路面设计计算书

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 38。本段地处公路自然区划的2区，海拔高度在 500m700m 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 0.40.7m，松散、硬塑，容许承载力 0=100120kPa，土、石工程分级为；第二层为角砾、砾砂，揭示层厚1.11.6m，中密，容许承载力 0=400kPa，土、石工程分级为。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 1.3-2.52 1.2-1.83 2.0-3.04 1.5-2.55 3.0-4.56 1.8-3.07 1.2-3.58 1.4-2.09 1.5-2.210 0.9-1.511 1.6-2.412 0.8-1.313 1.2-1.614 1.2-2.415 0.8-2.54、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 3.06.5，一月份平均气温11.718.4，七月份平均气温 23.526.0，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 136141cm。项目所在区域内日照充足，全年日照时数 28413650 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512mm。 6、自然区划根据公路自然区划，拟建公路位于2 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 296.1.2.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（7-35.412ni ipCN1）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；inP标准轴载， KN；被换算车辆的各级轴载，KN；i轮组系数，双轮组为 1.0，单轮组为 6.4，四轮组为 0.38；2C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1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。1C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）iP12in35.421/PCi前轴 16.50 1 6.4小客车后轴 20.3 1 1 1350前轴 25.55 1 6.4 7.04交通 SH141后轴 55.10 1 1 400 29.9前轴 38 1 6.4 72.96四平 SPK6150后轴 77.8 1 1 765 256.7前轴 13.55 1 6.4北京 BJ130后轴 27.2 1 1 805 2.9解放 CA50 前轴 28.7 1 6.4 305 8.3后轴 68.2 1 1 57.7前轴 23.7 1 6.4 5.12东风 EQ140后轴 69.2 1 1 425 85.7前轴 49.00 1 6.4 122.24黄河 JN-150后轴 101.60 1 1 425 455.4前轴 50.20 1 6.4 96日野 KB222后轴 104.30 1 1 300 360.3前轴 83 1 6.4 181.76拖挂车 五十铃后轴 78.5 2.2 1 29 22.335.4121ni ini pCN1764.3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：eN（7-13651NNte2）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；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。将 N1=1764.3 ，t=12 ，=4.45% ，=0.6 代入式（7-2） ，得 =5957831 eN(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：（7-821 pnCNii3）式中： 轮组系数，双轮组为 1.0，单轮组为 18.5，四轮组为 0.09；1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2C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。2C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）iP1C2in812/iCnP前轴 16.50 18.5 1小客车后轴 20.3 1 1 1350前轴 25.55 18.5 1交通 SH141后轴 55.10 1 1 400 3.4前轴 38 18.5 1四平 SPK6150后轴 77.8 1 1 765 102.7前轴 13.55 18.5 1北京 BJ130后轴 27.2 1 1 850前轴 28.7 18.5 1解放 CA50后轴 68.2 1 1 305 14.3前轴 23.7 18.5 1东风 EQ140后轴 69.2 1 1 425 22.3前轴 49.00 18.5 1黄河 JN-150后轴 101.60 1 1 425 482.5前轴 50.20 18.5 1 22.2日野 KB222后轴 104.30 1 1 300 420.1前轴 83 18.5 1 362.6拖挂车 五十铃后轴 78.5 1 3 29 12.55.4121ni ini pCN1473.2设计年限内标准轴载累计当量轴次将 N1=1473.2，t=12 ，=4.45% ，=0.65 代入式（7-3） ，得=4974821（次）eN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 路面结构设计参数厚(cm)层位 结构层材料名称(20)抗压模量(MPa) ()抗压模量(MPa) （ 15）弯拉强度(MPa)1 细粒式沥青混凝土4 1400 2000 1.42 中粒式沥青混凝土5 1200 1500 1.03 粗粒式沥青混凝土6 1000 1200 0.84 水泥稳定砂砾？ 1500 3000 0.55 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 ：ld（7-bsceANld2.064）式中： 路面设计弯沉值，0.01mm；l设计年限内一个车道上标准轴的累计当量轴次；e道路等级系数，二级公路为 1.1；cA面层类型系数，沥青混凝土面层为 1.0；s基层类型系数，对半刚性基层为 1.0，柔性基层为 1.6。bA计算结果如下：（0.01mm）0.260597831.103.75ld（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-spRk5）式中： 沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度（ MPa） ；sp路面结构材料的容许拉应力；R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。Sk Sk对沥青混凝土层的抗拉强度结构系数，按下式计算：（7-cesANk/09.2.6）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-cesk/35.01.7）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-cesANk/45.01.8）a.细粒式密集配沥青混凝土：0.2 0.29/.957831/.53seckMpa4.spRkb.中粒式密集配沥青混凝土：0.2 0.29/.957831/.53seckNAMpa1.03952spRkc.粗粒式密级配沥青混凝土： 0.2 0.29/.957831/.53seckNAMpa.6.spRkd.水泥稳定沙砾： 0.10.1.3597835/ 7.seckNAMpa.24.spRke.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 0.55333 中粒式沥青混凝土 1.0 0.39534 粗粒式沥青混凝土 0.8 0.31625 水泥稳定砂砾 0.5 0.28246 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（7-36.038.026.pELFs9）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；当量圆半径（cm ） ，此处为双圆荷载，取 =10.65cm；p标准车轴载轮胎接地压力（MPa） 。E0土基回弹模量（MPa） 。0.360.38 0.380.36.751.61122267sLEFp （2）计算理论弯沉系数（7-FElcS1010）式中： 理论弯沉系数；c各结构层材料的回弹模量（MPa） 。1E即：310.07514.5726.32sclpF（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 =1400MPa1h1Eh= =4cm =1400MPa1h1E=5cm =1200 MPa22=6cm =1000 MPa3h3=？cm =1500 MPa44E=20cm =750 MPa55H=？cm =1200 MPa2E土基 =50 MPa0 土基 =50 MPa0E由 ，查诺谟图得 ；214.376.50.8hE 6.43，查诺谟图得 ；024.3761.5.0hE1.K由于 ，所以21KC24.570.28再由 和 ，查诺谟图得024.376.5.01hE2.4.75H则： .648.H根据等效路表弯沉的结构层转换公式：（7-11）42.23kkEh则： cm2.42.42.410150750561H上式解得 =14.35cm，取 15cm。4h6.1.7 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：（7-12mp12）验算底层拉应力时，应满足 ,式中 为允许拉应力。Rm（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 =1400MPa1h1Eh=？cm =1000MPa3E=5cm =1200 MPa22=6cm =1000 MPa33=15cm =1500MPa4h4EH=？ cm =1500 MPa4=20cm =750 MPa5h5E土基 =50 MPa0 土基 =50 MPa0E上面层厚度： 3444i1/5120/+610/+4=16.2cmkhE中面层厚度：3 0.90.942/1527/1523.kHh由： ； 6.21.E；025.31E.3065H查诺谟图可得 .9K2.10.3，验算满足。=0.731=3162MPa容 许 拉 应 力（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 =1400MPa1h1Eh=?cm =1500MPa4E=5cm =1200 MPa22=6cm =1000 MPa33=15cm =1500 MPa4h5E=20cm =750MPa5H=20cm =750 MPa5E土基 =50 MPa0 土基 =50 MPa0E上面层厚度： 4444i1/10/5120/5+610/5+=27.3cmkhE中面层厚度：20cmH由： ； 7.615h21750.E；02.E.8.H查诺谟图得： 1.2K210.3，验算满足。=0.73=0284MPa容 许 拉 应 力（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：136141cm路面最小防冻厚度：4045cm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：2；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 120200水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层 150250沥青混凝土基层 4060沥青稳定碎石基层 80100级配粒料基层 150200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：（7-1610nisiPN13）（7-30.42.i i14） 5.217i iP（7-15 ）（7-80.22.4i i16）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） ；i轴型和轴载级位数；n各类轴型 级轴载的作用次数；iNi轴- 轮型系数，单轴-双轮组时， ；单轴-单轮时，按式（7-14）计i 1i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) in16/iiNP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前轴 49 425 1.955黄河 JN-150 后轴 101.6 425 547.883前轴 50.20 300 2.011日野 KB222后轴 104.30 300 588.397前轴 83 33 488.424拖挂车 五十铃 后轴 78.5 33 0161)0(niipNs1630.613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： 20 20 4(1)(1.45)1365360.1.5031e srNN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 270-240 260-230 250-230 240-210 230-200 220-200度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 222 水泥稳定粒料 1300 基层 203 低剂量无机结合料稳定土 600 垫层 154 新建土基 50按式（B.1.5 ）基层和垫层当量回弹模量：22210.13.560148xhEMPa基层和垫层当量弯曲刚度：121213231 )(4)(hEhhDx33 10.60.5.05()30.6.5 .9()MNm基层和垫层当量厚度：11332.09()().284xxDhmE回归系数：0.45 0.45186.21.()6.2.5().1xEa 0.50.518.4().()73xb基层顶面当量回弹模量： 1 10.733 30 48()4.285()269bxtEah MPa普通混凝土面层的相对刚度半径为 1 13 30.57().57.2().5769ctrh mE式中： 基层顶面的当量回弹模量；t路床顶面的回