山区陡坡路段沥青路面设计毕业论文.doc

山区陡坡路段沥青路面设计毕业论文目 录 第一章 绪论1.1 研究背景以及意义1.2 国内外的研究现状 1.2.1 重载交通荷载研究现状1.2.2 陡坡沥青路面研究现状.1.3 设计内容1.3.1 依托项目简介-广乐高速 A2 合同段概况1.3.2 设计内容1.4 设计方法和技术路线1.4.1 设计方法1.4.2 技术路线第二章 山区高速沥青路面情况概述2.1 山区高速公路特点2.2 沥青路面病害概述2.2.1 沥青路面病害类型2.2.2 破坏分类 2.3 沥青路面设计方法概述 2.3.1 我国沥青路面厚度设计方法2.3.2 AASHTO 设计方法 2.3.3 SHELL 沥青路面厚度设计方法 2.4 本章小结 第三章 交通荷载3.1 交通荷载概述 3.2 交通轴载分析3.2.1 车型和轴型3.2.2 AASHTO 沥青路面轴载换算方法 3.2.3 我国沥青路面轴载换算方法 3.3 重载条件下轴载换算系数的确定 3.3.1 换算方法分析 3.3.2 基于理论计算的重载下轴载换算系数 3.3.3 基于实测数据下的重载交通轴载换算系数 3.4 基于轴载谱的累计当量轴次研究 3.4.1 已有关于轴载谱分析的情况 3.4.2 基于轴载谱的轴载换算研究提出 3.5 轴载谱参数的分析 3.6 广乐高速交通参数确定53.6.1 交通量情况 3.6.2 交通荷载计算 3.7 本章小结 第四章 重载交通下沥青路面力学响应分析4.1 重载交通规定 4.1.1 重载交通的规定和限值4.1.2 交通量分级4.2 典型沥青路面结构力学响应分析 4.2.1 沥青路面典型结构的选取4.2.2 参数的选取4.2.3 路面力学计算模型4.2.4 计算结果及分析4.2.5 分析结论4.3 沥青路面力学破坏分类 4.3.1 强度破坏 4.3.2 疲劳破坏 4.4 广乐高速公路主线路面设计情况分析 4.4.1 方案情况4.4.2 方案论证4.4.3 方案推荐4.5 本章小结 第五章 陡坡路段沥青路面设计5.1 陡坡路段沥青路面病害情况以及原因分析 5.1.1 病害概述5.1.2 原因分析5.2 陡坡路段普通沥青路面力学响应模型分析5.2.1 结构层组合以及材料参数情况5.2.2 坡度、荷载和轮迹面积确定 5.2.3 模型建立5.2.6 模型计算及其分析5.2.7 陡坡路段力学响应的特点 5.3 陡坡路段沥青路面设计关键点 5.4 广乐高速陡坡路段沥青路面设计情况 5.5 本章小结 第六章 结论与展望参考文献.致谢第一章 绪论1.1 研究背景以及意义随着国家的发展，经济技术的飞速提升，我国的基础建设也在不断大量的投入，高速公路也得到不断的发展。根据交通部信息，到 2010 年 4 月截止，全国高速公路总里程到达 7.42 万公里，其中，国家高速达到 5.77 万公里，已经居于世界第二1。图 1 为 2006 至 2010 年全国高速公路里程变化情况。随着高速公路的里程的增加，高速公路的建设不断向山区推进，所谓山区通常是指山地、丘陵和地形比较崎岖的地区。在山区高速公路建设中遇到不少问题，由于地形的限制，在路线线性选择上就无可避免的出现许多桥、隧道、陡坡等结构形式，然而这些往往是路面结构形式的薄弱环节。而且随着交通量的不断增大，并伴随着许多超载超限的车辆，使得路面结构出现车辙、裂缝、拥抱、泛油、水损害等早期破坏，给国家带来了许多的经济损失。我国是一个多山的国家，我国的山地占国土面积的 33，丘陵占 10，崎岖高原占 10以上，大体上讲，山区面积占国土 50以上，并且山区大部分地区经济滞后，为提高人民生活水平，交通便利是一个必要条件，因此，解决好山区的交通状况非常的重要。同时，山区高速公路的建设遇到了一些经济技术问题。因山区受地质和经济因素的制约，在高速公路设计建造时受到一定的阻力，而且山区高速公路建设成套技术的发展相对滞后。山区高速公路地质复杂，环境难以预测，路面病害多发。比如陡坡路段车辙严重，凌冰路段抗滑性能差以及路面结构水损害严重等。 面对我国现阶段的国情，我国大量的采用的是沥青混凝土路面，针对山区高速公路的特点，路面使用中，面临着很大的挑战。根据调查和数据分析，我们发现山区高速公路沥青路面在使用过程中，出现了大量的不同程度的早期病害，比如裂缝、车辙、沉陷、龟裂等。在路面设计中，轴载是一个关键的因素，按照现行规范，采用的是累计当量标准作用次数这个参数来进行设计，它是通过交通量调查和每种车型的额定换算系数来换算得到。然而，随着近年来交通量的不断增大，伴随着超载、重载的大量出现，采用规范方法和实际不合，导致较大的差异，根据规范换算得到累计当量轴次远小于实际。有必要进行交通荷载的从新审视和研究，研究交通荷载对路面设计参数的确定有重要的影响。山区高速公路的特点，决定了路面也相应伴随着山区的特点。山区高速的地形地质复杂，起伏性大，决定了线性的不确定性，长大下坡比一般高速多；山区高速公路结构物多，桥隧比例高，桥面铺装以及隧道路面增多；通常，山区高速公路的海拔高，气候环境复杂，凌冰路段出现多。针对山区高速公路出现的“几多”特点（陡坡路段多，桥面铺装多，隧道铺装多），以及超载、重载交通的影响，对其进行深入研究，有助于山区高速公路的设计与施工，对山区高速公路路面铺装起到借鉴作用，达到减少路面早期病害的目的，提高路面使用性能，提供一个安全舒适的路面环境。山区高速公路的建设如此严峻，有必要对其路面设计的关键技术进行研究，为以后山区高速公路路面的建设提供参考。本文将以典型的山区高速公广州至乐昌的高速公路（以后简称“广乐高速”）新建沥青路面建设项目为依托，从重载、陡坡路段、桥面铺装层、隧道复合式路面等几个方面，对山区高速公路路面设计关键技术研究。1.2 国内外的研究现状1.2.1 重载交通荷载研究现状国内道路使用中，重载交通特性很明显，严重影响了路面的使用寿命。重载交通有如下特点：轴载重、轴载作用次数多、接地压力分布不均、轮胎胎压大和动力学特征明显等特点。重载下沥青路面的力学响应和在谱载下的响应是不同的，国内外有许多学者对此进行了研究。J.Craus2研究了高接触压力和重载对沥青路面疲劳性能的影响。他认为，轴载不变的情况下，对 2IN 厚的沥青面层，当接触增大 50%的时候，将会导致疲劳寿命降低 85%。作者通过 AASHTO 实验路段的研究，得到了基于 Finn 模型的重载下沥青路面开裂率大于 30%和小于 10%的疲劳模型为：Philip M.O.Owende研究了四种水平的胎压和三钟水平的轴载对路面的损害情况，其结果发现车辆空载高胎压和满载低胎压引起的疲劳损坏是相同的，同时表明，方向轮引起的横向应变是疲劳破坏的关键指标。胡萌也对重载下沥青路面进行结构分析，采用的是非线性和粘弹性层状体系，发现随着荷载的增大，拉应力呈现不同的走势，且差距越来越大。艾长发对重载下沥青路面进行结构应力分析，结果发现在重载情况下，路面会产生很大变形（包括弯拉变形、剪切变形和压密变形），且应力会大幅度的增加。其计算结果显示，最大正应力出现在面层底部两轮中心处，最大拉应力出现在基层底部轮隙中心处，最大剪应力出现在面层中部。剪应力主要作用区域出现在面层，其对路面产生不利影响。胡小弟研究了超载对于路面结构的影响，其指出超载对路面影响极大，同时水平力也会对其产生严重影响。超载情况下，作用于路面剪应力、弯沉及弯拉应力值都会出现明显的增加，研究影响路面的使用寿命。1.2.2 陡坡沥青路面研究现状曹阳等针对陡坡路段采用了 ANSYS 有限元的方法从力学的角度分析了其受力情况，得出了如下结论:陡坡路段随着坡度的增加，路表弯沉值也相应的增大，层底拉应力相应的增加，剪应力迅速增大。朱耀昆，朱士东，吴玉财等通过路面结构理论计算分析，探讨提高模量对路面性能的影响，利用有限元模型进行结构计算，并确定试验段的路面结构形式，通过工后通车一年的高模量沥青路面试验段与比较段的车辙发展跟踪检测比较，结果试验段模量提高后 (提高为对比段的 1.3 倍左右 )，尽管长陡坡路段的当量荷载作用次数比对比段提高了 1.4-1.5 倍，试验段的车辙深度仍较对比段减少了20以上，表明高模量试验段路面具良好的抗车辙能力。俞文生，李昶为分析纵坡段沥青路面车辙，进行了室内蠕变试验，按“四单元五参数”模型确定了相关参数。进行了现场温度场检测，用有限元的方法对沥青路面温度场进行模拟，其荷载采用方形荷载，分析不同超载水平、不同速度、不同纵坡坡度下的陡坡路段行驶情况，得到影响纵坡段车辙的有 3 个因素：1、车速降低导致的荷载作用时间增加；2、超载因素；3、水平荷载分量的影响。提出了提高纵坡段沥青路面材料的抗车辙能力，及采取合理的坡度与坡长组合的措施，保证纵坡段载重车辆的总体运行速度。刘艳华，刘英军研究了关于重交通的陡坡路段以及被矿山包围区沥青路面结构设计问题。他们对于早期出现推移和车辙的现象进行了原因分析，并从设计上如何因地置宜地考虑进行探讨和研究。全丽春借鉴汽车与路面之间的作用原理，分析汽车在沥青陡坡路面行进中减速换档、刹车制动对路面造成的严重损害，从设计上提出改进意见，这时于延长沥青路面的使用寿命具有特别重要的现实意义。陈哲，朱士东，张家峰对高模量沥青混合料用于陡坡路段进行研究，发现其应力应变有明显的改善，高模量沥青路面比普通沥青路面的压应变和剪应变减少了 30%，提高了陡坡路段路面抵抗车辙的能力，高模量沥青混合料的使用为重载和超载下沥青路面设计提供了新的方向。吴玉财对矿物纤维沥青砼用于陡坡路面的适用性进行分析。作者选择重载交通量很大的粤赣高速公路的陡坡路段作为实验路段，通过参拌矿物纤维的改性沥青混凝土和普通改性沥青混凝土进行比较，并通过多轮车辙仪(RLWT)抗车辙试验、间接拉伸劲度模量试验、落锤式弯沉仪（FWD）检测和现场车辙检测等方法进行对比分析，结果表明参拌矿物纤维的沥青砼路面具有很强的抵抗车辙的能力。1.3 研究内容结合国内外研究成果，在前人的基础上，并以广乐高速 A2 合同段路面设计项目作为依托，从交通荷载、陡坡路段、桥面铺装层和隧道复合式路面等方面对山区高速公路沥青路面设计关键技术进行深入研究。1.3.1 依托项目简介-广乐高速 A2 合同段概况为对山区高速深入研究，本课题以广乐高速公路（广州至乐昌高速）为基础，对其路面设计的关键技术进行分析探讨。乐昌至广州高速公路（以下简称“广乐高速公路”）北起韶关乐昌，自北向南经韶关、清远，终点广州花都，主线全长约 260km。广乐高速公路总体上与现有京港澳高速公路同向平行，是湖南以北地区至珠三角中部地区最为便捷的高速公路主通道，建成后将很大程度地提高和保障京港澳高速公路通道交通功能；同时改善粤北山区相对落后的交通状况，加快山区开发，提高珠三角发达地区的辐射带动作用。广乐高速公路分为两大段，其中北段为乐昌至樟市段，位于韶关市境内；南段为樟市至花东段，位于清远市和广州市境内。整个广乐高速公路勘察设计项目共分为 A1、A2、A3 三个土建设计合同段和 B 机电设计合同段， A2 设计合同段，起于清远市与韶关市交界的沙口农场，止于英德市连江口老鱼岗，全长 54.8km，设计车速为 12Km/h。1.3.2 研究内容本文以广乐高速路面设计项目为依托，对沥青路面设计关键技术进行研究，内容如下：1、对广乐高速交通荷载进行研究，分析重载下轴载换算系数，通过轴载谱得到设计年限内累计轴次；2、通过 ANSYS 有限元对重载下沥青路面进行力学分析，为重载沥青路面设计提供依据；3、对陡坡路段沥青路面设计关键问题进行研究4、对以水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装层的桥面铺装层设计进行研究5、对隧道复合式路面结构设计进行研究1.4 研究方法和技术路线1.4.1 研究方法（1）文献资料收集针对研究对象，通过重庆交通大学图书馆，西南情报信息中心以及项目相关业主单位和设计院，也可以通过网络、专业书店等方式查阅相关文献资料，了解课题国内外发展状态和研究方向，相关研究理论基础，以及实际项目设计资料，以便了解本课题研究对象，为课题研究提供基础。（2）数据调查法数据调查法是得到资料最真实的方法，针对所研究课题，结合实际项目展开调查，调查内容包括公路线性、路面结构、路面病害、路段交通量以及环境气候等。（3）科学试验科学试验是本课题必不可少的环节，本课题中，将对材料进行强度、密度、磨耗性等进行实验；对路面结构强度、车辙等进行实验；针对实验路段进行路面指标的相关实验。（4）理论分析法通过文献资料收集、数据调查和科学实验资料，结合相关理论基础，对科学数据进行理论分析研究、设计、推理和证明。通过文字，图形，表格等形式得到理论分析成果，从而得到本课题的相关研究成果资料。1.4.2 技术路线根据本课题的特点和目的，本文以实地调查数据为基础，结合前人研究成果和经验，以理论分析为主，对山区高速公路路面设计关键技术进行研究。总体技术路线如下图：第二章 山区高速沥青路面情况概述2.1 山区高速公路特点随着经济的快速发展，内地的开发，原有的普通公路已难以承受大量的运输需求，现在山区都已开始大规模的高速公路建设。 我国是一个多山的国家，所谓山区通常是指山地、丘陵和地形比较崎岖的高原。我国的山地占国土面积的 33，丘陵占 10，崎岖高原占 10以上，大体上讲，山区面积占国土 50以上，并且山区大部分地区经济滞后，为提高人民生活水平，交通便利是一个必要条件，因此，解决好山区的交通状况非常的重要。 由于独特的地形地貌，使得山区高速公路有着与一般高速公路不同之处。山区高速公路有以下几个特点：1 地形地质复杂。山区高速公路，地势变化多样，地质复杂多变，对工程建设来说是一个巨大的考验。2 陡坡路段多。由于山区的典型特点，地势高差大而且范围广，陡坡路段出现频繁，由于上下坡车辆制动频繁，加上重车作用，对路面产生严重影响。3 桥隧比例高。通常山区高速公路桥梁隧道的比例大，借助于桥梁跨线，隧道穿越的高速公路形式在山区中应用显著。4 海拔高，凌冰路段多。山区海拔高，高差明显，高者可达几百以上，而海拔越高，气候越寒冷，凌冰路段时有出现，对沥青路面具有重大影响。 2.2 沥青路面病害概述2.2.1 沥青路面病害类型沥青路面在使用过程中，由于荷载和环境因素的影响，将使路面逐渐产生各种破损。路面的破损可以分为两类：一是结构性损坏，包括路面结构整体或部分结构层的破损，使路面失去支承行车荷载的能力；二是功能性损坏，它也有可能并不伴随着结构性损坏而发生，但由于平整性和抗滑能力等的下降，使其不再具有预定的服务功能，从而影响服务质量。 1、裂缝沥青路面产生裂缝的原因很复杂，按其成因可分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝，按其形式分则有纵向裂缝、横向裂缝、龟裂与网裂几种。2、坑槽辙试验和层间粘结力试验，对其性能进行研究，提出了新的路面结构组合方案，优化了路面层厚度、模量。3、沉陷沉陷是由于路基、路面产生竖向变形而导致路面下沉的现象。可以分为三类：均匀沉降、不均匀沉降、局部沉降。4、车辙车辙是沥青路面的一种主要损坏形式，大都发生在实行渠化交通的高等级公路上。路面在车轮荷载的反复作用下，由于路面面层、基层和路基的进一步压密、沉降，特别是高温下沥青面层的压密和侧向流动隆起，使路面沿行车轮迹逐渐产生纵向带状凹槽变形，在车道横断面方向上多呈 W 型。当车辙到达一定的深度，辙槽内就会积水并影响车速和行车的舒适和安全性。5、滑溜滑溜主要起因于路面光滑，这是由于路面在行车水平力的作用下表层骨料被磨光或沥青路面泛油所造成。6、麻面面层混合料沥青用量不足，矿料级配偏粗或嵌缝料规格不当，以及低温、雨季施工时路面未能成型，致使粒料脱落，即形成麻面。7、松散松散多发生在沥青里面使用的初期，其原因是使用的沥青稠度偏低，用量偏少，与矿料的粘附力不足；或沥青加热温度过高造成沥青老化等8、泛油泛油多数是由于沥青面层的沥青用量过大、稠度太低或热稳定性差等原因所致，但有时候有可能因为低温季节施工，层铺法沥青路面的嵌缝料散失过多，在气温转暖后，在行车作业下多余的沥青溢至表面而形成。9、油包油包时由于局部泛油处理不当，细料过多，沥青含量过大，或因沥青滴流在路面街成油污而形成面积不大的包装物。10、拥包拥包就是由于材料本身以及设计的原因到时高温抗剪强度不足，或层内含水量过大难以蒸发，或粘结层不合格等原因，在行车荷载下，路面产生推拥、挤压在路面形成局部隆起变形的现象。11、波浪波浪是路面表面沿纵向形成的有规则的凹凸起伏的一种变形。12、脱皮脱皮是沥青面层在行车作用下产生大块的片状剥落现象。13、啃边路面宽度过窄，边缘强度不足，路肩碾压不密实，路肩和路面衔接不当以致路肩积水渗入使其湿软，在行车作用下，路面边缘剥落，并逐渐向路中发展而形成啃边。2.2.2 破坏分类沥青路面破损原因复杂，影响因素多，比如环境因素、气象条件、排水条件、交通荷载、地理位置、施工条件、管理水平、材料条件等。并且产生病害的机理也不尽相同，可能是一个原因导致的结果，也可能是多个原因综合作用的结果。但是从总体上讲，路面破坏可以分为两大类：功能性破损和结构性破损。 （1）功能性破坏功能性破损是由于路面提供给道路用户的服务功能下降引起的，反映在路面上则是平整度降低和车辙的加深，影响高速行车的安全性和舒适性。（2）结构性破坏结构性破损是由于路面结构层的承载力降低和不在导致的。 2.3 沥青路面设计方法概述目前，国际上沥青路面设计方法有很多类型，而主要包括 AASHTO 路面设计方法、shell 沥青路面设计方法、CBR 设计法以及我国规范中规定的设计方法。2.3.1 我国沥青路面厚度设计方法我国公路沥青路面设什方法采用 1997 年由交通部发布的公路沥青路面设计规范（JTJ 014-97）。这一厚度设计方法适用于各级公路沥青路面新建和大修、改建设计，对有特殊用途的专用公路可参考本规范设计。 1、设计标准我国规范中沥青路面设计方法中采用路表弯沉和层底弯拉应力指标。1）路表弯沉为控制路基路面结构的整体刚度，防止路面结构各层和路基在荷载作用下产生过大的变形，采用弯沉设计指标路基路面结构表面在双圆均布荷载作用下轮隙中心处的实侧路表弯沉值小于或等于设计弯沉值 ld，作为确定沥青路面结构厚度的设计标准。也即: 路面设计弯沉值 ld是路面厚度计算的依据之一,应根据设计年限内累计标准轴次、公路等级、面层类型，按以下公式计算确定: 式中：ld路面设计弯沉值；Ne-设计年限内一个车道上的累计标准轴次;Ae公路等级系数，高速公璐、一级公路为 1.0，二级公路为 1.1，三、四级公路为 1.2As-面层类型系数，沥青混凝土面层为 1.0，如热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌下贯或贯人式路面、沥青表面处治为 1.1，中、低级路间为 1.2。2）弯拉应力为防止沥青层、半刚性材料基层或底基层的疲劳开裂，采用弯拉应力指标沥青层或半刚性材料层底面计算点的拉应力应小于或等于该层材料的容许拉应力，即: 2 设计参数设计参数根据实验数据获得，在没有试验数据时，可根据经验以及规范中规定的取值进行选择。3 设计步骤我国沥青路面设计中路面结构层厚度的确定按照以下步骤进行：（1）按照设计任务书要求，确定相关参数，包括面层类型、设计年限内累计当量轴次、面层类型、设计弯沉值和弯拉应力。 （2）根据路基土类型以及干湿程度，确定路段的土基回弹模量。（3）路面结构组合拟定。根据经验或规范推荐，初拟几种路面结构层组合与厚度方案，指定某一层为设计层。根据材料进行配合比实验测得相应材料的抗压强度和抗压回弹模量。在季节性冰冻地区，必须满足防冻层厚度的规范要求。（4）根据设计弯沉值和弯拉应力指标计算设计出厚度，如不满足要求，变更路面结构层组合，或者调整路面结构层厚度，或者调整材料配合比，从新计算，直到满足要求为止。（5）对设计方案进行技术和经济比较，确定最终路面结构方案。 2.3.2 AASHTO 设计方法AASHTO 设计方法采用现时服务能力指数(PSI)作为衡量路面使用性能的指标，其值可通过对路面的使用性能进行客观量测和主观评价相结合的方法确定31。AASHTO 设计方法以 AASHTO 试验路的观测资料为基础。建立了PSI 同路面结构数SN 和标准轴载（80kn）作用次数 N 的经验关系式: 式中: 与目标可靠度尸，相应的可靠指标; Sz 交通预估和使用性能预估的总标准差; SN路面结构数，其值为 H 分别为沥青面层、基层和垫层的厚度 a 与各结构层材料类型和性质有关的层位系数， E 路基土的有效回弹模最 为便于设计，研究者根据上述公式绘制诺漠图，以便使用者使用。在设计方法中还考虑以下几个方面：(1)环境对 PSI 的影响-主要考虑冻涨和膨胀性粘土使服务能力变化量降低的影响(2)路面结构的排水条件主要反映在路面结构数 SN 中， 式中：m2，m3相应为基层和垫层的排水系数。 AASHTO 路面设计方法中设计参数包括：使用性能期和分析期，交通，可靠度参数，路基回弹模量等。应用 AASHTO 设计方法确定沥青路面结构层厚度的步骤如下:(1)选定使用性能期和分析期通常对沥青路面结构选用的最长使用性能期为 15 年。分析期按道路条件选用，一般为 20 或 30 年年。因而，分析期内往往需考虑分期修建或改建方案。(2)计算分析期内标准轴载累计作用次数在分析期内需考虑分期修建方案时，应分别为不同使用年数确定相应的标准轴载累计作用次数。(3)选用可靠度参数按设计道路的功能类型，选用相应的目标可靠度。分期修建时，各阶段的目标可靠度按下式确定: (4)确定设计标准服务能力指数变化量 PSI。(5)考虑环境的影响依据冻胀和膨胀性土对路面服务能力的影响。建立服务能力指数降低量随时间的变化关系曲线。(6)确定路基土的有效回弹模量根据不同路基干湿状况以及不同时期测定的土的回弹模量按有效的方法来计算有效回弹模量。(7)确定路面各结构层的层位系数依据各结构层材料的室内力学性质试验结果，确定相应的层位系数。(8)选用排水系数按当地的降水情况和路面结构内部排水的效果，选取相应的排水系数。(9)制订第一阶段没计方案在分析期长于便用性能期时，需考虑分期修建方案。先按使用性能期的标准轴载作用次数及其他设计标准和参数，计算确定所需的路面结构数。根据环境冻胀和膨胀性土对服务能力指数变化量的影响，按已知的路面结构数 SN .重复计算调整实际能达到的使用性能期。对分析期内剩余的时段，考虑相应的改建措施，并按剩余时段内相应的标准轴载作用次数进行加铺层设计。(10)针对第一阶段的结构数，确定各结构层的厚度。 2.3.3 SHELL 沥青路面厚度设计方法SHELL 方法把路面结构当作一种多层线性弹性体系。每一层的材料用泊松和弹性模量表征。该在设计方法中采用两项主要设计标准和两项次要标准。 两项主要标准为: （1）沥青层底的水平拉应变其容许值随荷载作用次数 N、沥青混合料劲度以及混合料类型而变，计算公式如下: 式中：C 为系数，C=f (E)，当 E=1522.5MPa 时，C=1.7*10-2。（2）路基表面的垂直压应变其容许值按下式计算确定: 上式具有 85%的置信水平。若置信水平拟提高到 95%，则应将式中的 0.021 改为 0.018。 两项次要标准为: (1)水泥稳定类基层底面的拉应力其容许值按下式计算: 式中：r为一次荷载作用下材料的极限弯拉强度。(2)道路表面的永久变形容许车辙深度，对于高速道路为 10mm ，一般道路为30mm。 2.4 本章小结本章概述了山区高速公路的特点、以及沥青路面基本病害和病害分类，为后面沥青路面的设计提供基本的理论支持，同时介绍了现阶段国内外沥青路面设计方法概况，其主要有 AASHTO 沥青路面设计方法、SHELL 沥青路面厚度设计方法、美国的力学经验法和我国规范中的沥青路面的设计方法。 第二章 交通荷载研究交通荷载是路面设计的关键参数之一，对路面使用寿命有至关重要的影响。广乐高速公路地处经济繁华的广东省内，区间贸易频繁，逐年来，交通量日益增多，同时伴随着许多超载超限的情况出现，据调查，广东省内货车 40%以上的货车都存在超载超限的情况，所以重载交通比较严重，有必要对其进行研究。 3.1 交通荷载概述交通荷载的作用是影响路面使用寿命的关键因素之一，而轴载又是其中的关键，轴载是路面设计中的核心内容。 在路面设计中，主要的交通荷载参数包括如下：初始年的年平均日货车交通量，货车交通量的方向分布和车道分布系数，设计年限内货车交通量的增长系数，货车的类型、轴载和轴载谱，车轮轮迹横向分布系数，胎压等。现行的路面设计方法中，主要采用增量法和当量法来对其进行考虑。而我国沥青路面设计规范中，仍然采用的是当量法进行轴载分析，即累计当量轴次。 设计年限内累计当量轴次的得到，可以按照规范中规定的公式进行计算，然而对于轴载换算公式只适用于轴载小于 130KN 的情况，而对于大于 130KN 的情况并不适用。广乐高速属于典型的重载交通，所以我们不能直接用规范中的轴载换算公式进行换算，以下将对重载交通下累计交通轴载作用次数进行研究。 3.2 交通轴载分析3.2.1 车型和轴型汽车可分为货车和客车两大类，其中，客车可分为轿车、中型客车和大型客车三类。货车再分为轻型货车、中型货车和重型货车，或者按车身组合情况分为整车和组合车。组合车又可以分为单拖挂车和多拖挂车，前者由牵引车和半拖挂车组合而成，后者由拖挂车和拖挂车组合而成。 整车的前轴都为单轴，其两侧车轮均为单轮胎；而后轴可由单轴、双联轴或者三联轴组成，两侧车轮可为单轮胎货车双轮胎组。组合车的前轴也为单轴一单轮，后面的掣肘可以有 2-5 或 4-6 个以上，由单轴、双联轴或三联轴组成。在进行交通量调查的时候，应该按车型和轴型的不同，将车轮分类后进行观察和统计。如美国联邦公路局将车辆划分为 13 类：摩托车，轿车，2 轴 4 轮整车，大型客车，2 轴 6 轮整车，3 轴整车，4 轴或者以上整车，4 轴或以下单拖挂车，5 轴单拖挂车，6 轴多拖挂车，7 轴或以上多拖挂车。前 4 种为客车，后 9 种为货车。在路面设计时，不需要考虑 2 轴 4 轮的各种客车和货车的作用，因为这些车辆对路面的损坏作用很小。交通量调查应提供其他各类车型的数量和所占的比例，及货车交通量和占总交通量的比例。车辆荷载以车辆的总重，各轴型的轴重和各轮组的轮重表征。许多国家对道路上行驶车辆的总重和轴载有要求。如下表：3.2.2 AASHTO 沥青路面轴载换算方法AASHTO 沥青路面设计方法是以试验路行车试验结果为依据的方法，它是根据20 纪 50 年代末 60 年代初在渥太华和伊利诺斯州的大规模试验路成果得到的。根据实验路成果得到的基本方程式推到出了车辆轴载当量换算方法。AASHTO 道路试验提出的路面使用性能变化的基本方程是：式中，C0-试验路完工时的路面耐用性指数，该试验路测得的平均值为 4.2Pt-经过车辆行驶 N 次后，达到的最终耐用性指数 PSI-该路段最终耐用性指数降至 1.5，及路面达到破坏标准时轴载的作用次数。-斜率G-为任何阶段耐用性指数的损失 C0- Pt，与耐用性指数达到破坏标准及Pt=1.5 的总损失 C0-1.5 之比的对数值。其中，和的表达式如下式中，P-单轴荷载或一组双轴荷载上的荷载以千磅计；L0-轴数，单后轴为 1，双后轴为 2SN-表示路面结构强弱的代表数，称路面结构数 SN= a1 D 1+ a 2D 2+ a 3D3 （33）把和的表达式代入，并变换可得： 以不同车型的轴载 P 和轴数 L 代人上式，即可得到不同的最终耐用性指数 P时轴载间的换算公式。1、单后轴间的换算公式若以单后轴轴载 100KN 作为标准，则 P=22，L0=1 其他的单后轴轴载为 X 时，P=x，L0=1，则这就是不同单后轴轴载间的变换公式。AASHTO 法如以单后轴 18klbf 为标准轴，计算得当 P=2.5，2.0，1.5 时，不同轴载间等效系数，把等效系数以轴载比值的指数 a 表示，其结果归纳如下：当 Pt=2.0 时，a 值变化在 3.884.64，当 Pt=2.5 时，a 值变化在 3.634.64，且随轴载的增大，a 值有增大趋势。如把全部结果平均，则 Pt=2.0 时，指数 a 值平均为 4.3；Pt=2.5 时，a 值平均为 4.05，两者的总平均值为 4.18，即单后轴间轴载换算公式可近似地以下式表示：如认为 SN=1 和 2 的结构单薄，不予考虑，则 Pt=2.0 时，a 值平均为 4.19，Pt=2.5时，a 值平均为 3.93，两者平均为 4.06.我国新规范的轴载换算方法，指数取为4.35，即是以此为基础，并在广泛调查论证，以及弹性体系理论分析后得来的。2、双后轴的换算公式如其他车型为双后轴，则 L0=2 每轴荷载为 x klbf，则总轴载为 P=2x，其轴载通过数以 N2x表示，则它与 100kN 单后轴标准轴载的换算公式是：3.2.3 我国沥青路面轴载换算方法1、换算基本原则由于路面实际作用的车辆种类繁多，需要将不同轴重的轴载换算为标准轴载。在进行轴载换算时遵循以下两原则：1、不同轴载在同一路面结构上重复作用不同次数后，使路表弯沉值或基层底弯拉应力达到同一极限状态。2、无论何交通组成无论用哪种方法进行换算，计算得到的路面厚度应该相同。我国设计方法中采用的是弯沉和层低弯拉应力指标，所以在换算时应以弯拉应力为指标和弯沉为指标轴载换算方法。我国路面设计以双轮组单轴载 100kN 为标准轴载，以 BZZ100 表示。标准轴载的计算参数按表 3.2 确定。2、我国规范中规定的沥青路面轴载换算方法根据以上标准数据以及按照不同的结构层次进行。当以设计弯沉值为设计指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于 25kN 的各级轴载 P 的作用次数 n，均按下公式换算成标准轴载 P 的当量作用次数 N。3.3 重载条件下轴载换算系数的确定我国规范中的相关轴载换算计算方法仅适用于小于 130kN 的情况，而对于大于 130kN 的情况没有说明。然而经济的不断进步，地区之间的贸易相当频繁，重载超载交通大量出现，严重损坏了交通利益，有必要对其进行深入研究。有相关研究表明，当轴载小于 130KN 时，路面结构层响应表现为线性，而当大于 130KN时，则呈现出非线性特性。本文从理论计算和实测数据两个方面对轴载交通下轴载的换算系数进行分析研究。3.3.1 换算方法分析为了符合我国国情，本文仍然采用我国沥青路面设计规范中采用的换算理论进行研究。为了减少论文工作量，在此只研究以弯沉为指标的轴载换算方法。 以下为弯沉为指标的轴载换算方法 路面结构在单后轴双论组的不同轴载作用下，弯沉比的简化公式形式如下 3.3.2 基于理论计算的重载下轴载换算系数根据 3.3.1 中得到的换算形式，轴载系数的确定就是确定 b 和 c 的值，规范中 c 值取用的 0.2，在这里仍然采用，只需确定 b 值，就能得到重载交通下轴载换算系数。由公式（3-28 和 3-30）得到如下 根据公式（3-31）进行 b 值的确定。本节选择三种典型路面结构从线性和非线性理论计算上对其进行分析。1、 典型路面结构形式选择。结构层组合如下表：2、根据线性模型和非线性模型结构进行计算，得到三种结构在线性和非线性模型下的弯沉计算结果，下图为结构 2 的线性和非线性模型计算结果对比的关系图： 从图中可知，当轴载大于 130kN 的时候两条线开始出现了分离，随着荷载的增加，两条线距离越来越大，也就是弯沉值变化率越来越大，这就是两模型之间的差异。线性模型下，弯沉成直线走势；在非线性模型下，呈加速上升趋势。 在线弹性体系下，换算系数 b 与轴载换算指数是基于 5 式计算得到的。其反算得到 n 基本维持在 5 左右，可以认为是一个常数。然而，随着轴载的增加，结构层中土基等材料出现明显非线性的变化。非线性模型下对该结构的计算结果如表 3.6。从计算结果得知：首先，不同结构层组合对 n 值的影响不大，而荷载的作用才是主要因素；其次，非线性模型下，荷载小于 130KN 时，基本成水平的直线，但大于 130 时，随着荷载的增加，n 值也相应增加，而且加速增加。通过数学方法，将其拟合为指数曲线，经过回归计算得到以下结果:该公式由理论计算得到，和实际应用情况无联系，需经过后续实践证明。3.3.3 基于实测数据下的重载交通轴载换算系数为深入研究重载的影响，同时研究基于实测数据得到的轴载换算系数。本方法思想为通过实地数据得到弯沉值，根据公式反算得到相应的换算系数。1、基本资料的获取本文根据文献33对几条高速在不同荷载下的实测数据进行分析。文献中选择 50KN、75KN、100KN、130KN、150KN、175KN、200KN 下对几条高速路进行路表弯沉值的检测，结果详见表 3.6。根据图 3-2 与表 3-5 实测数据结果可以看出和理论上基本一致的走势，当轴载小于 130kN 时，随着轴载的增加，b 值基本平行，基本无变化，可以认为是一常数，当轴载大于 130kN 的时候，随着轴载的增加，b 值明显增加，而且变化很快，当轴载为 200KN 的时候已近达到了 1.2 的水平。同时，分析可知在小于 130KN 的时候基本成线性关系，而大于 130KN 的时候则表现出非线性关系。其原因是材料在很大轴载的情况下，材料不能完全恢复原来的形状而形成永久变形，这样就加大了路面的破坏。根据图中的规律，将轴载分为两段，小于 130KN 的，成线性变化；大于 130KN时，成非线性关系，根据表中数据进行回归分析，得到如下关系。3.4 基于轴载谱的累计当量轴次研究累计当量轴次是进行路面厚度设计的依据，我国现行规范路面设计中采用累计当量轴次作为设计依据。但是规范中由于车型划分以及考虑因素不足，而存在一些缺陷，不能完全真实的反应设计年限内的累计当量轴次。AASHTO2002 中，已经去除累计当量轴次的概念，采用基于轴载谱的各种疲劳模型进行分析。鉴于我国规范仍采用当量轴次的概念，我们进行了基于轴载谱的交通荷载的研究。近来，也有部分学者已经对其进行研究。轴载谱能够更客观的反应交通荷载的作用情况，是一个路面设计的发展方向。轴载谱的参数包括很多，如车辆分布系数、小时调节系数、月调节系数、轴数系数、车道分布系数、轮迹分布系数、轴载分布系数等。所有的数据都是通过交通调查得到的结果，对路面设计起到基础性功能。3.4.1 已有关于轴载谱分析的情况1、路面设计手册第三版公路设计手册路面是比较权威且科学的著作，其中，对于交通轴次的分析包括三个层次:1、交通量估算，2、标准轴载作用次数的估算，3、标准轴载累计作用次数的估算。基于轴载谱数据的累计当量轴次估算有两种途径。（1）不分车型，按轴型分类称重统计分类时，根据不同轴载级位计算轴载换算系数，而后按如下公式计算:式中：ADTT-设计车道年平均货车交通量。根据双向交通的双向分布情况和每个交通的车道数，乘以相应的方向分配系数和车道分配系数。Ijk-j 轴型 i 轴载级位的标准轴载当量换算系数jN-每 1000 辆 2 轴 6 轮以上客车、货车辆中 j 轴型出现次数ijp-j 轴型 i 轴载级位的频率（2）按车辆类型分类称重统计时，先按车辆类型计算轴载换算系数，在按车辆组成比例计算标准当量轴载，公式如下：式中：ADTT-设计车道年平均货车交通量。根据双向交通的双向分布情况和每个交通的车道数，乘以相应的方向分配系数和车道分配系数。kk-k 类车辆的标准轴载当量换算系数jp-j 轴型在 k 类车辆中的组成比例kp-k 类车辆的组成比例标准轴载累计作用次数计算公式：3.4.2 基于轴载谱的轴载换算研究提出上述研究中，用轴载谱的方法计算交通荷载已经有很大进步。在计算得时候主要是日平均交通量的确定，基于轴载谱对其进行分析。由于规范中计算方法没有涉及日交通量与时间的关系。很多调查都是一次性的调查结果，而该结果不具有全年的代表性，因为每月、每日、每小时的交通量都不一样的，可能存在季节性和劳动性的影响。基于我国基本国情考虑，我国基本上在交通调查的时候把车型分为 6 类，小货车、中货车、大货车、拖挂车、小客车和大客车。而没有像许多文献研究中分的很细，基于适用，相对准确，本文参考众多国内外文献，此提出以下公式方法：标准轴次作用次数：由于 OD 调查是在某特定时间内进行的，某些样本可能具有一定的偶然性，交通量预测是以年均日交通量为基础进行的，因此，应该结合历年的交通量观测资料进行样本修正。修正主要有两方面内容：一是结合现场交通量观测进行样本扩大修正；另外还结合历年交通量观测资料进行年均日交通量修正。以交通量调查和 OD 调查为基础，换算年平均日交通量，上述所有数据根据实地调查的轴载谱数据得到。年平均日交通量采用下式计算：3.5 轴载谱参数的分析轴载谱参数包括车辆类型系数、月调节系数、小时调节系数、轴数系数、轴载分布系数等，以下根据广东省高速公路交通运行情况调查报告提供的数据进行分析。 3.5.1 车辆类型分布系数车辆类型分布系数指的是各种类型的卡车在所有卡车中所占的百分比。根据对每辆车实际收集到的轴载组成数据，经统计分析后，可得到相应的车辆类型系数。 根据广东省高速公路交通运行情况调查报告中间成果，进出广东主要有两条高速公路通道，从湖南进出广东和江西进出。交通量调查情况如下： 3.5.2 交通量月调节系数交通量随时间的变化对路面结构的使用性能有很大的影响。因为路面材料的性质也随时间会产生较大的变化。在白天或夏季，路面结构温度较高，沥青混合料的模量降低。在春季或雨季土基和粒料层的含水量增加，也会造成路面结构的整体强度下降。如果在某个时间段内，路面结构的整体强度因环境因素的影响而下降，而如果这一时间段交通又较为集中，则路面结构在这一时间段内发生的破坏将远远大于其他的时间段。所以有必要了解交通量随时间的变化情况，即需要确定交通量月调节系数和小时调节系数。交通量月调节系数代表的是某一特定种类的车型，其在一特定月的交通量在年交通量中所占的比重。 根据广东省高速公路交通运行情况调查报告中间成果，调查数据如图所示，由于数据繁多，在此只列举 2 图表。 3.6 广乐高速交通参数确定通过上述分析，可以对广乐高速交通参数进行技术分析。乐昌至广州高速公路（以下简称“广乐高速公路”）北起韶关乐昌，自北向南经韶关、清远，终点广州花都，主线全长约 260km。广乐高速公路总体上与现有京港澳高速公路同向平行，是湖南以北地区至珠三角中部地区最为便捷的高速公路主通道，建成后将很大程度地提高和保障京港澳高速公路通道交通功能；同时改善粤北山区相对落后的交通状况，加快山区开发，提高珠三角发达地区的辐射带动作用。广乐高速公路分为两大段，其中北段为乐昌至樟市段，位于韶关市境内；南段为樟市至花东段，位于清远市和广州市境内。整个广乐高速公路勘察设计项目共分为 A1、A2、A3 三个土建设计合同段和 B 机电设计合同段，本合同段为 A2 设计合同段，起于清远市与韶关市交界的沙口农场，止于英德市连江口老鱼岗，全长 54.8km。广乐高速的交通特点：作为重要的南北大通道，交通量大且重载多，对路面的要求很高。3.6.1 交通量情况根据广乐高速公路工程可行性研究中对路段的调查情况（调查基本数据见广乐高速公路工程可行性研究报告），根据上面所述日平均交通量计算公式，借用交通规划预测模型，得到的所需路段基年交通量如下： 3.6.2 交通荷载计算根据广