路面设计.docx

4.1路面设计的原则
路面结构是直接为行车服务的结构，不仅受各类汽车荷载的作用，且直接暴露于自然环境中，经受各种自然因素的作用。路面工程的工程造价占公路造价的很大部分，最大时可达50％以上。因此，做好路面设计是至关重要的。
路面设计内容应包括路面类型与结构方案设计、路面建筑材料设计、路面结构设计和经济评价。
4.1.1 路面类型与结构方案设计
路面类型选择应在充分调查与勘察道路所在地区自然环境条件、使用要求、材料供应、施工和养护工艺等，并在路面类型选择的基础上考虑路基支承条件确定结构方案。由于路面工程量大，基垫层材料应尽可能采用当地材料，并注意使用各类废弃物。必要时，应考虑采用新型路面结构形式、新材料、新施工工艺。同时，应注意路面的功能和结构承载力等是通过设计、施工、养护等共同保证的，可采用寿命周期费用分析技术合理确定路面类型和结构。
4.1.2 路面建筑材料设计
路面建筑材料设计往往是路面设计中不受重视的一块内容，原因在于设计仅仅依据设计规范或当地经验确定路面结构层次，指定各层次材料的标准规范名称。本次毕业设计运用了大学期间所学的工程技术与材料科学知识，合理考虑了道路所在地的自然环境、材料所在路面结构层次的功能等，论证合理地选择了材料类型和建议配比。
4.1.3 路面结构设计
路面结构设计就是对拟订的路面结构方案和选定建筑材料，运用规范建议的设计理论和方法对结构进行力学验算。
现阶段公路路面使用的路面类型主要有沥青混凝土路面和水泥混凝土路面，学生应综合考虑当地的环境、降水、材料、交通量等各方面因素后选定路面的类型，然后进行设计。
4. 2 路面设计步骤
本设计路面采用沥青混凝土，沥青路面结构设计有以下四步：
（1）根据设计任务书的要求，进行交通量分析，确定路面等级和面层类型， 计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值。
（2）按路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段(在一般情况下路段长不宜小于500m，若为大规模机械化施工，不宜小于lkm)，确定各路段土基回弹模量
（3）可参考规范推荐结构，拟定路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比试验及测定各结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度，确定各结构层材料设计参数。
（4）根据设计弯沉值计算路面厚度。对二级公路沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层，应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求。如不满足要求，或调整路面结构层厚度，或变更路面结构组合，或调整材料配合比、提高极限抗拉强度，再重新计算。进行技术经济比较，确定采用的路面结构方案。
设计时，应先拟定某一层作为设计层，拟定面层和其他各层的厚度。当采用半刚性基层、底基层结构时，可任选一层为设计层，当采用半刚性基层、粒料类材料为底基层时，应拟定面层、底基层厚度，以半刚性基层为设计层才能得到合理的结构；当采用柔性基层、底基层的沥青路面时，宜拟定面层、底基层的厚度，求算基层厚度，当求得基层厚度太厚时，可考虑选用沥青碎石或乳化沥青碎石做上基层，以减薄路面总厚度，增加结构强度和稳定性。
4.3 路面设计
4.3.1 沥青路面结构设计标准
现行《公路沥青路面设计规范》的设计标准主要以路面表面设计弯沉值作为设计控制指标、对高等级道路路面还要验算沥青混凝土面层和整体性材料基层的拉应力。
4.3.2 累计当量轴次计算

交通组成表
车型
前轴重
后轴重
后轴数
后轴轮组数
后轴距（m）
交通量
跃进NJ130
15.3
38.3
1

小于3
702
解放CA10B
19.4
60.85
1

—
728
黄河JN150
49
101.6
1
双
—
333
东风EQ155
26.5
56.7
2

—
328
江淮HF150
45.1
101.5
1

234

1） 轴载分析
路面设计以双轴组单轴载100KN作为标准轴载
⑴以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次。
a).轴载换算
轴载换算采用如下的计算公式：
式中： N —标准轴载当量轴次，次/日
—被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日
P—标准轴载，KN
—被换算车辆的各级轴载，KN
—轴载系数，，m是轴数。当轴间距离大于3m时，按单独的一个轴载计算；当轴间距离小于3m时，应考虑轴数系数。
：轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1，四轮组为0.38。
（2）当进行半刚性基层层底拉应力验算时
凡轴载大于50KN的各级轴载（包括车辆的前、后轴）的轴载的作用次数，应按下述公式换算成标准轴载P的当量作用次数N′ 1
N′ 1 =∑C′ 1 C′ 2 (Pi/P)8
累计当量轴次
Ne=[(1＋r)t－1]×365N1η/r
Ne—设计年限内一个车道上的累计当量轴次（次）
t—设计年限，12年
N1—路面竣工后第一年的平均日当量轴次（次/d）
r—设计年限内交通量的平均年增长率 8%
η—车道系数，取0.65

轴载换算结果如表所示

车型

跃进NJ130
前轴
15.3
1
6.4
702
—
后轴
38.3
1
1
702
10.8
解放CA10B
前轴
19.4

728
—
后轴
60.85

728
83.88
黄河JN150
前轴
49

333
95.71
后轴
101.6

333
356.81
东风EQ155
前轴
26.5

328
6.5
后轴
56.7

328
61.15
江淮HF150
前轴
15.3

234
46.89
后轴
38.3

234
249.66

911
注：轴载小于25KN的轴载作用不计

b).累计当量轴数计算
根据设计规范，二级公路沥青路面的设计年限为12年，两车道的车道系数是0.6~0.7取0.65，=5%，累计当量轴次：

验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次
c).轴载换算
验算半刚性基底层底拉应力公式为
式中：为轴数系数，
为轮组系数，单轮组为1.85，双轮组为1，四轮组为0.09。
计算结果如表所示：
车型

黄河JN150
后轴
101.6

333
378
解放CA10B
后轴
60.85

728
13.7
东风EQ155
后轴
56.7

328
10.5
江淮HF150
后轴
101.5

234
263.6

666
注：轴载小于50KN的轴载作用不计。

2） 结构组合与材料选取
由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为246万次左右，根据规范推荐结构，路面结构层采用沥青混凝土（12cm）、基层采用水泥碎石（25cm）、底基层采用石灰土（25cm）。
规范规定查规范，采用三层沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚3cm），中间层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚4cm），底层采用粗粒式密级配沥青混凝土（厚5cm）。

3）各层材料的抗压模量与劈裂强度
查有关资料的表格得各层材料抗压模量（20℃）与劈裂强度
材料名称
H（cm）
20℃抗压模量
15℃抗压模量
劈裂强度
细粒式沥青土
3
1400
2000
1.4
中粒式沥青土
4
1300
1800
1.0
中粒式沥青土
5
1000
1400
0.8
水泥稳定碎石
25
1500
3600
0.5
石灰土
25
500
1300
0.225

4）土基回弹模量的确定
该路段处于IV3区，为粉质土，根据路基平均填高h=1.3m，查表可知H2=1.1<h<H1=1.6，确定地基为中湿状态，查取平均稠度为w=1.05，
查相关表的土基回弹模量为35MPa。
5）设计指标的确定
对于二级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层层底拉应力的验算。
a)设计弯沉值（二级公路）
该公路为二级公路，路面等级系数，面层是沥青混凝土路面取1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数。
设计弯沉值为：

b）各层材料的容许层底拉应力

1细粒式密级配沥青混凝土

2中粒式密级配沥青混凝土

3粗粒式密级配沥青混凝土

4水泥稳定碎石

5石灰土

6）设计资料总结
设计弯沉值为31.4（0.01mm）相关资料汇总如下表：
设计资料汇总表
材料名称
H(cm)
20℃抗压模量
容许拉应力（）
细粒式沥青混凝土
3
1400
0.6431
中粒式沥青混凝土
4
1300
0.4593
粗粒式沥青混凝土
5
1000
0.5547
水泥稳定碎石
25
1500
0.3925
石灰土
25
500
0.1374

理论弯沉值计算与层底拉应力验算

（1）理论实测弯沉值验算
轴载采用BZZ-100，标准轴载P=0.7MPa，当量圆半径为δ=106.5mm,回弹模量采用20℃时的回弹模量。
采用三层体系为计算体系：将路面第一层作为三层体系的第一层，厚度和回弹模量为h和E1,将第二层和第五层作为第二层，厚度和回弹模量为H和E2，将路基作为第三层，回弹模量为E0。见图6-1。
图6-1 三层体系示意图

计算各层的当量厚度和回弹模量：
h=h1=30mm E1=E1=1400MPa
H=i=1nhi2.4EiE2
= 40×2.413001300+50×2.410001300+250×2.415001300+250×2.45001300=491mm
E2=E2=1300MPa E0=35MPa
查弹性三层体系表面弯沉系数诺谟图可知：
α=6.1 K1=1.57 K2=0.53
L′=2pδE1×αK1K2=2×0.7×106.51400×6.1×1.57×0.53=54.06（0.01mm）
弯沉修正系数：F=1.63(ld2000δ)0.38（E0p）0.36=0.56
L=L′*F=30.27＜ld=31.4，满足要求。

（2）层底拉应力验算(15℃弹性模量)
计算层底拉应力计算时，也采用三层体系法计算。
第一层：h=h1=30mm E1=E1=2000MPa
H=i=j+1n-1hi0.9EiEj=40+500.914001800+2500.936001400+2500.913003600=873mm
E2=1800M Pa
E0=35MPa
查三层连续体系上层层底拉应力系数诺谟图可得，θ′＜0，则θ=θ′m1m2＜0为压应力，满足。
第二层：h=hj+i=1j-1hi4EiEj+1=40+30420001800=70.8mm E1=E2=1800MPa
H=i=j+1n-1hi0.9EiEj+1=50+2500.936001400+2500.913003600=845mm
E2=E3=1400MPa
E0=35MPa
查三层连续体系上层层底拉应力系数诺谟图可得，θ′＜0，则θ=θ′m1m2＜0为压应力，满足。
第三层：h=hj+i=1j-1hi4EiEj+1=50+40418001400+30420001800=123mm
E1=E3=1400MPa
H=i=j+1n-1hi0.9EiEj+1=250+2500.913003600=266mm
E2=E4=3600MPa
E0=35MPa
查三层连续体系上层层底拉应力系数诺谟图可得，θ′＜0，则θ=θ′m1m2＜0为压应力，满足。
第四层：h=hj+i=1j-1hi4EiEj+1=250+50414003600+40418001400+30420001800=370mm
E1=E4=3600MPa
H=i=j+1n-1hi0.9EiEj=250mm E2=E5=1300MPa
E0=35MPa
查三层连续体系上层层底拉应力系数诺谟图可得, θ′=0.19,m1=1.45,m2=0.83,
θ=pθ′m1m2=0.16＜0.3952,满足。
第五层： h=hj+i=1j-1hi4EiEj=250+50414003600+40418003600+30420003600=349mm
E1=E4=3600MPa
H=i=j+1n-1hi0.9EiEj=250mm E2=E5=1300MPa
E0=35MP
查三层连续体系中层层底拉应力系数诺谟图可得, θ′=0.44,n1=1.13,n2=0.4,
θ=pθ′n1n2=0.128＜0.1374满足。
表6-6 拉应力计算结果
材料名称
h/cm
15℃模量/MPa
容许拉应力/MPa
容许拉应力/MPa
是否满足要求
细粒式沥青混凝土
3
2000
0.6431
0.0000
是
中粒式沥青混凝土
4
1800
0.4593
0.0000
是
粗粒式沥青混凝土
5
1400
0.5547
0.0000
是
水泥稳定碎石
25
3600
0.3925
0.16
是
石灰土
25
1300
0.1374
0.128
是
土基
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由上表可知路面结构层满足设计要求。