路面设计理论与方法 主讲：凌天清 博士、教授...

路面设计理论与方法路面设计理论与方法

主讲：凌天清 主讲：凌天清 博士、教授博士、教授

重庆交通大学土木建筑学院重庆交通大学土木建筑学院20102010 年年 55 月月

本课程教学内容本课程教学内容

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第一篇 路面设计概念和原理

路面的分类路面的分类 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。

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第一篇 路面设计概念和原理

第一篇 路面设计概念和原理第一篇 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高速公路和一级公路

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第一篇 路面设计概念和原理

第一篇 路面设计概念和原理第一篇 路面设计概念和原理

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。

水泥路面（刚性路面）可分为：

第一篇 路面设计概念和原理第一篇 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。

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 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 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

第一篇 路面设计概念和原理第一篇 路面设计概念和原理

设计内容设计内容 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。

路面结构设计过程路面结构设计过程11 、、收集基础资料收集基础资料：交通数据、环境、气候区划、平均温度、：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。设备条件。22 、、初拟路面结构组合方案初拟路面结构组合方案：路面结构形式、路肩结构形式、：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。路面排水设计、 混凝土板的平面尺寸等。33、、各结构层混合料的组成设计、力学实验各结构层混合料的组成设计、力学实验44、、确定设计参数确定设计参数：分析期（设计年限）、目标可靠度、荷：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）载、环境、材料的力学参数（模量、强度）55 、、结构分析结构分析：计算路面厚度、预估路面使用性能：计算路面厚度、预估路面使用性能66、、寿命周期费用分析：寿命周期费用分析：考虑路面在使用周期内所有费用的考虑路面在使用周期内所有费用的分析法。分析法。包括：修建费用、养护费用、改造费用、用户费用。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、用户费用：车辆运行费用、行车时间费用、交通事故费用、交通延误费用交通延误费用。。77、综合各方面的分析和考虑，、综合各方面的分析和考虑，选择一个最终方案选择一个最终方案。技术、。技术、经济、使用性能等最佳。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

多轴车

第一章 交通

1.2当量轴次 沥青路面设计规范方法沥青路面设计规范方法（（ JTG D50-2006JTG D50-2006 ）） ( ( 11 ） 以设计弯沉值） 以设计弯沉值 lldd 或沥青混凝土面层底面拉应力为设计指标确定路面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，当量轴次厚度时，当量轴次 nnss 为：为：

式中：式中： PPii 、、 nnii —— ——ii 级轴载的重力级轴载的重力（（ KNKN ））和作用次数；（和作用次数；（ PiPi 为为 4040 －－ 130130

KNKN ））

PsPs 、、 ns——ns—— 标准轴载重力标准轴载重力（（ KNKN ））和作用次数； 和作用次数；

C C 11—— —— 轴数系数； 轴数系数； C C 11=1+1.2(m-1)=1+1.2(m-1) （轴距大于（轴距大于 33 米单独计算） 米单独计算）

m——m—— 轴数； 轴数；

C C 22—— —— 轮组系数；双轮组轮组系数；双轮组 1.01.0 ，单轮组，单轮组 6.46.4 ，四轮组，四轮组 0.380.38 。。

[[当单轴当单轴 PiPi 为为 130130－－ 200200KNKN 时，指数可按时，指数可按 4.854.85 计算计算 ]]

is

is n

P

Pccn 35.4

21 )(

第二篇 路面设计参数第一章 交通

1.2轴载换算（当量轴次） （（ 22 ）以半刚性基层底面拉应力为设计指标（即计算半刚）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：性基层底面拉应力）时，当量轴次为：

式中：式中： CC11’——’—— 轴数系数； 轴数系数； CC11

’’=1+2=1+2 （（ m-1m-1 ） ） (( 轴距小于轴距小于33 米米 )) C C22

’——’—— 轮组系数；双轮组轮组系数；双轮组 1.01.0 ，单轮组，单轮组 18.518.5 ，四轮组，四轮组0.090.09 。。

上述换算公式仅适用于单轴载小于 上述换算公式仅适用于单轴载小于 130130KNKN ，双轴载小于，双轴载小于220220KNKN ，三轴载小于，三轴载小于 260260KNKN 的情况。的情况。

is

is n

P

Pccn 8'

2'1 )(

第二篇 路面设计参数第一章 交通

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：式为：

式中：式中： —— ——轴－轮型数系数。单轴－双轮组时为轴－轮型数系数。单轴－双轮组时为 1.01.0 、单轴－单轮组、单轴－单轮组

时为 双轴－双轮时为时为 双轴－双轮时为

三轴－双轮组时，三轴－双轮组时，

上述换算公式仅适用单轴轴载小于上述换算公式仅适用单轴轴载小于 130130KNKN ，双轴轴载小于，双轴轴载小于 280280KNKN 的情况。的情况。

i43.031022.2 ii P

22.051007.1 ii P

22.081024.2 ii P

is

iis nP

Pn 16)(

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公路水泥混凝土路面设计规范

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（我国公路与城市道路设计时，在设计年限（ tt 年）内设计年）内设计车道上的标准轴载累计作用次数车道上的标准轴载累计作用次数 NNee ，按下式计算：，按下式计算：

365]1)1[(1

t

e

NN

1)1(

365]1)1[(

t

tt

e

NN

式中：

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。设计使用期内交通量年平均增长率，由调查分析确定。

NN 1 1 、、 NNt t ———— 使用初期（末期）行车道（双向）的日平均标准轴载作用次使用初期（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）（次次数（水泥 混凝土路面）（次 // 日）；日）；

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，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。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

η——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车通数通过调查确定 .. 或查表确定。或查表确定。

沥青路面设计时，车道系数参照表沥青路面设计时，车道系数参照表 11 确定。确定。

车道数（双向）

12

（分道行驶） 2

（不分道行驶）4 6 8

车道系数 1.0 0.5 0.6-0.7 0.4-0.5 0.3-0.4 0.25-

0.35

表表 1 1 车道系数车道系数

公路等级 高速、一级公路

二级公路 三级公路 四级公路

设计年限（年） 15 12 8 6

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水泥路面设计时，轮迹横向分布系数参照表 22 确定。确定。

高速公路、一级公路高速公路、一级公路 η=0.17-0.22η=0.17-0.22

二级及二级以下公路二级及二级以下公路车道宽度大于车道宽度大于 7 m7 m η=0.34-0.39η=0.34-0.39

车道宽度小于车道宽度小于 7 m7 m η=0.54-0.62η=0.54-0.62

表 表 22 轮迹横向分布系数轮迹横向分布系数

第二篇 路面设计参数第一章 交通

2.1 2.1 公路自然区划公路自然区划

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。

64

34)

4

11(

ZZMMATMMPT

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

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。

2.3 沥青面层温度的估算 2 ）壳牌 (shell)方法

第二篇 路面设计参数第二章 环境

2.4 2.4 水泥混凝土路面最大温度梯度的估算水泥混凝土路面最大温度梯度的估算 1)1) 最大温度梯度经验预估关系式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 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二元或一元的回归关系式 ((面层厚度为面层厚度为 22cm):22cm):

式中：式中： TTg,mg,m——最大温度梯度最大温度梯度（（ 00C/cmC/cm）；）； △ △ TTaa——日气温差日气温差（（ 00CC）；）； Q—Q—太阳日辐射量太阳日辐射量（（ J/cmJ/cm22 ））

QTT amg 0002675.00034.086.0,

QT mg 0002723.0109.0,

第二篇 路面设计参数第二章 环境

2.4 2.4 水泥混凝土路面最大温度梯度的估算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) 。

)12

(0002556.00135.0,d

amg tQTT

第二篇 路面设计参数第二章 环境

2.4 2.4 水泥混凝土路面最大温度梯度的估算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。

h

自然区划 II, V III IV,VI VII

Tg,m 0.83-0.88 0.90-0.95 0.86-0.92 0.93-0.98

面层厚度（ cm ）

16 18 20 22 24 26 28

1.17 1.11 1.05 1.00 0.94 0.89 0.84h

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(0

C) 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。

冰冻区指数 重冰冻区 中冰冻区 轻冰冻区 非冰冻区

冻结指数（℃）

≥2000 2000 ～ 800 800 ～ 50 ≤50

第二篇 路面设计参数第二章 环境

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。

第二篇 路面设计参数第三章 土 基

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 ）

3.2 3.2 土基干湿类型土基干湿类型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（ % ）。

第二篇 路面设计参数第三章 土 基

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。

第三节 路基土回弹模量第三节 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

i

i

l

pDE

4

1 20

0

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（ c

m ） .

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 :

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 。

0

0

20

0

12 l

pE

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) 。

33 、查表法、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% 。

nkxmKE 5.2

0

二、土基动回弹模量二、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。

d r

rr

drE

31

31 ,

r d

动三轴试验方法动三轴试验方法

三轴压缩试验与应力摩尔圆

22 、路表动弯沉盆测定法、路表动弯沉盆测定法

动荷载作用下路面结构内的应力区

采用稳态 (正弦式 )动弯沉仪或落锤 (脉冲式 )动弯沉仪，在路面表面测定动荷载作用下路表面的弯沉盆。由设置在外侧的检波器量测到的弯沉值，按下式确定土基的动回弹模量值Er:

式中： P—— 所施加的动荷载 (N)， lr—— 该级动荷载作用下距承载板中心 r 处量测到的

弯沉值（mm)， r——由承载板中心到弯沉量测点的径向距离 (mm); C——考虑弯沉量测点应力级位偏小的修正系数，其值约为 0.33~0.20 ，面层结构刚度小取低值，反之取高值。

rl

PcE

rr

24.0

第四节 路基反应模量和加州承载比第四节 路基反应模量和加州承载比 一、路基反应模量

E.Winkler地基模型 在刚性路面设计中，采用文克勒地基模型时，用地基反应模量表征地基刚度。采用直径为 76cm的刚性承载板测试。按总弯沉量 l=1.27mm( 或压力 p=0.70

KN/m2) 的压力或弯沉值，由下式计算：)/( 3mMN

l

pk

通常采用承载板直径为 30cm，则按下式换算： K76=0.4K30

实验中采用回弹弯沉，则得到回弹反应模量 Kr ,其关系为：

Kr=1.77K76 水泥混凝土路面板内应力相等的条件下 , 地

基反应模量 K与土基回弹模量 E0 的关系：

式中： E1 、 u1 、 h1——分别为混凝土板的弹性模量、泊松比和厚度；

u0——路基泊松比。

120

032

01

210

)1()1(

)1(91.0

h

E

E

Ek

3·加州承载比 CBR值 加州承载比是早年由美国加利福尼亚州提出的一种评定土基及其它路面材料承载能力的指标。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用高质量标准碎石为标准，以它们的相对比值表示CBR值。

试验时，用一个端部面积为 19.35cm2

的标准压头，以 0.127cm/min 的速度压入土中。记录每贯入 0.254cm时的单位压力，直至总压入深度达到 1.27cm时为止。

贯入深度（ mm ） 2.54 5.08 7.62 10.16 12.70

标准压力（ MPa ） 7.03 10.55 13.36 16.17 18.23

标准压力值是用高质量碎石材料由试验求得，其值如下表。

取贯入深度为 2.54mm时的压力值 p(MPa)，以此值除以 7（MPa） , 即可得到CBR ：

CBR=p/7×100%

注意：但当贯入深度 2.54mm时的 CBR 小于贯入深度5.08mm时的 CBR 时，则取贯入深度 5.08mm时的 CBR 。

说明说明：：11 、、 CBRCBR 与地基反应模量的关系与地基反应模量的关系

CBR-K的关系曲线

2 、 CBR 与回弹模量的关系 E0= n CBR

式中： n—回归系数，变动于 5~20 之间，通常取平均值 10 。比如 SHELL设计法。

第四章 路面材料特性第四章 路面材料特性第一节 强度与刚度

一、未经结合料处治的粒料 用作基层或垫层的碎、砾石等粒料，其应力 - 应变关系呈非线性，用回弹模量来表征。 影响 Er值的主要因素为作用应力的大小、密实度和湿度 (饱和度 )。 Er随应力增大、密实度增加和饱和度降低而增加。1 、试验测定方法： （ 1)重复加载三轴压缩试验—— 试样直径应为粒料最大粒径的 4 倍 ( 最好为 6 倍 )，高度为直径的 2倍。侧限压力施加的范围为 0.006895~0.138MPa; 对每一级侧限压力，所施加的偏应力为侧限压力的 l~5倍。

（ 2 ）整层测定—在深为 1m、长和宽为 3×2m的整层粒料试 槽内，采用弯沉仪或承载板测定回弹弯沉值后计算得到。

（ 3）分层测定—在单层路面结构上，分别测定路表回弹弯沉值和土基回弹模量值后，利用双层体系理论解反算得到。

2 、回弹模量关系式（ AASHTO路面设计指南） 粒料回弹模量值可参考由重复加载三轴压缩试验结果整

理得到的下述关系式确定： Er =K 1(θ/0.006895 )K2 (M P a) 式中 :θ——应力状态或主应力之和 (MPa),θ=σ1+σ2+σ3= σ1+2σ3 ，典型值可参考表 2-4-1选用 ;

K1 和 K2-—— 同材料有关的回归系数，可参考表 2-4-2选用。

主应力之和 θ值 (MPa) 参考值 表 2-4-1沥 青　　　 粒 料 基 层 粒料垫层面层厚 土基回弹模量（ MPa ） ( 厚 15~ 30cm ) (cm ) 20.685 51.713 103.426 <5 0.138 0.172 0.207 0.069 5~10 0.069 0.103 0.138 0.05210~15 0.034 0.069 0.103 0.034 >15 0.034 0.034 0.034 0.034

K1 和 K2 参考值 表 2-4-2湿度 粒 料 基 层 粒 料 垫 层状况 K1 K2 K1 K2

干 41.37~68.95 0.5~0.7 41.37~55.16 0.4~0.6 潮湿 27.58~41.37 0.5~0.7 27.58~41.37 0.4~0.6湿 13.79~27.58 0.5~0.7 10.34~27.58 0.4~0.6

粒料基（垫）层重复加载三轴压缩试验结果

3、我国路面设计用粒料基（垫）层回弹模量参考值

《公路沥青路面设计规范》（（ JTG D50-2006JTG D50-2006 ））推荐的粒料基层与垫层回弹模量值为：

填隙碎石 基层 200 ~ 280 MPa

泥结碎石 面层 200 ~ 280 MPa

级配碎、砾石基层 200 ~ 350 MPa

面层 350 MPa

级配砂砾 垫层 150 ~ 200 MPa

天然砂砾 垫层 150 ~ 200 Mpa

二、石灰、水泥稳定类材料 石灰稳定类 (石灰土、石灰 -粉煤灰稳定粒料等 )和水泥稳定类 (水泥土、水泥稳定粒料、贫混凝土等 )材料，其应力 ~应变关系接近于线性，用弹性模量表征。其值同土或集料类型、石灰或水泥含量、含水量和养生时间等有关，变动范围较大。

我国现行规范采用劈裂抗拉强度和抗压回弹模量作为设计参数。

1 、试验测定方法 （ 1)劈裂强度采用圆柱体试件平放作劈裂试验确定。

P

d

劈裂试验图

dl

P

2

sp

式中： P—试件被劈开时的最大荷载（MPa） ;

d 、 L—圆柱体试件的直径与高度（ cm） .

（ 2)利用圆柱体试件 (15×15cm）进行逐级加载与卸载方法测试试件的应力 - 轴向回弹应变的关系，根据试验结果确定其回弹模量值。

P 百分表 L 抗压回弹模量试验

Er =σ0.5P/ε0.5P

2 、我国路面设计规范推荐的半刚性材料回弹模量值 (MPa)

三、水泥混凝土 1 、测试方法：采用梁式试件的三分点加载试验测试混凝土的抗折强度与模量。

2 、我国规范推荐值

水泥混凝土的弯拉强度与抗折模量（MPa）混凝土计算抗折强 4.0 4.5 5.0 5.5

计算抗折模量（×104 ）

2.7 2.8 3.1 3.3

四、沥青混合料 沥青混合料的应力 - 应变关系同加荷时间 t 和温度 T

有关。为此，用劲度模量 Sm 定义：

Sm(t,T)=σ/ε

1 、试验测试方法： 可以采用 3类试验方法测定： 1 ）蠕变试验 2 ）动态加载试验 3）重复加载试验

各种测试方法如图所示。

2 、我国规范推荐值 我国《公路沥青路面设计规范》（ JTG D50-2006 ）推荐的沥青混

合料设计参数值见下表。

第三节 疲劳特性一、半刚性基层 —— 疲劳方程为

式中： —分别为半刚性基层的拉应力和抗拉强度（ MPa ）； Nf —到达疲劳破坏时的应力作用次数。

A 、 B— 回归系数，二灰稳定粒料： A=0.1103 ， B=0.0633

水泥稳定粒料： A=0.1339 ， B=0.0697

σ/σf

Nf

ff

NBA lg

f ,

二、水泥混凝土 水泥混凝土疲劳方程：

式中： —分别为混凝土的拉应力和抗拉强度（ MPa ）；

Nf_——到达疲劳破坏时的应力作用次数。 （ 1 ）我国《公路水泥混凝土路面设计规范》采用的

疲劳方程的 A=0.944 ， B=0.077 （ 2 ） PCA 的疲劳方程： A=0.972 ， B=0.0828

ff

NBA lg

f ,

三、沥青混合料沥青混合料的疲劳方程通常采用下述形式 :

式中： Nf —到达破坏时的应力反复作用次数； εt— 反复弯拉应变的大小 (mm/mm) ；

Sm— 沥青混合料的劲度模量 (Pai);

k 、 a 、 b — 由试验确定的系数。

b

m

a

tf s

kN )1

()1

(

1. 美国沥青协会 (AI) 设计方法采用的疲劳方程为 :

式中 : Nf_—到达疲劳损坏时的标准轴载 (80KN) 反复作用次数 ;

—沥青混合料的复数模量 (psi,1psi=6.894kPa);

Va 、和 Vb— 空气和沥青的体积含量 (%) 。 上式的疲劳损坏标准相当于 AASHO试验路所选路段

中约有约有 20% 以上的面积出现疲劳开裂。

)69.0(84.4

)(10325.4104.18 854.0*29.33

ba

b

tM

f

VV

VM

EN

*E

2· 壳牌 (Shell) 设计方法采用的疲劳方程：

式中： —沥青劲度模量（ Pa ）。

3 、我国公路沥青路面设计规范 式中： σ_ 沥青层底部拉应力（MPa）

58.1 )1

()1

)(08.1856.0(tm

bf sVN

ms

5.4280 fN

第四节 材料参数的变异性

由于材料性质的不均匀性、施工质量控制水平的差异以及实验测试中的误差，路面材料的性质参数存在着不同程度的变异性。

1

%100

2

n

xx

X

i ）（均方差

平均值

变异系数

n

xX

C

i

v

第五节 其他材料特性一、热特性1 、导热系数和比热路面材料的导热系数 λ 和比热Sh,见表。

路面材料的导热系数 λ 和比热Sh

材 料 辐射热吸收能力 导热系数 比 热 b(%) λ[W/(m.0c)] Sh [J/(kg.0c] 沥青混凝土 88~95 1.214~3.099 837~921水泥混凝土 60~65 0.921~3.475 921~1046水泥稳定土 0.544~1.172 837

2 、线膨胀系数 沥青混凝土的线膨胀系数约为（ 2.16~3.06） ×10-5/0C。 水泥混凝土的线膨胀系数通常取 1.0×10-5/0C。

二、摩擦系数 水泥混凝土板底同基层或旧面层顶面间的摩擦系数。

水泥混凝土板底摩擦系数

板 底 材 料 类 型 摩 擦 系 数 沥青表面处治 2.2 石灰稳定、水泥稳定和沥青稳定 1.8 砾石和碎石 1.5 砂岩 1.2 天然路基 0.9

第三篇 柔性路面设计第三篇 柔性路面设计

第一章 新建柔性路面设计

第一节 柔性路面（沥青路面）结构组合设计

Rigid Pavement Layout Flexible Pavement Layout

第一节 沥青路面结构组合设计第一节 沥青路面结构组合设计

沥青路面结构分为面层、基层、垫层。 沥青面层可以分为表面层、中面层、下面层。

11 ）热拌沥青混合料（）热拌沥青混合料（ HMAHMA）面层）面层

1.沥青混合料结构层

由上表可知： 表面层只能细粒式或中粒式沥青混凝土，中面层用中粒式或粗粒式沥青混凝土、下面层用中粒式或粗粒式沥青混凝土。 选择沥青混凝土路面面层各层的级配时，应至少有一层是密级配的沥青混凝土，以防雨水下渗。 抗滑面层宜选用 SMA 、 AC-C ，有条件可选用 OGFC 。

OGFC适用于年平均降雨量大于 800mm地区的磨耗层（厚度 20mm 左右）和排水路面的表面层（厚度 30 ～ 40m

m ），沥青必须采用高黏度改性沥青 , 掺入适量的消石灰、纤维稳定剂。 其下必须设计防水层，并将雨水排除路基。

混合料 代号最大集料粒径

（ mm ）

高速公路、一级公路二级及二级以

下公路 适用层位沥青层厚

度（ cm ）三层式 两层式

特粗粒式 AM-40 37.5 AM-40 AM-40 调平层 8~10

粗粒式 AM-25 26.5 AM-25 AM-25 上基层 5~6

中粒式 AM-20AM-16

19.016.0

AM-20 下面层 4~5

细粒式 AM-13 13.2 AM-13 表面层 2.5~4

各类沥青碎石的的适用范围、层次和厚度

沥青碎石只用于二级及以下公路的下面层，基层或者调平层。 若用做表面层，则必须做下封层。

22 ）沥青碎石基层）沥青碎石基层 沥青碎石按空隙率大小可分为密级配、半开级配和开级配。密级配沥沥青碎石按空隙率大小可分为密级配、半开级配和开级配。密级配沥青碎石基层青碎石基层 ( ATB-25( ATB-25 、、 3030 、、 40)40) 、、半开级配沥青碎石（ AM）基层（承重、减反、排水）与开级配沥青碎石（ ATPB ）基层（排水）。

3）沥青玛蹄脂碎石混合料（ SMA） 沥青玛蹄脂碎石混合料（简称 SMA），是一种以

沥青、矿粉及纤维稳定剂组成的沥青玛蹄脂结合料（沥青胶浆），填充于间断级配的矿料骨架中，所形成的沥青混合料。

适用于高速公路、一级公路做抗滑表层使用，其厚度 3.5-4.0cm。

SMA—应选用磨光值大于 42 的硬质石料，最大粒径宜为 13mm或 16mm。应选针入度小、粘度较大的沥青，并宜采用改性沥青，油石比不宜小于 6.2% 。纤维稳定剂的用量，对木质素纤维和聚酯纤维为混合料总质量的 0.3% ，矿物纤维为混合料总质量的 0.4% 。

这种混合料多用作表面层，厚度 3-4cm，具有抗车辙、抗低温开裂、耐久性（抗疲劳）和抗滑性能好的优点。

4）多空隙沥青混合料 (SAC、 OGFC) 这种混合料由开级配集料与沥青拌和而成，压实后剩

余空隙率通常在 15 （ 18 ） %-25% 之间。 这种混合料多用于表面层，起排水、抗滑和降低噪声

的作用。厚度视集料级配而异，一般为 4.0cm左右。 5 ）沥青贯入碎石 沥青贯入碎石是在经过初步碾压的碎石 (或破碎砾石 )

上，浇灌沥青、撒布嵌缝料，经压实而成。用作沥青表面层时，在其表面可再铺筑热拌沥青混合料封层。

沥青贯入碎石面层适用于二级及二级以下公路的路面，也可用作沥青路面的基层。

沥青贯入式路面的厚度宜为 4-8cm，但乳化沥青贯入式路面的厚度不宜超过 5cm。当贯入层上部加铺拌和的沥青混合料面层时，总厚度宜为 7cm-10cm，其中拌和层的厚度宜为 3cm~4cm。

6）乳化沥青碎石混合料 这种混合料采用乳化沥青与矿料在常温状态下拌和而

成，压实后剩余空隙率在 10% 以上。它适用于三级以下公路的沥青面层、二级公路的罩面层以及各级公路沥青路面的联结层或整平层。

这种混合料用作面层时宜采用双层式，下层选用粗粒式沥青碎石混合料，上层选用中粒式或细粒式沥碎石混合料。单层式只宜在少雨、干燥地区或半刚性基层上使用；在多雨、潮湿地区必须做上封层或下封层。

7）沥青表面处治 沥青表面处治是集料和沥青按层铺或拌和方法施工

的薄面层。它适用于三级及三级以下公路、各级公路施工便道以及在旧沥青面层上加铺罩面式磨耗层。

层铺法可分为单层、双层、三层，厚度宜为 1.0cm~3.0cm。单层表处厚度为 1.0cm-l.5cm;双层表处厚度为1.5cm~2.5cm; 三层表处厚度为 2·5cm~3.0cm。施工时宜采用沥青洒布车及集料撒布机联合作业。拌和法沥青表面处治路面可采用热拌热铺或冷拌冷铺法施工，其厚度宜为 3m~4cm。施工时基层顶面应洒透层沥青或粘层，或做下封层，使面层与基层之间结合紧密，防止雨雪下渗。

8 ）微表处与稀浆封层

彩色沥青路面一例彩色沥青路面一例

2 、面层类型选择 面层类型的选择取决于公路等级和交通量，根据使用要求、设计年限内标准轴载的累计作用次数，以及筑路材料、施工机械设备等按表4-1-3 选用。 高级路面的设计年限是指在规定期限内满足预期累计标准轴次所需承载力，并允许在该期限内进行一次修复路表功能的大、中修 (罩面 ) 条件下，路面应具有的使用寿命。次高级路面或中、低级路面的设计年限，是指满足规定时间内预测标准累计轴次所需承载力，在小修保养的条件下，路面应具有的使用寿命。

公路等级 路面等级 面层类型 设计年限（年）

设计年限内设计车道的累计标准轴次

（ ×104 ）高速公路一级公路

高级路面 沥青混凝土 15 >400

二级公路高级路面 沥青混凝土 12 >200

次高级路面 热拌沥青碎石混合料、沥青贯入式 10 100~200

三级公路 次高级路面 乳化沥青碎石混合料、沥青表面处治 8 10~100

四级公路中级路面

水结碎石、泥结碎石、级配碎石、半整齐石块路面

5≤10

低级路面 粒料改善土 5

路面面层类型选择

3、面层厚度 沥青面层直接承受着车辆荷载的反复作用和各种气候条件的影响，它直接关系着路面是否能提供平整、坚实、抗滑、耐久、稳定的服务性能。

为保证沥青路面的使用性能和耐久性，沥青面层必须要有适当的厚度。半刚性基层上沥青面层的厚度应根据公路等级、交通量及其组成、沥青品种和质量以及气候条件，按照表 4-1 中的沥青层推荐厚度选用。各省、市修建的高速公路、一级公路，其交通量变化范围较大，交通组成也不相同 (现有高速公路和一级公路，每一车道的设计当量轴次可达 400-2700万次 )。沥青面层厚度的确定，应认真分析“工程可行性研究报告”所提供的资料，必要时应作补充交通量及轴载组成调查，经论证并结合当地实践经验确定适宜的厚度。

表 4-1

4、层间结合 设计时，需采取一定的技术措施，加强路面结

构各层之间的结合，提高路面结构整体性，应使各结构层之间不产生层间滑移。下列措施供设计参考。

（ 1 ）在沥青面层与半刚性基层或粒料基层之间用改性乳化沥青作一层稀浆封层（厚度 1－ 1.5cm），即加强层间粘结也起防水层作用。——黏层油

(2)在沥青面层与半刚性基层或粒料基层之间须洒透层沥青。透层沥青可用乳化沥青或稀释沥青。当半刚性基层表面过分干燥而出现细料松散时，应清除松散细料，并洒少量水，待表面稍干后再浇透层沥青。若基层表面细料较多，可均匀地撒少量石屑，待洒水碾压稳定后，再酒透层沥青。

透层沥青用量应根据基层类型而定，宜通过试洒确定，透层沥青不宜流淌，不能在基层表面形成油膜，最好是沥青透入基层表面 3~5mm。也可在半刚性基层上分两次洒乳化沥青，一次洒布量为 0.31/m2-0.51l/m2 ，再撒布 2m3/1000m2 ~3m3/1000m2

的粗砂或石屑，若有施工车辆通行，撒布量宜增加到3m3/1000m2 ~4m3/1000m2 。

(3)在多雨地区或多雨季节施工，宜用层铺法单层表处或沥青石屑混合料做下封层，以防止雨水渗入基层。

(4) 当沥青层由双层或三层组成时，若不能连续施工而沥青表面被污染或在旧沥青面层及水泥混凝土面层上加铺沥青层时，均应在该层上洒布粘层沥青。粘层沥青可用快裂沥青乳液，洒布量约为 0.4l/m2 一 0.7l/m2 。若要求层间结合良好，增加层间粘结强度可用改性乳化沥青。

二、基层与垫层二、基层与垫层1 、有机结合料稳定类： 乳化沥青碎石混合料、 沥青贯入式、热拌沥青碎石混合料

2 、无机结合料稳定类 水泥稳定类：各级公路的基层与底基层 石灰稳定类：各级公路底基层、二级及以下公路 的基层 工业废渣稳定类（石灰粉煤灰类、水泥粉煤灰

类、石灰煤渣类）：各级公路的基层与底基层

各种稳定细粒土均不能用于高级路面的基层。

二、基层与垫层二、基层与垫层3、粒料类 级配型 嵌锁型4、刚性基层 厚度 20 ～ 28cm, 最小厚度 15cm. 贫混凝土（水泥用量 8 ％～ 12 ％）集料最大粒径不应

大于 31.5mm。可掺入水泥质量 20 ％～ 40 ％的粉煤灰。

三、土基三、土基 1. 路堤填料最小 CBR值要求

填料最小强度（ CBR ） (%)

2．路基的最低回弹模量 E0 要求 为了保证路面的强度与稳定性，除加强路基排水外（使路基处

于干燥或中湿状态），可采用低剂量石灰稳定路基土上层或加设粒料垫层等技术措施进行综合处理，以改善路基水温状况，并保证处理后土基回弹模量不小于土基回弹模量不小于 30MPa30MPa ，对于重交通、特重交通公路（高，对于重交通、特重交通公路（高速公路和一级公路）的土基回弹模量值应大于速公路和一级公路）的土基回弹模量值应大于 40MPa40MPa。。

路面底面以下深度（ cm ）

高速公路、一级公路

二级公路 三级公路、 四级公路

0 ～ 30 8 6 5

30 ～ 80 5 4 3

第二节 我国公路沥青路面第二节 我国公路沥青路面 厚度设计方法 厚度设计方法

我国公路沥青路面设计方法采用 2006年由交通部发布的《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50-2006)。这一厚度设计方法适用于各级公路沥青路面新建和改建设计，以及四级公路中的中、低级路面设计。

一、设计标准 1 、为控制路基路面结构的总变形，防止沉降、车辙等整体强度不足的损坏，采用弯沉设计指标路基路面结构表面在双圆均布荷载作用下轮隙申心处的实测路表弯沉值 ls 小于或等于设计弯沉值 ld，作为确定沥青路面结构厚度的设计标准。也即，

ds ll

路面设计弯沉值 l d 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、设计年限内累计标准轴次、面层和基层类型，按下式计算确定 :

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标准轴次 ; A C —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、沥青表面处治为 1.1; 中、低级路面为 1.3;

Ab —基层系数，半刚性材料基层沥青路面 Ab =l.0; 柔性基层沥青路面 Ab=1.6。

bsced AAANl 2.0600

2 、为防止沥青混凝土或半刚性基层、底基层的疲劳开裂，采用拉应力指标—沥青混凝土面层或半刚性材料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 :

式中： σR—路面结构层的容许拉应力 (MPa)，按下列公式计算：

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；对水泥稳定类的材料龄期为 90d ，对二灰稳定类、石灰稳定类的材料龄期为180d 的劈裂强度 (MPa)；

Rm

S

SPR K

Ks—抗拉强度结构系数。

对于沥青混凝土面层：

其中 :Aa—沥青混合料级配的系数，细、中粒式 AC为 1.0 ，粗粒式 AC为 1.1 。（ 2006版规范全取 1.0 ）

无机结合料稳定集料：

无机结合料稳定细粒土：

贫混凝土基层（待）

ceas ANAK /09.0 22.0

Ces ANk /35.0 11.0

Ces ANk /45.0 11.0

Ces ANk /25.0 06.0

3、设计理论和方法 路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论，设计弯沉值为路面结构整体刚度的设计指标，计算路面结构所需的厚度。

对于高速、一级、二级公路的沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层还必须满足底拉应力的要求（双指标控制）。

计算路面厚度可采用多层弹性体系理论解的专用设计程序进行。

二、设计参数1 、交通资料：标准轴载、当量作用次数、设计年限内设

计车道的标准轴载累计作用次数 Ne

2 、路面材料设计参数：抗压回弹模量、劈裂强度、土基回弹模量

当路基建成后，应在不利季节实测各路段土基回弹模

量代表值以检验是否符合设计值的要求。若代表值小于设计值，应采取翻晒补压、掺灰处理等加强路基或调整路面结构厚度的措施，以保证路基路面的强度和稳定性。

三、路表弯沉值计算 将路面结构看成多层弹性体系，各层面之间的接触状况按连续体系处理。荷载图式为与双轮组相当的两个圆形均布荷载，其圆心距假定为 3 倍荷载圆半径 (如图 )。计算点的位置选在轮隙中心处 (图中 A点 )。

双轮轮隙中心点 (图中 A点 )的路表弯沉值按下式计算 :

式中： lS — 路面实测弯沉值 (0.01mm)； E。— 土基回弹模量值 (MPa)； E1 、 E2 、 En-1— 各层材料抗压回弹模量值 (MPa)； hi — 各结构层厚度； p 、 δ— 标准轴载的轮胎接地压强 (MPa)和当量圆半径 (cm)； αC—理论弯沉系数，可通过计算分析程序计算而得。

FE

pl Cs

01000

2

),.....,,......,(1

0

2

3

1

2121

n

nc E

E

E

E

E

Ehhhf

F — 弯沉综合修正系数，

半刚性基层沥青路面

柔性路面（待）

混合路面（待）

36.0038.0 )()2000

(63.1p

ElF s

53.0049.0 )()2000

(47.1p

ElF s

61.00 )2000

(45.1p

ElF s

四、沥青混凝土面层和半刚性材料层底面拉应力计算

沥青混凝土面层和半刚性材料层底面拉应力的计算图式，如图所示。计算点的位置为单圆中心点B 以及双圆间隙中心点 C，并取其中的最大值作为层底的最大拉应力。

验算层底拉应力采用弹性多层体系理论，层间接触条件为完全连续。双圆荷载作用下计算层底面的最大拉应力 σm按下式计算 :

σm=p. 式中 : ——理论最大拉应力系数，可通过计算分析程序计算而得。

)....,,....,(1

0

2

3

1

2121

n

nm E

E

E

E

E

Ehhhf

m

m

五、设计步骤 路面结构层所需厚度的确定，可参照下述步骤进行：

(1)根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型，计算设计年限内设计车道的累计标准轴次和设计弯沉值。

(2)按路基土类型和干湿类型，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)，确定各路段的土基回弹模量。

(3)根据当地的设计使用经验（可参考表 4·1·16和4·1·17中的推荐结构），拟定几种可能的路面结构层组合与厚度方案。根据选用的材料进行配合比试验，并测定各结构层材料的抗压回弹模量和抗拉强度，确定各结构层材料的设计参数。一般说来，设计时先选择某一层次作为厚度设计层，拟定面层和其他各层的厚度。

当采用半刚性基层和底基层结构时，可选任一层为设计层。当采用半刚性基层和粒料类材料为底基层时，应拟定面层和底基层厚度，以半刚性基层为设计层；当采用柔性基层和底基层的沥青路面时，宜拟定面层和底基层的厚度，求算基层所需厚度；当求得基层厚度太大时，可考虑选用沥青碎石或乳化沥青碎石做上基层，以减薄路面结构的总厚度，增加结构强度和稳定性。季节性冰冻地区的高级和次高级路面，所拟定的路面结构层组合和厚度方案应符合防冻层厚度的要求。

(4)根据设计弯沉值计算路面设计层所需的厚度。若不满足要

求，或调整路面结构层厚度，或变更路面结构层组合方案，或调整材料配合比，以提高其强度，再重新计算。上述计算过程，可采用按弹性多层体系理论编制的专用设计程序进行。

(5) 进行技术经济比较，确定采用的路面结构方案。

第二章 柔性路面改建设计 1.划分路段段落 2. 原路面当量回弹模量的计算

3.

第三章 美国第三章 美国 AASHTOAASHTO沥青路面沥青路面厚度设计方法厚度设计方法

一、设计指标： PSI—现时服务能力指数（使用性能指数）

PSI与平整度、开裂度、维修面积和车辙深度

的关系 (调查数据回归得到 )：

PSI 5-4 4-3 3-2 2-1 1-0

评价 非常好 良好 一般 坏 非常坏

221.001.0)1lg(91.103.5 DRPCVSPSI

二、设计参数：使用性能期和分析期、交通、可靠度参数、路基土有效回弹模量。

结构数

Di—各结构层的厚度， ai ——与各结构层材料类型和性质有关的层位系数 mi—相应为基层和垫层的排水系数。其中粒料基层与垫层的层位数与该材料的回弹模量有关： 粒料基层：

粒料垫层：

三、设计方法与步骤

iii mDaSN

977.0lg249.02 bsEa

839.0lg227.02 sbEa

阶段测试题阶段测试题

1 、路面按力学特性可分为几类，其力学特性如何？各采用何种设计理论？

2 、我国沥青路面的设计参数有哪些？3 、你对我国现行的沥青路面设计有何看

法？

第四篇 刚性路面路面设计第一节 结构组合设计

一、面层1 、普通水泥混凝土2 、碾压混凝土3、钢筋混凝土4、连续配筋混凝土5 、纤维混凝土（钢纤维）

面层类型 适用条件

连续配筋混凝土面层 高速公路

沥青上面层与连续配筋混凝土或横缝设传力杆的普通混凝土下面层组成的复合式路面

特重交通的高速公路

碾压混凝土面层 二级及二级以下公路、服务区停车场

钢纤维混凝土面层 标高受限制路段、收费站、混凝土加铺层和桥面铺装

矩形或异形混凝土预制块面层 服务区停车场、二级及二级以下公路桥头引道沉降未稳定段

其他面层类型选择

在混凝土中掺拌钢纤维，以提高混凝土的韧度和强度，减少其收缩量。钢纤维可以采用不同方式制造，如钢丝截断法、薄钢板剪切法、熔抽法和钢胚铣削法，相应地得到不同形状和横截面的纤维。前两种钢纤维所需的用量较大，体积掺量 (混凝土体积的百分率 )一般为 1.0%~1.2%(约 78kg-94kg纤维 /m3)。熔抽法主要生产不锈钢纤维。铣削纤维的掺量约为 30kg~60kg纤维 /m3。由于钢纤维混凝土的弯拉强度高于普通混凝土，所需的面层厚度薄于普通混凝土面层。但钢纤维混凝土的造价高，因而主要用作设计标高受到限制的旧混凝土路面上的加铺层，或者用作复合式混凝土面层的上面层。

除钢纤维外，在混凝土中尚可添加聚丙烯纤维或塑刚纤维。

二、土基 由于混凝土面层的刚度大，板体性强，具有良好的扩散荷载能力，传到土基顶面的荷载应力很小，一般情况下不会超过 0.07MPa。因而，对混凝土面层下的土基不要求强度高或承载力大。然而，由于混凝土是脆性材料，对土基变形的适应能力较差，因而更重要的是要求土基提供稳定而均匀的支承。

一般其强度要求为 E0>=25MPa。

三、基层

交通等级 基层类型

特重交通 贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土基层

重交通 水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层

中等或轻交通 水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料或级配粒料基层

适宜各交通等级的基层类型

基层的作用： (1)防止或减轻唧泥、错台和断裂病害的出现 ; (2) 改善接缝的传荷能力及其耐久性 ; (3)缓解土基不均匀冻胀或不均匀体积变形对混凝土面层的

不利影响 ; (4)为面层施工机械提供稳定的行驶面和工作面。 唧泥和错台是混凝土路面最主要的一种病害，它的产生须具备三个条件： a.混凝土板下存在自由水 ; b.重轴载的反复作用 ; c.细粒料的供给。 因此，为防止或减轻卿泥而设置的基层，必须具有足够的刚度以降低板边缘和角隅处的挠度量，同时应具有足够的耐冲刷性以减少细粒料的产生。

现行水泥混凝土路面设计规范中对基层顶面刚度 ( 当量回弹模量值 )所提出的最低要求，用于控制不同交通等级公路的基层类型选择。

基层顶面当量回弹模量 Et的最低要求 交通分级 特重 重 中等 轻

设计车道标准轴载（ 100KN ）

日作用次数

>1500

201~1500 5~200 ≤5

Et (MPa) 120 100 80 60

基层类型 厚度适宜的范围（ mm）贫混凝土或碾压混凝土基层 120 ～ 200

水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层 150 ～ 250沥青混凝土基层 40～ 60沥青稳定碎石基层 80～ 100级配粒料基层 150 ～ 200

多孔隙水泥稳定碎石排水基层 100 ～ 140沥青稳定碎石排水基层 80～ 100

各类基层厚度的适宜范围

第二节 接缝设计

一、板平面尺寸 按温度应力确定。板宽为一个车道的宽度，板长为 4~5米，不超过 6米。

二、接缝 按作用的不同，接缝分为：缩缝、胀缝和施工缝三类。 按构造的不同，接缝分为：平头缝、企口缝、假缝。 纵缝设置拉杆（螺纹钢筋）、横缝（除锯缝外）设置传

力杆（圆钢筋）。

其设置位置和构造应能实现三方面的要求 :

(1)控制温度伸缩应力和翘曲应力所引起的开裂出现的位置； (2)能提供一定的荷载传递能力 ;

(3) 防止路表水下渗和坚硬杂物贯入缝隙内（缝上部1/4h~1/5h 范围内填设填缝料）。 特殊部位的接缝布置（交叉口、与桥梁衔接处、构造物横穿公路）

第三节 配 筋 设 计

一、普通水泥混凝土面层 普通水泥混凝土面层在下述情况下需配置

钢筋，使板内裂缝不张开 :

(1) 非矩形板的锐角部分，在板上部配置角隅补强钢筋，距板顶面不小于 5cm[ 图 4-2-8(a)];

(2)有可能出现裂缝的板边缘部分 (如接缝错缝，接缝为无传荷能力的平缝等 )，在板下部配置边缘补强钢筋，距板底面不小于 5cm[ 图 4-2-8(b)];

(3) 板内有孔口时，在孔口周围布置双层钢筋网[ 图 4-2-8(c)];

(4)构造物横穿公路处，或者板下有可能出现局部不均匀沉降或塑性变形处，在面层板内配置单层(放在板上部 )或双层钢筋网 [ 图 4-2-8(d)] 。

二、钢筋混凝土面层 钢筋混凝土面层的配筋量，按混凝土收缩受板底摩阻约束而产生的拉应力大小，由下式确定：

式中： A s—每延米混凝土面层宽（或长）所需的钢筋面积（mm2 ）；

L—纵向钢筋时，为横缝之间或横缝与自由边之间的距离 (m);横向钢筋时，为纵缝之间或 纵缝与自由边之间的距离（m）。

μ— 面层与基层之间的磨阻系数，基层为水泥、石灰或沥青稳定粒料时，可取 1.8 ；基层为无结合料的粒料时，可取 1.5 ；

纵向和横向钢筋的直径差，应在 4mm以内。

16 ss

sy

L hA

f

钢筋最小直径和最大间距（ mm）

钢 筋 类 型 最 小 直 径 纵向最大间距 横向最大间距光面钢筋 8 150 300

螺纹钢筋 12 350 750

第四节 我国水泥混凝土路面厚度第四节 我国水泥混凝土路面厚度设计方法设计方法

我国水泥混凝土路面厚度设计方法，采用 2002 年由交通部发布的《公路水泥混凝土路面设计规范》 (JTG D40-2002)。这一厚度设计方法适用于普通水泥混凝土、钢筋混凝土和连续配筋混凝土面层。

一、设计标准 以混凝土面层板的疲劳断裂作为水泥混凝土

路面损坏的主要模式。以控制行车荷载反复作用在板内所产生的荷载疲劳应力 σpr与温度梯度反复作用在板内所产生的温度疲劳应力 σtr之和不大于混凝土的弯拉强度 fr，作为确定混凝土面层板厚度的设计标准。也即

γr（ σpr+ σtr） =frγr为可靠度系数。即为保证设计的结构具有规定

的可靠度，而在极限状态设计中采用的单一综合系数。

可靠度设计标准 公路技术等级 高速公路 一级公路 二级公路 三、四级公路目标可靠度

（ %）95 90 85 80

目标可靠指标 1.64 1.28 1.04 0.84

变异水平等级 低 低～中 中 中～高

变异水平等级 目标可靠度（ %）95 90 85 80

低 1.20~1.33 1.09~1.16 1.04~1.08 —中 1.33~1.50 1.16~1.23 1.08~1.13 1.04~1.07高 — 1.23~1.33 1.13~1.18 1.07~1.11

可靠度系数 γr

变异系数 cv的变化范围变异水平等级 低 中 高

水泥混凝土弯拉强度、弯拉弹性模量 cv≤ 0.10 0.10＜ cv≤ 0.15 0.15＜ cv≤0.20

基层顶面当量回弹模量 cv≤ 0.25 0.25＜ cv≤ 0.35 0.35＜ cv≤0.55

水泥混凝土面层厚度 cv≤ 0.04 0.04＜ cv≤0.06 0.06＜ cv≤0.08

荷载疲劳应力为—当量应力，它使混凝土面层产生的疲劳损耗，相当于标准轴载在临界位置上所产生的应力在设计使用期内引起的累计疲劳损耗。可以用计算式表示为 :

σpr=kckfkjσp s

式中： σp s—标准轴载在临界位置处产生的荷载应力，计算时末考虑接缝的传荷能力 (MPa); kj —考虑接缝传荷能力而对上述计算应力进行修正的应力折减系数 ;

kc—考虑超载和动载等因素的影响而对标准轴载进行修正的荷载安全系数 ; kf—考虑设计使用期内轴载应力累计疲劳损耗作用的荷载应力疲劳系数。

温度疲劳应力 σt是一个与不同温度梯度反复作用引起的累

积疲劳损耗等效的应力，它可用下式表述 :

σtr=ktσtm

式中： σtm—当地最大温度梯度作用下临界荷位处所产生的温度翘曲应力 (MPa)；

kt —考虑使用年限内不同温度梯度作用下的等效 (或

当量 ) 累计疲劳损耗的系数。 设计方法选用板纵缝边缘中点作为临界荷位，采用弹性半空间地基上的薄板理论和有限元法计算标准轴载在该处产生的最大荷载应力。 设计方法规定了混凝土路面的设计使用期分别为 30 年(特重和重交通时 )和 20 年 (中等和轻交通时）。

二、设计参数1 、交通

采用重量为 100KN的单轴轴载作为标准轴载，重量小于 40kN的轴载可略去不计。

使用初期设计车道上的日货车交通量和各级轴载的作用次数，可通过交通调查，并参照第二篇第一章第二节中所述的方法分析确定。

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进行轴载换算。

16

1 100

ni

s i ii

PN N

i——轴 -轮型系数，单轴 -双轮组时，为 1；

单轴 -单轮时

双 轴 -双轮组时

三轴 -双轮组时

3 0.432.22 10i iP

5 0.221.07 10i iP

8 0.222.24 10i iP

交通等级 特重 重 中等 轻设计使用期（ a） 30 30 20 20

使用初期设计车道标准铀载作用次数 (n/d)

>2000 2000~100 100~3

≤3

综合影响系数 KC 1.30 1.25 1.20 1.10

交通分级和综合影响系数

按使用初期设计车道的日标准轴载累计作用次数 NS ，将设计道路分为四级，见下表。

按所设计道路的交通等级，参照下表选取相应的荷载安全系数 (或称综合影响系数 KC)

2 、温度梯度 依据设计道路所在地的公路自然区划，参照表 2-2-6 确

定混凝土路面的最大温度梯度 Tg,m。

3、基层顶面当量回弹模量和计算回弹模量 (1) 新建公路时的基层顶面当量回弹模量 地基为由土基、垫层和基层组成的多层体系。 依据设计道路所在地的公路自然区划、路基土的类别、

路床表面下 80cm深度内土的平均稠度wc，查表确定土基的回弹模量值。

按所选垫层和基层的类型和混合料组成，通过室内试验或参照表确定相应的垫层和基层回弹模量值。

自然区划 II, V III IV,VI VII

Tg,m 0.83-0.88 0.90-0.95 0.86-0.92 0.93-0.98(℃/

cm)

由土基的模量及垫层的厚度和模量，利用双层体系理论解 (图 4-2-9)，确定垫层顶面的当量模量 Et。由此当量模量及基层的厚度和模量，再次利用图 4-2-9，确定基层顶面的当量回弹模量 Et 。

图 4-2-9 双层体系当量回弹模量计算图

(2) 改建公路时原路面顶面的当量回弹模量

在原路面的顶面，可通过承载板试验测定其当量回弹模量 Et值。或者，应用后轴轴载为 100kN的汽车进行回弹弯沉测定，由设计路段的计算回弹弯沉值，利用下述经验关系式转换为当量回弹模量值Et：

式中： —— 以后轴轴载为 100KN的汽车测得的计算 回弹弯沉值 (10-2mm)。

04.10

13739

lEt

0l

(3)基层顶面的计算回弹模量 Etc· 分析混凝土面层应力时采用的地基模量值，也即基层顶面

的计算回弹模量 Etc，利用下述经验关系式确定：

式中： n——模量经验修正系数（增大系数）。 计算荷载应力时，

式中： h —— 混凝土面层的厚度 (cm)； E。—— 混凝土的弹性模量 (MPa)。

计算温度应力时， n=0.35 。

ttc nEE

8.03 )(1078.1t

C

E

hEn

4、混凝土的设计弯拉强度和弹性模量 混凝土的设计强度以 28d龄期的弯拉强度为标准。如果混凝土浇筑后 90d 不开放交通，可采用 90d龄期的强度，其值约为 28d龄期强度的 1.1倍。

混凝土的弯拉弹性模量可通过试验测得。或者，参照与弯拉强度的经验关系式确定。下表中列出了与设计弯拉强度对应的弹性模量值。

尚可按下式计算并结合工程经验分析确定。 4458.0 1044.1 rc fE

交通等级 特重 重 中等 轻

水泥混凝土的弯拉强度标准值（ Mpa ）

5.0 5.0 4.5 4.0

钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（ Mpa ）

6.0 6.0 5.5 5.0

三、荷载疲劳应力计算1 、标准轴载产生的最大应力 σPS

标准轴载 (100kN)作用在板纵缝边缘中点 ( 临界荷位 )

处产生的最大应力 σPS ，可利用由有限元分析结果绘制成

的应力计算图 (下图 )或下式得： 260.0077.0 hrps

31

537.0

t

c

E

Ehr

临界荷位

混凝土板的相对刚度半径（ m）为：

h——混凝土板厚度（ m）；Ec——水泥混凝土弯拉弹性模量（ Mpa）；Et——基层顶面的当量回弹模量（ Mpa) 。

标准轴载作用于板纵缝边缘中部时的板内最大应力计算图

2 、应力折减系数 kj（与传荷能力有关）

纵缝为设置拉杆的平缝或缩缝时， kj=0.92~0.87；

纵缝为不设拉杆的平缝或缩缝时， kj=1.00 。

3、疲劳应力系数 kf

其中： v——与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土取 0.057；碾压混凝土和贫混凝土，取 0.065 。钢纤维混凝土按 计算，其中为 钢纤维的体积率（ %）。

vef Nk

f

ff d

l 017.0053.0

f

四、温度疲劳应力计算四、温度疲劳应力计算

1 、最大温度梯度作用下的温度应力 σtm

最大温度梯度作用下，考虑翘曲应力和内应力的最大温度应力 σtm，由下式确定：

式中： σtm——板边缘中点的最大温度应力 (MPa); αt——混凝土的线膨胀系数 (l/0c); Tg —— 面层板厚度为 22cm时的最大温度梯度 (0C/cm)，

按设计道路所在地的公路自然区划确定； BX——综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，

按板长与板相对刚度半径的比值 L/r 和板厚 h由下图确定。

xgcc

tm BhTE

2

温度应力系数 BX

2 、温度疲劳应力系数 Kt 考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 kt ，按下式确

定。

b

fa

fk

c

r

tm

tm

rt

式中 ： a、 b和 c——回归系数，按所在地区的公路自然区划查表。

系数公路自然区划

Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ

a 0.828 0.855 0.841 0.871 0.837 0.834

b 0.041 0.041 0.058 0.071 0.038 0.052

c 1.323 1.355 1.323 1.287 1.382 1.270

第五节 美国第五节 美国 PCAPCA水泥混凝土路面水泥混凝土路面厚度设计方法简介厚度设计方法简介

美国波特兰水泥协会（ PCA）在 1984年颁布了公路和街道水泥混凝土路面厚度设计方法。这是一种力学 -经验类的设计方法。

1. 理论基础 PCA 法应用文克勒地基上弹性薄板理论，考虑了水泥混凝土路面的使用年限、疲劳强度等多种因素，是一种比较完善的方法。荷载应力计算利用 westergaara 公式。

第五节 美国第五节 美国 PCAPCA水泥混凝土路面水泥混凝土路面厚度设计方法厚度设计方法

2. 设计参数：地基反应模量；水泥混凝土抗折强度 3. 重复荷载与疲劳强度：给出不同应力比的疲劳作用次

数 ４．设计标准：利用 miner 假设，即材料在重复荷载作

用下产生的疲劳呈线性积累，一个荷载重复作用后未耗尽的疲劳抗力仍可被另一个荷载重复作用时所利用。

1.1~0.12

2

1

1 ns

n

ss N

N

N

N

N

N

* 要求统招学生课后系统自学，全面了解 PCA 设计方法

学习考核方法学习考核方法

1 、研究生课程进修班的同学只参加笔试即可，最后由研究生部统一安排时间考试。

2 、统招研究生除参加笔试外，每人必须提交 10000字以上的文献综述报告（学习论文）。3、笔试范围以讲课内容为标准。