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C1C2(Pi/Ps)4.3BZZ-100Pi (kN)Ni (次/d)5轴次（次/d）2063311 0.000910.5770555110.21119.580678110.38259.590 889110.63568.9100555111 67412019112.2144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 P 4.35N = C1C2 N i ii =1 P 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=0.07，又该路设计为双向六车道，车道系数下规范取值见下表：表 8-2-2 车道系数表车道特征车道特征双向单车道1.00双向四车道0.400.50双向两车道（无分0.600.70双向六车道0.300.40隔带）双向两车道（有分0.50双向八车道0.250.35隔带）由上表可取车道系数=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 365N h = (1 + 0.07)15 -1 1667 365 0.35= 5782293.8次 / 车道eg10.07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BZZ100 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31062.51073000因为 3106 次/车道5782293.8次/车道1.2107 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）201515密级配细粒式沥青混4cm140020001.4凝土密级配中粒式沥青混6cm120018001.0凝土密级配粗粒式沥青混8cm100012000.8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150036000.510%的石灰土55015000.225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 spK ss 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：Ks= 0.09 N 0.22A（沥青混凝土面层）ecK 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 = 2.76s R =s sp=1.4= 0.507(MPa)Ks2.76中粒式密级配沥青混凝土：Ks = 0.09Ne0.22 Ac = 0.09 5782293.80.22 1.0 = 2.76s R =s sp=1.0= 0.362(MPa)Ks2.76粗粒式密级配沥青混凝土：Ks = 0.09Ne0.22 Ac = 0.09 5782293.80.22 1.0 = 2.76s R =s sp=0.8= 0.290(MPa)Ks2.76水泥稳定碎石：Ks = 0.35Ne0.11 Ac = 0.35 5782293.80.111.0 = 1.94s R =s sp=0.5=0.258(MPa)Ks1.94二灰土：K= 0.45N 0.11A = 0.45 5782293.80.111.0 =2.49secs R =s sp=0.225= 0.090MPa)Ks2.49表 8-2-5 结构容许拉应力材料名称s （Mpa）Ks R （Mpa）细粒式沥青混凝土1.42.480.565中粒式沥青混凝土1.02.480.403粗粒式沥青混凝土0.82.480.323水泥稳定碎石0.51.840.272二灰土0.2252.360.0958.2.6 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 FF = 1.63L0.38E0.3634.690.381000.36s0= 1.63= 0.35P200010.650.72000d 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=3.471500=1.02000Pd F2000 0.710.65 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E1500d10.65E212001a =6.5k1=0.75，则 k=ac=1.00.216.50.752ak又h=4=0.376 ，E0=100= 0.083d10.65E21200反查诺谟图得 H= 4.2 ，则 H = 4.0d = 4.0 10.65 = 44.73 cmd2.4因为 H = h2+ h32.4E3+ h42.4E4+ h5E5E2E2E2E3E5H - h2 - h3 2.4- h52.442.16 - 6 - 8 2.41000- 20 2.4500E2E21200h4=1200= 16.86 cmE415002.42.4E21200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80100200水泥稳定类150180200石灰稳定类150180200石灰粉煤灰稳定类150180200贫混凝土150180240级配砾石80100200泥结碎石80100150填隙碎石100100120所以取水泥稳定碎石厚度为 h4=20cm 换算成三层体系为：h=h1=4cmH = h2 + h32.4E3+ h4 2.4E4+ h52.4E5= 6 + 8 2.41000+ 20 2.41500+ 20 2.4500E2E2E2120012001200=49.25cm根 据E2=1200= 0.8，h=4= 0.376 ，E0=40= 0.083 ，E1500d10.65E212001Hd = 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)E11400实际弯沉值：Ls = LF = 33.2 0.25 = 12.430.01mm) sa= 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 3h = h4 + h34E3+ h2 4E2+ h1 4E1= 20 + 8 41200+ 4 41800+ 6 42000= 36.42cmE4E4350035003500E4根据E2=500= 0.14 ，h=4= 0.376E3500d10.651E0=100= 0.2 ，H=36.42= 3.42E2500d10.65查诺谟图得= 0.08，n1 = 1.00，n2 = 0.35ss a= pn1n2= 0.7 0.08 1.00 0.35 = 0.0.0196Mpas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 = 6cmE3E4E5H = h2 + h32.4+ h4 2.4+ h52.4= 6 + 6 2.41000+ 20 2.41500+ 20 2.4500E2E2E2120012001200=47.40cm根据E2=1200= 0.60，h=4= 0.376E2000d10.651E0=100= 0.083，H=47.40= 4.45E21200d10.65查诺谟图得t m = 0.430，g1 = 0.80，g 2 = 1.10t 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=0.5t 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 ，E2000d10.651E0=100= 0.083，H=47.40= 4.45E21200d10.65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 )= 0.368Mpas 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= 0.477t 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；材料内摩擦角（）容许剪应力计算：因为 Kv (0.5) = 1.2 = 1.2 = 1.09Ar1.1所以t R =t(0.5)=0.505= 0.463Mpa tm = 0.447MpaKv(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0.851.01.11.2中、小城市0.851.11.21.28.2.9 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/cm20 抗压模量15 抗压模量容许拉应力/Mpa/Mpa密级配细粒式6140020001.2沥青混凝土密级配中粒式6120018001.0沥青混凝土密级配粗粒式8100012000.8沥青混凝土水泥稳定碎石20150035000.5石灰土2050015000.225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