第三章路面弯沉计算.ppt

目的要求：通过该次课的学习，学生应重点掌握：柔性路面常见的损坏现象。熟悉柔性路面的设计指标。了解柔性路面常见的损坏产生的原因。重点、难点：本次授课的重点是：柔性路面常见的损坏现象。熟悉柔性路面的设计指标。本次授课的难点是：柔性路面的设计指标。,本次授课的目的、重点、难点,第三章 柔性路面,第一节 柔性路面常见的损坏现象一 裂缝：1 裂缝：是路面上较普遍的损坏现象，常表现为纵向裂缝、横向裂缝、纵横交错的龟裂等形态，有时还伴随其他损坏现象同时出现。,裂缝处理,2 裂缝产生的原因：,基层软弱。面层疲劳开裂面层材料过脆面层和基层的刚度相差悬殊半刚性基层的收缩裂缝反射到面层。低温收缩裂缝、沥青老化等。,二 沉陷：,是指路面出现局部下凹的现象。产生的原因：土基局部湿软，或路面强度不足或厚度过薄，传到土基的压力超过土基的承载力，产生过大的 垂直变形，导致路面沉陷。,三 车辙：,整个路段土基强度不足，路面沿纵向产生带状凹陷，形成车辙；在高温季节，沥青面层在车辆的重复作用下，积累的永久变形量较大，也易形成车辙。,四 推移,1 面层材料沿行车方向产生推挤和隆起，甚至形成波浪的现象称推移。原因：在行车荷载的作用下，路面出来产生剪切破坏。在交叉口、车站附近绘发生此类破坏。搓板：中级路面在纵向形成连续的，有规律的、波长和波峰大致相同的波浪现象称搓板。,五坑槽：,1 松散：面层粘结力不足，在行车荷载作用下，细料流失，粗料外露，进而失去联结而出现成片散开的现象称松散。2 坑槽：松散的材料散失形成坑槽。不即使养护将导致整个路面的破坏。,六 泛油：,1 泛油：高温季节沥青路面软化以至出现一层沥青的现象称泛油。2 危害：材料被粘在车轮上带走，形成坑槽，材料落下处形成油包。原因：沥青热稳定行不好，面层材料组配不当，如沥青用量偏高。,第二节 柔性路面的设计指标,一 柔性路面的设计指标一）弯沉指标：弯沉：指在规定的标准车作用下，路基或路面轮隙位置产生的总垂直变形(总弯沉)或垂直回弹变形值(回弹弯沉)，以0.0lmm为单位。控制方法 根据沥规要求，路面设计的控制方程应满足下式：,式中:l 双圆均布垂直荷载作用下表面轮隙中心(A点)处的实际弯沉（1/100mm）；lr路面设计弯沉值1/100mm)；,二）抗拉指标：,、分别为路面结构层底面的最大拉应力和最大拉应变。R、R路面结构层材料容许拉应力和容许拉应变。,三）抗剪指标：,a路面结构层内剪坏截面上的剪力。R路面结构层容许的剪应力。,目的要求：通过该次课的学习，学生应重点掌握：路面设计弯沉值的计算、设计年限内一个车道上的累计当量轴次数的计算、容许拉应力的概念及计算。熟悉新建路面的设计步骤、路面补强设计步骤。了解路面结构的分层和组合设计的步骤、柔性路面结构组合。重点、难点：本次授课的重点是：路面设计弯沉值的计算、设计年限内一个车道上的累计当量轴次数的计算、容许拉应力的概念及计算。新建路面的设计步骤、路面补强设计步骤。本次授课的难点是：累计当量轴次数的计算,本次授课的目的、重点、难点,二 设计弯沉值：,路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据。其值大小与累计轴次数、公路等级、面层类型和基层类型等因素有关。根据沥规规定，路面设计弯沉值l d(1/100mm)可按下式确定:,式中: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、乳化沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面为1.1沥青表面处治为1.2;中、低级路面为1.3;A b基层类型系数，对于半刚性基层、底基层总厚度大于等于20cm或面层下设置小于等于15cm级配碎石的半刚性基层结构为1.0;柔性基层、底基层或柔性基层厚度大于l5cm、底基层为半刚性下卧层可取1.6N e：设计年限内一个车道上的累计当量轴次数。,N e：设计年限内一个车道上的累计当量轴次数。,式中：t：设计年限。：车道系数，见表2-3-1N1：路面竣工后第一年双向的平均日当量轴次（次/日）Nt：设计年限末期平均日当量轴次（次/日）r：设计年限内交通量增长率（%）。标准轴载采用双轮单轴载100KN作为标准轴载，以BZZ-100表示。计算参数见下表。,标准轴载计算参数,1 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN的各级轴载Pi的作用次数ni，匀应按2-3-6式换算成标准轴载P的当量作用次数N。,式中：N标准轴载的当量轴次（次/日）ni被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）P标准轴载（KN）。Pi被换算车型的各级轴载（KN）C1，i轴数系数。C 2，i轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。当轴间距大于3米时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数C1=m（轴数）；当轴间距小于3米时，应按双轴或多轴计算，轴数系数按式C1=1+1.2（m-1）计算。,2 当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50KN的各级轴载Pi的作用次数ni，匀应按2-3-7式换算成标准轴载P的当量作用次数N。,当轴间距小于3米时，应按双轴或多轴计算，轴数系数按式C1=1+2（m-1）计算。,轴载计算示例,交通调查资料为2002年，设计年限的起算年为2005年，拟建一级公路，交通量年增长率为14%。,1 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN的各级轴载Pi的作用次数ni，匀应按2-3-6式换算成标准轴载P的当量作用次数N。,北京BJ130：因为前轴载=13.425，略去。,解放SP3101,黄河JNl63,尼桑CWA52,由于后轴距3，故 C1，i=1+1.2（m-1）=2.2,东风EQ140,因为前轴载=2325，略去。又由于后轴距3，故 C1，i=2,N总=0.72+29.18+239.42+282.79+74.94=627.05（次）,计算设计年限起算年2005年的轴载次数,从调查年2002至通车年2005，有3年。,计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次数,拟建一级公路，路面的设计年限为15年，车道系数，见表2-3-1,取=0.5。,该值可用来计算路面设计弯沉及沥青层底拉应力。,路面设计弯沉值,一级公路AC=1.0;AS：面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0:沥青表面处治为1.2;中、低级路面为1.3;A b基层类型系数，对于半刚性基层为1.0;N e：设计年限内一个车道上的累计当量轴次数=7433152.5。,2 当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50KN的各级轴载Pi的作用次数ni，匀应按2-3-7式换算成标准轴载P的当量作用次数N。,北京BJ130：因为前、后轴载均50，略去。,解放SP3101,解放SP3101：因为前轴载=2650，略去。,黄河JNl63,尼桑CWA52,由于后轴距3，故 C1，I，=1+2（m-1）=3,东风EQ140,因为前轴载=2350，略去。又由于后轴距3，故 C1，I，=2,N总=6.16+310.98+235.66+39.66=592.46（次）。,计算设计年限起算年2005年的轴载次数,从调查年2002至通车年2005，有3年。,计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次数,拟建一级公路，路面的设计年限为15年，车道系数，见表2-3-1,取=0.5。,该值可用来计算办刚性基层层底拉应力。,三 容许拉应力：R,路面结构层的容许拉应力，指路面结构在行车荷载重复作用下达到疲劳临界状态时的最大拉应力。对于沥青混凝土面层或半刚性材料结构层，在进行层底最大拉应力验算时，其容许拉应力值可按下式确定,式中sp：结构层材料的劈裂强度（MPa）。沥青混凝士面层取15度的劈裂强度;水泥稳定类材料取龄期90天的劈裂强度（MPa）。二灰稳定类、石灰稳定类材料取龄180天的劈裂强度（MPa）。KS：抗拉强度结构系数，它是反映材料疲劳强度性能的系数。对于沥青混凝土材料，其抗拉强度结构系数可按下式计算：,式中:Ag：细粒式、中粒式为1.0；粗粒式为1.1。对于无机结合料稳定类材料，其抗拉强度结构系数可按下式确定:,BS：无机结合料稳定类材料为0.35；无机结合料细料类材料0.45。,容许拉应力计算示例,对于沥青混凝土面层或半刚性材料结构层，在进行层底最大拉应力验算时，其容许拉应力值可按下式确定,KS：抗拉强度结构系数，它是反映材料疲劳强度性能的系数。,对于沥青混凝土材料，其抗拉强度结构系数可按下式计算：,式中:Ag：细粒式、中粒式为1.0；粗粒式为1.1。,沥青混凝土KS,粗粒式KS,细粒式、中粒式KS,提醒大家注意使用的轴载数值。,沥青混凝土的容许拉应力计算,查342页表2-3-9，得到各种沥青混凝土的劈裂强度分别是细粒式为1.4、中粒式为1.0；粗粒式为0.8，带入公式计算其容许拉应力。,半刚性基层KS,对于无机结合料稳定类材料，其抗拉强度结构系数可按下式确定:,BS：无机结合料稳定类材料为0.35；无机结合料细料类材料0.45。,提醒大家注意轴载与沥青混凝土不同。,半刚性基层的容许拉应力计算,查342页表2-3-9，得到各种半刚性基层的劈裂强度分别是二灰碎石为0.7、二灰土0.3；带入公式计算其容许拉应力。,沥青路面的剪应力及抗滑指标,四 容许剪应力：城市道路中还应演算剪应力，见城市道路设计规范。五 沥青路面抗滑指标：见表2-3-4。,二 路面结构的分层和组合设计的步骤：,根据道路等级确定路面等级。根据交通量选择路面结构类型。根据当地的自然条件和路基的干湿类型，确定土基是否要处理及处理的方法。选择结构层类型和材料组成。按应力分布规律和结构层性能的需要，安排结构层的组合。,三 柔性路面结构组合示例,三 柔性路面结构组合示例：见表2-3-7。,第四节 新建柔性路面的厚度确定,一 计算图示：见图2-3-21 国内外采用理论法进行路面设计，都是以层状弹性体系作为理论基础。2 沥规采用双圆均布垂直荷载作用下多层弹性连续体系理论。二 路表面的弯沉计算：见341页式2-3-12、13。三 结构层层底拉应力：见344页式2-3-14。四 防冻厚度的验算：见344页式2-3-15。,五 新建路面的设计步骤,1 根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型、设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值。2 按路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段(在一般情况下路段长度不应小于500米)确定各路段土基弹性模量。3 可参考推荐结构，拟订几种可能的路面组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比实验及测定各材料的抗压会弹模量、抗拉强度，确定各结构材料设计参数。4根据设计弯沉值计算路面厚度。对高速公路、一级公路、二级公路还应验算其层底拉应力。上述计算应采用多层弹性体系理论编制的专用设计程序进行。对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，尚应验算防冻厚度是否符合要求。5 进行技术经济比较，确定采用的路面结构方案。,例,甲乙两地之间计划修建一条四车道的一级公路，在使用期内交通量的年平均增长率为10%。该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为1.00，沿途有大量碎石集料，并有石灰供给。预测该路竣工后第一年的交通组成如下表所示，试进行路面结构设计。,交通组成表,解：,1)轴载分析路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载。(1)以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次轴载换算轴载换算采用如下的计算公式:,轴载换算,轴载换算采用如下的计算公式:,轴载换算结果（弯沉）,累计当量轴次,根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年限取15年，四车道的车道系数是0.4-0.5，取0.45。,(2)验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次,轴载换算验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为:,计算结果如下表,轴载换算结果表(半刚性基层层底拉应力),累计当量轴次,2)结构组合与材料选取,计算得设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为1000万次左右。根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构面层采用沥青混凝土(15cm)，基层采用水泥稳定碎石(取25cm)，底基层采用石灰土(厚度待定)。,规范规定高速公路、一级公路的面层由二层至三层组成。查规范中的第四节沥青路面的4.2高级路面中的表4.2.1“沥青混合料类型的选择(方孔筛)”，采用三层式沥青面层，表面层采用抗滑表层(厚度4cm)，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土(厚度5cm)，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土(厚度6cm)。,3)各层材料的抗压模量与劈裂强度,查表得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取20的模量，各值均取规范给定范围的中值，因此得到20的抗压模量:细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa，水泥碎石为1500 MPa，石灰土55O MPa。各层材料的劈裂强度:细粒式密级配沥青混凝土为1.4 MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1.0MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为0.8MPa，水泥稳定碎石为0.5 MPa，石灰土0.225 MPa。,4)土基回弹模量的确定,该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为1.00，查表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值(MPa)”查得土基回弹模量为40MPa。，提高15%，设计值为401.15=46 Mpa.,5)设计指标的确定,对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。(1)设计弯沉值路面设计弯沉值根据公式（16.6.3）计算。该公路为一级公路，公路等级系数取1.0，面层是沥青混凝土，面层类型系数取1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数取1.0。,设计弯沉值为:,(2)各层材料的容许层底拉应力,细粒式密级配沥青混凝土,R=sp/ks,ks=0.09AaNe0.22/Ac=0.091.09414409 0.22/1.0=3.07R=sp/ks=1.4/3.07=0.4560MPa,中粒式密级配沥青混凝土,ks=0.09AaNe0.22/Ac=0.091.09414409 0.22/1.0=3.07R=sp/ks=1.0/3.07=0.3257MPa粗粒式密级配沥青混凝土；ks=0.09AaNe0.22/Ac=0.091.19414409 0.22/1.0=3.38R=sp/ks=0.8/3.38=0.2367MPa,水泥碎石:ks=0.35Ne0.11/Ac=0.359414409 0.11/1.0=2.05R=sp/ks=0.5/2.05=0.2439MPa石灰土:ks=0.45Ne0.11/Ac=0.459414409 0.11/1.0=2.63R=sp/ks=0.225/2.63=0.0856MPa,6)设计资料总结,设计弯沉值为23.4(0.Olmm)，相关设计资料汇总如下表：,相关设计资料汇总表,7)确定石灰土层厚度,通过计算机设计计算得到，石灰土的厚度为24.5cm。实际路面结构的路表实测弯沉值为23.19(0.O1mm)23.4（0.O1mm）。沥青面层的层底均受压应力，水泥碎石层底的最大拉应力为0.1223MPa0.2439 MPa，石灰土层底最大拉应为0.075 MPa0.0856 MPa。上述设计结果满足设计要求。,第五节 路面补强设计,柔性路面随着使用时间的延续，其使用性能和承载能力不断降低，超过设计使用年限后便不能满足正常行车交通的要求，而需补强或改建。路面补强设计工作包括现有路面结构状况调查、弯沉评定以及补强厚度计算。一 原路面当量回弹模量：见347页式2-3-16、17、18。,二 原路面计算弯沉值l0的确定：1 原有路面代表弯沉值的确定：2 测定季节对弯沉的影响加铺沥青层对原有砂石路面弯沉的影响。温度对弯沉的影响测定轴载对弯沉的影响。确定计算弯沉,三 路面补强设计步骤,1 对原有公路进行技术调查，掌握设计资料;2 按设计任务书的要求或调查交通量的有关资料，确定公路等级、面层与基层类型，计算设计弯沉值与各补强层的容许拉应力;3 按土基干湿类型和土质，以及路段弯沉值比较接近的因素对全线进行分段，确定各路段原路面的计算弯沉和当量回弹模量。4 拟定几种可能的结构组合与设计层，并确定各补强层的材料参数;5 根据补强的设计方法计算设计层厚度。对季节性冰冻地区的潮湿、过湿路段还应验算防冻厚度;6 根据各方案的计算结果，进行技术经济比较，确定采用的补强方案。补强厚度计算时，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。,作业,1 柔性路面常见的损坏现象有哪些？2 容许拉应力的定义及计算公式是什么？3 轴载的换算公式是什么？4 弯沉的定义和设计弯沉的计算公式分别是什么？5 新建沥青路面的设计步骤是什么？,