《道路工程》第八1章.docx

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《道路工程》第八1章

第8章沥青路面结构设计

主要内容：

1路面概括

2路面材料类型

3沥青路面损坏模式和设计标准

4弹性层状体系应力、位移计算

5路面结构层次的组合

6新建路面结构设计

7旧路改造设计

学习要求：

1熟悉路面材料及路面结构类型

2了解沥青路面损坏模式和设计指标

3掌握弹性层状体系理论、实用位移应力计算方法

4熟悉沥青结构组合设计及我国沥青路面设计规范、理论体系、设计方法

5会新建路和旧路路面结构设计计算

8.1路面概况

8.1.1路面的要求

路面在规定的使用年限内，保证汽车按道路的设计时速安全、经济的运行（行车速度、安全性、舒适性、运费、使用年限）。

1）有足够的强度和刚度

路面强度高能适应轮载的要求；路面刚度大，在轮载作用下变形小。

2）稳定性好

路面稳定性指水、温度稳定性，要求路面在有水和高低温度条件下性能稳定。

3）表面平整度高

不同等级的道路平整度要求不一样，公路等级愈高，平整度也愈高。

如高速公路、一级公路平整度标准偏差（平整度仪测定）=1.2~1.5mm，其他等级公路=2.5mm，3m尺测定最大间隙h=5mm。

4）表面抗滑性好

路面设计选用摩擦系数大且耐磨的材料，如高速公路表面层集料采用磨光值高的玄武岩，沥青采用改性沥青SBS（A、B、C、D四级），开级配抗滑面层OGFC，SMA路面等。

施工时采用压槽、拉毛等方法使路面有足够的摩擦系数。

5）耐久性

路面的耐久性指路面在设计使用年限内使用性能稳定，设计选用疲劳强度高、抗老化的材料。

8.1.2路面的几何参数及结构层次

1）路面横断面

路面的横断面有槽式横断面和全铺式横断面，前者适合高等级公路路面,后者适合于中低级公路路面，见图8-1。

2）路面几何尺寸

路面几何尺寸：

路面宽度、厚度、路拱坡度。

（1）路面宽度:

由道路等级确定。

（2）路面厚度:

由道路结构所使用的材料、气温、道路等级等因素决定。

（3）路拱：

由路面材料和排水要求决定，路拱分直线形、折线形、抛物线形，见图8-2。

直线形路拱中间插一段圆曲线，曲线长L=B/33m，圆曲线半径R>50m。

直线形路拱适合于高等级路面小坡度路拱。

抛物线形路拱分为二次抛物线、改进二次抛物线和改进三次抛物线。

抛物线形路拱外形美观，排水好，但施工较困难。

图8-1路面横断面

a）-槽式横断面b）-全铺式横断面

1-路面；2-土路肩；3-路基；4-路缘石；5-加固路肩

图8-2道路路拱形式

a）-直线形路拱b）-抛物线形路拱

（4）路拱横坡度

沥青混凝土、水泥混凝土路面为：

1-2%；

沥青类路面为：

1.5-2.5%；

碎石路面为：

2.5-3.5%；

低级路面为：

3-4%。

3）路面结构层次

按路面结构的作用和位置分：

面层：

直接承受行车荷载和水温影响，要求面层强度高、水温稳定性好。

沥青混凝土面层可分2~3层，上层通常为沥青混凝土，下层为沥青混凝土或沥青碎石。

上层要求平整密实，下层要求强度大。

基层顶面之上的联接防水层也算面层。

水泥混凝土面层通常为一层素混凝土。

基层：

直接承受垂直轮载并将其传到路基或垫层上，要求基层有足够的强度和刚度。

基层常用的材料有结合料稳定土、工业废渣混和料、砂石混和料、块石等。

垫层：

垫层起隔水、排水、防水作用，要求垫层透水性好或隔水性好、隔热性好。

垫层材料常用砂砾、炉渣、石灰土等。

8.1.3路面分级与分类

1）路面分级

按面层材料的使用品质、组成类型、结构强度和稳定性将面层分为4个等级：

高级路面

沥青混凝土路面、水泥混凝土路面、沥青碎石路面均为高级路面，高级路面适应大交通量、高行车速度要求，用于高速公路、一、二级公路、城市道路快速路、主干路。

次高级路面

沥青贯入式路面、沥青上拌下贯入式路面、沥青表面处治等为次高级路面，次高级路面适应交通量较大、行车速度较高条件，用于二、三级公路、城市道路次干路、支路。

中级路面

泥结碎石、级配碎石路面，中级路面适应中等交通量，用于三级、四级公路。

低级路面

改善土路面，用于四级公路。

一般情况下路面等级和公路等级相适应，但目前一些等级低的道路采用高等级路面。

如徐州一些改造的二级、三级公路采用高级路面。

2）路面分类

按路面使用材料类型分：

柔性路面

行车荷载作用下路面变形较大的沥青类路面属于柔性路面，柔性路面有一套完备的设计理论和计算方法。

刚性路面

行车荷载作用下路面变形较小的水泥混凝土路面及水泥混凝土作基层的路面属于刚性路面，水泥混凝土路面也有一套完备的设计理论和计算方法。

复合路面

复合路面性能介于柔性路面和刚性路面之间。

8.1.4路面发展概况

60年代之前，我国沥青产量很小，沥青路面也很少。

60年代以后随着我国石油工业的发展，沥青产量增加，质量提高，我国沥青路面发展很快，到1992年我国沥青路面达到30万km。

90年代是我国高等级公路进入大发展时代，特别是国家“5纵7横”高速公路主干网建设，目前我国公路通车里程190万km，高速公路4万km，高等级公路占10%。

由于沥青路面具有平整、抗滑、无接缝，适合于高速行车要求，沥青混凝土路面是高速公路路面主要类型。

但国产沥青含蜡量高，延伸度差，使用寿命短，不能满足高速公路的要求，现需要大量进口优质沥青用于高速公路铺筑。

提高我国沥青质量改善其性能是目前需要解决的问题。

目前我国东南沿海一些地区的高速公路采用性能更好的沥青玛蹄脂路面（SMA）和改性沥青路面（SBS）。

水泥混凝土路面承载能力大，寿命长。

60年代之前，由于我国水泥产量低，水泥价格高，水泥混凝土路面使用很少，到70年代仅有200km。

近年来，随着水泥产量和品种增加，越来越多的公路、城市道路、机场跑道采用水泥混凝土路面。

1990年公路水泥混凝土路面达到1.1万km。

徐州市县级公路很多采用水泥混凝土路面。

碾压混凝土路面和钢纤维混凝土路面的研究和应用也得到发展。

我国路面设计、施工已形成完备的体系。

柔性路面采用多层弹性层状理论体系为基础，以路面弯沉为控制指标，以层底弯拉应力和上层剪切应力验算设计方法。

刚性路面采用半无限地基上弹性薄板理论为基础，以混凝土疲劳损坏为控制指标，采用位移有限元法电算设计方法。

形成具有我国特色的公路和城市道路设计规范，并且不断地试验研究和完善。

我国路面施工机械发展迅速，通过引进国外先进技术，我国能制造摊铺机、压路机及各种拌和运输设备，基本能满足我国高等级公路的需要。

随着交通事业的发展，更可靠的设计理论需要进一步研究，如：

重交通荷载下沥青路面的耐久性，水泥混凝土路面修复技术，水泥、沥青材料改性研究等。

8.2路面材料及结构类型

8.2.1垫层

1）垫层材料

（1）级配砂砾：

采用天然级配砂砾，砾石最大粒径D1/2结构层厚度，通过0.075mm筛孔颗粒含量5%。

（2）石灰土：

5%~8%低剂量石灰土。

2）垫层厚度

垫层厚度通常为150~200mm，重冰冻地区潮湿、过湿路段为300~400mm。

8.2.2基层

8.2.2.1半刚性基层

1）稳定土类基层

土体稳定方法：

压实、加粒料、加结合料等。

道路常用稳定土类基层由石灰、水泥作为结合料的稳定土，包括：

石灰稳定土、水泥稳定土、石灰水泥综合稳定土三大类。

稳定土特点：

强度高，变形小，半刚性；

稳定性好、抗冻性好；

易收缩开裂（温度收缩、干缩）。

适用条件：

轻交通道路的基层和重、中交通道路底基层。

（1）石灰土稳定类

组成：

粘土+石灰+水

粘土

选用塑性指数IP=12~20的粘土。

高液限粘土施工难以粉碎拌和均匀，低液限粘土施工拌和容易但难以碾压成型，塑性指数IP=12~20的粘土施工拌和和碾压成型都容易。

石灰

采用

级以上生石灰粉或消石灰粉，一般采用

级石灰，石灰含量为8%~16%。

采用消石灰粉时要求消解充分并过1cm筛。

含水量

石灰化学反应需要水，碾压成型也需要水，含水量大小影响碾压成型压实度的大小，不同的土与石灰混合有不同的最佳含水量，施工时采用击实试验确定。

压实度与强度标准：

见表8-1。

表8-1石灰稳定类结构层压实度与强度标准

层位

类别

重、中交通

轻交通

压实度（%）

抗压强度（MPa）

劈裂强度（MPa）

压实度（%）

抗压强度（MPa）

劈裂强度（MPa）

基层

集料

—

—

—

97

0.8

0.2~0.25

细粒土

—

95

底基层

集料

97

0.8

0.2~0.25

96

0.7

0.2~0.25

细粒土

95

95

表中抗压强度为7天无侧限抗压强度，要求养生6天，浸水24小时无侧限抗压强度值，作为施工强度；劈裂强度为180天龄期劈裂强度，作为设计强度。

采用石灰土结构层应注意事项：

具有干缩和温度收缩特性；

不适合做高等级道路的基层；

不适合做过湿路段的底基层。

防止石灰土缩裂技术措施：

控制石灰土含水量，压实石灰土含水量不大于最佳含水量；

严格控制压实度，达到规定压实度要求；

防晒、尽快铺设面层；

设置联结层和隔离层。

强度试验：

试验目的

a确定满足规范强度要求的施工配合比；

b确定施工最大干密度和最佳含水量。

试验仪器

路面材料强度试验仪、压力机、脱模机、养护箱、小试模（50h50）。

图8-3小试模（50h50）

试验步骤

第一步：

击实试验确定不同比例石灰土的最大干密度和最佳含水量。

按表2-2比例准备石灰土试样，加水闷料后进行击实试验（无机结合料稳定土击实试验T0804-94）。

通过击实试验得到每个比例石灰土的最大干密度和最佳含水量，见表8-2。

表8-2石灰土击实试验结果

石灰土比例（%）

8

10

12

14

16

最大干密度dmi

（g/cm3）

dm1

dm2

dm3

dm4

dm5

最佳含水量W0i

（%）

W01

W02

W03

W04

W05

第二步：

制备试样、养生。

按击实试验得到的最大干密度dmi和最佳含水量W0i制备试样。

试样体积V：

V=R2h（8-1）

式中R—试样半径，R=2.5cm；

h—试样高度，h=5cm。

V=2.525=98.2cm3；

每个试样重量G：

G=Vdmi（1+W0i）K（8-1）

式中dmi—试样最大干密度，g/cm3；

W0i—试样最佳含水量，%；

K—试样压实度，%。

a按G=Vdmi（1+W0i）K称量，装入试模中，加上压头用压力机将压头压入试模中，压头顶面与试模顶面齐平；

b用脱模机将试样从试模中脱出；

c将试样放入养护箱中进行保湿养生，养生温度南方为252c，北方为202c。

d每个比例试样的最少个数：

表8-3试样的最少个数

偏差系数

<10%

10%~20%

试样个数

6

9

第三步：

试压、试验结果数据处理。

将养生后的试样放在路面材料强度试验仪上按要求加压直到试样破坏，得到每一个试样的强度Rci：

Rci=Pi/A=0.00051Pi（8-3）

式中Rci—试样强度，Mpa；

Pi—试样破坏时的压力，N；

A—试样截面积，A=19.63cm2。

每个比例试样强度代表值Rci0.95：

Rci0.95=Rci-ZSi（8-4）

式中Rci0.95—试样强度代表值，Mpa；

Rci—试样强度平均值，Mpa；

Si—试样强度标准差，Mpa；

Z—正态分布随保证率而变的系数，保证率为95%，Z=1.645。

依据计算结果绘制强度曲线，从强度曲线上找出满足规范要求的比例和强度值。

试验结果

填写试验报告，给出石灰土比例、强度代表值、最大干密度、最佳含水量。

（2）水泥稳定类

组成：

土（砂性土、粉性土、粘性土、级配砂砾、碎石）+水泥（5%~10%）+水

土

选用塑性指数IP<12的土、最好砂性土和级配碎石（砾石）。

采用级配碎石（砾石）基层强度高、水泥用量少。

水泥

采用普通硅酸盐水泥，常用32.5和42.5水泥，水泥最小剂量土为5%、砂砾为4%。

含水量

保证水泥水化和基层压实，要求在最佳含水量条件下进行压实，施工时最佳含水量通过击实试验和水泥水化试验获得。

压实度与强度标准：

见表8-4。

表8-4水泥稳定类结构层压实度与强度标准

层位

类别

特重交通

重、中交通

轻交通

压实度（%）

抗压强度（MPa）

劈裂强度（MPa）

压实度（%）

抗压强度（MPa）

劈裂强度（MPa）

压实度（%）

抗压强度（MPa）

劈裂强度（MPa）

基层

集料

98

3.5~4.5

0.4~0.6

98

3.0~4.0

0.4~0.6

97

2.5~3.0

0.4~0.6

细粒土

—

—

—

—

96

底基层

集料

97

2.5

0.4~0.6

97

2.0

0.4~0.6

96

1.5

0.4~0.6

细粒土

96

96

95

表中抗压强度为7天无侧限抗压强度，要求养生6天，浸水24小时无侧限抗压强度值，作为施工强度；劈裂强度为90天龄期劈裂强度，作为设计强度。

水泥土结构层特点和使用注意事项：

水泥稳定土特别是水泥稳定砂砾具有强度高、稳定性好、抗水耐冻、缩裂小等特性，常用于高等级公路的基层；

碾压要及时，要求从加水拌和到碾压结束时间不超过4~6小时。

强度试验：

水泥稳定土强度试验与石灰稳定土强度试验基本相同，注意要把水泥水化需要水量加上。

（3）综合稳定土基层

组成：

土+水泥+石灰+水

土、水泥、石灰等材料的技术要求与石灰稳定土和水泥稳定土要求相同。

水泥：

石灰（重量）=6：

4~5：

5

特点：

具有石灰稳定土与水泥稳定土两者特点，强度有所提高，抗裂性改善，早强。

2）石灰（水泥）粉煤灰稳定类

由结合料石灰（水泥）和工业废渣粉煤灰组成。

特点：

强度高；

稳定性好：

抗冻、裂。

适用条件：

高等级公路的基层或底基层。

压实度与强度标准：

见表8-5。

表8-5石灰（水泥）粉煤灰稳定结构层压实度与强度标准

层位

类别

特重、重、中交通

轻交通

压实度（%）

抗压强度（MPa）

劈裂强度（MPa）

压实度（%）

抗压强度（MPa）

劈裂强度（MPa）

基层

集料

98

0.8

0.4~0.8

97

0.6

0.4~0.8

细粒土

—

—

—

96

0.2~0.3

底基层

集料

97

0.6

0.2~0.25

96

0.5

0.4~0.8

细粒土

96

95

0.2~0.3

石灰粉煤灰类基层

组成：

石灰+粉煤灰+（土、碎石）+水。

二灰—石灰+粉煤灰

石灰：

粉煤灰（重量比）=1：

2~1：

4；

二灰土—石灰+粉煤灰+土

石灰：

粉煤灰（重量比）=1：

2~1：

4，（石灰+粉煤灰）：

土（重量比）=30：

70~70：

30；

二灰结石—石灰+粉煤灰+碎石

石灰：

粉煤灰（重量比）=1：

2~1：

4，（石灰+粉煤灰）：

级配碎石（重量比）=20：

80~15：

85。

特点：

二灰土强度较石灰土高、抗缩裂性较石灰土强；

二灰结石具有强度高，抗干缩和湿缩能力强，适合于做高等级公路的基层和底基层。

强度试验：

二灰土强度试验

试验目的

a确定满足规范强度要求的施工配合比；

b确定施工最大干密度和最佳含水量。

试验仪器

路面材料强度试验仪、压力机、脱模机、养护箱、小试模（50h50）。

试验步骤

第一步：

击实试验确定不同比例（石灰：

粉煤灰）最大干密度dmi和最佳含水量W0i。

按表8-6比例准备（石灰：

粉煤灰）试样，加水闷料后进行击实试验（无机结合料稳定土击实试验T0804-94）。

通过击实试验得到每个比例（石灰：

粉煤灰）的最大干密度和最佳含水量，见表8-6。

第二步：

制备试样、养生。

按击实试验得到的最大干密度dmi和最佳含水量W0i制备试样。

试样与石灰土试样相同。

表8-6（石灰：

粉煤灰）击实试验结果

石灰：

粉煤灰（重量比）

1：

2

1：

2.5

1：

3.0

1：

3.5

1：

4

最大干密度dmi

（g/cm3）

dm1

dm2

dm3

dm4

dm5

最佳含水量W0i

（%）

W01

W02

W03

W04

W05

试样体积V：

V=R2h（8-5）

式中R—试样半径，R=2.5cm；

h—试样高度，h=5cm。

V=2.525=98.2cm3；

每个试样重量G：

G=Vdmi（1+W0i）K（8-6）

式中dmi—试样最大干密度，g/cm3；

W0i—试样最佳含水量，%；

K—试样压实度，%。

a按G=Vdmi（1+W0i）K称量，装入试模中，加上压头用压力机将压头压入试模中，压头顶面与试模顶面齐平；

b用脱模机将试样从试模中脱出；

c将试样放入养护箱中进行保湿养生，养生温度南方为252c，北方为202c。

d每个比例试样的最少个数：

表8-7试样的最少个数

偏差系数

<10%

10%~20%

试样个数

6

9

第三步：

试压、试验结果数据处理。

将养生后的试样放在路面材料强度试验仪上按要求加压直到试样破坏，得到每一个试样的强度Rci：

Rci=Pi/A=0.00051Pi（8-7）

式中Rci—试样强度，Mpa；

Pi—试样破坏时的压力，N；

A—试样截面积，A=19.63cm2。

每个比例试样强度代表值Rci0.95：

Rci0.95=Rci-ZSi（8-8）

式中Rci0.95—试样强度代表值，Mpa；

Rci—试样强度平均值，Mpa；

Si—试样强度标准差，Mpa；

Z—正态分布随保证率而变的系数，保证率为95%，Z=1.645。

依据计算结果绘制强度曲线，从强度曲线上找出强度最高比例和强度值。

第四步：

击实试验击实试验确定不同比例（石灰+粉煤灰）：

土的最大干密度dmi和最佳含水量W0i。

按表8-8比例准备（石灰+粉煤灰）：

土试样，加水闷料后进行击实试验（无机结合料稳定土击实试验T0804-94）。

通过击实试验得到每个比例（石灰+粉煤灰）：

土的最大干密度和最佳含水量，见表8-8。

表8-8（石灰+粉煤灰）：

土击实试验结果

（石灰+粉煤灰）：

土（重量比）

30：

70

40：

60

50：

50

60：

40

70：

30

最大干密度dmi

（g/cm3）

dm1

dm2

dm3

dm4

dm5

最佳含水量W0i

（%）

W01

W02

W03

W04

W05

第五步：

按表见表8-8结果，重复第二步和第三步，得到5个不同比例的强度代表值，然后绘制不同比例试样的强度曲线，从曲线上找到强度满足规范要求的试样比例。

试验结果

填写试验报告，给出二灰土比例、强度代表值、最大干密度、最佳含水量。

二灰结石强度试验

试验方法与步骤与二灰土基本相同，只是试模改用中试模（100h100）大试模（150h150）。

图8-4-1中试模（100h100）

图8-4-2中试模（150h150）

8.2.2.2柔性基层

柔性基层主要包括：

热拌沥青碎石、贯入式沥青碎石、级配碎石（砂砾）和填隙碎石。

柔性基层靠抗压强度和抗剪强度工作。

1）特点

（1）强度高，刚度小；

（2）稳定性好。

2）适用条件

（1）沥青碎石适用中等交通以上道路的基层、底基层；

（2）级配碎石适用各级道路的基层、底基层；

（3）级配砾石、天然砂砾用作轻交通的二级及以下公路的基层和各级公路的底基层；

（4）填隙碎石适用于三、四级公路的基层和各级公路的底基层。

3）组成与技术指标

（1）沥青碎石

沥青碎石混合料级配类型：

密级配、半开级配和开级配。

沥青碎石混合料特性：

密级配沥青碎石混合料承载能力高；

半开级配沥青碎石混合料具有承重、减缓反射裂缝和一定排水能力；

开级配沥青碎石混合料排水能力强，适用于排水基层。

基层用沥青碎石最大公称粒径26.5mm。

（2）级配碎石、级配砾石和天然砂砾

级配碎石由几种不同粒径碎石和石屑掺配拌和而成，结构类型分为骨架密实型与连续级配型，技术指标见表8-9。

表8-9级配碎石、级配砾石和天然砂砾技术指标

层位

类别

压实度（%）

强度CBR（%）

基层

级配碎石

98

100

级配砾石、天然砂砾

98

80

底基层

级配碎石

96

80

级配砾石、天然砂砾

96

40~60

8.2.2.3刚性基层

刚性基层通常用贫水泥混凝土或掺入粉煤灰的贫水泥混凝土。

厚度通常为200~280mm，最小厚度为150mm。

1）特点

（1）强度高，刚度大，抗变形能力强；

（2）稳定性好。

2）适用条件

（1）重交通、特重交通公路；

（2）运煤、矿石和建筑材料的公路。

3）组成与技术指标

贫水泥混凝土水泥剂量由28d龄期抗弯拉强度确定，宜为8%~12%。

掺入粉煤灰的贫水泥混凝土粉煤灰掺入量为水泥质量20%~40%。

贫水泥混凝土技术指标见表8-10。

表8-10贫水泥混凝土基层的强度要求

试验项目

特重、重交通

中交通

28d龄期抗弯拉强度

2.5~3.5

2.0~3.0

28d龄期抗压强度

12~20

9~16

7d龄期抗压强度

9~15

7~12

表中7d龄期抗压强度为施工强度，28d龄期抗弯拉强度为设计强度。

贫水泥混凝土基层应设置纵缝、横缝，并灌入填缝料。

8.2.3沥青面层

1）材料及技术要求

（1）沥青

根据面层的类型、交通量、气候、施工方法选择沥青的牌号（石油沥青——A、AH，煤沥青——T）。

交通量>500辆/天为重交通荷载应选用重交通荷载沥青AH型，高速公路和一级公路也要选用重交通荷载沥青AH型，其他公路可以选用普通沥青A型。

（2）矿料

矿料包括碎石、砾石、石屑、砂和矿粉。

它是沥青面层的骨架，承受行车荷载和车轮的磨耗主要靠矿料。

它是粗集料、细集料和矿粉的总称。

粗集料—粒径为2.36、4.75、9.5、13.2、16、19、26.5、31.5mm。

细集料—粒径为0.075~2.36mm。

矿粉—粒径<0.075mm。

碎石（粒径>2.36mm）

有足够的强度和耐磨性，压碎值25%~28%；

含泥量<1%，含水量<3%；

粘结力3级，高级路面4级。

采用水煮法试验，碱性石料粘结力大，酸性石料粘结力小，采用加入抗剥离剂方法提高石料与沥青的粘结力。

砂和石屑

砂（粒径<2.36mm）：

天然河砂、山砂、海砂均可；

石屑（粒径<4.75mm）。

砂和石屑要求级配，含泥量<3%~5%。

矿粉（填料，粒径<0.075mm）

由石灰石、白云石磨细的石粉。

要求粒径<0.075mm成分占70%、含水量<1%。

2）面层类型

分类：

沥青表面处治、沥青贯入式、沥青上拌下贯式、热拌沥青混凝土。

选择依据：

道路等级、交通量、使用年限、气候等。

（1）沥青表面处治路面

铺筑厚度不大于3cm的一种薄层路面结构