公路沥青路面设计方法

按照1997年颁布的《公路柔性路面设计规范》，公路沥青路面设计方法是以双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论为基础，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标，计算路面结构厚度。对于高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和半刚性基层还要进行层底拉应力的验算。

（一）设计任务与设计程序

柔性路面的设计任务是提供一种适应环境并能承受预期的交通荷载的路面结构。由于路面的结构特性会随环境因素和交通荷载的重复作用而逐渐变坏，因此路面设计的具体任务就是控制或限制其结构特性在预定的设计年限内不恶化到某一规定的程度。

图8-26为具体的柔性路面设计程序流程图。

（二）破坏状态与设计标准

沥青路面随环境因素和交通荷载的重复作用而逐渐变坏，由于引起柔性路面结构破坏的原因及柔性路面结构类型和组成多种多样，所以导致柔性路面的破坏状态也多种多样，下面是柔性路面的几种结构破坏状态和设计标准。

1.沉陷

沉陷是路面在车轮作用下其表面产生的较大的凹陷变形，有时凹陷两侧拌有隆起现象出现。为控制路面的沉陷，选用路基土的垂直应力作为设计标准，即σZ0≤［σZ0］。式中σZ0为路基表面由车轮荷载作用产生的垂直应力，可用弹性层状体系理论求得，［σZ0］为路基土的容许垂直压应力。

2.车辙

车辙路面结构层及土基在行车重复荷载作用下，以及由于结构层中材料的侧向位移产生的累积永久变形。这种变形出现在行车轮带处，即形成路面的纵向带状凹陷。路面的车辙同荷载应力大小、重复作用次数以及结构层和土基的性质有关。通常用路基的残余变形总和或路基表面的垂直变形来作为设计标准。即Lre≤［Lre］，或εE0≤［εE0］。式中Lre为路面的计算总残余变形，［Lre］为容许总残余变形。εE0为路基表面的垂直应变，［εE0］为路基表面容许垂直应变。

图8-26　柔性路面设计程序流程图

3.疲劳开裂

路面在正常使用情况下，由行车荷载的多次反复作用引起的。为延长路面的使用寿命，通常用结构层底面的拉应力或拉应变不超过相应的容许值控制设计。即σr≤［σR］，或εr≤［εR］。式中σr和εr分别为按弹性层状理论计算的结构层底面的最大拉应变和拉应力，［σR］和［εR］分别为结构层的容许拉应变和拉应力。

4.推移

当沥青路面受到较大的车轮水平荷载作用时，路面表面常常出现推移和拥起。为防止沥青面层产生推移和拥起，可用面层抗剪强度标准控制设计。即τmax≤τR。τmax面层中的最大剪应力，τR为材料的容许剪应力。

5.低温缩裂

路面的整体性结构层在低温（通常为负温度）时由于材料收缩受限制而产生较大的拉应力，当它超过材料相应条件下的抗拉强度时便产生开裂。通常以材料因收缩受约束而产生的温度应力σrt，不大于该温度时，材料的容许拉应力σTr作为设计标准。即σrt≤σTr。

6.容许弯沉标准

柔性路面的容许弯沉不仅能反映路面各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，因此可以用容许弯沉值来计算路面厚度，即Ls≤LR。Ls为路面表面实测回弹弯沉值，LR为容许回弹弯沉值。

可见，对柔性路面设计应针对不同的破坏状态采用不同的设计标准，但考虑到选择主要因素和综合性分析结果，新规范规定用设计弯沉值作为路面整体刚度的设计指标，来计算路面结构厚度。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材料的基层、底基层应进行层底拉应力的验算。

（三）设计参数的选择

表8-19　标准轴载BZZ—100计算参数

1.标准轴载及轴载换算

柔性路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载，以BZZ—100表示，标准轴载的计算参数按表8-19确定。

由于在路上行驶的车辆类型很多，不同轴载对路面的作用效果不同，为了表示不同类型轴载对路面的作用效果相同，须对轴载进行标准轴载换算，所谓轴载换算是将不同类型轴载的车辆作用次数换算为标准轴载的作用次数的过程。

（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（包括车辆的前，后轴）Pi的作用次数ni，均应按式（8-20）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/d；

　　　ni——被换算车型的各级轴载作用次数，次/d；

　　　P——标准轴载，kN；

　　　Pi——被换算车型的各级轴载，kN；

　　　C1——轴数系数；

　　　C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1.0；四轮组为0.38。

当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算；当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数按式（8-21）计算：

式中　m——轴数。

（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（包括车辆的前、后轴）Pi的作用次数ni，均按式（8-22）换算标准轴载P的当量作用次数N′：

式中　C′1——轴数系数；

　　　C′2——轮轴系数，单轮轴为18.5，双轮轴为1.0，四轮轴为0.09。

当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按式（8-23）计算：

（3）上述轴载换算公式，仅适用于单轴轴载小于130kN的各种车型的轴载换算。

2.累计当量轴次

设计时应按下式计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次Ne：

式中　Ne——设计年限内一个车道上的累计当量轴次，次；

　　　t——设计年限，年；

　　　N1——路面竣工后第一年双向日平均当量轴次，次/d；

　　　Nt——设计年限末年双向日平均当量轴次，次/d；

　　　γ——设计年限内交通量的平均年增长率，%，应根据实际情况调查，预测交通量增长，经分析确定；

　　　η——车道系数，应根据调查分析结果或参照表8-20确定；公路无分隔时，路面窄宜选高值，路面宽宜选低值。

当上下行交通或轻、重车比例有明显差异时，应区别对待按实际情况进行厚度设计；当交通流出现明显的超载时，设计人员应根据调查资料对累积当量轴次进行修正。

3.路面材料的设计参数

路面材料的设计参数描述了其材料力学性质，包括沥青面层的劈裂强度、抗压模量、半刚性材料的抗压模量、劈裂强度以及土基的回弹模量。

（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，并分析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压强度采用劈裂试验测得劈裂强度。

1）半刚性材料的抗压回弹模量，按JTJ057—94《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T 0801—94规定的顶面法测定。沥青混合料的抗压回弹模量测试方法可参考T 0801—94方法或按JTJ052—93《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》增补规定的方法进行。试验温度为20℃和15℃，不浸水，在加载板上采用逐级加载卸载法测试各级单位压力与相应的回弹变形，施加的单位压力为0.5MPa～0.7MPa，并取为0.7MPa时的回弹变形计算回弹模量。

表8-20　车道系数η

2）沥青混凝土的劈裂强度测定按JTJ052—93《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0716—93规定进行，试验温度为15℃。半刚性材料的劈裂强度测定按JTJ057—94《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中T 0806—94有加载压条的方法进行。

（3）确定土基的回弹模量可有多种方法，如查表法、现场实测法、室内试验法等。经综合分析论证，确定沿线不同路基状况的设计值。

4.路面设计弯沉值

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。路面设计弯沉值应根据公路等级，在设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按式（8-24）计算确定。

式中　ld——路面设计弯沉值，0.01mm；

　　　Ne——设计年限内一个车道上的累计当量轴次；

　　　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、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；

　　　Ab——基层类型系数，对半刚性基层，底基层总厚度等于或大于20cm时，Ab＝1.0；若面层与半刚性基层间设置等于或小于15cm级配碎石层、沥青贯入碎石、沥青碎石的半刚性基层结构时，Ab可取1.0；柔性基层、底基层，Ab＝1.6，当柔性基层厚度大于15cm，底基层为半刚性基层下卧层时，Ab可取1.6。

5.容许拉应力

高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层或半刚性材料基层、底基层，在进行层底拉应力验算时，结构层底面计算点的拉应力σm应小于或等于该层材料的容许拉应力σR，即

容许拉应力σR按下式（8-25）计算：

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式中　σR——路面结构材料的容许拉应力，MPa；

　　　σSP——沥青混凝土或半刚性材料的劈裂强度，MPa。对沥青混凝土系指15℃时的劈裂强度；对水泥稳定类材料为龄期90d的劈裂强度；对二灰稳定类，石灰稳定类的材料为龄期180d的劈裂强度；

　　　KS——抗拉强度结构系数。

对沥青混凝土面层：

式中：Aa——沥青混凝土级配类型系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1。

对无机结合料稳定集料类：

对无机结合稳定细粒土类结合料稳定细粒土类：

（四）设计方法

1.路面厚度计算

（1）路面厚度是根据多层弹性理论，层间接触条件为完全连续体系时，在双圆均布荷载作用下，按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（其力学图式如图8-27所示）的，即

图8-27　路表弯沉值计算图式

路表弯沉值按式（8-29）计算：

式中　ls——路面实测弯沉值，0.01mm；

　　　p、δ——标准车型的轮胎接地压强，MPa；当量圆半径，cm；

　　　F——弯沉综合修正系数；

　　　ac——理论弯沉系数；

　　　E0或（En）——土基回弹模量，MPa；

　　　E1，E2，En－1——各层材料回弹模量。MPa；

　　　h1，h2，hn－1——各结构层厚度。

（2）已知某车道累计轴次或设计弯沉值，各结构层的回弹模量与劈裂强度，土基回弹模量以及已知结构层的厚度，利用专用设计程序可求得某一结构层的厚度。

（3）设计时，应先拟定某一层作为设计层，确定面层和其他各层的厚度。当采用半刚性基层，底基层结构时，可选其任一层为设计层；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才能得到合理的结构；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。当求得的基层厚度太厚时，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。

2.层底拉应力验算

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、底基层进行拉应力验算。层底拉应力的力学计算图式如图8-28所示。

图8-28　沥青混凝土层和半刚性材料层的层底拉应力计算图式

验算层底拉应力时应根据多层弹性理论，层间接触条件为完全连续条件，以双圆荷载作用下按式（8-30）计算层底最大拉应力σm：

式中　σm——理论最大应力系数。

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，单圆半径的1/2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。

验算层底拉应力时，应满足式（8-31）：

式中　σR——容许拉应力。

（五）设计步骤

根据上面的介绍情况，我们将路面结构计算的步骤简述如下：

（1）根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型，计算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宜小于500m，若为大规模机械化施工，不宜小于1km），确定个路段土基回弹模量值。

（3）可参考附录A推荐的结构，拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比试验及测定各结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度，确定各结构层材料设计参数。

（4）根据设计弯沉值计算路面厚度。对高速公路、一级公路、二级公路沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层，应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求。如不满足要求，或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，提高极限抗拉强度，再重新计算。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路面和次高级路面，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。

（六）计算示例

在辽河平原上拟建一条一级公路，六车道，有中央分隔带。交通量组成为：SH 141为1000辆/d，解放CA—10B为1000辆/d，黄河JN—150为242辆/d，γ＝8%，沿线盛产砂砾，土质为粉质亚粘土，冻前地下水位为1.8m，多年平均最大冻深为1.2m。按设计标高要求，平均填土高为0.7m。

设计过程如下：

1.轴载换算

（1）当计算设计弯沉值和进行沥青层层底拉应力验算时，将各种轴载换算为标准轴载，计算结果如下表：

（2）当进行半刚性基层层底拉应力验算时，将各种轴载换算为标准轴载，计算结果如下表：

2.计算累计当量轴载

（1）当计算设计弯沉值和进行沥青层层底拉应力验算时，计算累计当量轴载为

（2）当计算设计弯沉值和进行半刚性基层层底拉应力验算时，计算累计当量轴载为

3.拟定路面结构类型

土基以上的计算结果见右表：

4.确定路面结构参数

查《公路柔性路面设计规范》附表Ⅰ，可知沥青混凝土的抗压回弹模量Ea＝1500MPa，沥青碎石的抗压回弹模量Ea＝1200MPa，石灰土抗压回弹模量Ea＝500MPa，天然砂砾的抗压回弹模量Ea＝180MPa，土基回弹模量Ea＝22MPa。

5.计算设计弯沉值

6.计算设计结构层厚度

利用相应的计算机程序，可得设计结构层石灰土基层的厚度为H＝46.4cm。

7.计算容许拉应力

（1）计算沥青层的容许拉应力σR。抗拉强度结构系数为

（2）半刚性基层层底的容许拉应力。抗拉强度结构系数为

8.拉应力验算

利用相应的计算机程序计算可知，沥青层层底的拉应力和半刚性基层的拉应力均小于容许拉应力。满足设计要求。

9.防冻厚度的验算

利用相应的计算机程序计算可知，满足防冻厚度的要求。