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1、路面施工技术 学习情境1 公路路面结构图识读与设计目 录1.1公路路面结构图的识读1.2沥青路面的设计1.3水泥混凝土路面的设计学习描述【知识目标】了解路基和路面的基本概念及对路面的基本要求；熟悉路面结构层次的划分；了解路拱横坡与路面排水结构；了解路面的分级与分类。【能力目标】 能读懂公路路面结构图。【技术规范】 公路工程技术标准（jtg b012003）。任务1.1 公路路面结构图的识读 任务1.1 公路路面结构图的识读 学习任务1 在“路基施工技术”课程中，我们已经学习了路基路面的一些基本概念，这里复习一下路基、路面、路床、上路堤、下路堤的概念及路基标准横断面图。1.1.1对路面的基本要求
2、在“路基施工技术”课程中，我们已经学习了路基路面的一些基本概念，这里复习一下路基、路面、路床、上路堤、下路堤的概念及路基标准横断面图。路基和路面是公路的主要工程结构物。路基是在天然地表面按照路线的设计线性（位置）和设计横断面（几何尺寸）的要求开挖或填筑而成的岩土结构物，是路面的基础，承受由路面传来的行车荷载。路面是在路基顶面的行车部分用各种混合料分层铺筑的供车辆行驶的一种层状结构物。任务1.1 公路路面结构图的识读任务1.1 公路路面结构图的识读路床：路面结构层底面以下0.8 m范围内的路基部分称为路床。路床分为上路床（00.3 m）和下路床（0.30.8 m）两层。上路堤：路面结构层底面以下
3、0.81.5 m的填方部分称为上路堤。下路堤：上路堤以下的填方部分称为下路堤。高速公路、一级公路的路基宽度一般是由车道、中间带和路肩组成的，如图1-1所示。 二、三、四级公路的路基宽度一般是由车道和路肩组成的，如图1-2所示。任务1.1 公路路面结构图的识读图1-1 高速公路、一级公路路基标准横断面图1-2 二、三、四级公路路基标准横断面 任务1.1 公路路面结构图的识读 学习任务2某二级公路，设计车速为60 km/h，按公路工程技术标准（jtg b012003）中表3.0.2、表3.0.51、表3.0.11确定车道宽度、车道数、硬路肩宽度、土路肩宽度、路基宽度，并将数值填入表1-1中。 任务
4、1.1 公路路面结构图的识读注1：表格中的已有数据为已知条件。注2：公路等级、设计速度、路基宽度、车道数等技术指标应满足公路工程技术标准（jtg b012003）和公路路线设计规范（jtg d202006）的规定，需通过对通行能力及服务水平的分析来评价技术指标的选择是否合理。 任务1.1 公路路面结构图的识读 学习任务3公路沿线地形起伏，地质、地貌、气象特征多变，为了保证汽车能全天候地在路面上快速、安全、舒适地行驶，需要对路面做出以下基本要求。任务1.1 公路路面结构图的识读1.1.具有足够的承载力具有足够的承载力行驶在公路上的汽车，通过车轮把垂直力、水平力以及汽车产生的振动力和冲击力传给路面
5、，使路面结构内部产生应力、应变和位移。如果路基和路面结构整体或某一组成部分的强度或抵抗变形的能力不足，路面就会出现断裂、沉陷、波浪或车辙等病害，影响路基、路面的正常使用。在路基和路面交工验收时，一般情况下，柔性材料（如级配碎石、沥青混凝土）用弯沉表示承载力，刚性材料（如水泥混凝土）、半刚性材料（如无机结合料稳定材料）用强度表示承载力。任务1.1 公路路面结构图的识读2.2.具有足够的稳定性具有足够的稳定性路面结构的稳定性是指路面结构在水和温度等自然因素的作用下，能较好地保持其工程设计要求的几何形态及物理、力学性能。路面结构的稳定性主要包括整体稳定性、水稳定性、温度稳定性（高温稳定性或低温稳定性
6、）等。气温的周期性变化对路面结构的稳定性有重要影响。高温季节沥青路面因软化，会在车轮荷载的作用下产生较大的变形。水泥混凝土路面面板在高温季节会翘曲变形，在车轮荷载的反复作用下，容易产生裂缝或造成断板。北方在低温冰冻季节，沥青路面、水泥混凝土路面、半刚性基层由于低温会产生大量收缩裂缝。任务1.1 公路路面结构图的识读3.3.具有足够的表面平整度具有足够的表面平整度路面表面平整度是影响行车安全、行车舒适性及运输效益的重要使用性能。不平整的路面表面会增大行车阻力，并使车辆产生附加的振动作用。这种振动会造成行车颠簸，影响行车的速度和安全、驾驶的平稳和乘客的舒适感。此外，不平整的路面还会积滞雨水，加速路
7、面的破坏。优良的路面平整度，要依靠优良的施工装备、精细的施工工艺、严格的施工质量控制以及经常和及时的养护来保证，路基交工验收要验收平整度，路面的所有结构层次均要验收平整度。任务1.1 公路路面结构图的识读4.4.具有足够的表面抗滑性能具有足够的表面抗滑性能路面表面要求平整，但不能光滑。汽车在光滑的路面上行驶，车轮与路面之间缺乏足够的附着力（摩擦力），在雨天高速行车，当紧急制动或突然起动、爬坡或转弯时，车轮易产生空转或打滑，致使行车速度下降，油料消耗增加，甚至引发交通事故。沥青路面表面的抗滑能力通常选用坚硬、耐磨、表面粗糙的粗集料来实现，而对水泥混凝土路面则会采取一些工艺性措施（如刻槽）来实现。
8、任务1.1 公路路面结构图的识读5.5.具有足够的耐久性具有足够的耐久性路面结构在行车荷载和冷热、干湿气候因素的多次重复作用下，路面材料会产生老化衰变，路面的使用性能将逐步降低，从而逐渐产生疲劳破坏和塑性形变累积，缩短路面的使用年限。因此，路面结构必须具备足够的抗疲劳强度及抗老化和抗累积形变的能力，以保持或延长路面的使用寿命。为了提高路面的耐久性，除了精心设计、精选材料和精细施工外，经常和及时地养护、维修和恢复路用性能也是十分必要的。任务1.1 公路路面结构图的识读6.6.具有尽可能低的扬尘性具有尽可能低的扬尘性车身后面所产生的真空吸力会将路表的细小颗粒吸出而造成尘土飞扬，导致路面出现松散、脱
9、落和坑洞等破坏。路面扬尘会影响行车视距，降低行车速度，给沿线环境卫生带来不良影响。因此，要求路面在行车过程中应尽量减少扬尘。 任务1.1 公路路面结构图的识读1.1.2路面的结构层次 学习任务4按照各个层位功能的不同，路面结构层一般可划分为哪些层次？各层次的功能要求及常用的材料是什么？为了适应这一特点，路面结构通常是分层铺筑的，即按照使用的要求、受力状况、土基支撑条件和自然因素影响程度的不同分成若干层次。按照各个层位功能的不同，路面结构层一般可划分为面层、基层、底基层和垫层等多层，如图1-3所示。 任务1.1 公路路面结构图的识读图1-3 路面结构层次 任务1.1 公路路面结构图的识读1.1.
10、面层面层面层是直接承受车轮荷载的反复作用和自然因素影响的结构层，它承受较大的行车荷载的垂直力、水平力和冲击力的作用，同时还受到雨水侵蚀和气温变化的影响。因此，面层应具备较高的结构强度、抗变形能力、较好的水稳定性和温度稳定性，而且应当耐磨、不透水；其表面还应具有良好的抗滑性和平整度。修筑面层所用的材料主要有水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎（砾）石、砂砾（碎石）掺土（或不掺土）的混合料及块料等。路面面层的材料类型及适用范围见表1-2。 任务1.1 公路路面结构图的识读 任务1.1 公路路面结构图的识读2.2.基层与底基层基层与底基层基层主要承受由面层传来的车辆荷载的垂直力，并将力扩散到下面的垫层和土
11、基中。当基层太厚时，为保证工程质量，可将其分为两层或三层铺筑。当采用不同材料修筑基层时，下层为底基层。当底基层为双层时，可分别称为上底基层、下底基层。修筑基层和底基层的材料主要有各种结合料（如石灰、水泥、沥青等）稳定土或稳定碎（砾）石、贫水泥混凝土、天然砂砾、碎石、砾石、片石、块石，各种工业废渣（如煤渣、粉煤灰、矿渣、石灰渣等）和土、砂、石所组成的混合料等。常用的基层和底基层类型见表1-3。 任务1.1 公路路面结构图的识读 任务1.1 公路路面结构图的识读3.3.垫层垫层垫层是设置在基层（或底基层）和土基之间的结构层，它的主要作用体现在两个方面：一方面是改善土基的湿度和温度状况，以保证面层及
12、基层的强度、刚度和稳定性不受土基水温状况变化的影响；另一方面是将基层传来的车辆荷载应力加以扩散，以减少土基产生的应力和变形，同时也能阻止路基土挤入基层中影响基层结构的性能。垫层应具有排水、隔水、防冻、防污等功能，故对修筑垫层所用材料的强度要求并不是很高，但要求其水稳定性和隔温性能要好。垫层常用的材料有两类。 任务1.1 公路路面结构图的识读图1-4 高速公路、一级公路路面的边缘构造（尺寸单位：cm） 1路缘石； 2面层； 3基层； 4底基层 任务1.1 公路路面结构图的识读图1-5 某四车道高速公路沥青路面结构（尺寸单位：cm） 任务1.1 公路路面结构图的识读 学习任务5图1-5是某四车道高
13、速公路的路面结构，设计速度为100 km/h，问：路面的结构层次有哪些？各结构层次用的是什么材料？按公路工程技术标准（jtg b012003）中表3.0.2、表3.0.4、表3.0.5-1、表3.0.11校核该路面结构图中土路肩、行车道、硬路肩及路缘带宽度，计算图1-5中路面各结构层的宽度。 任务1.1 公路路面结构图的识读在图1-5中，路面的结构层次有面层、基层、底基层。面层是沥青混凝土，分上、中、下三层铺筑，表面层是ac-13c、中面层是ac-20、下面层是ac-25；基层材料是水泥稳定碎石；底基层材料是级配碎石。在图1-5中，路面边缘构造为外侧设50 cm宽的浆砌片石护肩，内侧面层外设1
14、4 cm宽的路缘石，路缘石外侧设10 cm宽的平台，基层与底基层间设15 cm的宽平台，基层、底基层放坡坡度为10.6，基层的厚度为36 cm，底基层的厚度为20 cm，故基层底面比顶面宽360.6=21.6 cm，底基层底面比顶面宽200.6=12 cm。路面各结构层的宽度计算如下：ac13c沥青混凝土表面层、ac20沥青混凝土中面层、ac25沥青混凝土下面层的宽度均为 1 125cm 任务1.1 公路路面结构图的识读关于路面结构层工程量的计算，当以面积为单位时，设计图纸一般按结构层断面中面积（层顶与层底的平均面积）计算，公路工程预算定额（上册、下册）（jtg/t b06022007）和公路
15、工程概算定额（上、下）（jtg/t b06012007）交底说明中规定：“路面面层的碾压面积按该面层的顶面面积计算。”原交通部公路工程定额站2007版公路工程定额应用释义中规定：“道路垫层、基层、面层以面积为单位时均以各结构层设计顶面面积计算，其放坡工程量定额中已考虑；按体积为单位时应按路面实体体积计算。在实际施工计量中，许多计量单均按结构层断面中面积计量，导致多计，在审计时应予扣减。” 任务1.1 公路路面结构图的识读1.1.3路面的排水路面要有完善的排水设施，否则路面会发生水损害。水损害是指沥青路面在有水的条件下，经受交通荷载和温度胀缩的反复作用，沥青膜在动水压力的作用下逐渐从集料表面剥离
16、，沥青路面逐步出现麻面、松散、掉粒乃至坑槽的损坏现象，如图1-6所示。 任务1.1 公路路面结构图的识读图1-6 路面水损害 任务1.1 公路路面结构图的识读1.1.路拱及路拱横坡度路拱及路拱横坡度 学习任务6什么是路拱？选择路拱横坡度时应考虑哪些因素？在图1-5中，路拱横坡度为多少？为了保证路面上的雨水能够被及时排出，减少雨水对路面的浸润和渗透，从而保证路面的结构强度，路面表面应做成中间高、两侧低的形状，称之为路拱，如图1-3所示。在横断面上，路拱常采用直线形（直线-直线）和直线抛物线组合线形（直线-抛物线-直线）两种形式。 任务1.1 公路路面结构图的识读2.2.路面排水结构路面排水结构
17、学习任务7路面排水的目的是什么？并识读图1-5中的路面排水设施。路面排水的目的是迅速排除路面表面的大气降水和渗入路面结构中的水，防止水对路面结构层造成损害（水损害），确保路面结构的强度和稳定性。路面排水设计应根据公路等级、降水量、路线纵坡等因素，结合路基、桥涵结构物的排水设计，合理选择排水方案，布置排水设施，形成完整、畅通的排水体系，保证路基和路面的稳定。路面排水包括路面表面排水、中央分隔带排水及路面内部排水。 任务1.1 公路路面结构图的识读路面表面排水常采用分散排水和集中排水两种形式。分散排水由路面横坡、路肩和边坡防护组成，适用于路线纵坡平缓、汇水量较小、路堤高度较低的路段。集中排水由路面
18、横坡、拦水缘石或矩形槽、泄水口和急流槽组成，适用于路堤高度较高或路堤边坡易受冲刷的粉性土、砂性土路段及凹形曲线的底部等。1）路面表面排水 任务1.1 公路路面结构图的识读图1-7 超高段集中排水对于新建高速公路超高段的集中排水，宜采用在左侧路缘带的左侧设置带有钢筋混凝土盖板的预制整体式u形混凝土沟或缝隙式排水沟，每2550 m设一处集水井，并通过横向排水管引至边坡的急流槽或暗管中，如图1-7所示。 任务1.1 公路路面结构图的识读图1-8 中央分隔带排水(尺寸单位:cm)中央分隔带的排水设施由排水沟（明沟、暗沟）、渗沟、雨水井、集水井、横向排水管等组成。中央分隔带可采用凸式（见图1-8）、平式
19、或凹式，一般不封闭，但也可封闭。2）中央分隔带排水 任务1.1 公路路面结构图的识读图1-9 边缘排水系统（尺寸单位：cm）（1）路面边缘排水系统由纵向排水管、横向出水管、集水沟和反滤织物（土工布）等组成，如图1-9所示。3）路面内部排水 任务1.1 公路路面结构图的识读图1-10 排水基层（2）排水基层。当路面内部可能出现自由水滞留时，可采用沥青碎石或骨架空隙型水泥稳定碎石或级配碎石做排水基层。纵向集水沟可设在面层边缘外侧、路肩下或路肩边缘外侧，如图1-10所示。集水沟中的填料应采用与排水基层相同的透水性材料。水沟的下部设置带槽口或圆孔的纵向排水管，并间隔适当距离设置不带槽孔的横向出水管。任
20、务1.1 公路路面结构图的识读图1-11 排水垫层（3）排水垫层。为拦截地下水、滞水或泉水进入路面结构，或排出因负温差作用而积聚在路基上层的自由水， 可直接在路基顶面设置透水性排水垫层，并适当配置纵向集水沟、排水管或出水管等，如图1-11所示。任务1.1 公路路面结构图的识读1.1.4路面的分级与分类1.1.路面的分级路面的分级 学习任务8路面等级分为哪几级？水泥混凝土、沥青混凝土、沥青贯入式、沥青表面处治各属于什么等级的路面？任务1.1 公路路面结构图的识读路面等级分为高级、次高级、中级和低级，不同路面等级的面层类型和所适用的公路等级见表1-5。任务1.1 公路路面结构图的识读2.2.路面的
21、分类路面的分类 学习任务9学习路面的分类。半刚性路面半刚性路面刚性路面刚性路面柔性路面柔性路面1)2)3)在路面设计中，从路面结构的力学特性出发，可路面分为三类型。任务1.2 沥青路面的设计1.2.1沥青路面设计的力学模型按照公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第8.0.1条规定，沥青路面结构设计的力学模型为双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系，如图1-12所示。图1-12 路面荷载及计算点图示1.1.标准轴载标准轴载 学习任务10学习标准轴载bzz-100的计算参数，计算校核标准轴载bzz-100的当量圆直径d，并填入表1-7中。任务1.2 沥青路面的设计将双轮轮印的面积相加，
22、转化为一个等值当量圆，称为单圆图式，如图1-13（a）所示；将双轮的每个轮印分别转化为一个小圆，称为双圆图式，如图1-13（b）所示。公路沥青路面设计规范（jtg d502006）规定采用双圆荷载计算图式。任务1.2 沥青路面的设计图1-13 荷载计算图示任务1.2 沥青路面的设计公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第3.1.1条规定：路面设计采用双轮组单轴载100 kn作为标准轴载，以bzz-100表示。标准轴载的计算参数按表1-6确定。2.2.弹性层状连续体系弹性层状连续体系 学习任务11理解弹性体系、层状体系、连续体系的含义。任务1.2 沥青路面的设计（1）弹性体系。弹性体系是
23、指沥青路面设计用弹性力学进行计算。（2）层状体系。层状体系是指沥青路面由不同的路面结构层次组成。（3）连续体系。连续体系是指应加强路面各结构层之间的结合，提高路面结构的整体性，避免产生层间滑移。3.3.设计指标与验算要求设计指标与验算要求 学习任务12学习沥青路面的设计指标及验算要求。任务1.2 沥青路面的设计如图1-12所示，弹性层状连续体系在标准轴载bzz-100的作用下，轮隙中点a处会产生向下的竖向回弹变形，称为计算弯沉值ls（单位为0.01 mm）；沥青层、半刚性基层、半刚性底基层的层底b、c处（在当量圆圆心、轮隙中点下面）会产生较大的拉应力m。任务1.2 沥青路面的设计计算弯沉值ls
24、越大，表明该路面结构的整体刚度（承载力）越低，设计要求是轮隙中心处（a点）路表的计算弯沉值ls应小于或等于设计弯沉值 ld。设计弯沉值 ld 的计算公式为任务1.2 沥青路面的设计极限劈裂强度，对沥青混凝土来说，是指15 时的极限劈裂强度；对水泥稳定类材料来说，是指龄期为90 d的极限劈裂强度；对二灰稳定类、石灰稳定类材料来说，是指龄期为180 d的极限劈裂强度；对水泥粉煤灰稳定类材料来说，是指龄期为120 d的极限劈裂强度。 学习任务13沥青路面的主要承重层为哪层？次承重层为哪层？任务1.2 沥青路面的设计公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第4.1.1条规定：基层是主要承重层,底
25、基层是次承重层。任务1.2 沥青路面的设计沥青路面设计时，可选用基层或底基层为设计层，当路表面计算弯沉值大于设计弯沉值时，要增加设计层的厚度直到满足要求为止，即设计弯沉值为沥青路面结构设计的控制性指标，可先由路表面计算弯沉值 ls等于设计弯沉值ld来反算设计层厚度，然后验算各路面结构层的层底拉应力，若层底拉应力m大于容许拉应力r，则可增加设计层的厚度直到满足要求为止，或重新进行材料组成设计或更换材料以提高容许拉应力。综上所述，在进行沥青路面结构设计时，首先应进行交通量与交通等级的计算，然后进行结构组合设计初拟路面结构方案（确定各结构层次的材料、厚度、回弹模量），再用弹性力学计算软件（如hpds
26、 2011）进行沥青路面厚度的计算。1.2.2交通量与交通等级1.1.路面交工后（营运）第一年的交通量路面交工后（营运）第一年的交通量 学习任务14案例1的案例表1、案例表2中为什么没有小轿车？任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计“公路勘测设计”课程研究几何线性设计，将所有交通量换算为小客车的年平均日交通量，然后按公路路线设计规范（jtg d202006）确定公路等级、设计速度、车道数、路面宽度等，若交通量预测不合理，则会出现交通阻塞。“路面施工技术”课程是研究路面结构设计，通过交通调查得出路面交工后（营运）第一年的交通组成以及设计年限内交通量的增长情况。将车辆的前轴、后轴的交
27、通量换算为bzz100的累计作用次数，在换算中发现，四轮及四轮以下的车（如小汽车等）影响较小，而轴载越重的车影响越严重。因此，在进行路面结构设计时，对交通量的计算只需考虑四轮及四轮以上的车型，在公路建成后要严格治理超载问题。2.2.累计当量轴次的确定累计当量轴次的确定 学习任务15学习累计当量轴次ne的计算，练习用excel计算案例1中的案例表3案例表6，提高excel的操作水平。任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计（1）累计当量轴次ne。累计当量轴次是指在设计年限内，考虑车道系数后，一个车道上的当量轴次总和。其计算公式为任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计累计
28、当量轴次ne的计算思路如下。将各车型的前轴、后轴分别按式（1-8）式（1-11）换算为当量轴次，再求和得到通车第一年双向日平均当量轴次n1。注意：换算公式有两组，即式（1-8）、式（1-9）与式（1-10）、式（1-11），要知道两组公式的适用范围及区别。按式（1-12）将通车第一年双向日平均当量轴次n1换算为设计年限内一个车道上的当量轴次总和ne。任务1.2 沥青路面的设计（2）当量轴次。当量轴次是指按弯沉等效或拉应力等效的原则，将不同车型、不同轴载作用次数换算为与标准轴载100 kn相当的轴载作用次数。当以设计弯沉值和沥青层的层底拉应力为指标时，各级轴载均应按式（1-8）换算成标准轴载p的
29、当量轴次n。当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时，各级轴载均应按式（1-10）换算成标准轴载p的当量轴次n。3.3.交通等级的确定交通等级的确定 学习任务16学习交通等级的确定方法，并对案例1中的交通等级进行校核。任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计交通量宜根据表1-10的规定划分为四个等级。设计时可根据累计当量轴次ne或每车道、每日平均大型客车及中型以上的各种货车的交通量，选择一个较高的交通等级作为设计交通等级。1.2.3沥青路面结构层与组合设计1.1.结构组合设计理论结构组合设计理论沥青路面设计力学模型采用弹性层状连续体系，要进行结构组合设计，使沥青路面各结构层的材料强度搭
30、配合理，各结构层的厚度满足施工要求，并应进行层间组合设计以避免出现层间滑移，抑制反射裂缝的出现及防止早期水损害。任务1.2 沥青路面的设计 学习任务17沥青路面的结构层次有哪些？垫层有什么作用？任务1.2 沥青路面的设计公路沥青路面设计规范（jtg d50-2006）第4.1.1条规定：沥青路面结构层可由面层、基层、底基层、垫层等多层结构组成。其中，垫层是设置在底基层与土基之间的结构层，具有排水、隔水、防冻、防污等作用。在进行沥青路面设计时，往往按经验拟定路面的结构层次、材料、厚度，然后按力学模型进行验算，当验算通不过时，可增加承重层（基层）或次承重层（底基层）的厚度。1）沥青路面的结构层次
31、学习任务18为什么在进行结构组合设计时，材料强度应自上而下地降低？任务1.2 沥青路面的设计由于车辆荷载的影响会随着深度的增加而减小（荷载应力如图1-14中的曲线1所示），考虑到经济性，可将路面划分为不同的层次并使各层的强度自上而下依次降低（如图1-14中的曲线2所示）。图1-14 应力与强度随深度的变化任务1.2 沥青路面的设计 学习任务19学习沥青面层类型的选择，并检查图1-5中的面层类型选择是否合理。公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第4.1.2条规定：面层类型应与公路等级、使用要求、交通等级相适应。热拌沥青混凝土可用于各级公路的面层；沥青表面处治、贯入式沥青碎石可用于三级、
32、四级公路的面层。任务1.2 沥青路面的设计 学习任务20在进行半刚性基层沥青路面的结构组合设计时，对相邻各层的模量比有何要求？沥青层的回弹模量一般小于半刚性基层的回弹模量，当沥青层处于受压状态或出现较小拉应力时，半刚性基层主要承受拉应力。上、下层间的模量比越小，随着沥青层剪应力的增大，下层的拉应力就越大，故半刚性基层的刚度不宜太大。公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第4.2.2条规定：基层与沥青面层的模量比宜为1.53.0；基层与底基层的模量比不宜大于3.0；底基层与土基的模量比宜为2.512.5。任务1.2 沥青路面的设计（1）反射裂缝。在已经开裂的老沥青路面、半刚性基层上或者在
33、开裂或有接缝的老水泥混凝土路面上加铺沥青路面面层后，原先的裂缝或接缝会在新铺沥青面层的相同位置处出现，这种裂缝称为反射裂缝。任务1.2 沥青路面的设计2）层间结合 学习任务21半刚性基层沥青路面可采取哪些措施来减少反射裂缝？在半刚性结构层上辅沥青面层时，由于半刚性结构层材料的干缩和温缩开裂会导致面层相应地出现反射裂缝，因此工程中应采取相应的技术措施防止该裂缝的出现。若沥青层与其下承层之间的接触面处于浸水状态，则可能导致界面产生滑移，上层底面会出现比连续状态大12倍的拉应力。任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第4.2.6条对半刚性基
34、层沥青路面减少收缩开裂和反射裂缝的措施做出以下规定。选用骨架密实型半刚性基层，严格控制细料含量、结合料剂量、含水量，及时养生。适当增加沥青层的厚度，在半刚性材料层上设置沥青碎石或级配碎石等柔性基层。在半刚性基层上设置改性沥青应力吸收膜、应力吸收层或铺设经实践证明有效的土工合成材料等。（2）层间滑移。透层、黏层、封层的概念详见任务4.3。 学习任务22学习透层、黏层、封层的作用。公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第4.2.7条规定：设计时应采取技术措施，加强路面各结构层之间的结合，提高路面结构的整体性，避免产生层间滑移。任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计各种基层上宜
35、设置透层沥青。在半刚性基层上应设下封层。沥青层之间应设黏层。黏层沥青可用乳化沥青、改性乳化沥青或热沥青，洒布数量宜为0.30.6 kg/m2。新、旧沥青层之间，沥青层与旧水泥混凝土板之间应洒布黏层沥青。拓宽路面时，新、旧路面接槎处，宜喷涂黏结沥青。双层式半刚性材料基层宜采用连续摊铺、碾压工艺，增强层间结合，以形成整层。任务1.2 沥青路面的设计2.2.初拟路面结构初拟路面结构1）路基与垫层（1）路基。公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第5.1.1条规定：设计时，宜使路基处于干燥或中湿状态，土基回弹模量值应大于30 mpa，重交通、特重交通公路土基回弹模量值应大于40 mpa。 学习
36、任务23学习对路基回弹模量的要求，校核案例1中路基的回弹模量是否满足规范的规定。任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计材料的回弹模量是反映材料强度的设计指标，回弹模量越大，材料强度越高。若现场实测路基回弹模量代表值小于设计值，则应采取翻晒补压、掺灰处理或调整路面结构厚度等措施，以保证路基路面的强度和稳定性。（2）垫层。公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第4.2.5条规定：为排除路面、路基中滞留的自由水，确保路面结构处于干燥或中湿状态，下列情况下的路基应设置垫层。 学习任务24沥青路面在什么情况下要设置垫层？案例1中为什么没有设置垫层？任务1.2 沥青路面的设计地下水位
37、高，过湿状态的路段。排水不良的土质路堑，水文不良的岩石挖方路段。季节性冰冻地区的中湿、产生冻胀需设防冻垫层的路段。基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。任务1.2 沥青路面的设计路面结构层的最小防冻厚度见表1-11。任务1.2 沥青路面的设计对于案例1，因路基处于中湿状态，且不考虑防冻要求，故不需要设置垫层。2）各结构层的厚度、回弹模量、劈裂强度（1）沥青混合料面层的厚度。 学习任务25检查案例1的案例表7中各面层的厚度是否合理。沥青层的厚度应与沥青混合料的公称最大粒径相匹配，一般沥青层的压实最小厚度不宜小于混合料公称最大粒径的2.53倍；对sma和ogfc等嵌挤型沥青混合料，其一层压实最
38、小厚度不宜小于公称最大粒径的22.5倍。任务1.2 沥青路面的设计2）各结构层的厚度、回弹模量、劈裂强度（1）沥青混合料面层的厚度。任务1.2 沥青路面的设计如沥青面层的施工厚度偏小，则施工过程中混合料容易离析，而且碾压时石料会严重压碎，这样不仅达不到增强抗车辙能力的目的，而且还会造成沥青面层透水，导致局部早期水损坏。 公路沥青路面设计规范（jtg d502006）中的表4.1.3规定了沥青混合料、贯入式沥青碎石、沥青表面处治的结构层压实最小厚度与适宜厚度，见表1-12。适宜厚度是从发挥机械摊铺效能和碾压密实的角度考虑，以利于提高沥青层的耐久性、水稳定性，防止水损害。任务1.2 沥青路面的设计
39、 学习任务26检查案例1的案例表7中的基层、底基层厚度是否合理？目前，我国沥青路面广泛采用半刚性材料作为基层、底基层。半刚性材料一层的压实最小厚度不得小于150 mm，一层的压实厚度宜为180200 mm。在设计时应避免设置过厚或过薄的基层或底基层。任务1.2 沥青路面的设计（2）基层、底基层、垫层的厚度。任务1.2 沥青路面的设计公路沥青路面设计规范（jtg d502006）的表4.1.5中推荐了半刚性材料、刚性材料、粒料类材料结构层的压实最小厚度与适宜厚度，见表1-13。 学习任务27学习路面各结构层材料回弹模量、劈裂强度的确定方法及适用条件。说出案例1的案例表8中的沥青混凝土在15 和2
40、0 时平均抗压模量的适用条件。材料回弹模量与沥青路面的承载力密切相关，是表示材料强度大小的设计参数。劈裂强度用来确定各结构层容许拉应力，是进行各结构层层底拉应力验算的设计参数。任务1.2 沥青路面的设计（3）回弹模量、劈裂强度的确定。任务1.2 沥青路面的设计公路沥青路面设计规范（jtg d502006）第8.0.7条规定：路面设计中各结构层的材料设计参数应根据公路等级和设计阶段的要求确定。高速公路、一级公路施工图设计阶段应选取工程用路面材料实测设计参数；各级公路采用新材料时，也必须实测设计参数。高速公路、一级公路初步设计阶段或二级及其以下公路施工图设计阶段可借鉴本地区已有的试验资料或工程经验
41、确定。可行性研究阶段可根据附录e确定设计参数，见表1-14和表1-15。任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计1.2.4新建沥青路面的厚度设计1.1.设计弯沉值设计弯沉值 学习任务28什么是弯沉？请确定案例1的设计弯沉值，校核案例1中案例表9数据的正确性。任务1.2 沥青路面的设计弯沉是指在bzz-100的作用下，轮隙中点处的向下变形。通常,弯沉越大，路面结构的塑性变形也越大（刚度差），同时抗疲劳性能越差，难以承受重交通量；反之，路面结构的抗疲劳性能越好，越能承受较重的交通量。因此，在bzz-100作用下轮隙中点的计算弯沉值必须要小于或等于某个值（设计弯
42、沉值）。根据设计年限内一个车道上预测通过的累计当量轴次、公路等级和路面结构类型，按式（1-2）计算路表设计弯沉值。任务1.2 沥青路面的设计2.2.容许拉应力容许拉应力 学习任务29计算案例1中沥青路面各结构层的容许拉应力，并校核案例1中案例表10数据的正确性。容许拉应力是混合料的极限抗拉强度与抗拉强度结构系数之比，按式（1-3）式（1-6）计算。容许拉应力是衡量沥青路面结构层抗疲劳开裂能力的指标，容许拉应力越大则抗疲劳开裂能力越强。容许拉应力是沥青路面结构设计的验算指标，交通荷载越重，则要求沥青路面结构的承载力越大、抗疲劳开裂能力越强。任务1.2 沥青路面的设计3.3.厚度计算厚度计算 学习
43、任务30用hpds 2011程序反算设计层的厚度，完成案例1中案例表11的计算。从图1-12可以看出，在标准轴载的作用下，轮隙中心处a点会产生向下的竖向弹性变形，在设计时该竖向变形称为计算弯沉，可用弹性力学计算得出公路沥青路面设计规范（jtg d502006）规定要用计算机程序计算。任务1.2 沥青路面的设计任务1.2 沥青路面的设计路面各结构层的厚度可按计算法或验算法确定，各层厚度必须满足公路沥青路面设计规范（jtg d502006）中有关最小施工厚度的规定。（1）计算法。按公路沥青路面设计规范（jtg d502006）中“4 结构层与组合设计”确定各层的厚度，由轮隙中心处（a点）路表计算弯
44、沉值等于设计弯沉值，先用计算机软件反算出设计层的厚度，然后验算各层层底拉应力，即轮隙中心（c点）或单圆荷载中心处（b点）的层底拉应力。（2）验算法。根据本地区典型结构确定路面结构组合类型及各层厚度，用计算机软件验算弯沉及层底拉应力，通过后即可。任务1.3 水泥混凝土路面的设计1.3.1水泥混凝土面板平面尺寸的确定 学习任务31确定案例2中水泥混凝土面板的宽度及长度。由于一年四季的气温变化，水泥混凝土面层会产生不同程度的膨胀和收缩，从而导致混凝土板的轴向变形。这种温度坡差会使板的中部有隆起的趋势；夜间气温降低，板顶面的温度较底面的温度低，会使板的周边和角隅有翘起的趋势，发生翘曲变形，如图1-15
45、（a）所示。图1-15 水泥混凝土面板翘曲及破坏图1-16 路面接缝设置任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计面层一般采用设置纵向、横向接缝的普通混凝土。普通混凝土面层板的平面形状通常采用纵向接缝与横向接缝垂直相交的矩形。纵缝应与路线中线平行，纵缝两侧的横缝应对接上，不得相互错位，以避免纵缝处两侧板块粘连时由于纵向相对位移受阻而使横缝两侧的板块出现横向感应裂缝。在横缝不设传力杆的中等和轻交通路面上，横缝也可设置成与纵缝斜交，使车轴两侧的车轮不同时作用在横缝的一侧，从而减少轴载对横缝的影响，但横缝的斜率不应使板的锐角小于75。公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402
46、011）第5.1.2 条规定：纵向接缝的间距（即板宽）宜在3.04.5 m内选用。横向接缝的间距（板长）大小会影响板内温度应力、接缝缝隙宽度和接缝传荷能力，板块宜尽可能接近正方形，以改善其受力状况。1.3.2交通荷载分析 学习任务32校核案例2中的设计轴载累计作用次数ne及交通荷载等级。任务1.3 水泥混凝土路面的设计1.1.设计轴载累计作用次数设计轴载累计作用次数n ne e任务1.3 水泥混凝土路面的设计设计基准期内水泥混凝土路面设计车道临界荷位处所承受的设计轴载累计作用次数ne，应按式（1-12）计算确定。任务1.3 水泥混凝土路面的设计2.2.交通荷载分级交通荷载分级任务1.3 水泥混
47、凝土路面的设计交通荷载分级，见表1-18。1.3.3水泥混凝土路面结构组合设计 学习任务33校核案例2的结构组合设计是否满足规范要求。任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计1.1.路基路基（1）路基回弹模量经验参考值应符合公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）中表e.0.11的规定，见表1-19。任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计（2）路基回弹模量湿度调整系数应符合公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）表e.0.1-2的规定，见表1-20。任务1.3 水泥混凝土路面的设计（3）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg
48、 d402011）第4.2.2条规定：路床顶面的综合回弹模量值，轻交通荷载等级时不得低于40 mpa，中等或重交通荷载等级时不得低于60 mpa，特重或极重交通荷载等级时不得低于80 mpa。（4）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）第4.2.4条规定：路床顶面综合回弹模量值不满足第4.2.2条要求时，应选用粗粒土或低剂量无机结合料稳定土作路床或上路床填料。当路基工作区底面接近或低于地下水位时，可采取更换填料、设置排水渗沟等措施。2.2.垫层垫层任务1.3 水泥混凝土路面的设计公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）第4.3条对垫层做出以下规定。（1）季节性冰冻地区
49、，路面结构厚度小于最小防冻厚度要求时，应设置防冻垫层，使路面结构厚度符合要求；水文地质条件不良的土质路堑，路床土湿度较大时，宜设置排水垫层（2）垫层应与路基同宽，厚度不得小于150 mm。（3）防冻垫层和排水垫层宜采用碎石、砂砾等颗粒材料。3.3.基层和底基层基层和底基层任务1.3 水泥混凝土路面的设计（1）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）第4.4.2条规定：基层和底基层的材料可依据交通荷载等级、结构层组合要求和材料供应条件，分别参照表1-21和表1-22选用。任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计（2）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402
50、011）第4.4.3条规定：承受极重、特重或重交通荷载的路面，基层下应设置底基层；承受中等或轻交通荷载时，可不设底基层。当基层采用无机结合料稳定类材料，且上路床由细粒土组成时，应在基层下设置粒料类底基层。（3）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）的条文说明推荐了各种材料基层和底基层的结构层适宜施工层厚，见表1-23。任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计（4）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）第4.4.10条规定：硬路肩采用混凝土面层时，基层的结构和厚度应与行车道相同。基层的宽度应比混凝土面层每侧宽出300 mm（小型机具施工时）或6
51、50 mm（滑模式摊铺机施工时）。（5）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）附录e的表e.0.2规定：基层和底基层材料弹性（回弹）模量经验参考值见表1-24和表1-25。任务1.3 水泥混凝土路面的设计4.4.面层面层任务1.3 水泥混凝土路面的设计（1）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）的条文说明推荐了水泥混凝土面层厚度的参考范围（见表1-26），在进行结构组合设计时可按该推荐范围初拟面板的厚度。任务1.3 水泥混凝土路面的设计（2）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）第4.5.2条规定：面层宜采用设接缝的普通水泥混凝土。当面层板的平面尺寸较
52、大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，位于高填方、软土地基、填挖交界段等有可能产生不均匀沉降的路基段时，应采用接缝设置传力杆的钢筋混凝土面层。连续配筋混凝土、碾压混凝土和钢纤维混凝土等其他面层类型可依据适用条件选用。（3）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）第3.0.8条规定：水泥混凝土的设计强度应采用28 d 龄期的弯拉强度。各交通荷载等级要求的水泥混凝土弯拉强度标准值不得低于表1-27的规定。任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计（4）水泥混凝土强度和弹性模量经验参考值应符合公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）附录e中表e.0.3
53、-1的规定，见表1-28。（5）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）第4.5.3条规定：普通水泥混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土和连续配筋混凝土面层的计算厚度可依据交通荷载等级、公路等级和变异水平等级通过计算确定。各种混凝土面层的设计厚度应依据计算厚度加6 mm磨耗层后，按10 mm向上取整，详见1.3.4。1.3.4水泥混凝土路面的厚度设计1.1.水泥混凝土路面厚度设计的力学模型水泥混凝土路面厚度设计的力学模型 学习任务34水泥混凝土路面设计的力学模型是什么？水泥混凝土路面设计标准轴载是什么？哪层是承重层？任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计水泥混凝
54、土路面厚度设计的力学模型是弹性地基板。按基层和面层类型及组合的不同，可分别采用下述结构分析模型。1）弹性地基单层板模型弹性地基单层板模型适用于粒料基层上混凝土面层，旧沥青路面加铺混凝土面层；面层板底面以下部分按弹性地基处理。2）弹性地基双层板模型弹性地基双层板模型适用于无机结合料类基层或沥青类基层上混凝土面层，旧混凝土路面上加铺分离式混凝土面层；面层和基层或者新旧面层作为双层板，基层底面以下或者旧面层底面以下部分按弹性地基处理。任务1.3 水泥混凝土路面的设计3）复合板模型复合板模型适用于两层不同性能材料组成的面层或基层复合板。旧混凝土路面上加铺结合式混凝土面层，两层不同性能材料组成的层间黏结
55、的面层，作为弹性地基上的单层板或者弹性地基上双层板的上层板；无机结合料类基层或沥青类基层与无机结合料类底基层组成的基层，作为弹性地基上双层板的下层板。面板不仅要承受荷载疲劳应力的作用，还要承受温度疲劳应力的作用。水泥混凝土路面板内不同深处的温度，随气温的变化而变化。这种变化使水泥混凝土板出现膨胀或收缩变形的趋势。当变形受阻时，板内便会产生胀缩应力或翘曲应力。板的平面尺寸越大，翘曲应力就越大，这种温度疲劳应力是导致混凝土板破坏的原因之一。图1-17 混凝土路面板的翘曲变形图1-18 临界荷位任务1.3 水泥混凝土路面的设计水泥混凝土路面的结构设计以轴重100 kn的单轴双轮组荷载作为标准轴载。临
56、界荷位是指混凝土板内产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏时标准轴载的作用位置。现行规范中选取水泥混凝土板的纵缝边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位，如图1-18所示。 学习任务35通过选择合适的结构分析模型，对案例2的水泥混凝土路面厚度设计进行校核。2.2.水泥混凝土路面厚度计算的相关公式水泥混凝土路面厚度计算的相关公式任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计按公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d402011）附录b的规定进行厚度设计。由于案例2中是水泥稳定碎石基层、级配碎石底基层，因此，要用弹性地基双层板模型进行设计。为方便查阅，下面将弹性地基双层
57、板模型的计算公式整理如下。1）板底地基当量回弹模量et任务1.3 水泥混凝土路面的设计2）混凝土面层板的截面弯曲刚度dc3）半刚性基层板弯曲刚度db任务1.3 水泥混凝土路面的设计4）路面结构总相对刚度半径rg3.3.荷载应力的计算荷载应力的计算任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计式中， pr为设计轴载在面层板临界荷位处产生的荷载疲劳应力（mpa）；ps为设计轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力（mpa）；kr为应力折减系数，采用混凝土路肩时，kr=0.870.92（路肩面层与路面面层等厚时取低值，减薄时取高值），采用柔性路肩或土路肩时，kr=1；kf为考虑设计
58、基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；ne为设计基准期内设计轴载累计作用次数；为材料疲劳指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.065；kc为考虑计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数，按公路等级查表1-29确定。4.4.温度应力的计算温度应力的计算任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计式中，t,max为所在地区最大温度梯度在临界荷位处产生的最大温度翘曲应力（mpa）；c为混凝土的线膨胀系数，根据粗集料的岩性按表1-30取用；tg为公路所在地50年一遇的最大温度梯度，查表1-31取用；其他符号含义同前。任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.
59、3 水泥混凝土路面的设计8）面层温度疲劳应力tr5.5.极限状态的校核极限状态的校核任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计6.6.水泥混凝土板厚度的计算流程水泥混凝土板厚度的计算流程 学习任务36学习水泥混凝土板厚度的计算流程。水泥混凝土板厚度的计算流程如下。（1）进行路面结构组合设计，初拟路面结构，包括路床、垫层、基层和面层的材料类型与厚度。（2）按照初拟路面结构的组合情况，选择相应的结构分析模型。 （3）分别计算混凝土面层板（单层板或双层板的面层板）的最重轴载产生的最大荷载应力、设计轴载产生的荷载疲劳应力、最大温度梯度产生的最大温度应力及温度疲劳应力。任务1.3 水泥混凝土路面的设计任务1.3 水泥混凝土路面的设计（4）当荷载疲劳应力与温度疲劳应力之和与可靠度系数的乘积，小于且接近于混凝土弯拉强度标准值，同时，最大荷载应力与最大温度应力之和与可靠度系数的乘积， 小于混凝土弯拉强度标
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