路面设计计算书.doc

第六章 路面设计
6.1沥青路面结构设计
6.1.1设计资料
1、地形、地貌
拟建公路位于盆地，公路沿线地形总体比较平缓，属于平原微丘区，地势由东南向西北倾斜，自然地面坡度约为3～8‰。本段地处公路自然区划的Ⅵ2区，海拔高度在500m～700m之间。
2、起止桩号
起止桩号K0+000-K1+504.01，建设里程为1504.01m。路基宽度为10m。
3、地层岩性
项目所在区域自西向东，根据沿线地貌、工程地质、水文地质等条件，本地区主要划分为三个工程地质分区：残积—坡积低山丘陵区、剥蚀—堆积平原区和风积沙漠区。残积—坡积低山丘陵区岩性以泥岩、粉砂岩、砾岩、凝灰岩、碎屑岩、煤层为主；
剥蚀—堆积平原区岩性以泥质砂岩、细砂岩、红色砾岩、中、细砂、低液限粉土为主。风积沙漠区岩性以细砂、中砂、低液限粉土为主。地层主要分为两层，第一层为细砂、低液限粉土，层厚0.4～0.7m，松散、硬塑，容许承载力σ0=100～120kPa，土、石工程分级为Ⅰ；第二层为角砾、砾砂，揭示层厚1.1~1.6m，中密，容许承载力σ0=400kPa，土、石工程分级为Ⅲ。
4、水文及水文地质
本项目沿线基本为戈壁荒漠，无大型沟河，降水稀少，无地表水流入。路线全线有多处冲沟，沿线沟壑多呈漫流状，流程较短，水量不大，地表水冲刷痕迹明显。主要的河沟有2条。沿线地下水的唯一来源是大气降水补给，地势较低段落受地形条件影响形成洼地，周边地下水汇集在此。地下水埋深情况见下表
表1.地下水埋深情况一览表
编号
地下水埋深
1
1.3-2.5
2
1.2-1.8
3
2.0-3.0
4
1.5-2.5
5
3.0-4.5
6
1.8-3.0
7
1.2-3.5
8
1.4-2.0
9
1.5-2.2
10
0.9-1.5
11
1.6-2.4
12
0.8-1.3
13
1.2-1.6
14
1.2-2.4
15
0.8-2.5

4、气候气象
项目区域地处荒漠、戈壁地带，日照充足，蒸发强烈，夏季炎热，冬季寒冷，空气干燥，昼夜温差大，春夏季多风，属典型的大陆性干旱气候。
区域内年平均气温3.0℃～6.5℃，一月份平均气温－11.7℃～－18.4℃，七月份平均气温23.5℃～26.0℃，极端最低气温－42.6℃，极端最高气温43.0℃，年均降水量170mm，蒸发量约2141mm，最大冻土深度136～141cm。项目所在区域内日照充足，全年日照时数2841～3650小时，全年大风日达100天以上，主导风向为东风、东南风，瞬时最大风速可达41m/s。冬季寒冷，平均降雪量5～12mm。
6、自然区划
根据公路自然区划，拟建公路位于Ⅵ2区，即绿洲荒漠区。
7、交通量调查与分析
1.交通量年平均增长率4.95％，交通组成见表7-1。
表7-1 近期交通组成、交通量与不同车型的交通参数
汽车类型
前轴重（KN）
后轴重（KN）
后轴数
后轴轮组数
日交通量（辆/天）
小客车
16.50
20.3
1
双
1350
交通SH141
25.55
55.10
1
双
400
四平SPK6150
38
77.8
2
双
765
北京BJ130
13.55
27.2
1
双
850
解放CA50
28.7
68.2
1
双
305
东风EQ140
23.70
69.20
1
双
425
黄河JN-150
49.00
101.60
1
双
425
特大车日野KB222
50.20
104.30
1
双
300
拖挂车五十铃
83
78.5
2
双
29

6.1.2.计算标准轴载确定交通等级
路面设计以双轮组单轴载100KN作为标准轴载。
1、以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累积当量轴次
a.轴载换算的计算公式
（7-1）
式中：N—标准轴载的当量轴次，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；
—轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0.38；
—轴数系数；当轴间距大于3m时，按单独的一个轴载计算，对轴间距小于3m的双轴或多轴应考虑轴数系数，=1+1.2（m-1），m为轴数。
根据上述公式，具体计算结果，见表7-2。
表7-2 轴载换算表
车型
（KN）

小客车
前轴
16.50
1
6.4
1350

后轴
20.3
1
1

交通SH141
前轴
25.55
1
6.4
400
7.04
后轴
55.10
1
1
29.9
四平SPK6150
前轴
38
1
6.4
765
72.96
后轴
77.8
1
1
256.7
北京BJ130
前轴
13.55
1
6.4
805

后轴
27.2
1
1
2.9
解放CA50
前轴
28.7
1
6.4
305
8.3
后轴
68.2
1
1
57.7
东风EQ140
前轴
23.7
1
6.4
425
5.12
后轴
69.2
1
1
85.7
黄河JN-150
前轴
49.00
1
6.4
425
122.24
后轴
101.60
1
1
455.4
日野KB222
前轴
50.20
1
6.4
300
96
后轴
104.30
1
1
360.3
拖挂车 五十铃
前轴
83
1
6.4
29
181.76
后轴
78.5
2.2
1
22.3

1764.3
注：轴载小于25KN的轴载作用不计
b.设计年限内标准轴载累计当量轴次
设计年限内一个车道沿一个方向通过的累计当量标准轴次按下式计算：
（7-2）
式中：Ne—设计年限内一个车道沿一个方向通过的累计标准当量轴次，次；
t—设计年限，年；
N1—路面营运第一年双向日平均当量轴次，次/日；
γ—设计年限内交通量平均增长率，%；
η—与车道数有关的车辆横向分布系数，简称车道系数。
将N1=1764.3 ，t=12 ，γ=4.45% ，η=0.6代入式（7-2），得=5957831 (次)
2、以半刚性材料层底弯拉应力为设计指标计算累计当量轴次
轴载当量轴次
验算半刚性基层底拉应力的轴载换算公式：
（7-3）
式中：－轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09；
－轴数系数：当轴间距大于3m时，按单独一个轴计算，此时轴数系为1；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按=1+2（m-1）计算。
根据上述公式，计算结果见表7-3
表7-3 轴载换算表
车型
（KN）

小客车
前轴
16.50
18.5
1
1350

后轴
20.3
1
1

交通SH141
前轴
25.55
18.5
1
400

后轴
55.10
1
1
3.4
四平SPK6150
前轴
38
18.5
1
765

后轴
77.8
1
1
102.7
北京BJ130
前轴
13.55
18.5
1
850

后轴
27.2
1
1

解放CA50
前轴
28.7
18.5
1
305

后轴
68.2
1
1
14.3
东风EQ140
前轴
23.7
18.5
1
425

后轴
69.2
1
1
22.3
黄河JN-150
前轴
49.00
18.5
1
425

后轴
101.60
1
1
482.5
日野KB222
前轴
50.20
18.5
1
300
22.2
后轴
104.30
1
1
420.1
拖挂车 五十铃
前轴
83
18.5
1
29
362.6
后轴
78.5
1
3
12.5

1473.2

设计年限内标准轴载累计当量轴次
将N1=1473.2，t=12 ，γ=4.45% ，η=0.65代入式（7-3），得=4974821（次）
根据累计轴次结果，由《公路沥青路面设计规范》表3.1.8查得沥青路面交通等级属于C级交通等级即中等交通等级。
6.1.3土基回弹模量
设计路段路基土质为砾石类土，土基处于中湿状态，土基回弹模量为50MPa。
6.1.4初拟路面结构组合确定设计参数
（1）设计方案一（半刚性基层沥青路面）：拟采用4cm细粒式沥青混凝土+5cm中粒式沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+？水泥稳定砂砾+20cm矿渣稳定粒料, 以水泥稳定砂砾为设计层。
（2）确定设计参数
按试验规程规定的方法试验确定20℃的沥青混合料和其他结构层材料的抗压回弹模量。15℃沥青混合料和其他结构层材料的弯拉回弹模量值，以及沥青混合料15℃弯拉强度和半刚性材料的弯拉强度值，见表7-4。
表7-4 路面结构设计参数
层位
结构层材料
名称
厚(cm)
抗压模量(MPa) (℃)
抗压模量(MPa) （15℃）
弯拉强度(MPa)
(20℃)
1
细粒式沥青混凝土
4
1400
2000
1.4
2
中粒式沥青混凝土
5
1200
1500
1.0
3
粗粒式沥青混凝土
6
1000
1200
0.8
4
水泥稳定砂砾
？
1500
3000
0.5
5
矿渣稳定粒料
20
750

-----

6.1.5路面结构层厚度设计
（1）计算确定设计弯沉
通常设计时，选用半刚性材料龄期为三个月或六个月的模量值，土基模量值为不利年份不利季节。材料设计参数期与路面竣工后第一年不利季节基本接近，因此我们称这一状态为设计状态。表征设计状态的弯沉值称为设计弯沉值。设计弯沉是根据设计年限内一个车道上预测通过的累积当量轴次、公路等级、路面结构类型而确定的路表设计弯沉值。
根据下式计算路面设计弯沉值：
（7-4）
式中：－路面设计弯沉值，0.01mm；
－设计年限内一个车道上标准轴的累计当量轴次；
－道路等级系数，二级公路为1.1；
－面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；
—基层类型系数，对半刚性基层为1.0，柔性基层为1.6。
计算结果如下：
（0.01mm）
（2）各层材料的容许层底拉应力
通过大量路面实验，表明承受一次加载断裂的极限弯拉应力与受多次加载后达到同样断裂所施加疲劳应力之间的比值与加载次数存在如下相关关系：
（7-5）
式中：—沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度（MPa）；
—路面结构材料的容许拉应力；
—抗拉强度结构系数，根据结构层材料不同，按以下公式计算值。
对沥青混凝土层的抗拉强度结构系数，按下式计算：
（7-6）
对无机结合稳定集料类的抗拉强度结构系数，按下式计算：
（7-7）
对无机结合料稳定细粒土类的抗拉强度结构系数，按下式计算：
（7-8）
a. 细粒式密集配沥青混凝土：

Mpa
b. 中粒式密集配沥青混凝土：

Mpa

c.粗粒式密级配沥青混凝土：

Mpa
d.水泥稳定沙砾：

Mpa
e.级配碎石：
由于级配碎石没有劈裂强度，故不用计算其容许拉应力。
计算结果列于表7-5。
表7-5 结构层参数
层位
结构层材料名称
极限弯拉强度
容许拉应力(MPa)
1
细粒式沥青混凝土
1.4
0.5533
3
中粒式沥青混凝土
1.0
0.3953
4
粗粒式沥青混凝土
0.8
0.3162
5
水泥稳定砂砾
0.5
0.2824
6
矿渣稳定粒料
----
-----
6.1.6路面结构层厚度计算
（1）计算弯沉综合修正系数
（7-9）
式中：F—综合修正系数；
ls—路表计算弯沉（0.01mm），此时可取设计弯沉值代入计算；
δ—当量圆半径（cm），此处为双圆荷载，取δ=10.65cm；
p—标准车轴载轮胎接地压力（MPa）。
E0—土基回弹模量（MPa）。

（2）计算理论弯沉系数
（7-10）
式中：—理论弯沉系数；
—各结构层材料的回弹模量（MPa）。
即：
（3）确定石灰土底层的厚度
这是一个多层体系，计算时可以先将多层体系转化为当量三层体系，求出中间层的厚度H，然后再求出基层厚度，转换图式如图7-1。
图7-1 弯沉三层体系换算图式

=4cm =1400MPa

h==4cm =1400MPa
=5cm =1200 MPa
H=？cm =1200 MPa
=6cm =1000 MPa
=？cm =1500 MPa
=20cm =750 MPa
土基 =50 MPa
土基 =50 MPa

由 ，查诺谟图得；
，查诺谟图得；
由于，所以
再由和，查诺谟图得
则：
根据等效路表弯沉的结构层转换公式：
（7-11）
则：cm
上式解得=14.35cm，取15cm。
6.1.7路面结构层验算
1. 验算底层结构层面拉应力
验算层底拉应力时根据多层弹性理论，层间接触条件为完全连续体系，以双圆荷载作用下按下式计算：
（7-12）
验算底层拉应力时，应满足,式中为允许拉应力。
（1）验算细粒式沥青混凝土底面弯拉应力，见图7-1
图7-1 多层体系计算下面层拉应力换算图
=4cm =1400MPa

h=？cm =1000MPa
=5cm =1200 MPa
H=？cm =1500 MPa

=6cm =1000 MPa
=15cm =1500MPa
=20cm =750 MPa
土基 =50 MPa
土基 =50 MPa

上面层厚度：

中面层厚度：

由：；
；
查诺谟图可得
，验算满足。
（2）验算半刚性基层底面弯拉应力，见图7-2
图7-2 多层体系计算基层拉应力换算图
=4cm =1400MPa

h=?cm =1500MPa
=5cm =1200 MPa
H=20cm =750 MPa
=6cm =1000 MPa
=15cm =1500 MPa
=20cm =750MPa
土基 =50 MPa
土基 =50 MPa

上面层厚度：
中面层厚度：

由：；
；
查诺谟图得：
，验算满足。
（3）防冻厚度验算
根据《公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)》表5.2.4“最小防冻厚度”；
土质类型 ： 砂砾类土
路基干湿状态：干燥状态
路面结构材料层：稳定土类
道路多年最大冻深：136～141cm
路面最小防冻厚度：40~45cm
验算结果表明，路面总厚度满足防冻要求。

6.2水泥混凝土路面设计
6.2.1设计资料：
公路技术等级：二级公路；
自然区划：Ⅵ2；
土基回弹模量：50Mpa；
交通增长率：4.45%；
行车道宽度：7.5m
车辆组成及交通量见表6-6。
表6-6 交通量
汽车类型
前轴重（KN）
后轴重（KN）
后轴数
后轴轮组数
日交通量（辆/天）
小客车
16.50
20.3
1
双
1350
交通SH141
25.55
55.10
1
双
400
四平SPK6150
38
77.8
2
双
765
北京BJ130
13.55
27.2
1
双
850
解放CA50
28.7
68.2
1
双
305
东风EQ140
23.70
69.20
1
双
425
黄河JN-150
49.00
101.60
1
双
425
特大车日野KB222
50.20
104.30
1
双
300
拖挂车五十铃
83
78.5
2
双
29
根据《公路工程技术标准》（JTG D40-2004）和《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2000）设计。
6.2.2设计要求
路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承。
垫层的宽应与路基同宽，其最小厚度为150mm。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，排水垫宜采用砂、砂砾等颗粒材料。
基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。基层类型宜依照交通等级按表6-7，6-7选用
表6-6 适宜各交通等级的基层类型
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
基层厚度选择
表6-7 各类基层厚度的适宜范围
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
水泥混凝土面层应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。面层一般采用设接缝的普通混凝土；面层板的平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路等有可能产生不均匀沉降时，应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。
路肩铺面结构应具有一定的承载能力，其结构导线组合和材料选用应与行车道路面相协调，并保证进入路面结构中的水的排除。
6.2.3水泥路面设计
1.交通分析
轴载换算并确定交通等级：水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴轮型和轴载的作用次数，按下式换算为标准轴载的作用次数。轴载换算采用以下公式：
（7-13）
（7-14） （7-15）
（7-16）式中：Ns—100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；
Pi—单轴-单轮、单轴-双轮组或三轴-双轮组轴型级轴载的总重（kN）；
—轴型和轴载级位数；
—各类轴型级轴载的作用次数；
—轴-轮型系数，单轴-双轮组时，；单轴-单轮时，按式（7-14）计算；双轴-双轮组时，按式（7-15）计算；三轴-双轮组时,按式（7-16）计算。
交通轴载换算计算结果列于表7-11中。
表6-8 轴载换算
车型
Pi(KN)

交通SH141
后轴
55.1
400
0.03
四平SPK6150
前轴
77.8
765
0.07
解放CA50
后轴
68.2
305
0.668
东风EQ140
后轴
69.2
425
1.175
黄河JN-150
前轴
49
425
1.955
后轴
101.6
425
547.883
日野KB222
前轴
50.20
300
2.011
后轴
104.30
300
588.397
拖挂车 五十铃
前轴
83
33
488.424
后轴
78.5
33
0

1630.613

由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2002)3.0.1，（以下简称《水泥路面规范》）二级公路的设计基准期为20年，安全等级为三级。由《水泥路面规范》表A.2.2，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.54。按式（A.2.2）计算得到设计基准期内设计车道标准何在累积作用次数为：
次，属重交通等级。
2. 初拟路面结构
由表3.0.1，相应于安全等级三级的变异水平等级为中级。根据二级公路、重交通等级和中级变异水平等级，查表7-12。
表6-9 水泥混凝土面层厚度（mm）参考范围

交通等级
重
中等
公路等级
高速公路及快速路
一级公路及主干路
二级公路及次干道
二级公路及次干道
三四级公路及支路
三四级公路及支路
变异水平等级
低
中
低
中
高
中
高
中
面层厚度
270-240
260-230
250-230
240-210
230-200
220-200

所以初拟普通混凝土面板厚度22cm。基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚20cm；垫层为15cm低剂量无机结合料稳定土；考虑充分利用路基宽度，将全部硬路肩和部分土路肩硬化，普通混凝土的平面尺寸为宽4.25m,长5.0m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。
3.路面材料参数确定
按《水泥路面规范》表3.0.6，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应的弯拉弹性模量标准，值为31GPa。
各层材料回弹模量及厚度数据见表6-10。
表6-10 设计厚度参数表
层位
名称
回弹模量(Mpa)
厚度(cm)
1
普通混凝土
31000
面层
22
2
水泥稳定粒料
1300
基层
20
3
低剂量无机结合料稳定土
600
垫层
15
4
新建土基
50

按式（B.1.5）基层和垫层当量回弹模量：

基层和垫层当量弯曲刚度：

基层和垫层当量厚度：

回归系数：

基层顶面当量回弹模量：

普通混凝土面层的相对刚度半径为

式中：—基层顶面的当量回弹模量；
—路床顶面的回弹模量；
—基层和底基层或垫层的当量回弹模量；
—基层和底基层或垫层的回弹模量；
—基层和底基层或垫层的当量厚度；
—基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度；
—基层和底基层或垫层的厚度；
——与有关的回归系数。
4.荷载疲劳应力
按式（B.1.3），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为

因纵缝设拉杆平缝，取应力折减系数 =0.87。考虑设计基准期内荷载累计疲劳作用的疲劳应力系数：

根据公路等级，由表B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数：
按式（B.1.2），何在疲劳应力计算为

5.温度疲劳应力
查表3.0.8，Ⅳ2区最大温度梯度取，。板长5米，,混凝土面板厚0.22m,查图的Bx=0.71。按式（B.2.2）最大温度时混凝土板的温度翘曲应力计算为

Ⅳ2区回归系数：a=0.837，b=0.038，c=1.382，温度疲劳作用系数：

温度疲劳应力：

查表3.0.1，二级公路安全等级为三级，相应,与三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度85%。在据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表3.0.3，确定可靠度系数为。

因而，所选普通混凝土面层厚度22cm可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合影响。混凝土路面结构图见图。
6.2.3接缝设计
（1）纵缝设计
一次铺筑宽度为4m，设置纵向施工缝，纵向施工缝采用平缝形式，上部应锯切槽口，深度为35mm，宽度为6mm，槽内灌塞填缝料。如图7-1所示：

7-1 纵向施工缝（单位：mm）
（2）横向接缝
横向施工缝其位置尽可能选在缩缝或胀缝处。如图7-2所示：

7-2 横向施工缝构造（单位：mm）

横向缩缝可等间距或变间距布置，采用假缝形式，顶部应锯切槽口，深度为面层厚度的1/5-1/4，宽度为6mm，槽内填塞填缝料。如图7-3所示：

7-3 横向缩缝构造（单位：mm）