路面结构设计.docx

第四章 路面设计
路面直接承受行驶车辆的作用，是道路工程的重要组成部分，通常都根据车辆行驶的需要，选用优质材料建成。同时路基作为路面结构的基础应具有足够的强度和稳定性，以回弹模量作为评价路基强度与稳定性的力学指标进行路面结构的设计。

4.1 路面结构类型选择
水泥混凝土路面虽然有强度高﹑稳定性好﹑耐久性好，养护费用少﹑经济效益高，有利于夜间行车等优点，但是由于无锡地区以经济发展较快，且该公路为平原微丘区高速公路，等级高，对道路服务水平要求高，若采用水泥混凝土路面，水泥和水的需要量大，路面接缝不但增加施工和养护的复杂性，而且容易引起行车跳动，影响乘客的舒适性；另外，作为干线公路的北慧线高速公路，要去通车要快，水泥混凝土路面开放交通迟，修复困难等诸多缺点。鉴于以上各种原因，本设计选用沥青混凝土路面。
4.2 沥青混凝土路面设计
4.2.1 交通分析：
1) 2014年交通组成以及交通量如下：
图4-1 交通量组成表
车型
小汽车
黄河JN150
斯柯达706R
解放CA50
日野KB222
长征CZ-361
东风EQ140
日野KF300D
太脱拉T-138S
辆/日
2800
650
595
1700
660
810
750
700
80
现在标准交通量为N0，远景设计交通量为Nα，设计年限为20年，交通量年均增长率为11.5%。
2)交通等级：高速公路（4车道）
4.2.2 路面结构和材料设计：
1）轴载分析：路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载。
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：
计算结果如下表所示：
图4-2 轴载换算表
车型名称
前轴重(kN)
后轴重(kN)
后轴数
后轴轮组数
交通量
黄河JN150
49
101.6
1
双轮组
650
斯柯达706R
50
90
1
双轮组
595
解放CA50
19.4
60.85
1
双轮组
1700
日野KB222
50.2
104.3
1
双轮组
660
长征CZ-361
47.6
2*90.70
2
双轮组
810
东风EQ140
23.7
69.2
1
双轮组
750
日野KB222
50.2
104.3
1
双轮组
660
太脱拉T-138S
45.40
2*90
2
双轮组
80
b、当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时 :
路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 5120
设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 6.354*107 次，属重交通等级；
c、当进行半刚性基层层底拉应力验算时 :
路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 3758
设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 4.664*107次，属特重交通等级。
2）结构组合与材料选取
路面设计按高级路面处理，根据根据全寿命沥青路面理论，路面结构面层采用四层式面层结构，采用沥青玛蹄脂碎石作为磨耗层（厚4cm），中粒式沥青混凝土作为中面层（厚6cm），粗粒式沥青混凝土作为下面层（厚10cm），由于设计路段交通量较大且设计设计荷载较高，遂本文选用复合基层结构。粗粒式沥青稳定碎石作为上基层（厚10cm），基层采用水泥稳定碎石（厚度待定），底基层采用水泥稳定碎石（厚度18cm），查阅JTJ 003-86 公路自然区划标准知，蓝田地区年平均降水量在700—800毫米左右，潮湿系数一般为1.0-1.5左右，属于潮湿地区，冰冻期短，因此在路基干燥情况下可不设垫层。
查《公路沥青路面设计规范》中的“沥青混凝土类型的选择”，考虑采用沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13）作为上面层，SMA混合料因其采用骨架密实结构，较普通沥青混合料具有较好的高温稳定性、低温抗裂、抗水损、抗滑和耐久等性能。SMA是由粗骨料构成的主要结构，具有抗变形能力，合理填充粗骨料结构空隙的沥青玛蹄脂（由细集料、填料、结合料及稳定剂组成）赋以SMA路面高度的耐久性，其粗糙、均匀表面构造使路面具有良好的抗滑性能和较低的交通噪音。SMA路面虽比传统沥青路面工程造价高，但使用寿命更长，养护费用低，因而全寿命成本较低，所以上面层采用细粒式沥青玛蹄脂碎石SMA-13（厚4cm）。相较表面层，中下面层应具有一定的密水性、抗剥落性，高温重载条件下，沥青混合料应具有较高的抗剪强度，下面层应具有良好的抗疲劳裂缝的性能，所以中面层采用中粒式密级配沥青混凝土AC-20（厚6cm），下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土AC-25（厚10cm）。
3）各层材料的容许拉应力、劈裂强度以及抗压模量
因此阶段没有经过实验测的材料的准确值，所以只是根据经验值范围的中值进行设计，土基回弹模量有查表法确定。查《公路沥青路面设计规范》附录可得各材料设计参数如下：
表4-3 材料设计参数表
层位
结 构 层 材 料 名 称
劈裂强度(MPa)
容许拉应力(MPa)
1
SMA-13
1.5
0.32
2
AC-20
1.0
0.21
3
AC-25
0.8
0.17

ATB-30
0.7
0
4
水泥稳定碎石
0.5
0.2
5
水泥稳定碎石
0.5
0. 2

表4-4 材料设计参数表
层位
结 构 层 材 料 名 称
抗压模量(MPa) (20℃)
抗压模量(MPa) (15℃)
1
SMA-13
1400
1200
2
AC-20
1200
1600
3
AC-25
1000
1200
4
ATB-30
1400
1500
5
水泥稳定碎石
1500
3500
6
水泥石灰砂砾土
1500
3500
7
土基
40（36）
40（36）

4）土基回弹模量确定
该路段处于Ⅲ3区，土质为粉质土，查表可确定该土基回弹模量干燥情况下取40 MPa，中湿状态取36 MPa。
I．土基处于干燥状态时：
5）设计指标确定
以设计弯沉值作为设计指标，并对面层、基层及底基层进行拉应力验算：
a、计算弯沉值：
该公路为高速公路，公路等级系数Ac=1.0，面层系数As =1.0，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数Ab=1.0
设计弯沉值进行计算采用公式：Ld=600Ne-0.2Ac×As×Ab：
Ld=600×（6.354*107）0.2×1.1×1.0×1.0=16.5(0.01mm)
b、按设计弯沉值计算设计层厚度 :
LD= 16.5(0.01mm)
H( 5 )=230mm LS=16.8(0.01mm)
H( 5 )=280mm LS=15.5(0.01mm)
H( 5 )= 250 mm(仅考虑弯沉)
c、按容许拉应力验算设计层厚度 :
H( 5 )= 262 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 241 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 241 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 241 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 241 mm(第 6 层底面拉应力计算满足要求)
路面设计层厚度 :
H( 5 )= 241 mm(仅考虑弯沉)
H( 5 )= 241 mm(同时考虑弯沉和拉应力)
6）计算结果：
通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改,最后得到路面结构设计结果如下:
----------------------------------------
细粒式沥青玛蹄脂碎石 40 mm
----------------------------------------
中粒式沥青混凝土 60 mm
----------------------------------------
粗粒式沥青混凝土 100 mm
----------------------------------------
粗粒式沥青碎石 100 mm
----------------------------------------
水泥稳定碎石 250 mm
----------------------------------------
水泥稳定碎石 200 mm
----------------------------------------
新建路基
7）竣工验收：
a、计算改建路面各加铺层顶面交工验收弯沉值 :(按新建路面 F 公式计算)
第 1 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 16.3 (0.01mm)
第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 17.4 (0.01mm)
第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 19.2 (0.01mm)
第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 22.7 (0.01mm)
第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 29.4 (0.01mm)
第 6 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 87.9 (0.01mm)
b、计算改建路面各加铺层底面最大拉应力 :(未考虑综合影响系数)
第 1 层底面最大拉应力 σ( 1 )=-0.191 (MPa)
第 2 层底面最大拉应力 σ( 2 )=-0.027 (MPa)
第 3 层底面最大拉应力 σ( 3 )=-0.01 (MPa)
第 5 层底面最大拉应力 σ( 5 )=-0.011 (MPa)
第 6 层底面最大拉应力 σ( 6 )= 0.097 (MPa)
8）方案设计结果示意图如下：
图4-1 干燥状态下路面结构设计图
上面层 SMA-13 4cm

中面层 AC-20 6cm

下面层 AC-25 10cm

上基层 ATB-25 10cm

下基层 水泥稳定碎石 25cm

底基层 水泥石灰砂砾土 20cm

土 基 40Mpa

II.土基处于中湿状态时：
5）设计指标确定
以设计弯沉值作为设计指标，并对面层、基层及底基层进行拉应力验算：
计算弯沉值：
该公路为高速公路，公路等级系数Ac=1.0，面层系数As =1.0，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数Ab=1.0
设计弯沉值进行计算采用公式：Ld=600Ne-0.2Ac×As×Ab：
Ld=600×（6.354*107）0.2×1.1×1.0×1.0=16.5(0.01mm)
a、按设计弯沉值计算设计层厚度 :
H( 5 )= 230 mm LS= 17.5 (0.01mm)
H( 5 )= 280 mm LS= 16.1 (0.01mm)
H( 5 )= 265 mm(仅考虑弯沉)
b、 按容许拉应力验算设计层厚度 :
H( 5 )= 265 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 265 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 265 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 265 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 265 mm(第 6 层底面拉应力计算满足要求
路面设计层厚度 :
H( 5 )= 265 mm(仅考虑弯沉)
H( 5 )= 265 mm(同时考虑弯沉和拉应力)
6）计算结果：
通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改,最后得到路面结构设计结果如下:
----------------------------------------
细粒式沥青玛蹄脂碎石 40 mm
----------------------------------------
中粒式沥青混凝土 60 mm
----------------------------------------
粗粒式沥青混凝土 100 mm
----------------------------------------
粗粒式沥青碎石 100 mm
----------------------------------------
水泥稳定碎石 270 mm
----------------------------------------
水泥稳定碎石 200 mm
----------------------------------------
新建路基
7）竣工验收：
a、计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 :
第 1 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 16.3 (0.01mm)
第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 17.5 (0.01mm)
第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 19.2 (0.01mm)
第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 22.6 (0.01mm)
第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 29.1 (0.01mm)
第 6 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 93.4 (0.01mm)
路基顶面交工验收弯沉值 LS= 258.8 (0.01mm)
b、计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :(未考虑综合影响系数)
第 1 层底面最大拉应力 σ( 1 )=-.102 (MPa)
第 2 层底面最大拉应力 σ( 2 )=-.03 (MPa)
第 3 层底面最大拉应力 σ( 3 )=-.04 (MPa)
第 5 层底面最大拉应力 σ( 5 )= .047 (MPa)
第 6 层底面最大拉应力 σ( 6 )= .143 (MPa)8）
8)中湿路段的垫层设置
对于本设计中路基状况不良的路段，需要设置垫层以确保路面结构不受路基中滞留的自由水的侵蚀以及冻融的危害。如里程为K2+700到K3+000标段，路
基填土高度小于所规定的1.9m，难以保证路基处于干燥或中湿状态，甚至部分标段填高不足一米，故需在这一范围内设置排水垫层。本设计在所有中湿及以下路段加设12cm的砂垫层，此垫层与路基路面排水设施相连，垫层以下设置土工织物的反虑层，严防路基土通过地下水的作用下进入垫层，影响其排水功能。
9）方案设计结果示意图如下：

图4-2 中湿状态下路面结构设计图
上面层 SMA-13 4cm

中面层 AC-20 6cm

下面层 AC-25 10cm

上基层 ATB-25 10cm

下基层 水泥稳定碎石 27cm

底基层 水泥石灰砂砾土 20cm

垫 层 砂砾垫层 10cm

土 基 36Mpa