典型路面结构设计-讲座.ppt
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1、1典型路面结构设计湖南大学土木工程学院黄立葵2011.10.252主要内容w沥青路面设计沥青路面设计w混凝土路面设计混凝土路面设计w沥青路面典型结构沥青路面典型结构w混凝土路面典型结构混凝土路面典型结构w长寿命路面概念长寿命路面概念3沥青路面设计理论4Compacted SubgradeAsphalt Treated BaseAC Surface Course2-4 in.4-8 in.6 in.Full-depth Asphalt Concrete Pavement(Aggregate)(Aggregate)5平衡微分方程;物理方程;几何方程;边界条件。分析方法圆形均布竖向荷载;圆形均布单向
2、水平荷载。荷载各层连续、均质、各向同性、完全弹性,位移和应变是微小的;第n层在水平、竖向无限大,其余各层厚度有限,水平方向无限大;层间接触:竖向应力、位移连续,在水平方向连续(连续体系)、无阻力(滑动体系)、部分阻力(半结合体系);无限深处应力、位移均为零;不计自重。基本假设平衡微分方程;物理方程;几何方程;边界条件。分析方法圆形均布竖向荷载;圆形均布单向水平荷载。荷载各层连续、均质、各向同性、完全弹性,位移和应变是微小的;第n层在水平、竖向无限大,其余各层厚度有限,水平方向无限大;层间接触:竖向应力、位移连续,在水平方向连续(连续体系)、无阻力(滑动体系)、部分阻力(半结合体系);无限深处应
3、力、位移均为零;不计自重。基本假设1 弹性层状体系力学模型沥青路面设计理论6沥青路面设计理论7沥青路面设计理论89101112131415沥青路面设计理论16沥青路面设计理论1718沥青路面结构组合设计19沥青路面结构组合设计20沥青路面结构组合设计21沥青路面结构组合设计22沥青路面结构组合设计23新建沥青路面设计方法24新建沥青路面设计方法25新建沥青路面设计方法2627 试 件 底 座顶板千分表千分表新建沥青路面设计方法28新建沥青路面设计方法2930新建沥青路面设计方法3132 33 34新建沥青路面设计方法35新建沥青路面设计方法36新建沥青路面设计方法37新建沥青路面设计方法38新
4、建沥青路面设计方法39国外沥青路面设计方法经验法经验法CBR、AASHTO等等理论法理论法(力学经验法力学经验法)SHELL、AI等等40CBR设计法 沥青砼h1碎石h2砂砾土基h3CBR=80CBR=20CBR=5P=54KNCBR(%)3路面厚(cm)0沥青砼h1碎石h2沙砾土基10203040506070804 5 6 8 1020 30 4050806018KN27KN41KN54KN73KN(轮载)h3CBR=80CBR=20CBR=5P=54KN解:(1)基层CBR=80,查图知h1=10cm;(2)下基层CBR=20,查图知h1+h2=20cm,因此h2=10cm;(3)土基CB
5、R=5,查图知h1+h2+h3=43cm,因此h3=23cm。41AASHTO设计法 05.194.2lg4.2 1.5lg9.36lg(1)0.22.32lg109430000.4(1)tRRpMWSNZ SSN11222333SNa Da D ma D m25.03 1.91lg(1)0.210.032PSISVRDcf面层a1=0.44基层底基层土基a2=0.14a3=0.11D1=6inD2=8inD3=?等级优良中差劣543210评分4243SHELL设计法 设计标准:设计标准:1路基顶面竖向压应变路基顶面竖向压应变控制路基的永久变形控制路基的永久变形2沥青面层水平拉应变沥青面层水平
6、拉应变控制面层的开裂控制面层的开裂3整体性材料(水泥稳定)基层拉应力整体性材料(水泥稳定)基层拉应力4路面表面永久变形(车辙深度)路面表面永久变形(车辙深度)高速公路高速公路 一般公路一般公路 E1E2E3p=0.6 MPa123rzh1h2210mmr210mmrz20.252.8 10zN0.251A N1(1 0.075lg)rrN10mmRD 30mmRD 44中国沥青路面主要结构形式 我国高速公路中,沥青路面占我国高速公路中,沥青路面占90以上,水泥混凝土路面占以上,水泥混凝土路面占10以下;以下;沥青面层厚度沥青面层厚度1520cm,半刚性基层厚度,半刚性基层厚度3540cm,底基
7、层,底基层20cm左左右;沥青路面设计年限右;沥青路面设计年限15年。年。普通公路中,沥青路面在有铺面道路中只占少数,混凝土路面占大多数;普通公路中,沥青路面在有铺面道路中只占少数,混凝土路面占大多数;沥青面层厚度沥青面层厚度10cm以下,半刚性基层厚度以下,半刚性基层厚度2040cm,底基层,底基层1520cm左右;沥青路面设计年限左右;沥青路面设计年限12年以下。年以下。45半刚性基层沥青路面早期损坏问题 1沥青路面初期损坏严重,通车后不利季节开始(使用半年沥青路面初期损坏严重,通车后不利季节开始(使用半年1年),主年),主要表现形式为坑槽和车辙,多数属于水损害。直接原因是施工质量不到要表
8、现形式为坑槽和车辙,多数属于水损害。直接原因是施工质量不到位,也有路面结构组合不合理的因素。位,也有路面结构组合不合理的因素。2沥青路面早期损坏指开放交通沥青路面早期损坏指开放交通35年,长一些的年,长一些的78年发生严重的损年发生严重的损坏,主要表现为大面积的开裂,但出现典型疲劳损坏的情况少见。主要坏,主要表现为大面积的开裂,但出现典型疲劳损坏的情况少见。主要原因是结构设计不合理、超载严重等。原因是结构设计不合理、超载严重等。46重荷载问题我国设计(限载)标准为:单轴我国设计(限载)标准为:单轴100kN,双轴,双轴180kN,三轴,三轴220kN。货车超载现象普遍,超载车的比例在货车超载现
9、象普遍,超载车的比例在50以上;超载率最大可达以上;超载率最大可达300400。最大单轴轴载最大单轴轴载465kN,双轴轴载,双轴轴载785kN(文献)。我省实测最大单轴荷(文献)。我省实测最大单轴荷载载350kN,双轴荷载接近,双轴荷载接近600kN。治理超载的难度极大。治理超载的难度极大。47结构设计问题沥青路面设计采用弹性层状体系理论,认为各层次之间完全连续,以路沥青路面设计采用弹性层状体系理论,认为各层次之间完全连续,以路面结构弯沉值、整体性材料层底部拉应力为控制指标。面结构弯沉值、整体性材料层底部拉应力为控制指标。层间完全连续的假设不符合实际情况,且随着使用年限的延长,层间结层间完全
10、连续的假设不符合实际情况,且随着使用年限的延长,层间结合状况肯定会恶化。合状况肯定会恶化。缺乏控制沥青面层剪切破坏的指标。缺乏控制沥青面层剪切破坏的指标。缺乏一次性大荷载控制指标。缺乏一次性大荷载控制指标。48路面结构组合几乎所有的路面均采用半刚性基层,主要为水泥稳定碎石和石灰、粉煤几乎所有的路面均采用半刚性基层,主要为水泥稳定碎石和石灰、粉煤灰稳定碎石。灰稳定碎石。这类材料刚度较大,极易产生干缩、温缩裂缝,引起沥青面层的反射裂这类材料刚度较大,极易产生干缩、温缩裂缝,引起沥青面层的反射裂缝;缝;渗水性很差或基本不透水,易造成冲刷;渗水性很差或基本不透水,易造成冲刷;基层逐步开裂,变成小块、碎
11、块,承载力(刚度)降低;基层逐步开裂,变成小块、碎块,承载力(刚度)降低;半刚性基层损坏后无法自愈;半刚性基层损坏后无法自愈;因刚度较大,对超载很敏感。因刚度较大,对超载很敏感。49水损害问题1.提高沥青面层提高沥青面层/基层的抗冲刷能力基层的抗冲刷能力 合格的沥青;合格的沥青;干净的集料;干净的集料;掺加熟石灰改善沥青与集料的粘附性。掺加熟石灰改善沥青与集料的粘附性。2.控制沥青混合料的空隙率(防止离析)控制沥青混合料的空隙率(防止离析)3.改善路面结构排水改善路面结构排水5051525354MTV(Material Transfer Vehicle)55沥青路面摊铺5657漂亮的路面58改
12、善路面结构的受力性能1.加强层间结合加强层间结合 沥青层之间:粘层油沥青层之间:粘层油 沥青面层沥青面层/基层之间:透层、封层基层之间:透层、封层 半刚性基层半刚性基层/底基层之间:水泥浆底基层之间:水泥浆2.合理的路面结构组合合理的路面结构组合 与路面结构受力特性一致与路面结构受力特性一致 合理的排水特性组合合理的排水特性组合3.设计中考虑大荷载的作用设计中考虑大荷载的作用 路面结构极限承载力路面结构极限承载力59粘层油6061直接在基层上铺沥青面层62级配碎石基层63水泥混凝土路面设计64弹性地基板体系理论简介1 小挠度弹性薄板假设小挠度弹性薄板假设(1)垂直于中面方向的正应变极微小,垂直
13、于中面方向的正应变极微小,可以忽略不计,即可以忽略不计,即 0,(,)zWWW x yz(2)垂直于中面的法线在弯曲变形前后保持垂直于中面的法线在弯曲变形前后保持 直线并垂直于中线,即无横向剪应变。直线并垂直于中线,即无横向剪应变。0zyzx(3)中面内各点只有垂直于中面的位移,即中面内各点只有垂直于中面的位移,即 z=0 时,时,U=V=0 656667弹性地基板体系理论简介68弹性地基板体系理论简介69水泥混凝土路面荷载应力分析 1 Winkler地基无限大板解地基无限大板解7071水泥混凝土路面荷载应力分析 7273水泥混凝土路面荷载应力分析 74水泥混凝土路面荷载应力分析 7576水泥
14、混凝土路面荷载应力分析 7778水泥混凝土路面荷载应力分析 7980水泥混凝土路面荷载应力分析 818283水泥混凝土路面温度应力分析84对于有限尺寸板对于有限尺寸板(46m):基底约束力基底约束力(摩阻力摩阻力):2LFBh f 板的容许拉力:板的容许拉力:PBh 当当 F=P 时,时,2 ,2LfLf 其中,其中,容许拉应力容许拉应力(MPa);容重容重(MN/m3);f摩阻系数,摩阻系数,1.0 2.0f。例如:例如:0.15MPa(2d 龄期,龄期,15),30.024MN/m,2.0f,则,则 20.156.25m0.0242L 水泥混凝土路面温度应力分析85水泥混凝土路面温度应力分
15、析86对于有限尺寸板,可以推导出对于有限尺寸板,可以推导出(K 地基假设地基假设):板中板中 22()2(1)()2(1)txxytyyxEtCCEtCC 板边缘中点板边缘中点 2txxEtC 式中,式中,xC板长方向翘曲应力系数;板长方向翘曲应力系数;yC板宽方向翘曲应力系数。板宽方向翘曲应力系数。2cos cosh1(tantanh),sin2sinh282cos cosh1(tantanh),sin2sinh28xyttLCtt tttlttBCtt tttl 水泥混凝土路面温度应力分析8788水泥混凝土路面温度应力分析8990新建水泥混凝土路面设计方法一、标准轴载与轴载换算一、标准轴载
16、与轴载换算 按疲劳断裂设计标准进行结构分析时,以100kN 单轴-双轮组荷载作为设计轴载。行驶特重轴载车辆或特种车辆的水泥混凝土路面,宜选用特重车或特种车中主导车辆的轴载作为设计轴载。各种轴型的轴载作用次数 Ni,按下式换算为设计轴载的作用次数Ns:nisiisPPNN116 式中:Pi i 级轴载重(kN),联轴按每一根轴载单独计;Ps设计轴载重(kN);n各种轴型的轴载级位数;Ni i 级轴载的作用次数;Ns设计轴载的作用次数。91新建水泥混凝土路面设计方法二、交通分级二、交通分级 按设计基准期内设计车道所承受的设计轴载累计作用次数划分为 5 级:交通等级 设计车道设计轴载(100kN)累
17、计次数 Ne(104)极重 106 特重交通 2000106 重交通 1002000 中等交通 3100 轻交通 3 sN应根据断面(双向)交通量,考虑方向分配系数和车道分配系数确定,其中方向分配系数取 0.50.6,车道分配系数取 1.0(单车道)、0.750.85(双车道)、0.450.60(三车道)、0.400.50(四车道以上)。设计车道临界荷位处标准轴载累计作用次数:(1)1365tresrgNNg 其中,为临界荷位处轮迹横向分布系数。公路等级 纵缝边缘处 高速公路、一级公路、收费站 0.170.22 0.340.39 二级以下公路,行车道 7m 以上 行车道 7m 以下 0.540
18、.62 92新建水泥混凝土路面设计方法三、地基当量回弹模量三、地基当量回弹模量 在旧沥青混凝土路面上铺筑水泥混凝土面层时,原沥青混凝土路面顶面的地基综合当量回弹模量Et可根据落锤式弯沉仪(荷载50kN、承载板半径150mm)的中心点弯沉的测定结果,或根据贝克曼梁(后轴重100kN的车辆)的弯沉测定结果计算确定。t01.04t0018621137391.04wEwEwwws 式中:w0路段代表弯沉值(0.01mm);w路段弯沉平均值(0.01mm);sw路段弯沉的标准差(0.01mm)。93新建水泥混凝土路面设计方法 新建公路的板底地基当量回弹模量Et 按下式计算:00221110.860.26
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