沥青路面结构层计算示例.doc

1 设计原始资料和依据
该公路处于 II 5 区，路线经过地区属于湿暖带半湿润季风气候区，海洋型和大陆型过渡的气候特征比较明显，气候温暖、四季分明、雨量充沛、冬寒夏热。年内夏、秋季降水相对集中，易出现暴雨造成涝灾，其余季节降水偏少。
气候区内年平均气温13.7 oC，以7、8月份最热，年平均最高气温19.4 oC，年平均最低气温9.1 oC，历年极端最高气温39.9 oC，历年极端最低气温-22.4 oC。历年最大积雪深度20cm，最大冻土深度33 cm，历年平均无霜期163.5天。气候区内年平均降雨量884.0mm，历年最大降雨量1358.0mm，以7~10月降雨相对较为集中。
区域内常年主导风向为东北风，历年平均风速3.3m/s。最大风速16.8m/s。8、9月份受台风影响区内空气湿度较高，年平均相对湿度为70%左右，最小相对湿度65%、最大相对湿度85%。
设计线路经过地段主要由第四系松散沉积层所组成。第四纪沉积层由全新（Q4a1）的低~高液限粘土夹中粗砂及上更新（Q3a1）的低~高液限粘土所组成。由于古河道多次变迁作用，地层厚度分布不均，堆积层厚度上部全新（Q4a1）一般在3~9m局部达10m，地层岩性主要为低~高液限粘土，其CBR为2%~10%；下部上更新统（Q3a1）沉积层厚度一般为10~40m，地层岩性主要为低~高液限粘土，呈中~高压缩性。
1.1.1 路线服务范围交通运输要求和经济技术调查资料
由于此路段处于江地势平缓，沿线以农业为主，该路段经过两条大渠和一条铁路，故该道路的修通对于完善苏北地区贸易交往，改善该地区的投资环境具有深远的意义。另外修建该路所需的路基填料、石灰、碎石等集料在附近地区都非常丰富，并且都能满足技术指标要求。
1.1.2 交通量资料
交通量平均增长率7.5%

表1-1 交通量资料
车型
小客车
中客车SH141
大客车CA50
小货车BJ130

交通量（辆/日）
1400
500
1100
1800

车型
中货车EQ140
大货车JN150
铰接挂车SP9250

交通量（辆/日）
970
230
80

1.2 设计依据
本设计AB段高速公路位于徐州市洞山地区，根据沿线地形、地貌、地质、水文、气象等自然条件进行设计，依据的有关规范、规程具体如下：
1) 部颁《公路工程技术标准》（JTG B01－2003）；
2) 部颁《公路路线设计规范》（JTG D20－2006）；
3) 部颁《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）；
4) 部颁《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）；
5) 部颁《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）；
6) 部颁《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80-1-2004)；
7) 部颁《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）；
8) 部颁《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）；
9) 部颁《公路排水设计规范》（JTJ018-97）；
10)《京福高速公路绕徐州城西段设计说明书》；
11) 拟建公路的设计原始资料；
12) 拟建公路所处地区的地区地形图。
2 路面结构层厚度设计
2.1.1 土基回弹模量的确定
由于本路段无实测条件，故可按查表法预测土基回弹模量值。
1）确定临界高度
本路段土基设计为不利季节处于干燥状态，因为益阳地区为Ⅳ5区，由设计资料知该地区土质为粘性土，查《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)附录F.0.1可确定临界高度H1在1.7m~1.9m之间。
2）土的平均稠度
因本路段属于干燥类型，根据路基的临界高度，由《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中5.1.4-1知路床表面以下80cm深度内平均稠度为Wc≥1.10，本设计取Wc=1.10。
3）确定土基回弹模量
据以上所述查表得该地区的土基回弹模量为E0=45.5Mpa。
2.1.2 路面设计参数的确定
1）交通量组成
已知设计年限为12年，设计年限内交通量年平均增长率r=7.5%，交通量组成见下表：
表1-1 交通量资料
车型
小客车
中客车SH141
大客车CA50
小货车BJ130

交通量（辆/日）
1400
500
110
1400

车型
中货车EQ140
大货车JN150
铰接挂车SP9250

交通量（辆/日）
970
230
80

2）标准轴载及轴载换算和当量轴次计算
路面设计以双轮组单轴载100KN为标准荷载，标准轴载计算参数如下：
表4-3-2 标准轴载计算参数
标 准 轴 载
BZZ－100
标 准 轴 载
BZZ－100
标准轴载P(KN)
100
单轮传压面当量圆直径(cm)
21.30
轮胎接地压强P(MPa)
0.70
两轮中心距(cm)
1.5d
3）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
（1）轴载换算
以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN的各级荷载（包括车辆的前、后轴）的作用次数，均按下式换算成标准轴载的当量作用次数。
(4-3-1)
式中： — 标准轴载的当量轴次，次／日；
— 被换算车型的各级轴载作用次数，次／日；
— 标准轴载，KN；
— 被换算车型的各级轴载，KN；
— 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。
当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为m；当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数按下式计算。
（4-3-2）式中： m— 轴数。
本路段轴载换算如下表所示。
表4-3-3 标准轴载换算（一）
车 型
Pi（KN）
C1
C2
n1
N1
交通
SH-141
后轴
55.1
1.0
1.0
500
37.4
前轴
25.55
1.0
6.4
500
8.46
解放
CA-50
后轴
68.2
1.0
1.0
110
20.81
前轴
28.7
1.0
6.4
110
3.09
北京
BJ-130
后轴
27.4
1.0
1.0
1400
5.02
前轴
13.4
1.0
6.4
1400
1.43
东风
EQ-140
后轴
69.3
1.0
1.0
970
196.77
前轴
23.6
1.0
6.4
970
11.62
黄河
JN-150
后轴
101.6
1.0
1.0
230
246.44
前轴
49
1.0
6.4
230
66.11
东风SP9250
后轴
113.3
3.4
1.0
240
413.15
前轴
50.7
1.0
6.4
80
26.67
合 计

1036.97
（2）累计当量轴次计算
由《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)3.1.2-1设计年限内一个车道上的累计当量轴次按下式计算。
（4-3-3）
式中： —设计年限内一个车道上的累计当量轴次，次；
—设计年限，12年；
—路面竣工后第一年双向日平均当量轴次，次／日；
—设计年限内交通量的平均年增长率(%),应根据实际情况调查，预测交通量增长，经分析确定；
—车道系数，查《公路沥青路面设计规范》(JTJ014－97)确定车道系数为0.4~0.5,本设计取=0.7。
设计年限内一个车道上的累计当量轴次为
=4881289.995（次）
4）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次
当进行半刚性基层层底拉应力验算时，各种车型的前后轴的作用次数，均按下式转换成标准轴载的当量作用次数。
　　 （4-3-4）
式中： —轴数系数；
—轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09。
当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下式计算。
　　　　　 （4-3-5）
计算结果如下表。
表4-3-4 标准轴载换算（二）
车 型
Pi（KN）
C1
C2
n1
N1
交通
SH-141
后轴
55.1
1.0
1.0
500
37.4
前轴
25.55
1.0
18.5
500
24.45
解放
CA-50
后轴
68.2
1.0
1.0
110
20.81
前轴
28.7
1.0
18.5
110
8.93
北京
BJ-130
后轴
27.4
1.0
1.0
1400
5.02
前轴
13.4
1.0
18.5
1400
4.13
东风
EQ-140
后轴
69.3
1.0
1.0
970
196.77
前轴
23.6
1.0
18.5
970
33.59
黄河
JN-150
后轴
101.6
1.0
1.0
230
246.44
前轴
49
1.0
18.5
230
191.10
东风SP9250
后轴
113.3
3.4
1.0
240
413.15
前轴
50.7
1.0
18.5
80
77.09
合 计

1258.88
设计年限内一个车道上的累计当量轴次仍按式（4-3-3）进行计算：
= 5925878.62（次）
2.1.3 路面结构层厚度计算
路面结构及计算参数见表4-3-5。
表4-3-5 路面结构及计算参数
层次
材料名称
厚 度(cm)
200C抗压回弹模量(MPa)
150C抗压回弹模量(Mpa)
15o劈裂强度(MPa)
1
AC-13细粒式沥青混凝土
5
1400
2000
1.4
2
AC-20中粒式沥青混凝土
7
1200
1800
1.0
3
AC-25粗粒式沥青混凝土
9
1000
1400
0.8
4
水泥稳定碎石
?
1500
1500
0.7
5
石灰稳定土
20
550
550
0.225
6
土基
——
45.5
——
1）按容许弯沉计算路面厚度
路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，是根据设计年限内每个车道累计标准当量轴次、公路等级、面层和基层的类型等确定的。
路面设计弯沉值可按下式计算：
（4-3-6）
式中： —路面设计弯沉值(0.01mm);
—设计年限内一个车道上的累计当量轴次；
—公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；
—面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；
—路面结构类型系数，半刚性基层、刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6，若基层由半刚性基层与柔性基层组合而成，通过线性内插确定。

根据上式计算得：
=30.33（0.01mm）
2）结构层材料的容许弯拉应力
高速公路的沥青混凝土面层或半刚性材料基层、底基层，在进行层底拉应力验算时，结构层底面计算点的拉应力应小于或等于该层材料的容许弯拉应力，即：
≤　 （4-3-7）
容许弯拉应力按下式列公式计算：
（4-3-8）
式中： —路面结构层材料的容许弯拉应力(MPa)；
—沥青混凝土或半刚性材料的劈裂强度(MPa)。对沥青混凝土指15℃时的劈裂强度；对水泥稳定类材料为龄期90d的劈裂强度(MPa)；对二灰稳定类、石灰稳定类的材料为龄期180d的劈裂强度(MPa)；
—抗压强度结构系数。
对沥青混凝土面层：
(4-3-9)
式中： —沥青混凝土级配类型系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1。
对无机结合稳定集料类：
（4-3-10）
对无机结合类稳定细粒土类：
（4-3-11）
（1）沥青混凝土上面层AC-13
＝1.4Mpa
=0.09×(4881289.995)0.22/1.1=2.423
=
（2）沥青混凝土中面层AC-20
＝1.0Mpa
=0.09×(4881289.995)0.22/1.1=2.423
=
（3）沥青混凝土下面层AC-25
＝0.8Mpa
=0.09×(4881289.995)0.22/1.1=2.423
=
（4）水泥稳定碎石基层
＝0.7 Mpa
=0.35×(4881289.995)0.11/1.1=1.731
=
（5）石灰稳定土底基层
＝0.225Mpa
=0.45×(4881289.995)0.11/1.1=2.226
=
3）路面厚度计算
路面厚度是根据多层弹性理论、层间接触条件为完全连续体系时，在双圆均布荷载作用下，轮隙中心处实测路表弯沉值等于设计弯沉值的设计原则进行计算（其力学图式如图4-3-1），即
　 ＝　 （4-3-12）

图4-3-1 路表弯沉值计算图式
路表弯沉值按下式计算：
（4-3-13）

（4-3-14）
式中： —路面实测弯沉值，0.01mm；
p、—标准车型的轮胎接地压强(MPa)和当量圆半径，cm；
F—弯沉综合修正系数；
—理论弯沉系数；
或—土基回弹模量值，MPa；
、、—各层材料回弹模量值；
、、 —各结构层厚度，cm。
计算得：
=0.607
由式（4-3-13）得理论弯沉系数：

这是一个多层体系，计算时可以先将多层体系转换为当量三层体系，求出中间层的厚度H，然后再求出基层厚度，转换图式如下：

图4-3-2 弯沉三层体系换算图式
由，查《路基路面工程》（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第360页图14-14得。
由，查《路基路面工程》（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第360页图14-14得。
由于，所以
==0.651
再由，和=0.651查《路基路面工程》（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第360页图14-14得 ，
从而，cm
根据等效路表弯沉的结构层转换公式：
得：cm, 取12cm计。
4）验算弯拉应力
（1）上面层底面弯拉应力验算
先转化成三层体系（模量采用15℃时的抗压回弹模量），图示如下：
图4-3-3 AC-13上面层弯拉应力三层体系换算图
上层厚度为cm。
中层厚度为：
cm
对高速公路的沥青混凝土面层和半刚性基层、低基层进行拉应力的验算时，各层按连续验算。
验算层低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层低最大拉应力。
（4-3-15）

应以下式计算：
（4-3-16）
式中： 、—系数。
验算层低拉应力时，应满足下式要求：
（4-3-17）
式中： —容许拉应力。
由，查《路基路面工程》（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第362页图14-18得无具体的。
由，，查表无具体的值。
由，，查表无具体的值。
说明上面层底面所受拉应力较小，即可认为：，从而，＜0＜=0.5778Mpa，满足强度要求。
（2）中面层底面拉应力验算
三层体系转化图示如下：

图4-3-3 AC-20中面层弯拉应力三层体系换算图
上面层厚度：cm
中层厚度： cm
同理，查表得，从而，＜0＜=0.4077MPa，满足强度要求。
（3）下面层底面拉应力验算
三层体系转化图示如下：

图4-3-4 AC-25下面层弯拉应力三层体系换算
上面层厚度：cm
中层厚度：cm
查表得，从而，＜0＜=0.3302MPa，满足强度要求。
（3）基层层底拉应力验算
三层体系转化图示如下：

图4-3-5 基层弯拉应力三层体系换算图
上面层厚度：
cm
中层厚度：H=20cm
由，查《路基路面工程》（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第362页图14-18得： Mpa；
由查表得；
由，，查表得；
从而：
Mpa,所以基层满足抗弯拉要求。
（4）底基层层底拉应力验算
三层体系转化图示如图4-3-6所示。

图4-3-6 底基层弯拉应力三层体系换算图
上层厚度：=33.21cm
根据（4）中各参数查《路基路面工程》（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第363页图14-19得Mpa，，
从而，Mpa，
所以底基层满足抗弯拉要求。
通过计算可知方案一的路面总厚度为5+7+9+12+20=53cm。
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