路面设计理论与方法主讲：凌天清博士、教授重庆交通大学土木建筑学院 2010 年 5 月

路面设计理论与方法主讲：凌天清 博士、教授重庆交通大学土木建筑学院2010年5月

本课程教学内容 • 第一篇路面设计概念和原理 • 第二篇路面设计参数 • 第三篇柔性路面设计理论与方法 • 第四篇刚性路面设计理论与方法

讨论的主要问题 • 路面有几类？ • 相应的设计理论、方法是什么？ • 设计标准？ • 典型的筑路材料与相应的设计参数？ • 已有路面的评价与加铺设计？

第一篇路面设计概念和原理 • 路面的分类 • 按力学性分为： • 柔性路面…刚度低、强度小、弯沉大，对基层与路基的作用力大。 • 刚性路面…刚度大、强度高、弯沉小，对基层与路基的作用力小。

第一篇路面设计概念和原理 沥青路面（柔性路面）结构类型可分为五类： • 1.在半刚性基层上设30mm~150mm薄沥青层的结构，称半刚性基层沥青路面(semi-rigid base asphalt pavement)； • 2.在半刚性基层或底基层上，设160mm~260mm厚沥青层的结构，称混合式沥青路面(combination-type asphalt pavement)； • 3.水泥混凝土做基层（比如旧水泥混凝土路面或碾压混凝土、贫混凝土、低标号混凝土基层），其上一般设70mm~220mm沥青层厚度，称为刚性基层沥青路面（或复合式路面，composite pavement）； • 4.采用沥青混合料与无结合料的集料组成的结构，称柔性路面（flexible pavement)）； • 5.在路基上或处治了的路基上铺筑约400mm~550mm的全厚式沥青混合料结构层，称全厚式沥青路面（Full-Depth Asphalt Pavement）。

第一篇路面设计概念和原理 • 半柔性路面（semi- flexible asphalt pavement） • 半柔性路面是将特殊级配的水泥胶浆灌入多孔的开级配沥青混合料的空隙之中而形成的路面，它通过沥青混合料骨料之问的嵌挤作用和灌入的水泥浆共同形成强度。 • 半柔性路面具有优良的高温稳定性、耐疲劳和耐油蚀性，同时具有良好的低温稳定性和抗水害性

高速公路和一级公路

第一篇路面设计概念和原理 水泥路面（刚性路面）可分为： • 水泥混凝土路面（cement concrete pavement）是指用各种水泥混凝土作面层的路面结构，亦称刚性路面，属于高级路面。根据对材料的要求、组成以及施工工艺的不同，水泥混凝土路面分为以下几种： • 普通水泥混凝土路面（plain concrete pavement）是指除接缝区和局部范围（如角隅和边缘）外，其余部位不配置钢筋的混凝土路面，也叫素混凝土路面。目前，该路面广泛用于公路及城市道路中。 • 碾压混凝土路面（roller compected concrete）是利用沥青混凝土路面摊铺、碾压技术施工的一种水泥混凝土路面。它与普通水泥混凝土路面所用材料基本组成相同，均为水、水泥、砂、碎（砾）石及外掺剂，不同之处是碾压混凝土为用水量很少的特干硬性混凝土，比普通水泥混凝土路面节约水泥10％～30％，且施工速度快，养生时间短，具有很好的社会经济效益。 • 钢纤维混凝土路面（steel fiber reinforced concrete pavement）是在混凝土中掺入一些低碳钢、不锈钢或碳纤维等纤维，即成为一种均匀而多向配筋的混凝土路面。与普通混凝土路面相比，该种路面的板厚在同等条件下相对较薄，且使用寿命长，养护费用少，国外一致认为它是一种新型路面材料，具有广泛的发展前途，特别是作为旧混凝土路面的罩面尤为适宜。

第一篇路面设计概念和原理 水泥路面（刚性路面）可分为： • 钢筋混凝土路面（jointed reinforced concrete pavement）是指板内配置有纵横向钢筋（或钢丝）网并设接缝的混凝土路面。其中，钢筋网的设置可以控制裂缝缝隙的张开量，把开裂的板拉在一起，使板依靠断裂面上集料的嵌琐作用而保证结构强度。 • 复合式混凝土路面（composite pavement）为面板由两层或两层以上不同材料类型和力学性质的混凝土复合而成，通常下层用当地品质较差的材料来铺筑，而上层用品质较好的材料，以降低造价，该路面也叫双层式或组合式路面。一般下层为碾压混凝土，其厚度取总厚度的2/3，上层为普通混凝土，其厚度一般取总厚度的1/3，并不宜小于8cm。 • 此外，还有水泥混凝土预制块路面（concrete block pavement）、连续配筋混凝土路面（continuous reinforced concrete pavement）等水泥混凝土路面。

第一篇路面设计概念和原理 • 设计理论柔性路面采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论、以设计弯沉为路面结构整体刚度的设计指标，计算路面厚度。对于高速、一级、二级公路的沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层应进行层底拉应力的验算。厚度计算采用多层弹性体系理论解的专用设计程序进行。刚性路面采用弹性半空间地基上的小挠度弹性薄板理论和有限元法计算标准轴载在临界荷位处产生的最大应力。

第一篇路面设计概念和原理 • 设计方法 1、经验-力学法通过试验路的行车荷载试验和观测，采集大量路面结构、轴载和作用次数以及路面使用性能指标的数据，经统计分析和整理后，建立使用性能指标同路面结构和荷载参数间的经验关系式。如：AASHTO设计法。 2、力学-经验法如：我国沥青路面和水泥路面设计方法，SHELL设计法的沥青路面设计、PCA水泥混凝土路面设计、AI沥青路面设计。

第一篇路面设计概念和原理 路面设计的任务 • 路面设计的任务是以最低的寿命周期费用提供一种路面结构，它在设计使用期内能按目标可靠度满足预定的使用性能要求。同时，这种路面结构所需的材料、施工技术和资金，符合当地所能提供的条件和经验。 • 路面设计使用期是指新建成改建的路面从开始使用到其使用性能退化到预定的最低标准时的时段。设计使用期以年数或该时段内标准轴载累计作用次数表示。到设计使用期末，路面并非损坏到完全无法使用的程度，而是必需采取重大的改建措施以恢复其使用性能，使之达到与使用要求相适应的水平。 • 设计使用期的选择，涉及技术的合理性和可能性、投资的效益和使用者的费用，可依据路面类型、交通繁重程度、道路等级、资金供应等条件确定。

第一篇路面设计概念和原理 路面设计的任务 • 路面的全寿命设计方法—路面设计使用期的建设费、运营费、养护费、改造费、用户费等费用总和最低。 • 永久性路面

设计内容 • 路面设计的内容包括结构、构造、材料和表面特性等方面，或者分为以下六部分： • (1)行车道路面与路肩铺面的类型选择和结构层组合设计 ——依据道路等级、当地环境、交通要求、路基支承条件、材料供应、施工和养护技术水平、资金来源等情况，选择路面和铺面类型，设计符合使用性能要求的路面和铺面结构的结构层组合方案。 • (2)水泥混凝土路面面层的接缝构造和配筋设计——选择和布设接缝的类型和位置，设计接缝构造，确定配筋量和布置钢筋； • (3)路面内部排水设计——需设置路面内部排水设施时，选择排水系统的布设方案，确定各项排水设施的构造尺寸和材料规格要求。

(4)各结构层材料组成设计——依据对所选材料和混合料的性状要求以及当地自然条件，进行各结构层混合料的组成设计和性质试验。 • (5)路面表面特性设计——按抗滑、透水或低噪声等使用要求，进行路面上面层的材料组成设计。 • (6)经济评价和最终方案选择——对各备选方案进行寿命周期费用分析，依据资金筹措情况、目标可靠度以及其它非经济因素，选择费用-效果最佳设计方案。

路面结构设计过程1、收集基础资料：交通数据、环境、气候区划、平均温度、最大温度梯度、材料、地质与水文、经济、当地技术水平和设备条件。2、初拟路面结构组合方案：路面结构形式、路肩结构形式、路面排水设计、混凝土板的平面尺寸等。3、各结构层混合料的组成设计、力学实验4、确定设计参数：分析期（设计年限）、目标可靠度、荷载、环境、材料的力学参数（模量、强度）5、结构分析：计算路面厚度、预估路面使用性能6、寿命周期费用分析：考虑路面在使用周期内所有费用的分析法。包括：修建费用、养护费用、改造费用、用户费用。用户费用：车辆运行费用、行车时间费用、交通事故费用、交通延误费用。7、综合各方面的分析和考虑，选择一个最终方案。技术、经济、使用性能等最佳。

第二篇路面设计参数 • 第一章交通 • 路面设计使用期内标准轴载的累计作用次数—交通量、轴载大小、交通量年平均增长率、当量轴次。 • 1.1车辆荷载的特性 • 轴型：单轴、双轴或三轴 • 轮组：单轮组、双轮组 • 标准轴载：我国设计规范选用双轮组单轴载100KN作为标准轴载。其他设计参数为：双轮组轮载为50KN，均布压强0.7MPa,当量圆直径为21.3cm，双轮中心间距31.95cm（1.5倍当量圆直径）。

第二篇路面设计参数 第一章交通多轴车

第二篇路面设计参数 第一章交通 1.2当量轴次沥青路面设计规范方法（JTG D50-2006） ( 1）以设计弯沉值ld或沥青混凝土面层底面拉应力为设计指标确定路面厚度时，当量轴次ns为：式中：Pi、ni ——i级轴载的重力（KN）和作用次数；（Pi为40－130KN） Ps、ns——标准轴载重力（KN）和作用次数； C 1—— 轴数系数； C 1=1+1.2(m-1)（轴距大于3米单独计算） m——轴数； C 2—— 轮组系数；双轮组1.0，单轮组6.4，四轮组0.38。 [当单轴Pi为130－200KN时，指数可按4.85计算]

1.2轴载换算（当量轴次）（2）以半刚性基层底面拉应力为设计指标（即计算半刚性基层底面拉应力）时，当量轴次为：式中：C1’——轴数系数； C1’=1+2（m-1） (轴距小于3米) C2’——轮组系数；双轮组1.0，单轮组18.5，四轮组0.09。上述换算公式仅适用于单轴载小于130KN，双轴载小于220KN，三轴载小于260KN的情况。第二篇路面设计参数第一章交通

第二篇路面设计参数 第一章交通 1.2轴载换算（当量轴次）公路水泥混凝土路面设计规范按荷载应力和温度应力综合疲劳损耗等效原则建立的当量轴次计算式为：式中：——轴－轮型数系数。单轴－双轮组时为1.0、单轴－单轮组时为双轴－双轮时为三轴－双轮组时，上述换算公式仅适用单轴轴载小于130KN，双轴轴载小于280KN的情况。

1.3累计当量轴次我国公路与城市道路设计时，在设计年限（t年）内设计车道上的标准轴载累计作用次数Ne，按下式计算：1.3累计当量轴次我国公路与城市道路设计时，在设计年限（t年）内设计车道上的标准轴载累计作用次数Ne，按下式计算：第二篇路面设计参数第一章交通 ——设计使用期内交通量年平均增长率，由调查分析确定。 N 1、Nt ——使用初期（末期）行车道（双向）的日平均标准轴载作用次数（沥青路面），或者使用初期（末期）设计车道的日平均标准轴载作用次数（水泥混凝土路面）（次/日）；

第二篇路面设计参数 第一章交通 η——车通系数，即方向分配系数和车通分配系数的乘积，按交通状况和车通数通过调查确定.或查表确定。不严格分车道行驶的二级及二级以下公路，在交通量小而车道窄时，双向车辆往往跨路中线行驶，轮迹横向分布频率曲线往往呈正态分布。

第二篇路面设计参数 第一章交通沥青路面设计时，车道系数参照表1确定。表1 车道系数

第二篇路面设计参数 第一章交通水泥路面设计时，轮迹横向分布系数参照表2确定。表 2轮迹横向分布系数

第二篇路面设计参数 第二章环境 2.1 公路自然区划

第二篇路面设计参数 第二章环境 2.2 路面温度状况理论分析模型 1）均质半无限体热传导方程由大气进入路面表面的热流，向路面结构的深处传导。对于长度和宽方向比厚度大的路面结构来说，可以近似地假设为仅向深处的一维热传导。由于路面结构层材料的导热性能差别不很大，因而可近似地将路面结构简化为均质半无限体。按上述假设，路面的温度场（路面内不同深度、不同时刻的温度值）可由均质半无限体的一维热传导偏微分方程确定。 2）多层体系温度场多层路面体系的温度场，由于各结构层材料具有不同的热特性参数，须为各层分别建立热传导方程。

第二篇路面设计参数 第二章环境 2.3沥青面层温度的估算 1）美国沥青协会(AI)法美国沥青协会路面厚度设计手册(MS一l)中，采用维特查克(Witczak)导出的公式估算沥青面层的月平均温度(MMPT)：式中：MMAT——月平均气温(0C); z——路面表面下的深度（in）取Z=1/3路面面层厚度处的温度作为该面层的代表温度。

第二篇路面设计参数 第二章环境 2.3沥青面层温度的估算 2）壳牌(shell)方法壳牌沥青路面设计方法根据气温和沥青层的厚度推算沥青面层的等效温度。首先，对每一个月的平均气温值MMAT，由图2-2-2查得相应的加权系数，将12个月的加权系数取算术平均值后，再按此平均加权系数查图2-2-2得到加权平均气温值ω-MMAT。

第二篇路面设计参数 第二章环境 2.3沥青面层温度的估算 2）壳牌(shell)方法而后，根据沥青面层的厚度和ω-MMAT，由图2-2-3查取沥青面层的等效温度值。

第二篇路面设计参数 第二章环境 2.4 水泥混凝土路面最大温度梯度的估算1)最大温度梯度经验预估关系式依据各温度观测点的测定数据，通过逐步回归分析可建立二元或一元的回归关系式(面层厚度为22cm):式中：Tg,m—最大温度梯度（0C/cm）； △Ta—日气温差（0C）；Q—太阳日辐射量（J/cm2）

第二篇路面设计参数 第二章环境 2.4 水泥混凝土路面最大温度梯度的估算2)最大温度梯度理论预估关系式依据一维热传导方程和路表热流函数，可推演得到最大温度梯度的理论预估关系（面板厚度22cm）式中: ta——日照时间(h)。

第二篇路面设计参数 第二章环境 2.4 水泥混凝土路面最大温度梯度的估算3)各自然区划最大温度梯度Tg,m推荐值我国公路水泥混凝土路面设计规范中对各自然区划混凝土面层厚22cm时的最大温度梯度推荐值，列于表2-2-6。面层为其它厚度时，按表2-2-7中所列的厚度修正系数修正最大温度梯度值。

第二篇路面设计参数 第二章环境 2.5 冰冻指数冰冻指数是指在冬季气温累计度-日与时间的对应曲线上，最高和最低点之间的度-日数，见图2-2-4。度-日定义为日平均气温与320F(0C)之间的差数;当日平均气温低于320F时，度-日为负数;高于320F时，度-日为正数。设计时采用的冰冻指数，为10年气象记录期间最冷一个冬季的数值，或者为30年记录中3个最冷冬季的平均值。冰冻指数反映了低冰冻深度之间可以建立一定的关系。图2-2-5所示，即为冰冻气温(低于冰冻温度)的强度和持续时间累计影响，它同路基指数同非冻胀敏感类路基土的冰冻深度之间的经验关系。

第二篇路面设计参数 第三章土基 3.1 路基土分类 • 按粒径大小，土颗粒分为巨粒组、粗粒组和细粒组。 • 公路用土按各粒组的组成比例，分为巨粒土、粗粒土和细粒土三大类。 • 1·巨粒土按巨粒颗粒的含量(50%为界)分为漂石土和卵石土两类，见表2-3-2。 • 2·粗粒土指粗粒组颗粒含量大于50%的土，按其组成成分、级配和细粒土含量进行分类，见表2-3-3。 • 3·细粒土指细粒组颗粒含量大于50%的土，按塑性特性(图2-3-1)进行分类，见表2-3。

注：CL~低液限粘土，CLO~有机质低液限粘土 • ML~低液限粉土，MLO~有机质低液限粉土 • CH~高液限粘土， CHO~有机质高液限粘土 • MH~高液限粉土， MHO~有机质高液限粉土 • A线方程：IP=0.73（ωL-20）

第二篇路面设计参数 第三章土基 3.2 土基干湿类型 • 1）土基干湿类型 • 土基干湿类型可按路床土的平均稠度WC作为标准划分为干燥、中湿、潮湿和过湿四种状态。 • 平均稠度WC： • WC=（wL-wm）/(wL-wp） • 式中：wL ——土的液限含水量（%） • wp ——土的塑限含水量（%） • wm——土的平均含水量（%）。

2、土基的压实度 K=rd/rd , max 式中： rd—土现场施工压实后的密度（g/cm3） rd , max_——室内标准击实实验得到的最大干密度（g/cm3）。

各级公路路基压实度必须满足下表所要求的压实度。各级公路路基压实度必须满足下表所要求的压实度。

第三节路基土回弹模量 • 一、土基回弹模量（我国设计规范） • 土基（静）回弹模量反映土基在局部静荷载作用下的荷载-回弹弯沉关系。它可通过在土基顶面进行刚性承载板加载试验或者车轮加载试验实测确定;无实测条件时，可利用查表法估计。 • 1.承载板测定

在土基顶面，用直径30cm的刚性承载板，通过逐级加载、卸载，测定相应于各级荷载的回弹弯沉值，按弹性半空间体公式计算土基的静回弹模量值:在土基顶面，用直径30cm的刚性承载板，通过逐级加载、卸载，测定相应于各级荷载的回弹弯沉值，按弹性半空间体公式计算土基的静回弹模量值: 式中：D——承载板直径（cm）； μ0——路基土泊松比，取0.35 pi——回弹变形（弯沉）li小于0.5mm（土基软弱时为1.0mm）时的各级荷载（MPa） li —相应于各级加载pi的回弹弯沉值（cm）.

2、弯沉测定法 • 在土基顶面，应用弯沉仪测定双轮荷载作用下轮隙中心处的表面回弹弯沉值，按弹性半空间体公式计算土基的的静回弹模量值： • 式中:p、——测定车单轮轮胎接触地面的压强(MPa)和当量圆的半径(cm); • l0——轮隙中心处的回弹弯沉值(cm); • 0——弹性半空间体表面双轮荷载作用下的表面弯沉系数，可近似取为0.712。

弯沉测定值与由承载板测定得到的回弹模量值之间，可以通过大量实测数据的收集和统计分析，建立经验回归关系式，如下式所示：弯沉测定值与由承载板测定得到的回弹模量值之间，可以通过大量实测数据的收集和统计分析，建立经验回归关系式，如下式所示： • Eo=2430l0 -0.7 • 式中:lo —— 轮隙中心处的回弹弯沉值(0.0lmm)。

3、查表法 • 土基回弹模量值是土的类型、含水量和压实度(干密度)的函数。 • 根据全国不同地区土基回弹模量值的大量调查和试验结果，可以统计分析得到不同自然区划、不同土类和不同稠度的土基回弹模量参考值，并汇总为表2-3-10。 • 在无实测条件(如新建公路)时，可按公路所在的自然区划、路基土的类型、土基的干湿类型(即平均稠度)，查表2·3-10，估计土基的回弹模量值。由于该表数值是以轻型击实标准为依据编制的，当采用重型击实标准要求土基压实度时，土基回弹模量采用值可较表列数值提高15%-30%。

二、土基动回弹模量 1、室内试验测定 • 路基土试样进行重复加载三轴压缩试验，测定各级重复偏应力作用下的回弹应变量。按土基实际承受的应力级位，由下式确定土的回弹模量: • 式中: ——重复施加的竖向应力和侧限应力； • ——相应于偏应力级位的回弹应变量。

动三轴试验方法 • 三轴压缩试验与应力摩尔圆

路面设计理论与方法主讲：凌天清博士、教授重庆交通大学土木建筑学院 2010 年 5 月