沥青路面结构设计部分2.0.docx

8.2 沥青路面设计

8.2.1 交通量分析

沥青路面设计初期交通量的轴载分配及换算表（以弯沉为标准时）

表 8-2-1 轴载换算次数表
轴载

日通过次数
C1
C2
(Pi/Ps)4.3
BZZ-100
Pi (kN)

Ni (次/d)
5
轴次（次/d）

20
633
1
1
0.00091
0.57
70
555
1
1
0.21
119.5
80
678
1
1
0.38
259.5
90
889
1
1
0.63
568.9
100
555
1
1
1
674
120
19
1
1
2.21
44

合计

6779.45

凡大于 25kN 的各级轴载 Pi 的作用次数 Ni 按下式换算成标准轴载 P 的当量
作用次数 N 的计算公式为：

k
æ P ö4.35

N = åC1C2 N i ç
i
÷

i =1
è P ø

式中：N——标准轴载当量轴次数（次/d）；Ni——被换算的车型各级轴载作用次数（次/d）；P——标准轴载（kN）；Pi——被换算车型的各级轴载（kN）；

C1——被换算车型的各级轴载系数，当其间距大于 3m 时，按单独的一个轴计算，轴数系数即为轴数 m，当其间距小于 3m 时，按双轴或多轴计算，轴数系数为 C1=1+1.2（m-1）；

C2——被换算车型的各级轴载轮组系数，单轮组为 6.4，双轮组为 1.0，四轮组为 0.38。

沥青路面设计初期平均标准轴载当量轴次计算得：N1=1667次/天该新建道路为城市主干道，采用沥青路面，设计年限为 15 年，交通增长率

为 7%，既γ=0.07，又该路设计为双向六车道，车道系数η下规范取值见下表：

表 8-2-2 车道系数表
车道特征
η
车道特征
η

双向单车道
1.00
双向四车道
0.40~0.50
双向两车道（无分
0.60~0.70
双向六车道
0.30~0.40
隔带）

双向两车道（有分
0.50
双向八车道
0.25~0.35
隔带）

由上表可取车道系数η=0.35，行车道第一年轴载平均作用次数 N1=1667次/天，计算设计年限（15 年）内一个车道通过的累计当量标准轴次数 Ne：

N
= [(i + g )t -1]´ 365
N h = [(1 + 0.07)15 -1] ´1667 ´ 365 ´ 0.35= 5782293.8次 / 车道
e
g
1
0.07

根据《城市道路工程设计规范》（CJJ37-2012）的规定：沥青路面的交通等级
划分为四级，见下表：

表 8-2-3 沥青路面交通等级

交通等级

BZZ—100 累计标准轴次 Ne
大客车及中型以上货车

(次/车道)
交通量 Nn (辆/d/车道)

轻交通

<3×106
<600

中等交通

3×106~ 1.2×107
600~1500

重交通

1.2×107~2.5×107
1500~3000

特重交通

>2.5×107
>3000

因为 3×106 次/车道＜5782293.8次/车道＜1.2×107 次/车道，所以该设计路段的交通等级属于中等交通。

8.2.2 确定土基回弹模量

根据该路段的《岩土工程勘察报告》得知：该路段高速公路路基宽度34.5米，其中左侧硬路宽度为2*1.25米，每条车道宽度为3.75米，双向6车道，硬路肩2*3米，土路肩2*0.75米中央分隔带宽度为2米，高速公路土基回弹模量为100Mpa.

8.2.3 路面估计及路面类型的确定

拟建高速公路，交通等级为中等交通，更具本地原有材料，结合已有工程经验与典型结构，初步确定面层选用沥青混凝土三层结构。

8.2.4 路面结构组合及各层厚度的确定

根据福山路功能性质及《城镇道路路面设计规范》(CJJ193-2012)综合考虑决定路面结构取 6cm 的密级配细粒式沥青混凝土（AC-13）+6cm 密级配中粒式沥青混凝土 (AC-20)+8cm 密级配粗粒式沥青混凝土+？水泥稳定碎石基层+20cm 石灰土垫层。
表 8-2-4 面层材料设计参数
材料名称

厚度
抗压模量（Mpa）

劈裂强度（MPa）

20℃

15℃

15℃

密级配细粒式沥青混
4cm
1400

2000
1.4
凝土

密级配中粒式沥青混
6cm
1200

1800
1.0
凝土

密级配粗粒式沥青混
8cm
1000

1200
0.8
凝土

表 8-2-5
基层，垫层材料设计参数

材料名称
抗压模量（Mpa）
抗压模量（Mpa）

劈裂强度 MPa
（弯沉计算用）

（计算弯拉应力

用）

5%水泥稳定碎石
1500
3600
0.5
10%的石灰土
550
1500
0.225
各层具体尺寸如图8-2-1所示：

5

图 8-2-1 沥青混凝土路面结构初拟图

8.2.5 设计指标的确定

设计道路为城市主干路，面层为沥青混凝土，采用半刚性基层：

Ld = 600 Ne-0.2 Ac As Ab = 600 ´ 5782293.8-0.2 ´1.0 ´1.0 ´1.0 = 34.69(0.01mm )

式中： Ld ——路面设计弯沉值(0.01mm)；

Ac ——公路等级系数，快速路、主干路为 1.0，次干路为 1.1，支路为 1.2；

As ——面层类型系数，沥青混凝土路面取 1.0；

Ab ——基层类型系数，无机结合料类（半刚性）基层为 1.0，沥青类基层和粒料类基层为 1.6。

各层材料按容许拉应力s R 计算，公式如下：

s = s sp
K s

s R ——路面结构材料的容许拉应力 (MPa)

s sp ——路面材料的极限抗拉强度 (MPa) ；

K s ——抗拉强度结构系数。根据结构层材料不同，按以下公式计算 K s 值。

细粒式密集配沥青混凝土：

K
s
= 0.09 N 0.22
A
（沥青混凝土面层）

e
c

K s = 0.35N e0.11 Ac （无机结合料稳定集料）

K s = 0.45N e0.11 Ac （无机结合料稳定细粒土）

由上述公式计算各层材料容许层底拉应力：细粒式密级配沥青混凝土：

Ks = 0.09Ne0.22 Ac = 0.09 ´5782293.80.22 / 1.0 = 2.76

s R =
s sp
=
1.4
= 0.507(MPa)

Ks
2.76

中粒式密级配沥青混凝土：

Ks = 0.09Ne0.22 Ac = 0.09 ´5782293.80.22 1.0 = 2.76

s R =
s sp
=
1.0
= 0.362(MPa)

Ks
2.76

粗粒式密级配沥青混凝土：

Ks = 0.09Ne0.22 Ac = 0.09 ´5782293.80.22 1.0 = 2.76

s R =
s sp
=
0.8
= 0.290(MPa)

Ks
2.76

水泥稳定碎石：

Ks = 0.35Ne0.11 Ac = 0.35 ´5782293.80.111.0 = 1.94

s R =
s sp

=
0.5
=
0.258(MPa)

Ks
1.94

二灰土：

K
= 0.45N 0.11
A = 0.45 ´5782293.80.11
1.0 =2.49

s

e
c

s R =
s sp

=
0.225
= 0.090MPa)

Ks

2.49

表 8-2-5 结构容许拉应力

材料名称

σs （Mpa）

Ks
σ R （Mpa）
细粒式沥青混凝土

1.4

2.48
0.565
中粒式沥青混凝土

1.0

2.48
0.403

粗粒式沥青混凝土

0.8

2.48
0.323
水泥稳定碎石

0.5

1.84
0.272

二灰土

0.225

2.36
0.095

8.2.6 结构厚度计算

8.262结构厚度计算

(1) 计算路表回弹弯沉综合修正系数 F
F = 1.63
æ
L
ö0.38
æ
E
ö0.36

æ
34.69

ö0.38
æ
100

ö0.36
ç
s
÷
ç
0
÷
= 1.63
´ç

÷
ç

÷
= 0.35

P
2000´10.65
0.7

è
2000d ø
è
ø

è
ø
è
ø

式中： Ls ——路面实测弯沉值（根据多层弹性理论，在双圆均布荷载作用

下，轮隙中心处实测路面弯沉 Ls 等于设计弯沉值 Ld 的原则进行计算）；

F ——弯沉综合修正系数；

P ——标准轴载的轮胎压强。P=0.7Mp；
d ——标准轴载单轮轮迹当量圆半径。

(2) 理论弯沉系数
ac =
Ld E1
=

3.47´1500
=1.0
2000Pd F
2000
´ 0.7
´10.65
´ 0.35

为求出水泥石灰砂砾垫层的厚度，需要将该五层结构换算成三层结构，求出三层体系的中层厚度 H，以第一层为表层如图 8-2-2：

（a）路面结构

（b)当量三层体系

图 8-2-2

沥青混凝土路面结构三层体系

根据

E2
=
1200
= 0.8 ，

h

=

4

=0.376
，
E0
=

100

= 0.083 查诺谟图得

E
1500
d

10.65

E
2

1200

1

a =6.5

k1=0.75，则 k
=
ac
=

1.0

0.21

6.5´0.75

2

ak

又
h

=

4

=0.376 ，

E0

=

100

= 0.083

d
10.65

E2

1200

反查诺谟图得 H
= 4.2 ，则 H = 4.0d = 4.0 ´10.65 = 44.73 cm

d

2.4

因为 H = h2
+ h3
2.4

E3

+ h4

2.4

E4

+ h5

E5

E2

E2

E2

E3

E5

H - h2 - h3 2.4

- h5
2.4

42.16 - 6 - 8´ 2.4
1000
- 20
´ 2.4
500

E2

E2

1200

h4
=

=
1200

= 16.86 cm

E4

1500

2.4

2.4

E2

1200

各材料层厚度尚应满足最小压实度的要求，结构层的压实度要求见下表：

表 8-2-6
各种结构层压实最小厚度与适宜厚度

结构层类型

压实最小厚度（mm）

适宜厚度（mm）

级配碎石

80

100~200

水泥稳定类

150

180~200

石灰稳定类

150

180~200

石灰粉煤灰稳定类

150

180~200

贫混凝土

150

180~240

级配砾石

80

100~200

泥结碎石

80

100~150

填隙碎石

100

100~120

所以取水泥稳定碎石厚度为 h4=20cm 换算成三层体系为：h=h1=4cm

H = h2 + h3
2.4

E3

+ h4 2.4

E4

+ h5
2.4

E5

= 6 + 8 ´ 2.4
1000
+ 20 ´ 2.4

1500

+ 20 ´ 2.4

500

E2

E2

E2

1200
1200

1200

=49.25cm

根 据

E2
=
1200
= 0.8
，

h
=

4
= 0.376 ，
E0
=

40
= 0.083 ，

E
1500
d
10.65
E
2
1200

1

Hd = 57.31/10.65= 5.38

查诺谟图得a = 6.6 ，k1=0.86，k2=0.55
则理论弯沉值：

L =
2 pdak1k2
=
2 ´ 0.7 ´10.65´ 6.6 ´0.86´ 0.55
= 0.0332cm =33.2(0.01mm)

E1

1400

实际弯沉值：

Ls = LF = 33.2 ´ 0.25 = 12.430.01mm) < Ld = 29.39(0.01mm)

所以拟定的路面结构厚度满足强度要求，整体抵抗变形能力符合要求

8.2.7 沥青路面弯拉应力的计算及验算

换算成三层体系上面层作为三层体系的上层，路基为下层，期间的作为中层。换算成等效体系如图 8-2-3：

图 8-2-3

沥青混凝土路面结构三层体系 2

如图所示：E1=2000Mpa，E2=1200Mpa，E0=100MPa ， h = h1 = 4cm

+ h5 0.9

= 6 + 8 ´ 0.9

+ 20 ´ 0.9

H = h2 + h3
0.9

E3

+ h4 0.9
E4

E5

1000
1500
+ 20 ´ 0.9

500
=
E2
E2
E2
1200
1200

1200

43.088cm

根据

E2
=
1200

= 0.60
，

h
=

4

= 0.373 ，

E
2000

d

10.65

1

E0
=

100
=0.083 ， H =
43.088
= 4.05

1200

10.65

E2

d

查诺谟图得

s = 0.08，m1 = 1.10，m2 = 1.30

容许拉应力sa = ps m1m2 = 0.7 ´ 0.09 ´1.11 ´1.3 = 0.08Mpa

沥青混凝土抗拉强度结构系数：

K
s
= 0.09 A N 0.22 / A = 0.09 ´1.0 ´ 5236347.90.22 / 1.0 = 2.707

ae
c

s
R
= σsp K
s
= 1.2
2.707
= 0.443Mpa > s
a
= 0.08Mpa

所以强度满足要求。

式中：s R ——路面结构层材料容许拉应力（Mpq）；

s sp ——结构层材料极限抗拉强度（Mpa），我国沥青路面设计规范采

用劈裂强度；

K s ——抗拉强度结构系数；

Aa ——反映沥青混合料性质的混合料级配系数，细、中式混凝土为

1.0，粗粒式混凝土为 1.1；

Ac ——公路等级系数，快速路、主干路为 1.0，次干路为 1.1，支路

为 1.2。

基层底面弯拉应力按半刚性基层验算。等效换算时：保持路基不变作为三层体系的下层，将石灰土层作为三层体系的中层，其上部分作为上层。换算成等效体系如图 8-2-4 所示：

图 8-2-4

沥青混凝土路面结构三层体系 3

h = h4 + h3
4

E3

+ h2 4
E2

+ h1 4

E1

= 20 + 8 ´ 4
1200
+ 4 ´ 4
1800
+ 6 ´ 4
2000
= 36.42cm

E4

E4

3500
3500
3500

E4

根据

E2

=

500

= 0.14 ，，

h

=
4
= 0.376

E

3500
d

10.65

1

E0
=

100

= 0.2 ，
H
=
36.42

= 3.42

E2
500

d

10.65

查诺谟图得

= 0.08，n1 = 1.00，n2 = 0.35

s

s a
= p

n1n2
= 0.7 ´ 0.08 ´1.00 ´ 0.35 = 0.0.0196Mpa

s

容许弯拉应力

K s = 0.35Ne0.11 / Ac = 0.35 ´5236347.90.11 / 1.0 =1.92

沥青混凝土抗拉强度结构系数

s R = s sp K s = 0.51.92 = 0.26Mpa > s a = 0.03Mpa

所以强度满足要求。

8.2.8 剪应力的计算及验算

表层最大剪应力计算，换算成三层体系面层表层作为上层体系的上层，路基为下层，期间的作为中层。换算成等效体系如图 8-2-5：

图 8-2-5 沥青混凝土路面结构三层体系

h = h1 = 6cm

E3

E4

E5

H = h2 + h3
2.4

+ h4 2.4

+ h5
2.4

= 6 + 6 ´ 2.4
1000
+ 20 ´ 2.4
1500
+ 20 ´ 2.4
500

E2
E2
E2
1200
1200
1200

=47.40cm

根据

E2
=
1200

= 0.60
，

h
=

4

= 0.376

E
2000

d
10.65

1

E0
=

100
= 0.083
，
H
=
47.40
= 4.45

E2
1200
d
10.65

查诺谟图得

t m = 0.430，g1 = 0.80，g 2 = 1.10

t m (0.3) = pt mg1g 2 = 0.7 ´ 0.430 ´ 0.80 ´1.10 = 0.265Mpa

式中：t m( f ) ——水平力系数为 f 时的计算点最大剪应力（Mpa）

紧急制动时：f=0.5

t m (0.5) =t m (0.3) +1.3 ´ ( f - 0.3) p = 0.265 +1.3 ´ (0.5 - 0.3) ´ 0.7 = 0.447 Mpa

已知沥青混凝土的粘聚力为 0.2Mpa，内摩擦角为 37。

根据

E2
=
1200
= 0.6 ，

h
=

6
= 0.563 ，

E
2000
d
10.65

1

E0
=

100
= 0.083
，
H
=
47.40
= 4.45

E2
1200
d
10.65

查诺谟图得s1 = 1.120，r1 = 1.042，r2 = 0.960

所以 f=0.3 时的计算最大主应力为：
s cp (0.3) = ps1 r1 r2 = 0.7 ´1.120 ´1.042 ´ 0.970 = 0.792 Mpa

当 f=0.5 时：
s cp (0.5 ) = s cp (0.3) + 0.46( f - 0.3)p = 0.792 + 0.46(0.5 - 0.3) ´ 0.7 = 0.856Mpa

破裂面上有效法应力为：

s a (0.3) = s cp (0.3) -t m (0.3)(1 + sin f ) = 0.792 - 0.265(1 + sin 37 )= 0.368Mpa

s a (0.5 ) = s cp (0.5 ) -t m (0.5 )(1 + sin f ) = 0.865 - 0.447(1 + sin 37 )= 0.14Mpa

材料的抗剪强度为：

t 0.3 = c + s a (0.3) tan f = 0.2 + 0.368 ´ tan 37 = 0.477

t 0.5 = cd + s a (0.5 ) tan f = 0.4 + 0.14 ´ tan 37 = 0.505

式中：c——材料粘结力(Mpa)；

cd ——材料动载粘结力（Mpa），一般为材料粘结力的两倍；

φ——材料内摩擦角（°）容许剪应力计算：
因为 Kv (0.5) = 1.2 = 1.2 = 1.09
Ar 1.1

所以t R =
t
(0.5)
=
0.505
= 0.463Mpa >t
m = 0.447Mpa
Kv(0.5)
1.09

所以满足要求

式中： K v (0.5) ——在突然紧急制动时沥青混合料面层剪应力结构强度系数；

Ar ——道路分类系数，根据不同等级城市、不同类别道路按下表选值，所

涉及道路为马鞍山城市主干路， Ar =1.1。

表8-2-7
道路分类系数

城市级别

道路分类

快速道

主干道

次干道
支路

大城市
0.85

1.0

1.1
1.2
中、小城市
0.85

1.1

1.2
1.2

8.2.9 确定路面结构

综合以上数据可以得到如下结论：拟定的沥青路面结构，通过对路表弯沉、沥青混凝土面层弯拉应力、基层底地面弯拉应力、表层剪应力的计算都能很好的满足沥青混凝土路面设计相应容许值的要求。

路面各设计计算参数如下表：

表8-2-8 路面设计计算参数

材料名称
厚度/cm
20 抗压模量
15 抗压模量
容许拉应力

/Mpa
/Mpa

密级配细粒式
6
1400
2000
1.2
沥青混凝土

密级配中粒式
6
1200
1800
1.0
沥青混凝土

密级配粗粒式
8
1000
1200
0.8
沥青混凝土

水泥稳定碎石
20
1500
3500
0.5
石灰土
20
500
1500
0.225
土基
—
40
—
—

路面结构方案如下表：

表8-2-9 路面结构方案

机动车道
非机动车道
人行道

6cm 密级配细粒式沥青
6cm 密级配细粒式沥青
8cm 彩色地砖
混凝土
混凝土

6cm 密级配中粒式沥青
6cm 密级配中粒式沥青
4cm 黄砂垫层
混凝土
混凝土

8cm 密级配粗粒式沥青
—
—
混凝土

1cm 乳化沥青封层
1cm 乳化沥青封层
—

20cm 水泥稳定碎石
20cm 水泥稳定碎石
15cm 水泥稳定碎石基层
20cm 石灰土
15cm 石灰土
—