第四章路面设计.doc

中国矿业大学2005届本科生毕业设计 第49页4路面结构设计4.1路面类型及结构层组合4.1.1路面设计原则1）路面设计根据使用要求及气候、水文、地质等自然条件密切结合实践经验，进行路基路面综合设计；2）在满足交通量和使用要求的前提下，遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资的原则，进行路面设计方案的技术、经济比较，选择技术先进、经济合理、安全可靠、利于机械化施工，工厂化生产的路面结构方案；3）结合当地的条件，积极推广成熟的科研成果，对行之有效的新材料、新技术在路面设计方案中积极并慎重的采用；4）设计方案注意环境保护和施工人员的健康和安全；5）保证路面工程的质量，应进行机械化施工，本设计路段为高速公路，大规模的采用机械化施工，确保工程的质量；6）高等级公路不宜分期进行建设。4.1.2路面类型确定表4.1面层类型比选项目沥青混凝土路面水泥混凝土路面速度快稍慢平整度高稍差舒适度高差抗滑性能好差稳定性高高噪音小大施工进度快慢开放交通快慢施工温度影响大小透水性能好稍差养护维修容易困难温度稳定性差好接缝无多计算交通量为48823辆/日，为重型交通，选用高等级的路面。高等级道路的路面一般有柔性路面（沥青混凝土）和刚性路面（水泥混凝土）之分，下面对这两种路面类型进行实用比较见表（4.1）。从综合角度上看，本设计路段决定采用沥青混凝土路面，设计采用以双轮组单轴轴载100kN为标准轴载，设计使用年限为20年。4.1.3交通组成、交通量设计指标 1）交通组成 根据设计资料，交通组成见表（4.2）。表4.2 交通组成车型总重前轴重后轴重轮轴数轮组数交通量小 汽 车3000黄 河JN150150.6049.00101.6012800跃进NJ13053.6015.3038.30111600解 放CA10B80.2519.4060.85122200太 脱 拉138211.4051.4080.0225502交通换算1）轴载换算选用BZZ100为标准轴载。标准轴载的计算参数按表（4.3）确定。表4.3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)0.70两轮中距(cm)1.5d以设计弯沉值班为指标及沥青层层底拉应力演算，凡轴载大于25kN的各级轴载(包括车辆的前、后轴)P1的作用次数n1，均应按公式(41)换算成标准轴载P的当量作用次数N。 （41）式中 N标准轴载的当量轴次，次日； n被换算车型的各级轴载作用次数，次日； P标准轴载，kN； Pi被换算车型的各级轴载，kN； C1轴数系数；C2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，轴数系数按公式（42）计算。 （42）式中 轴数。交通量换算见表（4.3）表4.3 交通量换算表车型跃进NJ130后轴38.3011160024.61前轴15.3016.416000解 放CA10B后轴60.85112200252.58前轴19.4016.422000黄 河JN150后轴101.3011800857.19前轴49.0016.4800229.14太脱拉138后轴80.02.21550552.23前轴51.4016.4550158.09合计2074.64注：由于小汽车轴载小于25kN，所以在表中未列出计算，并且轴载小于25kN的作用次数不计。次2）累计当量轴次计算根据公路工程技术标准第1.0.4条，高速公路沥青路面设计年限为20年，四车道系数是0.40.5，本设计取0.45。在设计中采用下列计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次： （43）式中：Ne设计年限内一个车道上的累计当量轴次，次/日； 设计年限内交通量的年增长率，本设计为7%； N1道路竣工后第一年双向日平均当量轴次，次/日； t设计年限，取为20年； 车道系数，取0.45。因此：次3)验算半刚性基层底层层底拉应力中的累计当量轴次当进行半刚性基层底基层拉应力验算时，凡轴载大于50kN的各级轴载（包括车辆的前、后轴）的作用次数，均按公式（44）换算成标准P的当量作用次数。 （44）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。表4.4半刚性基层轴载换算表车型跃进NJ130后轴38.30118.511000前轴15.30118.511000解 放CA10B后轴60.8511220041.45前轴19.40118.522000黄 河JN150后轴101.6011800908.32前轴49.00118.59000太脱拉138后轴80.031550276.82前轴51.40118.555049.57合计1276.06注：轴载小于50kN的轴载作用不计。累计当量轴次计算 次4.1.4结构层组合1）结构层组合设计根据公路沥青设计规范4.2.1规定，选择沥青面层各层级配时，应至少有一层型密级配沥青混凝土，以防止雨水下渗。三层式沥青面层的表面用抗滑表层时，中面层应用型密级配沥青混凝土，下面层宜根据当地气候交通量采用或型沥青混凝土。根据公路沥青面层设计规范 （JTJ 014-97）高速公路沥青面层推荐厚度是1218。表4.5 方案I材料厚度（cm）抗压模量劈裂强度2015AK16B4140018001.4AC20I6120018001.0AC257100014000.8水泥稳定碎石？15000.5二灰土208000.3土基45表4.6方案II材料厚度（cm）抗压模量劈裂强度2015AK16B4140020001.4AC20I6120018001.0AC25II6100014000.8二灰碎石？15000.7石灰土205500.225土基45根据以上的情况及条件本路段面层的上层采用抗滑表层。方案I：混合料选择4cm的AK16B沥青混凝土，中面层选择6cm的AC-25I型沥青混凝土, 下面层选择7cm的AC-25型沥青混凝土，基层采用水泥稳定碎石，底基层采用二灰土。方案II：混合料选择4cm的AK16B沥青混凝土，中面层选择6cm的AC-20I型沥青混凝土, 下面层选择6cm的AC-25II型沥青混凝土，基层采用二灰碎石，底基层采用石灰土。综合考虑本路段的交通量、材料来源情况、气候以及施工条件等因素,本路段路面的基层选择两个方案：见表（4.5），表（4.6）。2）土基回弹模量的确定按查表法预测土基回弹模量值，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（JTJ014-97）中表6.1.2-1与6.1.2-2的路床表面以下80深度内的平均稠度1.1，,由于徐州地区属5a区土类为粘土,由公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）中附表E2，确定土基回弹模量在45.052.0之间本设计路段取45.0MPa。3）路面设计弯沉值的确定路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据，路面设计弯沉值应根据公路的等级，在设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按式(45)计算确定。 （45）式中 ld路面设计弯沉值(1/100mm); Ne设计年限内一个车道上的累计当量轴次； Ac公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0； As面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0； Ab基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度等于或大于20cm时，则路面设计弯沉值Ab =1.0 。故 4）容许拉应力高速公路的沥青混凝土面层或半刚性材料基层、底基层在进行底拉应力验算时，结构层底面计计算点的拉应力应小于或等于该层的容许弯拉应力，即：。容许拉应力按下式计算： （46）式中：路面结构层材料的容许拉应力，MPa； 沥青混凝土或半刚性材料的劈裂强度，MPa； 抗拉强度结构系数；对于沥青混凝土面层： （47）式中：As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；对无机结合料稳定细粒土类： （48）对于无机结合料稳定集料类： （49）本设计各层容许弯拉应力计算如下：（1）沥青混凝土上面层容许弯拉应力：MPaMPa（2）沥青混凝土中面层容许弯拉应力：MPaMPa（3）沥青混凝土下面层容许弯拉应力：MPaMPa（4）水泥稳定碎石容许弯拉应力：MPaMPa（5）二灰土容许弯拉应力：MPaMPa4.2路面结构层组成设计4.2.1基层组成设计 基层是沥青混凝土路面的主要承重层，必须具有足够的强度且保证在水、温度作用下有良好的稳定性。考虑到徐州地区发电厂较多，基层选择水泥稳定碎石材料，以及二灰土作为底基层。1）路面基层材料要求（1）水泥水泥采用32.5号普通硅酸盐水泥，初凝时间应大于3小时，终凝时间宜在6小时以上。不应使用快凝水泥、早强水泥及受潮变质水泥。（2）碎石水泥稳定碎石中的碎石的最大粒径不大于40mm，压碎值不大于30%。（3）材料配合比及压实度材料配合比采用：水泥：碎石=6：94；基层压实度不小于98%，7天的抗压强度不小于4.5MPa。（4）水凡是饮用水（含牲畜饮用水）均可用于水泥稳定碎石基层施工。2）路面底基层材料技术要求（1）材料配比及压实度二灰土配合比采用水泥：石灰：粉煤灰：土=2：12：24：62，底基层压实度不小于95%，7天浸水抗压强度不小于0.6MPa；当土质粘粒含量高，强度可以满足设计要求时，配合比采用石灰：粉煤灰：土=12：24：64。（2）石灰与粉煤灰石灰及粉煤灰选用级及级以上的生石灰或采用级及级以上的消石灰，其各项技术指标应符合公路路面基层施工技术规范（JTJ034-2000）中表4.2.2石灰指标的规定；粉煤灰来源，依据基层施工技术规范，粉煤灰的烧失量不应超过20%，比面积大于25002/g，采用粉煤灰的含水量不超过35%，徐州发电厂的粉煤灰其各项指标均满足规范要求。（3）土尽量采用塑性指数为12-20的粘性土，土料中土块最大尺寸不应大于15，有机质含量不大于10%。（4)水凡是饮用水（含牲畜饮用水）均可用于二灰土底基层施工。4.2.2面层组成设计1）沥青混凝土面层高等级公路路面沥青混凝土上面层应具有良好的抗滑耐磨、密实耐久、抗疲劳性能以及高温稳定性、低温抗裂性。鉴于路线所在徐州地区的气候特点，综合考虑路面结构的抗车辙、抗滑、防渗等功能，本设计路段沥青混凝土上面层采用具有抗滑性的AK-16B，中、下面层分别采用中粒式沥青混凝土AC-20I改进型和粗粒式沥青混凝土AC-25I改进型。2）沥青面层混合料技术要求沥青面层AC-20I改进型及下面层AC-25I改进型配合比时，马歇尔稳定度不应低于7.5MPa、空隙率宜控制在36%其动稳定性不应低于800次/，其水稳性指标：沥青石料的粘附性不应低于4级，浸水马歇尔试验残留稳定度不应低于85%，推荐沥青用量46%。沥青中、下面层压实度不应低于马歇尔试验密度的96%。4.3路面结构层厚度确定4.3.1方案比选1）计算方案I（1）路面结构及计算参数见表（4.7）。（2）计算路面厚度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（41）。表4.7路面结构计算参数材料厚度（cm）抗压模量劈裂强度2015AK16B4140020001.4AC20I6120018001.0AC25I7100014000.8水泥稳定碎石？15000.7二灰土208000.3土基45 图41 路表弯沉值计算图式 即：22.341(1/100mm)路表弯沉设计值按式410计算： （410）式中 路面实测弯沉值； P、标准车型的轮胎接地压强，MPa，当量圆半径，cm； 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；、各结构厚度，cm。0.538则进行三层体系转换，三层体系转换图式如图42h1=4cmE1=1400MPah=4cmE1=1400MPah2=6cmE2=1200MPah3=7cmE3=1000MPa H=？ E2=1200MPah4=30cmE4=1500MPah5=20cmE5=800MPaE0=45MPaE0=45MPa图42 弯沉三层体第转换图查公路设计手册路面P136图419得：由于查公路设计手册路面P136图419得： =0.508由，查公路设计手册路面P136图419得： cmcm由此解得解得水泥稳定碎石基层厚度：cm，取cm。3）验算弯拉应力（1）验算沥青混凝土面层AK16B面层弯拉应力验算沥青混凝土面层AK16B面层弯拉应力图式如图（43）。h1=4cmE1=2000MPah=4cmE1=2000MPah2=6cmE2=1800MPah3=7cmE3=1400MPa H=？ E2=1800MPah4=30cmE4=1400MPah5=20cmE5=800MPaE0=45MPaE0=45MPa图43 AK-16B面层底面弯拉应力三层体系转换图由 查公路设计手册路面P143图4114得：，所以，则以上各层的抗弯拉强度均满足要求。（2)验算面层AC20I底面弯拉应力,三层体系转换图式如图（44）h1=4cmE1=2000MPah=？E1=1800MPah2=6cmE2=1800MPah3=7cmE3=1400MPa H=？ E2=1800MPah4=30cmE4=1400MPah5=20cmE5=800MPAE0=45MPaE0=45MPa图44 AK-20I 中面层底面弯拉应力三层体系转换图cmcm由查公路设计手册路面P143图4114得：，所以，则以上各层的抗弯拉强度均满足要求。（3）验算沥青面层AC25I底面抗弯拉应力,三层体系转换图式如图(45)h1=4cmE1=2000MPah=？E1=1400MPah2=6cmE2=1800MPah3=7cmE3=1400MPa H=？ E2=1400MPah4=30cmE4=1400MPah5=20cmE5=800MPaE0=45MPaE0=45MPa图45AC-25I 下面层底面弯拉应力三层体系转换图cmcm查公路设计手册路面P143图4-1-14得：，所以，则以上各层的抗弯拉强度均满足要求。（4）验算水泥稳定碎石底面抗弯拉应力,三层体系转换图式如图（46）h1=4cmE1=2000MPah=？E1=1400MPah2=6cmE2=1800MPah3=7cmE3=1400MPa H=？ E2=1400MPah4=30cmE4=1400MPah5=20cmE5=800MPaE0=45MPaE0=45MPa图46 水泥稳定碎石底面弯拉应力三层体系转换图由 查公路设计手册路面P143图4-1-14得: 由 查公路设计手册路面P143图4-1-14得:MPa由查公路设计手册路面P143图4114得: 所以满足抗弯拉要求。（5）验算二灰土底面弯拉应力三层体系转换图式如图47。h =47.76(cm)，H=20（）由 查公路设计手册路面P145图4-1-15得：=0.39 （Mpa） 由 查公路设计手册路面P145图4115得： 由 查公路设计手册路面P145图4115得：MPa故满足抗弯拉要求。通过以上计算得：方案I的路面总厚度为：4+6+7+1+30+20=68cm。2）计算方案II(1)路面结构及计算参数见表(4.8)。表4.8 路面结构层次材 料名 称厚度(cm)20抗压回模量(MPa)15抗压回弹模量(MPa)劈裂强度(MPa)1AK-16B4140020001.42AC-20I6120018001.03AC-25II6100014000.84二灰碎石?15000.705石灰土205500.2256土基45由方案一已知路面弯沉值各层容许拉应力如下：（1）沥青混凝土上面层AK16B面层容许弯拉应力（2）沥青混凝土中面层容许拉应力：（3）沥青混凝土下面层容许拉应力：（4）二灰碎石容许弯拉应力：（5）石灰土容许弯拉应力：计算综合修正系数：即：22.341(1/100mm)进行三层体系转换，三层体系转换图式见图4-8查公路设计手册路面P136图419得：由于查公路设计手册路面P136图4-1-9得： =0.508由，查公路设计手册路面P136图4-1-9得： 由此解得二灰碎石基层厚度：，取。 方案二的路面总厚度为：4+6+6+1+35+20=72cm。4.3.2确定方案比较方案I和方案II，方案I的结构层厚度比方案II的结构层厚度厚要小，在工程造价上要低，方案I基层采用了水泥稳定碎石，相比方案II的基层二灰碎石，水泥稳定碎石稳定性好、耐久性好、强度高，特别是早期强度比较高，施工速度快，并且水泥稳定碎石防水性比二灰碎石好。同时底基层方案I采用了二灰土也比方案II的石灰土强度高，现在高速公路施工已普遍采用水泥稳定碎石作为高速公路的基层，施工技术已经成熟，同时也了符合时代的潮流。所以经过以上计算、比较、分析，我选用方案I。即：上面层采用4AK-16B细粒式抗滑沥青混凝土，中面层采用6AC-20I中粒式沥青混凝土，下面层采用7AC-25I型沥青混凝土，基层采用30水泥稳定碎石，底基层采用20二灰土，在水泥稳定碎石上面设置一层1厚土工格珊以及乳化沥青封层。以上计算方案I的路面总厚度为：4+6+7+1+30+20=68cm。4.4路面施工要求4.4.1沥青混凝土面层施工要求1）沥青 除下封层采用PC2型慢裂乳化沥青外，沥青面层采用重交通道路石油沥青，沥青标号为AH70，其它各项指标应符合公路沥青路面施工技术规范(JTJ032-94)附录表.1“重交通道路石油沥青技术要求”，建议采用优质进口沥青，动力粘度1800+200(P)。2）粗集料 粗集料的粒径规格应符合公路沥青路面施工技术规范(JTJ032-94)附录表.及C.7的规格尺寸。路面上面层选用符合要求的玄武岩，软石含量3%，其各项指标应符合公路沥青路面施工技术规范(JTJ032-94)附录表.之要求。中、下面层可采用石灰岩等石料。3）细集料沥青面层用细集料应符合公路沥青路面施工技术规范(JTJ032-94)附录表.9、.10、.11之要求，并应控制黄砂用量。4）填料 沥青混合料的填料宜采用石灰岩或玄武岩等憎水性石料经磨细得到的矿粉，其质量应符合公路沥青路面施工技术规范(JTJ032-94)附录表.12的技术要求，回收粉尘不宜再利用。 建议采用石灰岩以控制工程造价。细粒式沥青混凝土：采用AK-16B型，集料采用玄武岩，集中厂拌，摊铺机摊铺。中粒式沥青混凝土：采用AC-20I型，集料采用玄武岩，集中厂拌，摊铺机摊铺。粗粒式沥青混凝土：采用AC-25I型，粗集料宜选用石灰岩，也可用玄武岩，集中厂拌，摊铺机摊铺。4.4.2水泥稳定碎石的要求1）水泥采用普通硅酸盐水泥，禁止使用快硬水泥、早强水泥以及其它受外界影响而变质的水泥。水泥宜采用标号32.5，初凝时间满足34h，终凝时间宜在6h以上。如采用散装水泥，在水泥进场入罐时，要了解出炉天数，刚出炉的水泥，要停放7d，且安定性合格后才能使用，夏季高温作业时，散装水泥入罐温度不能高于50，高于这个温度，若必须使用时，应采用降温措施。2）碎石碎石的最大粒径为31.5mm，不同粒径分类堆放，以利施工掺配方便，采用的套筛应与规定要求一致。碎石选用必须定山厂，定筛孔尺寸，建议按粒径1931.5mm、9.519mm、4.759.5mm、4.75mm以下四种规格筛分加工出料。水泥稳定碎石混合料中碎石压碎值应不小于30%，针片状含量不大于15%，集料中小于0.6mm的颗粒必须做液限和塑性指数试验，要求液限小于28%，塑性指数小于9。集料的颗粒组成应符合表412的规定。表412水泥稳定碎石混合料中集料的颗粒组成级配通过下列筛孔（mm）的重量百分率（%）31.526.519.09.54.752.360.60.075范围100901007289476729491735822073）水凡是饮用水均可用于水泥稳定碎石，遇到可疑水源，应委托有关部门化验鉴定。4）混合料组成设计和强度要求（1）水泥、碎石的配合比推荐值为6：94，含水量用3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、6.5%。做击实实验，确定室内实验的最佳含水量、最佳干密度；（2）试件在标准条件下养护6d，浸水24h后取出，做无侧限抗压强度试验，无侧限抗压强度代表值满足35Mpa要求；（3）水泥稳定碎石试件的标准养护条件是：将制好的试件脱模称重后，应立即放到相对湿度95%、养护温度202的养护室内养生。养生期的最后一天(第7d)将试件浸泡在水中，在浸泡水之前，应再次称试件的质量，水的深度应使水面在试件顶上约2.5cm，浸水的水温应与养护温度相同。将已浸水一昼夜的试件从水中取出，用软的旧布吸去试件表面的可见自由水，并称试件的质量。前6d养生期间试件质量损失应不超过10g，质量损失超过此规定的试件，应予作废。4.4.3二灰土施工要求1）石灰、粉煤灰石灰、粉煤灰应符合质量要求，石灰与粉煤灰的比例为1：21：4之间。2）土粘性土、粗粒土，含一数量粘性土为宜，土的塑性指数性应在1218之间。3）配合比与强度要求 石灰、粉煤灰与细粒土的比例为30：7090：10，推荐配合比为10:30:60，二灰土7天无侧限抗压强度应大于0.8MPa，180天劈裂强度应大于0.25 MPa。4.4.4路面施工步骤及施工工艺 高速公路的路面施工，必须按设计要求，严格执行公路路面基层施工技术规范（JTJ 034-2000）、公路沥青路面施工技术规范(JTJ F40-2004)的规定。箱形通道两端路面施工执行水泥混凝土路面施工验收规范（GBJ97-87）和公路路面基层施工技术规范（JTJ 034-2000），质量检查标准应符合公路路面基层施工技术规范(JTJ 034-2004)的规定。1）二灰土底基层施工（1）准备工作在施工前，应对施工地段的土体性质进行检测。然后，选择III级以上石灰进行处理。土应打碎，消除15mm以上的土块。路槽按设计断面修筑，并用大于12t的压路机压实，使上层20cm深度范围内，压实度满足在轻型标准下98%，重型标准下达到9395%。（2）拌和采用厂拌形式进行铺筑材料的拌和。土块、粉煤灰块要粉碎，土块最大尺寸15mm，粉煤灰块12mm。配料准确，含水量要略大于最佳值，使混合料运到现场、摊铺后碾压时的含水量能接近于最佳含水量的值。（3）摊铺用沥青混凝土摊铺机将拌和厂运来的级配混合料进行摊铺。（4）碾压碾压是保证二灰土强度形成的必要条件，密实度越高，强度越大。当混合料处于最佳含水量1%时，进行碾压。碾压过程中，二灰土表面要保持湿润，如表面水分蒸发过快，应该及时补洒少量的水。碾压要先轻后重，先慢后快，以达到标准密实度。该路段采用12t以上三轮压路机、重型轮胎压路机和震动压路机在路基全宽范围内进行碾压，碾压68遍即可。直线段，由两侧路肩向路中心碾压；平曲线段，由内侧路肩向外侧路肩进行碾压。（5）养生二灰土强度的形成在有温度和湿度做保障，温度升高时化学反应加速，强度增长快。水分少时反应很难进行，会导至强度低，而未成型前水分过多，混合料就达不到要求的密实度，从而强度降低。要保证二灰土的强度增长，养生期不得少于7d，并需保持适宜的温度和湿度。2）水泥稳定碎石基层的施工（