm-8cm(A级或B级）沥青AC-25 Sup-25 6cm-8cm水泥稳定碎石或二灰碎石 30cm-40cm二灰土或石灰土 20cm-40cm土基3、水泥混凝土路面（水泥路面） 普通混凝土（JPCP） 钢筋混凝土（JRCP） 连续配筋混凝土（CRCP） 钢纤维混凝土 预应力混凝土、装配式混凝土、碾压混凝土 4、路面的结构层次与材料要求 由于行车荷载、自然因素等对路面的影响随深度的增加而逐渐减弱，路面的强度、抗变形能力和稳定性也应随深度而逐渐降低要求，因此，路面的结构应分层铺筑、分为若干层次结构，并按各结构层次的特定状况进行相应的材料要求。 路面结构按照使用要求、受力状况、土基支承条件和自然因素影响程度的不同分成若干层次，通常按照各个层位功能的不同划分为面层、基层和底基层三个层次，基层中包括底基层在内。 面层： 直接同行车荷载、大气接触，承受较大的行车荷载作用（包括冲击），同时受到降水、气温等的影响。与其它层次相比，它应具有较高的结构强度、抗变形能力，较好的水稳定性和温度稳定性，而且应耐磨、不透水、抗滑、平整（另外还应能适应基层开裂对其影响或旧路面病害的反映）。材料的使用应能适应此功能要求。 基层：主要承受由面层传来的车辆荷载垂直力并将其扩散到下面的垫层及土基，是路面结构的主要承重层（对于沥青路面）或重要功能层（对于水泥砼路面），因此，它也应具有足够的强度与刚度，并应具有良好的扩散应力的能力；基层受大气影响较面层小，但仍可能被面层渗入雨水浸湿或地下水影响，也可受温度影响变形，因此仍应具有足够的水温稳定性；同时，为保证面层平整，它还应具有较好的平整度。 路基垫层：垫层介于基层和土基之间，它可改善土基的湿度和温度状况、使面层与基层免受土基水温状况变化的不良影响或保护土基处于稳定状态；同时，也可扩散基层传递的荷载应力、减小土基的应力与变形，并可阻止路基土挤入基层。一般垫层修于特定状况道路工程结构中，如防砂土基础挤入基层、软土地基扩散应力、冻土保温隔温等。 面层：用水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎石、泥灰结石、块料等材料。 基层（包括底基层）：材料主要有各种结合料稳定土或稳定碎石、贫水泥砼、天然砂砾、碎石/块石/片石/砾石、工业废渣结合混合料等。当用不同材料修筑基层时，最下层的统一材料层称为底基层，它可就近使用当地的材料或土。 路基及垫层： 材料主要有松散粒料类透水层或稳定土等稳定隔离层。 路面等级面层材料类型适用的技术等级高 级 沥青混凝土，水泥混凝土高速、一级、二级、三级、四级次高级沥青贯入式 ，沥青碎石 ，沥青表面处治 ，整齐石块或条石二级、三级、四级中 级碎、砾石（泥结或级配） ，半整齐块石 ，其它粒料 三级、四级低 级粒料加固土 ，其它当地材料加固或改善土，不整齐石块四级5、路面的分类 路面类型可从不同角度来进行划分，一般常按照面层所用的材料来进行区分，如水泥混凝土路面、沥青路面、砂石路面等等。但在工程设计中，则主要从路面结构的力学特性和设计方法的相似性出发，将路面划分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面三类。 柔性路面：总体结构刚度较小，荷载作用下的弯沉变形较大，抗弯拉强度较低，传递给土基的单位压力也较大，它主要包括各种未经处理的粒料基层和各类沥青面层、碎（砾）石面层或块石面层组成的路面结构。 刚性路面主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构，其强度高、弹性模量高、处于板体工作状态，传递给基础的单位压力小。 半刚性路面：通过改善沥青混凝土性能使其呈半刚性特性，其刚度介于沥青混凝土和水泥混凝土之间。第二节 环境因素对道路的影响1、温度湿度对道路的影响概述 图2-1 温度对沥青混凝土动弹性模量的影响图2-2 湿度对路基刚度的影响2、温度对道路的影响 温度造成路基体的膨胀与收缩，甚至引起路基的冻胀；温度造成水泥砼路面的温度应力及条块分割；温度造成沥青混凝土路面的塑性变形累积及低温开裂。图2-3 沥青面层温度日变化曲线图2-4 沥青面层月平均温度的年变化曲线图2-5 水泥混凝土面层温度日变化曲线图2-6 一天内不同时刻沿水泥混凝土面层深度的温度变化曲线图2-7 水泥混凝土面层温度梯度与气温的日变化曲线3、湿度对道路的影响湿度对路基的影响：湿软、冰冻及整体不稳定，需设置良好的排水设施，并控制路基的干湿类型 湿度对路面的影响：水分积蓄于路基路面体内，降低路基路面的强度与刚度，造成路面破坏，并可进一步加剧路面透水性第三节 交通荷载参数1、行车荷载及其对路面的影响 汽车荷载既是路基路面的服务对象，又是造成路基路面结构损伤的主要原因；它是不断移动着的、具有振动和冲击影响的动荷载；汽车荷载的特性包括汽车轮重与轴重的大小与特性、不同车型车轴的布置、汽车轴载的时间分布特性、以及汽车静态与动态荷载的特性比较等不同方面。 2、车辆的种类与作用特点 道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类。客车又分为小客车、中客车与大客车；货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。汽车及其客货总重量通过车身传递到车轴，再传递到车轮，最终由轮胎传递到路面，因此，路面结构设计主要以轴重或者轮压来进行控制。 轴载轴型分布：单轴单轮 单轴双轮 双轴单轮 双轴双轮3、轴轮组与轴重 整车分前轴和后轴，绝大部分车辆的前轴为两个单轮组成的单轴（轴载约为P/3），极少数汽车前轴为双轴单轮组（轴重约为P/2）。大部分货车后轴由双轮组组成，有单轴、双轴和三轴等三种，大部分轴重在100KN以下，一般都在60130KN范围以内。4、轮压与压圆 轮胎对路面的静态压力大小与胎内压相接近，压面近似为圆形，d由p、P来计算，p可近似取轮胎气压。 （1）汽车的轮压与压圆（a-单圆荷载，b-双圆荷载） （2）荷载圆半径和直径 对于双轮组车轴，可以按双圆考虑，也可以按单圆对待，其当量圆的直径计算如下： a)双圆荷载的当量圆半径： b)单圆荷载的当量圆直径D:5、运动车辆对道路的动态影响 道路上行驶的汽车除给路面施加垂直静压力外，还施加水平力和振动力，对路面固定点而言，这种影响又具有瞬时性和重复性。图2-8 车轮作用于路面的垂直压力与水平压力a)停驻；b)启动、一般行驶、加速；c)减速、制动；d)转向 （1）水平力：行车安全要求qmax p?j，其中j为路表与车轮的附着系数，它同路面类型与湿度以及行车速度有关。路表层水平力过大易导致推挤、拥包、波浪及车辙等病害。 （2）振动力：振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面时，应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。 （3）瞬时作用及重复：路面点的车轮作用时间约为0.010.10s，结构变形来不及呈现，瞬时作用利于结构，但多次重复作用又易使其疲劳。表3-1 路表与车轮的附着系数 路面状况路面类型车速（km/h）123264干燥碎石0.60沥青混凝土0.70-1.000.50-0.65水泥混凝土0.70-0.850.60-0.80潮湿碎石0.40沥青混凝土0.40-0.650.10-0.50水泥混凝土0.60-0.700.35-0.556、标准轴载 作用在路面的设计荷载千变万化，一般选用一种轴载作为路面结构设计的标准轴载，其他各种轴载按照一定原则换算成标准轴载。标准轴载要求对路面的响应较大、又能反映本国公路运输运营车辆的总体轴载水平。7、超载与超限 超载运输是车辆所装载货物超过车辆额定载货质量。超限运输指运输车辆超过路面结构的容许承载能力。超载但不超限的车辆对路面的使用寿命有一定的影响，超载且超限的车辆对路面的使用寿命有很大的影响，有的甚至超过路面或桥梁结构的极限承载力，使路面结构出现结构性破坏、使桥梁结构出现整体破坏、产生严重的安全事故。 8、交通荷载轴载换算和统计计算 （1）交通调查与重复荷载 交通量调查与分析：调查内容包括交通总量、车型分布、轴型轴载、实载率等，有的还调查轴载谱；分析主要是确定交通量年平均增长率，并求算获得设计年限内累计交通量。对路面而言，主要是轴重。 轴载组成与轴载换算：不同轴载的作用次数的频率组成即为轴载谱，各不同轴载应根据某一指标按其对路面结构的损伤作用的等效性换算成其它轴载的作用次数，从而可使用标准轴载来综合累计。（2）轮迹横向分布：总轴载作用按一定规律分布于车道横断面的现象，车道综合累计需考虑。 图2-7 轮迹横向分布频率曲线（单向行驶一个车道） 图2-8 轮迹横向分布频率曲线（混合行驶双车道）（3）轴载的换算 轴载换算的基本原则：等破坏原则：同一种路面结构在不同轴载作用下在使用末期达到相同的损伤程度（破坏状态）；等厚度原则：用不同标准轴载设计的路面结构厚度相同。 轴载换算系数公式：(4）沥青路面轴载换算系数公式(参照规范）（5）水泥混凝土路面轴载换算系数公式 （6）累计轴载作用次数 1）初始年平均日交通量N1： 2）设计年限内累计交通量： 3)设计年限内一个车道内的累计交通量：15