沥青路面设计.docx

沥青路面设计1.基本设计资料该路段道路路线位于微丘区，公路自然区划为1区。地震烈度为六级，设计标高243.50m，地下水位1.5m。平均稠度1.08，季节性冰冻地区，冻结深度为1.2m，所经地区多为粉性土。路基中湿，e=35mpa。设计为双向六车道的一级公路，设计使用年限为15年。表.1预测交通量及交通组成车型前轴重后轴重后轴数后轴轮组数后轴距交通量（辆/昼夜）小客车2300风潮hdf65013.5027.001201000三菱pv41349.70101.00222305黄河jn162a62.28116.221201900江淮hff3150c0749.2096.30120550雷诺jn7530.5058.50120950山西sx34123.7068.70120600东风ycy-90025.0078.20224400尤尼克276667.00102.5042265交通量年平均增长率（%）9.92.轴载分析2.1以设计弯沉值为设计指标及验算沥青层底层拉应力中的累计当量轴次（1）轴载换算当以弯沉值和沥青底层拉应力为设计指标时，凡前后轴轴载大于25kn的各级轴载pi的作用次数ni均换算成标准轴载p的当量作用次数n。n=i=1kc1c2nipip4.35式中：n标准轴载的当量轴次（次/昼夜）； ni各种被换算的车辆作用次数（次/昼夜）； p标准轴载（kn）； pi各种被换算车型的轴载（kn）； c1轴数系数； c2轮组系数，双轮组为1，单轮组为6.4，四轮组为0.38。当后轴间距大于3m时，按单独的轴计算，此时轴数系数为1；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算：c1=1+1.2（m-1）式中：m轴数。计算结果如表.2所示。表.2轴载换算结果车型pi（kn）c1c2ni (次/日)ni=c1c2ni（pi/p）4.35小客车2300风潮hdf650前轴13.5016.41000后轴27.001110003.36三菱pv413前轴49.7016.430593.25后轴101.002.21305700.68黄河jn162a前轴62.2816.419001550.07后轴116.221119003653.64江淮hff3150c07前轴49.2016.4550160.91后轴96.3011550466.81雷诺jn75前轴30.5016.495034.72后轴58.501195092.23山西sx341前轴23.7016.4600后轴68.7011600117.20东风ycy-900前轴25.0016.44006.16后轴78.2021400274.50尤尼克2766前轴67.0016.46572.86后轴102.504.6165332.90n=ikn 7559.74（2）设计年限累计当量标准轴载数设计年限内一个车道通过的累计当量标准轴次数ne按下面公式计算：ne=1+rt-1365rn1式中：ne设计年限内一个车道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/昼夜）；设计年限内交通量平均增长率； 与车道数有关的车辆横向分布系数，简称车道系数。根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年限为15年，六车道的车道系数为0.300.40，取0.35。累计当量轴次：n=1+t-1365n1=1+0.09915-10.0993657559.740.35=30442280.61（次）2.2验算半刚性基层底层拉应力中的累计当量轴次（1）轴载换算验算半刚性基层底层拉应力的轴载换算公式为：n=i=1kc1c2nipip8式中：c1轴数系数； c2轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。轴载小于50kn的忽略不计。当后轴间距大于3m时，按单独的轴计算，此时轴数系数为1；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算：c1=1+2(m-1)式中：m轴数。计算结果如表.3所示。表.3轴载换算结果表车型pi（kn）c1c2ni (次/日)ni=c1c2nipip8小客车2300风潮hdf650前轴13.50118.51000后轴27.00111000三菱pv413前轴49.70118.5305后轴101.0031305990.81黄河jn162a前轴62.28118.51900795.64后轴116.221119006324.13江淮hff3150c07前轴49.20118.5550后轴96.3011550406.79雷诺jn75前轴30.50118.5950后轴58.501195013.03山西sx341前轴23.70118.5600后轴68.701160029.77东风ycy-900前轴25.00118.5400后轴78.2021400111.88尤尼克2766前轴67.00118.56548.83后轴102.507165554.37n=i=1kni9275.25（2）设计年限累计当量标准轴载数参数取值同上，设计年限为15年，车道系数取0.35。累计当量轴次：ne=1+t-1365n1=1+0.09915-10.0993659275.250.35=37350459.58(次)换算方法沥青层的底层压力计算时半刚性层的底层压力计算时bzz100累计标准轴次ne(次/车道)3.041073.74107由此可得，为特重交通等级。3.结构组合和材料选取根据公路交通沥青路面设计规范，并考虑交通状况，结构层最小施工厚度，施工设备，水文条件，地区材料种类以及经济性，初拟各结构层厚度及材料参数如下：方案一：层次层数材料名厚度（cm）20时抗压回弹模量ei（mpa）15时抗压回弹模量ei(mpa)劈裂强度（mpa）面层1细粒式沥青混凝土（ac-13）4140020001.42中粒式沥青混凝土(ac-16)5120018001.03粗粒式沥青混凝土(ac-25)8120012000.8基层4沥青稳定碎石(atb-40)待定120014000.85水泥稳定碎石20130013000.5垫层6煤渣，矿渣稳定粒料10沥青稳定碎石层为设计层方案二：层次层数材料名厚度（cm）20时抗压回弹模量ei（mpa）15时抗压回弹模量ei(mpa)劈裂强度（mpa）面层1开级配沥青磨耗层（ogfc-13）490012001.02中粒式沥青混凝土(ac-16)5120018001.03粗粒式沥青混凝土(ac-25)8120012000.8基层4沥青稳定碎石(atb-40)10120014000.85水泥稳定碎石待定130013000.5垫层6煤渣，矿渣稳定粒料10水泥稳定碎石层为设计层3.1计算设计弯沉值和结构强度系数（1）设计弯沉值路面设计弯沉值根据公式：ld=600ne-0.2acasab计算。式中：ld设计弯沉值； ne设计年限内一个车道累计当量标准轴载通行次数； ac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； as面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌沥青碎石，冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1； ab路面基层类型结构系数，刚性基层，半刚性基层，沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6。若基层由半刚性材料层与柔性材料层组合而成，则ab介于两者之间通过线性内插决定。设计公路为一级公路，公路等级系数取1.0；面层是沥青混凝土，面层类型系数取1.0；基层为柔性基层与半刚性基层组合而成，基层类型系数取1.37。即弯沉设计值为：ld=600ne-0.2acasab=60030442280.61-0.21.01.01.37=26.19（0.01mm)（2）各层材料容许底层拉应力计算材料容许拉应力，按下列公式计算：r=spks式中：sp路面结构材料的极限抗拉强度（mpa）； r路面结构材料的容许压应力，即材料能承受设计年限ne加载的疲劳弯拉应力； ks抗拉强度结构系数。根据材料的不同，按以下公式计算ks值。ks=0.09ne0.22/ac（沥青混凝土面层）ks=0.35ne0.11/ac（无机结合料稳定集料）ks=0.45ne0.11/ac（无机结合料稳定细粒土）ks=0.25ne0.05/ac（贫混凝土）即各设计结构层容许弯拉应力如表.4所示：表.4结构层容许弯拉应力方案一：材料名称sp（mpa）sr细粒式沥青混凝土(ac-13)1.43.990.35中粒式沥青混凝土(ac-16)1.03.990.25粗粒式沥青混凝土(ac-25)0.83.990.20沥青稳定碎石(atb-40)0.82.320.34水泥稳定碎石0.52.380.21矿渣、煤渣稳定粒料方案二：材料名称sp（mpa）sr开级配沥青磨耗层（ogfc-13）1.03.990.25中粒式沥青混凝土(ac-16)1.03.990.25粗粒式沥青混凝土(ac-25)0.83.990.20沥青稳定碎石（atb-40）0.82.320.34水泥稳定碎石0.52.380.21矿渣、煤渣稳定粒料（3）土基回弹模量的确定该路段位于微丘区，处于公路自然区划1区，多为粉性土，平均稠度1.08，查表得土基回弹模量e0为35mpa3.2确定设计层厚度（1）计算理论弯沉系数ls=10002pe1cf式中：f弯沉综合修正系数，f=1.63ls20000.38e0p0.36； p、标准车轴载轮胎接地压力（mpa）和当量圆半径（cm）； e0路基回弹模量； e1第一层结构层材料回弹模量； c理论弯沉系数； ls路边弯沉（0.01mm），理论上等于ld。表.5标准轴载计算参数标准轴载名称bzz-100标准轴载名称bzz-100标准轴载p（kn）100单轮当量圆直径d（cm）21.30轮胎接地压强（mpa）0.7两轮中心距（cm）1.5d代入数值得：（方案一）：f=1.6326.19200010.650.38350.70.36=0.52c=26.191400100020.710.650.52=4.73（方案二）：f=1.6326.19200010.650.38350.70.36=0.52c=26.19900100020.710.650.52=3.04（2）确定设计层厚度（方案一）：采用三层体系表面弯沉系数，有莫诺图计算设计层厚度。h/=4/10.65=0.376；e2/e1=1200/1400=0.857；由三层体系理论弯沉系数诺莫图查得：=6.22。h/=4/10.65=0.376；e0/e2=351200=0.029；由三层体系弯沉系数莫诺图查得k1=1.38。c=k1k2 ;即：2=c1=4.731.386.22=0.55。由k2、e0e2、h 值查表得h/=4.15;即：h=4.1510.65=44.20(cm)。h=h2+3n-1hk2.4eke2=5+82.412001200+h42.412001200+202.413001200=44.20即：h4=10.52(cm)。故沥青稳定碎石基层厚度为11cm，满足最小厚度要求。（方案二）:采用三层体系表面弯沉系数，有莫诺图计算设计层厚度。h/=4/10.65=0.376；e2/e1=1200/900=1.33；由三层体系理论弯沉系数诺莫图查得：=5.0。h/=4/10.65=0.376；e0/e2=351200=0.029；由三层体系弯沉系数莫诺图查得k1=1.38。c=k1k2 ;即：2=c1=3.041.385.0=0.44。由k2、e0e2、h 值查表得h/=5.7;即：h=5.510.65=58.58cm)。h=h2+3n-1hk2.4eke2=5+82.412001200+102.412001200+h52.413001200=58.58即：h4=34.4(cm)。故取水泥稳定碎石基层厚度为35cm，满足最小厚度要求。4.各层层底拉应力验算结构底层拉应力m按公式m=pm1m2，m=pn1n2计算。（注意：计算弯拉时水泥碎石抗压模量为3000mpa）(方案一）:4.1.1细粒式沥青混凝土层层底拉应力h=k=11hkeke1=420002000=4; h=k=2n-1hk0.9eke2=50.918001800+80.912001800+110.914001800+200.930001800=53.70(cm)h/=4/10.65=0.376; h/=53.70/10.65=5.04; e2/e1=1800/2000=0.9；e0/e2=351800=0.019。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得0，故mr=0.35mpa满足要求。4.1.2中粒式沥青混凝土层层底拉应力h=k=12hkeke2=420001800+518001800=9.22; h=k=3n-1hk0.9eke3=80.912001200+110.914001200+200.930001200=76.42(cm)h/=9.22/10.65=0.866;h/=76.42/10.65=7.18; e2/e1=1200/1800=0.67；e0/e2=351200=0.029。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得=0，故mr=0.25mpa满足要求。4.1.3粗粒式沥青混凝土层底层拉应力h=k=13hkeke3=420001200+518001200+812001200=19.29（cm）; h=k=4n-1hk0.9eke4=110.914001400+200.930001400=57.65(cm)h/=19.29/10.65=1.81;h/=57.65/10.65=5.41; e2/e1=1400/1200=1.17；e0/e2=351400=0.025。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得=0，故m=0r=0.20mpa满足要求。4.1.4沥青稳定碎石层层底拉应力h=k=14hkeke4=420001400+518001400+812001400+1114001400=28.86; h=k=5n-1hk0.9eke5=200.930003000=20(cm)h/=28.86/10.65=2.71;h/=20/10.65=1.88; e2/e1=3000/1200=2.5；e0/e2=353000=0.012。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得0，。故mr=0.34mpa满足要求。4.1.5水泥稳定碎石层底拉应力计算公式同上，h=28.86（cm）；h=20（cm）。h/=28.86/10.65=2.71;h/=20/10.65=1.88; e2/e1=3000/1200=2.5；e0/e2=353000=0.012。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得=0.58，n1=1.31；n2=0.3。故m=0.581.310.30.7=0.16r=0.21mpa满足要求。（方案二）：4.2.1开级配沥青磨耗层层底拉应力h=k=11hkeke1=412001200=4; h=k=2n-1hk0.9eke2=50.918001800+80.912001800+100.914001800+350.930001800=79.40(cm)h/=4/10.65=0.376; h/=79.40/10.65=7.46; e2/e1=1800/1200=1.5；e0/e2=351800=0.019。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得0，故mr=0.25mpa满足要求。4.2.2中粒式沥青混凝土层层底拉应力h=k=12hkeke2=412001800+518001800=8.27; h=k=3n-1hk0.9eke3=80.912001200+100.914001200+350.930001200=116.75(cm)h/=8.27/10.65=0.78;h/=116.75/10.65=10.96; e2/e1=1200/1800=0.67；e0/e2=351200=0.029。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得=0，故mr=0.25mpa满足要求。4.2.3粗粒式沥青混凝土层底层拉应力h=k=13hkeke3=412001200+518001200+812001200=18.13（cm）; h=k=4n-1hk0.9eke4=100.914001400+350.930001400=91.63(cm)h/=18.13/10.65=1.70;h/=91.63/10.65=8.60; e2/e1=1400/1200=1.17；e0/e2=351400=0.025。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得0，故mr=0.20mpa满足要求。4.2.4沥青稳定碎石层层底拉应力h=k=14hkeke4=412001400+518001400+812001400+1014001400=26.78; h=k=5n-1hk0.9eke5=350.930003000=35(cm)h/=26.78/10.65=2.51;h/=35/10.65=3.29; e2/e1=3000/1200=2.5；e0/e2=353000=0.012。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得0。故mr=0.34mpa满足要求。4.2.5水泥稳定碎石层底拉应力计算公式同上，h=26.78（cm）；h=35（cm）。h/=26.78/10.65=2.51;h/=35/10.65=3.29; e2/e1=3000/1200=2.5；e0/e2=353000=0.012。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图得=0.34，n1=1.29；n2=0.37。故m=0.341.290.370.7=0.11r=0.21mpa满足要求。5.路面面层结构的剪应力验算沥青面层的剪应力验算时。面层在车轮垂直荷载与水平荷载共同作用下，其破坏面上可能产生的剪应力，应不超过材料的容许剪应力r。通常表示为：r沥青路面的面层材料均属颗粒材料，对他们做抗剪强度验算时，应限制其结构内的抗剪强度不超过结构层材料的抗剪强度，即;式中：抗剪强度，=c+tan其中：为结构层可能破坏面上的正应力，c和分别为材料的粘聚力和内摩擦角。根据莫尔强度理论可知:=mcos=1-m1+sin式中：m最大剪应力； 1最大主应力。作用于路面表面的水平荷载用下面公式表示：q=fp式中：q作用于路面的水平荷载；p车轮垂直荷载；f摩擦系数，对于缓慢制动地点取0.2，紧急制动地点取0.5，绘制诺莫图时，取f为0.3，计算其他f值的m与1时，按下列近似计算公式计算：mf=m0.3+1.3f-0.3p1f=10.3+0.46f-0.3p式中：m0.3、10.3与mf、1f 分别为摩擦系数f和f=0.3时的m、1。容许剪应力r为沥青混合料的抗剪强度除以相应的抗剪结构强度系数kt，即：r=kt式中：缓慢制动处kt=0.35acnt0.15；紧急制动处kt=1.2ac。5.1（方案一）：5.1.1确定剪应力和抗剪强度h=h1=4（cm）h=h2+3n-1hk2.4eke2=5+82.412001200+112.412001200+202.413001200=44.68cmh/=4/10.65=0.376; h/=44.68/10.65=4.20; e2/e1=1200/1400=0.86；e0/e2=351200=0.029。查三层体系表面最大剪应力系数诺莫图得：m=0.420；1=0.856；2=1.021；查三层体系表面主压应力系数诺莫图得：1=1.1252；1=1.042；2=0.984；因而得f=0.3时：m0.3=pm12=0.70.4200.8431.001=0.240mpa10.3=p112=0.71.12521.0420.984=0.808mpa缓慢制动时：mf=m0.3+1.3f-0.3p=0.240+1.30.2-0.30.7=0.149mpa1f=10.3+0.46f-0.3p=0.808+0.460.2-0.30.7=0.776mpa细粒式混凝土面层c=0.2mpa；=37则：=mcos=0.149cos37=0.119（mpa）=1-m1+sin=0.776-0.1491+sin37=0.537（mpa）而=c+tan=0.2+0.537tan37=0.605（mpa）紧急制动时：mf=m0.3+1.3f-0.3p=0.240+1.30.5-0.30.7=0.38mpa1f=10.3+0.46f-0.3p=0.808+0.460.5-0.30.7=0.872mpa=mcos=0.38cos37=0.303（mpa）=1-m1+sin=0.872-0.381+sin37=0.263（mpa）而=c+tan=0.2+0.263tan37=0.398（mpa）5.1.2确定容许剪应力停车站在设计年限内停车标准轴次按总累计轴次数的15%计，即：nt=0.1530442280.61=4566342.09（次）则缓慢制动时：kt=0.35acnt0.15=0.351.04566342.090.15=3.49r=kt=0.6053.49=0.173（mpa）紧急制动时：kt=1.2ac=1.21.0=1.2r=kt=0.3981.2=0.332（mpa）5.1.3验算剪切条件缓慢制动：=0.119mpar=0.173（mpa）满足要求。紧急制动：=0.303（mpa）r=0.332（mpa）满足要求。5.2（方案二）：5.2.1确定剪应力和抗剪强度h=h1=4（cm）h=h2+3n-1hk2.4eke2=5+82.412001200+112.412001200+202.413001200=44.68cmh/=4/10.65=0.376; h/=44.68/10.65=4.20; e2/e1=1200/1400=0.86；e0/e2=351200=0.029。查三层体系表面最大剪应力系数诺莫图得：m=0.420；1=0.856；2=1.021；查三层体系表面主压应力系数诺莫图得：1=1.1252；1=1.042；2=0.984；因而得f=0.3时：m0.3=pm12=0.70.4200.8431.001=0.240mpa10.3=p112=0.71.12521.0420.984=0.808mpa缓慢制动时：mf=m0.3+1.3f-0.