路面结构设计

5. 路面结构设计5.1 沥青路面5.1.1 交通量及轴载计算分析路面设计以单轴载双轮组100kn 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计当量轴次：轴载换算：轴载换算采用如下的计算公式：n4. 35c1c 2 ni ( pi / p)i 1计算结果如下表所示：表 5.1 轴载换算表kc1 c2 ni (pi/p) 4.35 (次/型号pi(kn)c1c 2n i(次/日）日）桑塔纳前轴12.016.421801.382000后轴18.016.421808.04江淮前轴17.016.42300.66al6600后轴26.5112300.71黄海前轴49.016.4420120.72dd680后轴91.511420285.38北京前轴13.416.42400.25bj130后轴27.4112400.86前轴23.616.46708.02eq140后轴69.311670135.91黄河前轴58.616.4828518.28jn163后轴114118281464.09东风前轴50.716.4320106.69sp9250后轴113.3113201652.61knc1c2nii 1pi / p4.354303.60累计当量轴次根据公路沥青路面设计规范jtg d50-2006 ,高速公路沥青路面的设计年限取 15 年，四车道的车道系数是取0.5 。累计当量轴次：t11365nen11510.0644913653654303.600.51 8 9 1 8 8 3（0次）0.064492) 验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次轴载换算验算半刚性基层层底拉应力轴载换算公式：kin c 1 c 2 ni 1( pi/ p)8计算结果如下表所示：表 5.2轴载换算结果（半刚性基层层底拉应力）型号pi(kn)c1 c 2n i(次/日）c1 c 2ni(p i/p) 8(次/日）桑塔纳前轴12.0118.521800.002000后轴18.0118.521800.04江淮前轴17.0118.52300.00al6600后轴26.5112300.01黄海前轴49.0118.542025.82dd680后轴91.511420206.36北京前轴13.4118.52400.00bj130后轴27.4112400.01eq140前轴后轴23.669.31118.516706700.1235.64黄河前轴58.6118.5828213.00jn163后轴114118282361.94东风前轴50.7518.5320129.23sp9250后轴113.3513204344.69kn c1 c2 nii 1pi / p7316.878累计当量轴次参数取值同上，设计年限是15 年,车道系数取 0.5 。累计当量轴次：t11365nen110.06449 1513657316.870.53 2 1 6 5 2 5（7次）0.064495.1.2 结构组合设计及材料选取1) 拟订路面结构组合方案根据规定推荐结构， 并考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应， 路面结构面层采用沥青混凝土（取 18cm ），基层采用水泥碎石（取 20cm ），下基层采用石灰土（厚度待定）。另设 20cm 厚的中粗砂垫层。2) 拟订路面结构层的厚度由于计算所得的累计当量轴载达到了500 万次，按一级路的路面来设计， 由设计规范公路沥青路面设计规范jtg d50-2006 规定高速公路、一级公路的面层由二层至三层组成。 采用三层式沥青面层， 表面层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚度为4cm ），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度为6cm ）， 下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（厚度为8cm ）。5.1.3 设计指标及设计参数确定1) 确定路面等级和面层类型由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为大于500万次。根据规范公路沥青路面设计规范jtg d50-2006 和设计任务书的要求可确定路面等级为高级路面，面层类型采用沥青混凝土，设计年限为15 年。2) 确定土基的回弹模量此路为新建路面，根据设计资料可知路基干湿状态为干燥状态。根据设计资料， 由设计规范公路沥青路面设计规范jtg d50-2006 ， 该路段处于 ii2a 区，为粉质土，确定土基的稠度为1.05 。查设计规范公路沥青路面设计规范jtgd50-2006 中“二级自然区划 各 土 组 土 基 回 弹 模 量 参 考 值 (mpa) ”表 并 作提 高 得 土 基 回 弹模 量 为e037.0mpa .3）各层材料的设计参数（抗压模量与劈裂强度）查设计规范公路沥青路面设计规范jtg d50-2006 ，得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取20 c 和15 c 的模量，各值均取规范给定范围的中值，因此得到 20 c 和15 c 的抗压模量： 细粒式密级配沥青混凝土为1400mpa 和 2000mpa ，中粒式密级配沥青混凝土为1200mpa和 1800mpa ，粗粒式密级配沥青混凝土为1000mpa和 1400mpa ，水泥碎石（ 20 c 或15 c ）为 1500mpa ， 石灰土（ 20 c 或15 c ）为 550mpa ，中粗砂（ 20 c 或15 c ）为 90mpa 。各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为1.2mpa ，中粒式密级配沥青混凝土为 1.0mpa, 粗粒式密级配沥青混凝土为0.8mpa ，水泥碎石为0.5mpa ，石灰土为 0.225mpa 。5.1.4 路面结构厚度计算1) 根据设计弯沉值计算路面厚度设计指标的确定，对于高速公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。2) 计算设计弯沉值按照设计规范公路沥青路面设计规范jtg d50-2006 中路面设计弯沉值公式 l= 600n -0.2 a a a计算。该项公路为高速公路 ,公路等级系数为1.0, 面层是decsb沥青混凝土，面层类型系数取1.0，半刚性基层，基层类型系数取1.0。设计弯沉值为：l d600 ne0.2acas ab600189188300. 211121.03(0.01mm)3) 计算各层材料的容许层底拉应力由rs / k s沥青混凝土：ks0.09n0.22e/ ac0.09321652570.22 / 1.04.035细粒式密级配沥青混凝土：rs / k s1.2 / 4.0 3 50.2 9 7m p a中粒式密级配沥青混凝土：rs / k s1.0 / 4.0350.248mpa粗粒式密级配沥青混凝土：rs / k s0.8 / 4.0350.198mpa水泥碎石：ks0.35n0.11e/ ac0.35321652570. 11 /1.02.344rs / k s0.5 / 2.3 4 40.2 1 3m p a石灰土：ks0.45ne0.11/ac0.453 2 1 6 5 20.511 7/ 1.03.0 1 3rs / ks0.225/ 3.0130.075mpa设计资料总结如下：设计弯沉值为 21.03(0.01mm) ，相关设计资料汇总如下表所示。材料名称表h(cm)5.3设计资料汇总表20 c 模量15 c 模量容许拉应力细粒式沥青混凝土4140020000.297中粒式沥青混凝土6120018000.248粗粒式沥青混凝土8100014000.198水泥碎石20150015000.213石 灰 土?5505500.075垫层201801804）查图法求计算层厚度由上述计算可知设计弯沉值l d21.03(0.01mm) ，令l sl d,求综合弯沉系数 f。则f1.63ls20000.380.36e0p1.6321.030.3837.00.360.4902200010.650.7计算实际弯沉系数sls e121.0314001.9 7 4s2000 p20000.710.65计算理论弯沉系数 a llcs1.974f0.45464.343查三层体系表面弯沉系数诺谟图对于细粒式密级配沥青混凝土因为he2 e1e0 e2410.6512001400371 2 0 00.380.860.0 3 1由 h 、de 2 查图得e16.3由 h 、 e0de2查图得k 11.64k2由 h、 e 0和l4.3430.42 ,查图得h5.8de 2k 16.31.64计算中层厚度hh /5.810.6561.77cm计算石灰土层厚度由公式 hn 1h2hkek2 .4得k 3e262.8682 .410001200202.415001200h52.45501200则解得h536.55cm则取h537cm5.1.5 路面结构验算5.1.5.1 验算沥青混凝土各面层及半刚性基层、底基层的层底弯拉应力1） 沥青面层层底拉应力验算（此时取15 c 抗压模量）细粒式密级配沥青混凝土表层验算h4cm由 h=n 1hkk i 10.9ekei 1即 h680 .914001800200. 915001800370.9550180038.29cm由 h410.65e21 8 0 0e12 0 0 00.38 、 h0.9 查图38.2910.653.60 、e0 e23718000.02 和图中没有所查的相应数据，即s 、 m1 、 m2 均小于零，因此可知层底不产生拉应力，产生压应力，即满足要求。中粒式密级配沥青混凝土表层验算ie则hhk 4k44 2000610.1cmk 1ei1800n 1hhkk i 10.9ekei 18200.915001400370.9550140042.7cm由 h10.110.650.95 、 h42.710.654.01、 e0e23714000.03 和e21400e118000.78 查图图中没有所查的相应数据，即s 、 m1 、 m2 均小于零，因此可知层底不产生拉应力，产生压应力，即满足要求。粗粒式密级配沥青混凝土表层验算kie则 hhk 4k 1ei44 20001400648cmn 1e550hhkk i 10.9kei 120370.9150032.14cm由 h18.810.651.77 、 h32.1410.653.02 、 e0e23715000.02 和e21500e114001.07 查图图中没有所查的相应数据，即s 、 m1 、 m2 均小于零，因此可知层底不产生拉应力，产生压应力，即满足要求。2） 水泥碎石基层层底拉应力验算kie则hhk 4k 1ei44 2000150064 1800150084 140015002038.44cmh37cm由 h38.4410.653.61, h3710.653.47 、 e0e2375500.07 、和e2550e115000.37 查图得0.13mpa、 m11.36 , m20.68 ，又有 p0.7则pm1m20.70.131.360.680.084mpa0.213mpa即满足要求。3） 石灰土基层层底拉应力验算kie则 hhk 4k 1ei44 2000150064 1800150084 140015002038.44cmh37cm由 h38.4410.653.61, h3710.653.47 、 e0e2375500.07 、和e2550e115000.37 查图得0.22 mpa、 n11.07 , n20.35 ，又有 p0.7则pn1 n20.70.221.070.350.058mpa0.075 mpa即满足要求。5.1.5.2 季节性冰冻地区沥青混凝土路面防冻厚度验算因为该地区土基干湿类型为假定为干燥土基，且设计任务书中相关资料不全，所以不作路面防冻厚度验算。5.1.6 沥青混合料配合比设计热拌沥青棍合料的配合比设计应遵照下列步骤进行：1) 目标配合比的设计阶段，按规范中规定的矿料级配，用工程实际使用的材料计算各种材料的用量比例，进行马歇尔试验， 确定最佳沥青用量。 以矿料级配及沥青用量作目标配合比，供拌和机确定各冷料仓的供料比例、进料速度及 试拌使用。2) 生产配合比设计阶段，沥青混凝土采用间歇式拌和机拌和，从二次筛分 后进入各热料仓的材料取样进行筛分，以确定各热料仓的材料比例， 供拌和机控制室使用。同时反复调整冷料仓比例以达到供料均衡，并取目标配合比设计的最佳沥青用量及其 0.3 之间的三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳沥青用量。3) 生产配合比验证阶段，拌和机采用生产配合比进行试拌，铺筑试验段， 并用拌和的沥青混合料及路上钻取的芯样进行马歇尔试验，由此确定生产用的标准配合比。标准配合比的矿料级配中，0.074mm ，2.5mm ， 5mm 三档的筛孔通过率接近要求级配的中值。经设计确定的标准配合比在施工过程中不得随意变更，生产过程中， 如遇进场材料发生变化，经检测沥青混合料的矿料级配、 马歇尔技术指标不符合要求时， 应及时调整配合比， 使沥青混合料质量符合要求并保持相对稳定，必要时重新进行配合比设计。5.2 水泥路面设计任务书规定：应设计服务区或收费站处的路面为水泥混凝土路面。5.2.1 交通量分析由公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d40-2003 ）表 3.0.1 （下同，均为规范中表号），高速公路的设计基准期为30 年，安全等级为一级。由表a.2.2 ，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22 。取交通量年平均增长率为6.449 。按式(a.2.2) 计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为tnns 1gre13656907.1gr3010.644910.64493650.2243158387次属特重交通等级。5.2.2 结构组合设计及材料选取1) 初拟路面结构由表 3.0.1 ，相应于安全等级一级的变异水平等级为低级。根据高速公路、特重交通等级和低级变异水平等级，查表4.4.6 ，初拟普通混凝土面层厚度为0.28m 。基层选用水泥粉煤灰碎石， 厚 0.20m 。垫层为 0.15m 低剂量无机结合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m ，长 5.0m 。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。2) 路面材料参数确定按表 3.0.6 ，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0mpa ，相应弯拉弹性模量标准值为 31gpa 。查附录 f.1 ，路基回弹模量取37.0mpa 。查附录 f.2 ，低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取600mpa ，水泥粉煤灰碎石基层回弹模量取1300mpa 。5.2.3 路面厚度设计计算按式(b 15)计算基层顶面当量回弹模量如下：h e2211h e22h221h213000.226000.1520.220.152ex1048mpahd3e1 1h3xe2 221h1h211121300120.2120.230.15600240.153121e1h1e2 h21143.08313000.26000.15hx312dx/ ex3 123.083/ 10480.328ma6.22 11.51 exe00 .456.2211.511048370.454.134exb11.44e00.5511.441048370 .550.771xt0eahb e1 / 3exe04.1340.3280.771371048371/ 3197 mpa普通混凝土面层的相对刚度半径按式(b1 3 2)计算为r0.537h3ec / et0.5370.283 31000/ 1650.861m1) 荷载疲劳应力按式(b.1.3) ，标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为ps0.077r 0.6 h 20.0770.8610.60.28 20.898mpa因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数kr=o.87 。考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数nk fne(43158387)0 .0572.724 。根据公路等级，由表b.1.2 ，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc=1.30 。按式(b 12)，荷载疲劳应力计算为prkr k f kcps0.872.7241.30.8982.766mpa2) 温度疲劳应力由表 3.0.8 ，区最大温度梯度取88( /m)。板长 5m ， l/r=5/0.923=5.419 ， 由图 b.2.2 可查普通混凝土板厚h=0.28m ，bx=0.42 。按式 (b.2.2) ，最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为c ec htgtmbx2110 53100020.28880.421.604mpa温度疲劳应力系数kt，按式 (b.2.3) 计算为ckatf rtmbtmfr5.01.6040.8281.60451. 3230.0410.446再由式 (b.2.1) 计算温度疲劳应力为trkttm0.4461.6040.715mpa查表 3.0.1 ，高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为95。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表 3.0.3 ，确定可靠度系数 r=1.33 。按式(3.0.3)rprtr1.33(2.7660.715)4.630mpaf r5.0 mpa因而，所选普通混凝土面层厚度0.28m可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。5.2.4 接缝构造设计5.2.4.1 纵向接缝1) 纵向接缝的布设应路面宽度和施工铺筑宽度而定： 一次铺筑宽度小于路面宽度， 应设置纵向施工缝。 纵向施工缝采用平缝形式，上部锯切槽口，深度为 40mm ，宽度为 8mm ，槽内灌塞填缝料，构造如图 5.1.1a ）所示；一次铺筑宽度大于4.5m ，应设置纵向缩缝。纵向缩缝采用假缝形式， 锯切的槽口深度应大于施工缝的槽口深度。采用半刚性基层， 槽口深度为板厚的2/5, 取 120mm 。其构造如图5.1.1b) 所示。图 5 1 纵缝构造 (尺寸单位： nun)a) 纵向施工缝；b) 纵向缩缝2) 纵缝应与路线中缝平行。在路面等