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第九章 沥青路面设计
第九章 沥青路面设计 第9-1节 沥青路面设计的任务、程序与原则 节 沥青路面设计的任务、一、设计任务 沥青路面设计的任务是：确定合理的路面等级，选择适合的路面类型，进行结构组合设 计、路面材料配合比设计及路面结构计算等。为确保路面设计质量，在路面设计之前，应进 行专门的外业调查，搜集相关资料，以作为路面设计工作的依据。在外业调查时需收集的资 料有：工程地质和水文地质条件，天然土湿度和水文资料，气象资料，路面材料产地和供应 情况，当地路面使用经验和其他情况，交通量及交通组成情况，投资情况，施工单位的技术 力量，机具设备、劳动力组成情况，原有路基路面状况等。 在掌握了公路沿线的野外调查资料的基础上可按下列程序进行路面的设计工作： 1．根据设计任务书的要求，并综合考虑国家政治、经济、国防、旅游、公路等级、交 通量和交通组成、建设投资和其他方面的要求，确定合理的路面等级和面层类型。计算在设 计年限内换算为标准轴载的单车道的累计当量轴次和路表设计弯沉值，容许拉应力值。 2 确定路基回弹模量值。按路基土组与干湿类型将路基划分为若干路段(每段长度一般 情况下不宜小于 500m，若为大规模机械化施工，不宜小于 1km)，确定各路段土基回弹模量 值。 3．确定路面材料的回弹模量值。为了保证路面结构的强度与稳定性并充分发挥各结构 层的功能，应考虑当地气候、土质、材料，施工等具体情况，拟定几种可能的路面结构组合 与厚度方案，根据实测或查表确定各结构层路面材料的回弹模量及设计参数。 4 根据设计弯沉值计算路面厚度。对于高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面 层和整体性材料基层、底基层应验算其拉应力是否满足容许拉应力的要求。如不满足要求， 应通过调整路面结构层厚度， 或变更路面结构组合， 或调整材料配合比以提高极阻抗弯拉强 度后再重新计算： 对季节性冰冻地区的高级和次高级路面， 还应验算防冻厚度是否符合要求。 1． 进行技术经济比较，确定采用的路面结构方案。 三、设计原则 为使沥青路面设计先进，经济合理，路面安全适用并与周围环境协调，在设计工作中应 遵循下列原则： 1．应根据路面使用要求与当地的自然条件(包括气候、水文、土质等)，结合当地实践 经验，按面层耐久、基层坚实、土基稳定的要求进行综合设计。 2．应贯彻合理选材，方便施工，利于养护，节约投资的原则，结合当地经验进行路面 结构方案的技术经济比较，选择技术先进、经济合理、强度高稳定性好、便于机械化和工厂 化施工的路面结构方案。 3．应从技术经济上论证是否有必要分期修建。对分期修建的路面工程，应合理设计结 构层次与厚度， 使前期工程能在后期被充分利用。 高速公路和一级公路的路面不宜分期修建。 4．应积极采用并推广新技术、新材料、新工艺、新设备、推行机械化施工。对高速公 路和一级公路，应采用大型、高效成套的机械设备施工．以确保工程质量。 对软土地区或高填方路基及可能产生较大沉降的路段， 宜按分期修建或一次设计分期实 施的原则进行设计。 设计时应按远景交通量设计路面结构与厚度， 修筑时可酌情减薄沥青面 层厚度，待路基变形趋于稳定后，再根据路面实际情况加铺沥青面层至设计厚度。待路基变 形趋于稳定后，再根据路面实际情况加铺沥青面层至设计厚度。第 9-2 节标准轴载与轴次换算一、标准轴载及其形式 公路上行驶的车辆种类繁杂， 不同车型和不同作用次数对路面影响不同， 为方便路面设 计， 需将不同车型组合而成的混合交通量换算成某种统一轴载的当量抽次。 这种统一的轴载， 称为标准轴载。 《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)中规定：沥青路面设计是以双轮组单后轴载 100kN 为标准轴载，以 BZZ―100 表示。标准轴载的计算参数按表 2-7-1 确定，凡轴载大干 25kN． 小于 130kN 的各级轴载 P1(包括车辆的前轴和后轴)的作用次数均应换算成标准轴载 P 的当量作用次数(简称当量轴次)。二、轴次换算方法 1．换算原则 当把混合交通量中的各级轴载换算成标准轴载时， 为了保证换算前与换算后的轴载对路 面的作用效果相同，应该遵循弯沉等效或拉应力等效原则。 等效原则是以某一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损坏程度为根据的。 这是一 个很复杂的关系，通常是通过实验路段观测来确定。它包括两方面的含义：第一，对于同― ―种路面结构，若一种车轮荷载作用了 n1 次，使路面达到极限破损状态，而另一种车轮荷 载作用了 n2 次，使路面达到了同样的破损状态，则这两种车轮荷载的作用次数 n1 和 n2，被 称做是等效的。第二，对于同一交通组合(混合交通量)，通过等效换算后，则不论按哪种车 轮荷载进行路面厚度计算，得到的结果均是相同的。上述轴载换算公式适用于单轴重 25~130kN 的范围内。在具体进行轴次换算时，各种主 要汽车路面设计使用的计算参数可参考表 2-1-9。 三、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内，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：例 2-7-1 某一级公路，竣工后第一年双向平均日交通星见表 2-7-3，交通量年平均增长率 r 为 7．5％，路面设计年限 t＝15 年，求累计当量轴次 Ne。 解：1．求各类车型的轴载换算系数第 9-3 节 沥青路面设计指标一、路面结构的破坏模式与设计指标 (一)路面结构的破坏模式沥青路面状况和使用品质由于环境的干、湿、冷、热的交替循环和行车荷载的反复作用 而逐渐变坏， 或完全丧失工作能力。 为了保证路面结构性能在规定的使用年限内不恶化到某 一程度。 需要分析路面破坏的模式和产生的原因， 并依此制定出相应的设计指标来控制路面 设计。 沥青路面破坏形态各异， 破坏的原因是错综复杂的， 根据损坏现象的成因及对路面使用 性能的影响，路面的破坏可分为以下几种主要模式。 1．沉陷 沉陷是路面在车轮荷载作用下， 其表面产生的较大凹陷变形， 有时凹陷两侧伴有隆起现 象．如图 2-7-1 所示。当沉陷严重超过了结构的变形能力，在结构层受拉区产生开裂而形成 纵裂，并有可能逐渐发展成网裂。引起沉陷的主要原因是路基水文条件差而过于湿软，承载 力显著降低，在车轮荷载作用下出现沉陷并导致路面的开裂、变形和破坏。用累积起来的残余变形总和也将会很大，足以影响车辆的正常行驶。 路面的车辙与荷载应力大小，重复作用次数以及结构层和土基的性质有关。 3．疲劳开裂 开裂是沥青路面常见的破坏类型。 开裂的种类和原因有几种， 这里所说的开裂是路表无 显著永久变形而出现的裂缝现象。 疲劳开裂的特点是首先出现较短的纵向开裂， 继而逐渐发 展为网状开裂，开裂面积不断扩大。 发生疲劳开裂的主要原因是： 结构整体强度不足或在车轮荷载反复作用下， 沥青结构层 底面或半刚性基层底面产生的拉应力(或拉应变)超过材料的疲劳强度，底面便发生开裂，并 逐渐扩展延伸到表面。 4．推移 推移是沥青路面材料沿行车方向发生剪切或拉裂破坏面出现推挤或拥起现象。如图 2-7-2 所示造成椎移的主要原因是：当沥青路面受到较大的水平荷载作用时(在车辆经常启 动、制动的路段及弯道、坡度变化处等)，车辆荷载引起的竖向力和水平力的综合作用使结 构层内的切应力或拉应力超过材料的抗剪或抗拉强度。向裂缝(因为路面的纵向约束远大于横向约束)。在冰凉地区，沥青面层及用水硬性材料稳定 的整体性基层。冬季可能出现这种裂缝。低温裂缝的产生与荷载无关。路面材料的干缩裂缝 或半刚性基层上沥青面层的反射裂缝，均为横向裂缝，另外路基不均匀沉陷、冻胀也会产生 横裂和纵裂。模型和纵裂进一步发展会扩展成网裂。 (二)设计指标 根据路面在行车荷载和自然因素作用下所产生的应力、应变和位移量不超过路面任一结 构层中材料的允许应力、 应变和位移量来选定路面结构层的组合和厚度， 以达到防止或减少 各种路面破坏现象的发生， 控制或限制路面结构的特性和使用品质在设计年限内不恶化到某 一规定程度的目的。 目前沥青路面的设计方法世界各个国家采用的标准不尽相同， 有的方法 采用一个指标， 有的方法采用几个指标， 但不少国家沥青路面的设计方法是采用路表设计弯沉值作为一项控制指标。 这项指标能得到广泛采用， 是因为路表弯沉不仅反映路面整个结构 层及土基的整体强度和刚度， 而且与路面的使用状态存在一定的内在联系， 同时弯沉值的测 定也很方便。我国沥青路面设计是根据路面结构类型不同分别采用以下指标： 1．为了控制路基路面的总变形，防止网裂、沉陷、车辙，使路面具有足够的整体刚度 和强度。采用路表设计弯沉值 Ld 作为路面整体刚度和强度的控制指标。即路面设计弯沉值 Ld 应大于或等于路表实际可能产生的回弹弯沉值 Ls，即 Ls≤Ld (2-7-4) 2．为了防止沥青混合料面层和整体性材料基层的疲劳开裂，采用了沥青混凝土面层和 整体性材料基层(即半刚性基层)底面的容许拉应力σR 作为验算指标，此值应大于或等于路 面中相应结构层底面实际可能产生的最大拉应力σm 即 σm ≤σR (2-7-5) 1． 为了防止高温季节道路交叉口、停车场等汽车经常起动、制动的地方沥青面层产生推挤 和拥包等破坏现象，采用了沥青面层材料的容许切应力作为验算指标，此值应大于或等 于面层破裂面上实际可能产生的切应力τa，即 τa≤τR （2-7-6） 上述三项设计指标的使用范围为： (1)我国《公路沥青路面设计规范》以设计弯沉值作为路面结构设计的控制指标。对高 速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和整体性材料基层、底基层还应进行层底拉 应力验算。 (2)我国《城市道路设计规范》规定： 1)除交通量小的支路上铺筑沥青混凝土面层时可仅用设计弯沉值指标设计外， 在其他道 路上铺筑沥青混凝土面层应采用上述三项指标设计。 2)对沥青碎石面层采用设计弯沉值和切应力两项指标设计，对沥青贯人式、沥青表面处 治和粒料路面，只用设计弯沉值指标设计。 3)采用半刚性基层时，应对基层按拉应力指标设计。 二、路面设计弯沉值计算 所谓弯沉，是指在车轮荷载作用下路面产生的垂直位移(也称垂直变形)。路面材料是非 线性弹塑性体， 所以路面的弯沉有弹性弯沉、 残余弯沉和总弯沉。 针对一个固定的测点而言， 当它受到车轮荷载的作用时， 就产生竖向位移变形， 在加荷过程中观测的变形位就是总弯沉； 当车轮荷载卸除后，路面就向上回弹，在卸荷过程中观测到的变形值就是弹性(回弹)弯沉； 总弯沉与弹性弯沉之差，就是残余弯沉，如图 2-7-3 所示。据观测，对于强度较高或使用多 年而处于稳定状态的老路面，其残余弯沉仅为总弯沉的 10％左右，可认为是处于或接近弹 性工作状态。因此，可采用路面回弹弯沉 L0 来表征路面的强度。 路面回弹弯沉值可用杠杆式弯沉仪由标准汽车按前进卸荷法进行测定。弯沉值的大小， 反映了路面的强度， 在相同车轮荷载下， 路面弯沉值愈大， 则路面抵抗垂直变形的能力愈弱， 反之则强。实践表明，在路面达到相同破坏程度时．回弹弯沉值的大小同该路面的使用寿命 即车设计弯沉值的确定是通过在使用了若干年，并在外观上有不同程度破坏的路面表面上， 用标准轴载测定处于各种不同外观状态的回弹弯沉，建立回弹弯沉与路面外观状态的关系， 并考虑到对公路的修建费用、使用、养护的要求加以确定的。调查测定发现，路面回弹弯沉 值的大小与路面外观状态之间有着很明显的联系， 即随着路面回弹弯沉值的增大， 路面的外观状态明显变差。我国把公路沥青路面按外观特征分为五个类别，如表 2-7-4 所示。并把第 四类外观状态定为路面的临界状态， 以此状态下测定的回弹弯沉值的低限作为路面设计弯沉值界限的依据。 由于在车辆荷载的重复作用下， 路面上实际产生的弯沉值不可避免地要有所 积累和增加， 故在确定路面的设计弯沉值时， 必须注意到设计弯沉的大小和路上通过的交通 量及其轴载组合的密切关系。 因此， 当规定了路面的临界状态以后， 要求承受的交通量大时， 路面设计弯沉值就该定得小一些； 要求承受的交通量小时， 路面的设计弯沉值则可定得大一 些。根据上述原则，并通过大量的调查测定发现，累计交通量与设计弯沉值之间存在良好的 双对数相关关系， 在此基础上又考虑了不同公路等级、 面层和基层类型对设计弯沉值确定的 影响，规范采用下列公式计算：式中：Ld――路面设计弯沉值，0.01mm，对沥青路面系指路面温度为 20°C 的值； N――累计当量轴次，次； Ac――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； As――面层类型系数，沥青混凝土面层为 1.0，热拌沥青碎石、沥青上拌下贯式，沥 青贯人式，乳化沥青碎石为 1．1；沥青表面处治为 1．2；粒料类面层(中低级路面)为 1.3； Ab――基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度大于或等于 20cm 时，Ab＝1.0， 其他情况见规范规定。 例 2-7-2 同例 2-7-1 所给条件，路面面层拟采用沥青混凝土，基层为水泥土厚 20cm， 求其设计弯沉值。 解：根据例 2-7-1 计算可知；累计当量轴次 Ne＝4.2X106 次．公路等级系数 Ac＝1.0，面 层系数 As=1.0，基层系数 Ab=1.0，则设计回弹弯沉值 Ld 为：三、结构层材料的容许拉应力 容许拉应力σR 是路面承受行车荷载反复作用达到临界破坏状态时的最大疲劳拉应力。 容许拉应力的确定与材料的极限抗拉强度有关(极限抗拉强度的大小通过实验确定)，同时也 与重复荷载次数有关， 容许拉应力要比一次荷载作用的极限抗拉强度小， 其减少的程度同重 复荷载次数和路面结构层材料的性质有关，其公式如下：式中：σsP――沥青混凝土或半刚性结构层材料的劈裂强度，MPa，由试验确定； Ks――抗拉强度结构系数，同荷载的反复作用次数有关。 结构层材料劈裂强度，对沥青混凝土系指 15°C 时的劈裂强度；对石灰土、二灰、二 灰土等强度低的材料，系指 6 个月龄期的劈裂强度；其他稳定类基层材料，均指 90 日龄期 的劈裂强度。 表征结构层材料抗拉强度因疲劳面降低的抗拉强度结构系数 A、 ，根据疲劳方程可表示第 9-4 节 土基与路面材料强度指标一、路基受力与工作区 1．路基受力状况 通常路基承受两种荷载，一种是路面和路基自重引起的荷载，另一种是车辆轮重引起的 外荷载，在两种荷载的共同作用下，使路基土处于受力状态。正确的设计应使路基受力时尽 可能只产生弹性变形，而当车辆驶过后，路基变形可以恢复原状，以确保路基的相对稳定， 而不致引起路面破坏。 路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力σ1，是随深度增大而减小的。当车轮荷载 作为圆形均布荷载时，圆形荷载中心下土基的垂直压应力σ1，可用以下近似公式计算：式中：P――车轮荷载的均布单位压力，kPa， D――圆形均布荷载作用面积的直径，m， Z――圆形均布荷载中心下应力作用点的深度，m。 路基土本身自重在路基内深度为 Z 处所引起的垂直压应力σ2，可用下式计算： σ2＝rZ （2-7-13） 3 式中：r――土的容量，kN／m 。 自重引起土基中的压应力，考虑到在一定深度处，同路基自重相比，路面重力的影响不 大，所以在研究荷载作用最大深度时，为简化计算，近似地将路面材料相当于路基土材料。 路基内任一点处所受的垂直应力， 应是由车辆荷载引起的垂直应力即和由土基自重引起的垂 直应力σ2 两者的叠加。土基应力分布如图 2-7-4 所示。P――车轮荷载，KN； K――系数，取 0．5； r――土的容重，KN/m3； n――系数，取 5~10。 显然，路基工作区的深度 Za 随车辆荷载增大而加深，随路面的刚度利厚度的增加而减小。二、土基回弹模量的确定方法 回弹模量是指路基、 路面及筑路材料在荷载作用下产生的应力与其相应的回弹应变的比 值。车辆荷载通过路面传至土基的垂直压力，使土基产生一定程度的竖向位移变形，假定土 基为均质的弹性体，在圆形垂直均布荷载作用下，在应力与应变成直线关系时，可用弹性理 论来建立荷载与变形之间的关系式：式中：Lr――路表距离荷载中心袖为 r 某点处的垂直位移，亦称弯沉值,cm P――圆形垂直均布荷载，MPa； E。――土基回弹模量，MPa； δ――圆形均布荷载面积半径，m； u――土的泊松系数，取 o. 35； a――竖向位移系数，是 r／δ的函数, r／δ＝0 时，a＝1；r／δ=1．5 时，a＝o 356。 由上式看出；在一定的车轮荷载作用下，土基的回弹模量 E0 值越大，所产生的回弹弯 沉值 Lr 就越小。这标志着土基的承载能力大，抵抗变形的能力强。 土基的强度可用若干指标来表达(如抗剪强度、CBR 值、回弹模量等)。我国是以路表设 计弯沉值作为路面整体强度的设计控制指标。由式(2-7-15)或三层体系理论分析可知，影响 路表弯沉的主要因素是路基的强度，70％~95％的弯沉取决于路基。因此采用土基回弹模量 Eo 来表示土基的强度。 土基回弹模量确定可以通过现场实测、 室内实验法、 换算法或通过经验公式计算确定的 查表法。 1．现场实测：在不利季节，在已竣工的路基上，用承载板通过逐级加荷卸载的方法测 出每级荷载的回弹变形值，并采用间弹变形 Lo＝0.5~1mm 的测定值，参考各地经验的综合 式(2-7-16)计算土基回弹模量。或用弯沉仪测定土基回弹模量值。详细操作及计算可按《公 路路基路面现场测试规程》(JTJ059―95)中 T0944 一 95 规定、 《公路沥青路面设计视范》 (JTJ014-97)中表 8 执行。 Eo＝.7 (2-7-16) 1． 内实验法：按最佳含水量下制备三组土样试件，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曲线； 查图求得标准压实度条件下土的回弹模量值。 3．换算法：各地区有条件进行现场或室内土的回弹模量 Eo、土性配套指标(Wc、WL、 Wp、粒径组成等)、压实度(Kh、Kl)，CBR 值等实验，建立室内与现场的土基各种力学指标 间的相关关系式，见《公路沥青路面设计规范》中表 10、表 11，再根据相关关系式推算 E0 值。 承载板测定法，对于新建公路或改建公路的新路基来说，在设计阶段路基尚未形成，当 然无法测定其土基 E0 值，常用查表法确定。 4．查表法：指在不具备实测条件时，可参考表列的建议值，按下列步骤求得路基的回 弹模量值。 (1)按路基高度，参考表 2-1-5 或表 2-1-4 或《公路沥青路面设计规范》中附录 E 表 E1， 确定路基高度与临界高度的关系； (2)按该路段的路基高度与路基临界高度的关系， 查表 2-2-4 或 《公路沥青路面设计规范》 中表 6．1．2―2，确定路基的干湿类型； (3)按路段的干湿类型和土的性质， 查表 2-2-2， 《公路沥青路面设计规范》 或 中表 6． 2 1． ―1，确定路基土的平均稠度； (4)根据该路段路基土的平均稠度 Wc、二级自然区划和土的性质，查表 2-7-5 或《公路 沥青路面设计规范》中附录 E 表 E2 对于碎、砾石土和砂土的回弹模量详见《公路沥青路面 设计规范》附录 D 表 D3，确定土基回弹模量 E0。 《公路沥青路面设计规范》 规定： 高速公路和一级公路的土基回弹模量值应大于 30MPa， 其他公路的土基回弹模量值应大于 25MPa。 路基建成后． 应在不利季节实测各路段土基回弹模量代表值， 以检验是否符合设计值的 要求。若代表值小于设计值，应采取翻晒补压、掺灰处理，调整路面结构、厚度等加强路基的措施，以保证路基路面的强度和稳定性。三、路面材料设计参数的确定方法 1．高速公路、一级公路在初步设计阶段应选用沿线筑路材料和外购材料进行混合料配 合比设计。在选定配合比的基础上，按有关规程的规定实测材料设计参数，并确定各层材料 回弹模量和抗拉强度的设计值。 2 以设计弯沉值计算路面厚度并对结构层进行层底拉应力验算时，各层材料的模量均采 用抗压回弹模量，沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂试验侧得劈裂强度。 (1)半刚性材料的抗压回弹模量，按《公路工程无机结合科稳定材料试验规程》(JTJ057 ―94)中 T0801-94 叫规定的顶面法测定。沥青混合料的抗压回弹模量测试方法应按《公路工 程沥青及沥青混合试验规程》(JTJ 052―2000)中 T 规定的方法进行。 (2)沥青混合料的劈裂强度按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》 （JTJ052）中 T0716-93 规定进行，试验温度为 15°C。半刚性材料的劈裂强度按《公路工程无机结合料 稳定材料试验规程》(JTJ057)中 T 0806 一 94 有加载压条的方法进行。 3．各单位可建立半刚性材料的抗压回弹模量、抗压强度与龄期的相关关系、劈裂强度 与龄期相关关系以及快速养生方法等预估规定龄期的材料模量或强度， 经充分论证后作为设 计值使用。 4．在工程可行性研究或二级、三级公路的初步设计阶段，可查表 2-7-6、表 2-7-7 或参考《公路沥青路面设计规范》中附录 D 表 D1、表 D2，论证地选用各种材料回弹模量及抗 拉强度。第 9-5 节 沥青路面结构设计一、结构设计的一般原则 沥青路面的设计工作包括结构设计与厚度计算两大部分(图 2-7-6)。厚度计算必须建 立在合理的路面结构设计的基础上，路面结构设计的质量直接关系到路面设计工作的成败。 路面结构设计包括各分层结构设计和结构层组合设计。 在沥青路面结构设计工作中，应该遵循下述的技术经济原则： (1)因地制宜，合理选材 路面各结构层所用的材料， 尤其是用量大的基、 垫层材料， 应充分利用当地的天然材料、 加工材料或工业副产品， 以减少运输费用和降低工程造价。 同时还要注意吸取和应用当地路 面设计在选择材料方面的成功经验。 (2)方便施工，利于养护选择各结构层时还应考虑机具设备和施工条件， 在可能的条件下， 应尽量采用机械化施 工、考虑建成通车后的养护问题。特别是对于高等级公路来说，要求平时养护工作量越少越 好，以免影响大交通量的通行。 (3)分期修建，逐步提高 交通量是确定路面等级和路面类型的最主要的因素之一， 而交通量是随时间而逐步增长 的。当资金不足时，一般应按近期使用要求进行路面设计(高速公路和一级公路除外)，先以 满足近期需要为主。 以后随着交通量的增长， 车型的加重和投资的增多， 逐步提高路面等级， 增加路面厚度。 但在建造时必须注意使前期工程能为后期工程奠定基础， 即能为后期工程所 充分利用。 (4)整体考虑，综合设计 在路面结构设计时，对土基、垫层、底基层、基层和面层都应看做是一个有机的整体。 按照土基稳定、 基层坚实、 面层耐久的要求， 充分发挥各结构层的作用， 合理选用路面材料， 确定适当的结构层厚度， 使路面设计既能在整体上满足强度和稳定性的要求， 又能做到经济、 合理和耐久。(5)考虑气候因素和水温状况的影响 路面结构设计要保证在自然因素和车轮荷载反复作用下， 路面整体结构具有足够的水稳性、干稳定性、冰冻稳定性和高温稳定性，应预测并要重视当地气候和水温状况可能对路面 造成的不利影响。 二、沥青路面各结构层的选择 1．路面等级和面层类型的选择 路面等级和面层类型应与公路等级和交通量相适应。确定路面等级和面层类型应以政 治、经济、国防、旅游以及经济发展的需要和设计交通量为主要依据。此外，还应考虑使用 需要、材料供应、施工机械设备、地区特点、施工养护工作条件等多方面的因素。具体确定 时还可参考表 2-4-7。各类沥青路面的路用特征见《公路沥青路面设计规范》表 3．o．2。 路面面层因直接承受行车和自然因素的反复作用， 要求强度高(抗拉和抗剪切)、 耐磨耗、 抗滑、 热稳性好和不透水， 因而通常选用粘结力较强的结合料和强度高的集科作为面层材料。 交通量越大，公路等级越高，则路面等级也应该越高，厚度也越大，相应的面层层次一般也 越多。 在选择面层类型时， 特别应考虑当地的气候特征如在气候干旱地区， 不宜采用砂砾路面， 以免产生严重的搓板现象。 在多雨地区， 要特别重视路面结构层的水稳性和面层透水性问题； 对沥青路面， 还要考虑寒冷地区的低温抗裂性和高温地区的热稳性问题， 同时还要考虑抗滑 性能等问题。 2．基层类型的选择 基层是主要的承重层，应具有足够的强度、刚度和水稳定性。目前常用的基层类型有沥 青、水泥及工业废渣稳定类、碎(砾)石嵌锁类和土、石级配类二种。每―类型都有各自的特 点，沥青、水泥和二灰稳定类适用于交通量繁重的公路，其他类型可适用于―般交通道路。 在选择基层类型时， 首先要考虑充分利用当地材料这一原则。 即使当地某些材料不能直接使 用，也要从施工工艺、材料组成等方面采用适当措施加以改进，使之得到合理应用。如果所 需基层厚度较大时，为了降低造价，可增设底基层，用成本较低、来源较广，性能稍差的当 地材料(如砂、砾等)铺筑底基层。 应重视沥青类路面的基层水稳性问题，以土作为结合料的基层，水稳定性较差．故在潮 湿和中湿路段上，应选用碎石片石、块石、工业废渣、不含土的天然砂砾、石灰土、二灰土 及水泥稳定砂砾等水稳性好的基层。对于泥结碎(砾)石和级配碎(砾)石属于水稳定性差的基 层，仅限用于干燥路段，不得用于中、潮湿路段，否则将会引起基层含水量增大而导致沥青 路面的严重破坏。 三、沥青路面结构组合设计 在路面等级、面层类型、基层类型都选定之后，就应考虑各结构层如何安排的问题。要 使整个路面结构既能承受行车荷载和自然因素的作用，又能最大限度地发挥各结构层的效 能，这是路面结构组合要解决的问题。 路面结构层的组合设计， 就是按行车和环境因素对不同层位的要求， 结合各类结构层本 身的性能，进行合理的安排。不同的结构组合会产生不同的结果，层次多、厚度大的路面结 构，其使用效果不一定好。 路基路面是一个整体结构，各结构层有各自的特性和作用，并相互制约和影响，结构组 合不合理，所用材料再好，厚度再大也无济于事。根据实践经验和理论分析，结构组合应遵 循下列原则： 1．根据各结构层功能组合 遵循路面耐久、基层坚实、土基稳定的原则、结合各结构层功能正确合理的选择面层、 基层和垫层是组合设计的前提条件。就面层来讲，不仅要考虑高强、耐磨、热稳性好和不透 水等性能， 还应考虑设几层较为合适。 如果交通量繁重的道路， 应加设联结层作为面层下层， 以抵抗水平力在面层底产生的切应力。采用空隙大的沥青混合料或沥青贯入式碎石做面层 时，应在面上加设沥青砂或沥青表面处治做封层。 基层要有足够的抗压强度，一定的刚度和水稳定性。交通繁重时，单层应选择沥青或水 泥(或二灰)稳定类材料．并采用双层式基层，即加设底基层；如果土基水温状况不良时，应 设石灰土及天然砂砾等垫层。 要使路面有足够的整体强度．还应保证路基的强度和稳定性。否则，单靠加强或增厚面 层或基层，并不能收到良好的效果，同时也不经济合理。稳定路基的一般措施，最经济最易 办到的方法是，加强路基排水和使路基达到要求的压实度。2．强度组合 轮载作用于路面表面，其竖向应力和应变随深度而递减，因而对各层材料的强度(模量) 的要求，也可随深度而相应减小，见图 2-7-7。因此，路面各结构层应按强度自上而下递减 的方式组合。 这样既能充分发挥各结构层材料的效能， 又能充分利用当地材料充当底基层和 基层，以降低造价。采用强度(模量)按深度递减的规律组合路面时，还应注意各相邻结构层 之间的模量不能相差过大。 上下两层模量相差过大时， 上层底面将会因下层变形过大而产生 较大的拉应变，导致上层被拉裂。因此，规范要求基层同面层之间的模量比不应小于 0.35 土基与基层的模量比应在 0.08~0.40 的范围内。不满足上述要求的应更换材料或增加结构层 次。当然，在实际使用中，也有模量上小下大的倒装结构，如在模量较高的半刚性基层与沥 青混凝土面层之间设置碎石过渡层等。这种结构可根据具体情况使用。层间结合应尽量紧密，避免产生层间滑移，以保证结构的整体性和应力分布的连续性。 例如，为了保证沥青面层与基层的紧密结合，除了根据施工规范的有关规定，采取施工技术 措施外， 在设计高速公路和一级公路的沥青路面时， 在沥青面层与半刚性基层之间应设置由 沥青材料组成的联结层。 4．考虑自然水温条件的不利影响 在潮湿或某些中湿路段上修筑沥青路面时， 由于在中湿和潮湿路基中的水分以液态或气 态形式上升至基层，被不透水的沥青面层所隔离，不能蒸发而积聚在邻近面层的基层内。除 此之外地面水的渗透和地下水的毛细水上升同样在基层内产生水分积聚。 如果基层材料仅以 土为结合料(如泥结碎石、级配砾石)，水稳性差，就会因湿度过大时变软、强度和刚度急剧 下降而导致路面开裂破坏，因此，沥青路面的基层应选用水稳定性好的材料，特别是在中湿 和潮湿路段更应如此。 潮湿路段，为了改善路基的温度和湿度状况，防止冻胀和翻浆的出现，保证路面良好的 使用品质，还必须设置垫层。垫层一般采用天然砂砾、粗砂、煤渣、矿渣等粒料以及水泥或 石灰，煤渣稳定粗粒土，石灰粉煤灰稳定粗粒土等。垫层厚度一般为 15~25cm 左右。在季 节性冰冻区有冻胀可能的中湿、潮湿路段，为丁防止产生导致路面开裂的不均匀冻胀，路面 总厚度不应小于《公路沥青路面设计规范》中表 5．2．5 的规定，道路冻深应按条款 5.2.4 的计算公式执行，如按强度计算的路面总厚度小于表列厚度规定时，应加厚垫层补足。 5．适当的层数和厚度 沥青路面通常为多层结构，为了便于施工，路面结构层的层数不宜过多。根据材料的最 大粒径并考虑有利于结构层应力分布， 有利于压实成稳定的结构层次等因素以及结合施工经 验； 《公路沥青路面设计规范》提出了各类结构层最小厚度如友 2-7-8 所示。为了保证路面 的使用质量， 该规范还根据理论分析与使用经验， 提出了沥青层最小总厚度如表 2-7-9 所示。 每一结构层适宜厚度的确定除了考虑上述两项规定外， 一般还要综合考虑下面二方面的 因素：(1)结构层的造价。出于路面各层造价不同，面层比较贵，而基层、垫层相对比较便 宜，因此面层厚度一般相对比较薄。在设计时可根据上述两表加以选择和控制，而下面各层 相对比较厚：(2)各结构层扩散应力的效果。根据理论分析，基层厚度为 15~25cm 时，增大 基层厚度对减小路表面弯沉和减小面层底面拉应力有明显作用： 当基层厚度大于 40cm 时． 在 增加基层厚度，作用已不明显。结合使用经验，基层厚度一般以 15~25cm 为宜；(3)压实机具的能力、一般来说，沥青面层一层的压实厚度最大为 6~8cm；基层一层的压实厚度为 15~20cm 左右，在有重型机具压实的条件下，可根据试验将压实厚度增加到 20~25cm 左右。 在安排各结构层厚度时，应尽量使其与压实机具所能达到的厚度相适应。第 9-6 节 新建路面的结构层厚度计算一、基本原则和有关规定 为了使多层次的沥青路面结构设计与计算更符合实际情况， 目前我国的沥青路面设计规 范采用多指标控制路面结构设计， 同时把路面的结构组合、 厚度计算和材料组成设计统筹考 虑，并采用多层弹性体系理论计算路面结构层厚度，对高速公路、一级公路、二级公路的沥 青混凝土面层和半刚性基层、底基层应进行拉应力验算。 严格地说， 沥青路面在力学性质上为非线性的弹―粘―塑性体。 考虑到行车荷载的瞬时 性，在路面结构中产生弹―粘―塑性的变形数量很小，对于厚度较大，强度较高的路面，将 其视为弹性体， 应用弹性层状体系理论进行分析计算是适合的。 弹性层状体系是由若干个弹 性层组成，上面各层具有一定的厚度，最下一层为弹性半空间体。用多层弹性体系理论进行 路面结构计算时应考虑各层间的接触条件。 层间的接触条件可能是连续的， 也可能是滑动的， 甚至介于两者之间。我国现行规范采用完全连续体系为层间接触条件。 二、路面厚度计算步骤 我国现行《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)对沥青路面厚度计算，仍根据多层弹性 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 等于设计弯沉值 Ld 的原则进行计算，力学图式如图 2-7-8，计算公式：Ls＝Ld。F――弯沉综合修正系数； ac――理论弯沉系数； E0 、En――土基回弹模量值，Mpa； E1 、E2 、En-1――各层材料回弹模量值，MPa； h1、h2、hn-1――各结构层厚度．cm。 计算步骤如下： 1．确定单车道累计当量袖次 Ne。 2．对选定的结构组合，拟定某一层位作为设计层层位。 在拟定的路面结构中，先拟定某一层作为设计层，拟定面层和其他各层的厚度。一般当 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 为底基层时，应拟定面层、底基层厚度，以半刚性基层为设计层；当采用柔性基层、底基层 的沥青路面时，宜拟定面层、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做上基层， 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， 按有关规程的规定实测材料设计参数，并论证地确定各层材料(沥青混合料在 15°C、20°C 时)的抗压回弹模量 E1 和劈裂强度σPS、抗拉强度结构系数 Ks、容许拉应力σR。 5．确定土基的回弹模量 Eo。 6．根据某车道累计轴次 Ne、设计弯沉值 Ld、各结构层的回弹模量 E1 与劈裂强度σPS、 土基回弹模量 E0、已知结构层的厚度 hi 等利用专用设计程序即可求得某一结构层的厚度。 三、路面结构层拉应力验算步骤 我国沥青路面设计除以设计弯沉作为设计控制指标外，对高速公路、一级公路、二级公 路还要验算沥青混凝土面层和整体性材料基层层底的拉应力。 要求结构层底面计算点的最大 弯拉应力不大于该结构层材料的容许拉应力，即：σm≤σR。对于结构层底面的最大拉应力 σm 的确定，仍由弹性层状体系理论计算求得。 1．层底拉应力计算图式 路面结构层底弯拉应力的计算仍然以多层弹性层状体系理论为基础， 层间接触条件为完 全连续体系，其计算图式如图 2-7-9 所示。2．层底弯拉应力计算公式 整体性材料层底拉应力值σm。采用最大拉应力的理论公式：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， 单回半径的二分之一点 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， 3．计算步骤 在即定的结构组合及已知各结构层厚度的前提下才可按下列步骤进行整体性结构层层 底拉应力的验算 (l)确定路面材料设计参数 确定各结构层的劈裂强度σPS、容许拉应力σR，路面设计弯沉值 Ld。 (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。 (3)确定当量轴次 当以设计弯沉值为指标及沥青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、 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―个车道上的累计当量轴 次。 (4)根据以上的计算参数利用专用设计程序即可完成层底拉应力验算。第 9-7 节 原有路面补强设计沥青路面在使用年限内其使用性能和承载力会不断降低， 当路面超过设计使用年限或轴 载增加便不能满足正常行车的要求，而需补强或改建。为了解路面现有结构状况和强度，据 以判断是否需要加强或预估剩余使用寿命，应对使用中的路面进行结构状况的调查与评定， 分析路面损坏原因及提出处理措施。 路面补强设计工作包括现有路面结构状况调查、 弯沉测 定以及补强厚度计算。 一、路面结构状况调查与评定 现有路面状况调查工作包括如下内容： 1．交通调查 对于当前的交通量和车型组成进行实地观测。通过调查分析预估交通增 长趋势，确定年平均增长率。 2．路基状况调查 调查沿线路基土质，填挖高度、地面排水情况、地下水位，以确定 路基土组和干湿类型。 3．路面状况调查 一般每隔 50m 挖一试坑，调查路面结构类型、组合和各层厚度，量 测路基和路面宽度。 详细调查路表状况及路拱大小。 调查路面的病害和破坏情况并分析产生 原因。 4．路面修建和养护历史调杏。 将上述调查结果填入图 2-7-10 的相应栏目中。
二、原有路面结构强度的评定 路表弯沉值反应了路基、路面抵抗变形的能力，为了较准确地反应路基、路面的整体强 度在对旧路路表弯沉测定之前，应将路基全线按以下原则分段： 1．将旧路全线分段，各段路基于湿类型和土质应相同，弯沉值相近； 2．每段的弯沉值测点不少于 20 点／车道； 3．各段的最小长度应与施工方法相适应，一般不小于 500rn，机械化施工不小于 1km。 水文、土质复杂或需要特殊处理的路段，可视实际情况确定。 原有路面强度是以路表实测弯沉值的计算弯沉值作为评定指标。 因为弯沉值大小同路面 面层类型、结构组合和厚度，路基土类型和状态，交通量和组成，路面使用期限以及路面温 度等有关，实测弯沉值之间存在着差异，为了利用测得的众多弯沉值评定―段路面强度，需 对所侧弯沉值进行统计加工，寻求有代表性的弯沉值，该值就是这一路段的计算弯沉值。其 计算公式为： l0=l0+ZaS (2-7-20) 式中：lo――测段内实测弯沉值的计算弯沉值，0.01mm； S――弯沉值的均方差，0.01mm；经补强后的路面必须保证在全年各个季节都具有良好的使用状况， 因而弯沉值测定应在 一年内的最不利季节进行，当无法在不利季节测定时，要乘以根据多年累积测定资料统计 分析得到的季节影响系数 K1，将测定值换算为不利季节的测定值。K1 查表 2-7-10 或查《公 路沥青路面设计规范》中表 14。 在原有砂石路面上加铺沥青层以后， 路基和基层中的水分蒸发较前困难， 致使路基和基 层中湿度增加，强度降低，弯沉增大。特别是在自然区划为 III、Ⅵ、Ⅶ区内(属于中湿、潮 湿地区)更容易发生这种情况。因此在原砂石路面测得的弯沉应乘以反映这种湿度变化导致 弯沉增大的湿度影响系数 K2， 其数值应根据本地区的使用经验确定。 2 查表 2-7-11 或查 K 《公 路沥青路面设计规范》中表 15。 当旧路为沥青路面时， 弯沉测定值还随原有沥青路面温度的变化而变化， 当原路面为厚 度大于 5cm 的沥青面层，或测定弯沉时的温度不是 20°C+2°C ，需要对所测的弯沉值进 行温度修正。其换算系数或弯沉温度修正系数 K3 为：
式中：h――沥青面层厚度，cm； T1――测定弯沉时沥青面层平均温度(°C)三、原有路面补强设计方法 当原路计算弯沉值 l。大于由标准轴载累计当量轴次计算而得到的设计弯沉值 ld，说明 现有路面强度不足， 需要通过修筑补强层来加强路面。 我国现行规范采用弹性层状体系理论 求解补强层厚度。其步骤为： 1．确定原有路面当量回弹模量 Et 为了直接使用弹性层状体系理论．需将原有路面整 体强度的代表值 l。按式(2-7-22)转化为当量回弹模量：式中：Et――原有路面的当量回弹模量，MPa；δ――标准轴载单轮传压面半径，cm； Lo――原路面的计算弯沉值，0.01mm； P――标准轴载车型轮胎接地压力，MPa； m 1――用标准轴载的汽车在原路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测 得的回弹变形值之比，即轮板对比值；应根据各地的对比试验结果论证地确定，在没有 对比试验资料的情况下，可取 m1＝1．1 进行计算。 m2――原路面当量回弹模量扩大系数。分以下两种情况：式中：Ei――第 i 层补强层材料的抗压回弹模量，MPa； hi――第 i 层补强的厚度，cm； n―1――补强层层数。 2．补强层厚度的计算 (1)计算模型及有关规定 首先按上述方法计算原有路面的当量回弹模量， 若补强单层时， 以双层弹性体系为设计 计算的力学模型，补强 n―1 层时以 n 层弹性体系为力学模型计算。 计算方法、 弯沉综合修正系数及补强层材料参数的确定与新建路面设计时的各项规定相 同。 (2)设计层的厚度采出弹性层状体系中的专用设计程序进行计算。
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