自然区划-IV区一级公路路面结构设计

公路自然区划Ⅳ区一级公路路面结构设计TheDesignOnTheRoadSurfaceStructureOfAClass-AHighwayInⅣRankNatureDivisionForHighway目录1引言 12新建沥青路面设计及计算 22.1基本资料 22.1.1自然地理条件 22.1.2土基回弹模量 22.1.3交通量及其年增长率和设计年限 22.2.4设计轴载 22.2初拟路面结构 52.3路面材料配合比设计与设计参数的确定 62.3.1试验材料的确定 62.3.2路面材料配合比设计 62.3.3路面材料抗压回弹模量的确定 62.3.4路面材料劈裂强度测定 62.4路面结构层厚度确定 72.4.1方案一的结构层厚度计算 72.4.2方案二的结构层厚度计算 82.4.3方案三的结构厚度验算 92.4.4验算防冻厚度 102.4.5计算机计算过程对比 113新建普通混凝土路面设计及计算 163.1基本资料 163.1.1自然地理条件 163.1.2土基回弹模量 163.1.3交通量及其年增长率和设计年限 163.1.4设计轴载 163.2初拟路面结构 183.3路面材料参数确定 183.4荷载疲劳应力 193.5温度疲劳应力 203.6可靠度系数确定 203.7极限状态方程验算 203.8计算机软件计算结果对比 20致谢 22参考文献 231617公路自然区划IV区一级公路路面结构设计1引言某地（IV区）拟建一级公路，设计年限为15年，土基为粉质土，确定土基的稠度为1.10，回弹模量取36MPa，路基干湿状态为中湿状态。有关资料如下：1.初始条件：在双轮组（或多轮组）货车型号中自行选取，型号不少于7种（如表1），日交通量自拟，保证计算的交通等级属于重交通或特重交通。表1交通组成车型名称前轴重(kN)后轴重(kN)后轴数后轴轮组数后轴距(m交通量(辆/日)北京BJ13013.5527.2012010000成都CD13013.6027.2012010000江淮HF140A18.9041.801205000切贝尔D42028.2054.801204000星牌STAR200037.0076.001204000黄河QD35249.8095.801201000东风EQ15526.5056.702206002．公路技术等级为一级，为双向四车道。3．交通组成如表1（示例）所示，交通量年增长率：前五（十）年：γ=8%；中间五（十）年：γ=7%；后五（十）年：γ=6%。拟采用沥青路面结构和混凝土路面结构两种路面类型进行施工图设计。2新建沥青路面设计及计算2.1基本资料2.1.1自然地理条件新建一级公路地处IV区，为双向四车道，拟采用沥青路面结构进行施工图设计；沿线土质为粉质土，属中湿状态。2.1.2土基回弹模量设计路段路基处于中湿状态，路基土为粉质土，土基的稠度为1.10，根据室内实验法确定土基回弹模量设计值为36MPa。2.1.3交通量及其年增长率和设计年限根据工程可行性研究报告可知该路段所在地区近期交通组成与交通量，见表2-1。预测交通量为6.0%。沥青路面累计标准轴次按15年计。表2-1近期交通组成与交通量车型名称前轴重(kN)后轴重(kN)后轴数后轴轮组数后轴距(m交通量(辆/日)北京BJ13013.5527.2012010000成都CD13013.6027.2012010000江淮HF140A18.9041.801205000切贝尔D42028.2054.801204000星牌STAR200037.0076.001204000黄河QD352-49.8095.801201000东风EQ15526.5056.702206002.2.4设计轴载（1）当以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时，按P379,式14-5计算：N1前=1×6.4×10000×=10.71，N1后=1×1×10000×=34.70N2前=1×6.4×10000×=10.89，N2后=1×1×10000×=34.70；N3前=1×6.4×5000×=22.79，N3后=1×1×5000×=112.48；N4前=1×6.4×4000×=103.94，N4后=1×1×4000×=292.25；N5前=1×6.4×4000×=338.78，N5后=1×1×4000×]=1212.27；N6前=1×6.4×1000×=308.41，N6后=1×1×1000×=829.74；N7前=1×6.4×600×=11.90，N7后=.2.2×1×600×=111.86N=+=3435.42查P379,表14-3，取车道系数η=0.5，按P379,式14-6计算可得：累计当量轴次：Ne1=×365×3435.42×0.5=14593198.67总累计当量轴次：Ne=14593198.67≈1459万当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时，按P378,式14-1计算：N1前=1×18.5×10000×=0.02，N1后=1×1×10000×=0.30；N2前=1×18.5×10000×=0.02，N2后=1×1×10000×=0.30；N3前=1×18.5×5000×=0.15，N3后=1×1×5000×=4.66；N4前=1×18.5×4000×=2.96，N4后=1×1×4000×=32.53；N5前=1×18.5×4000×=25.99，N5后=1×1×4000×=445.21；N6前=1×18.5×1000×=69.99，N6后=1×1×1000×=709.46；N7前=1×18.5×600×=0.27，N7后=3×1×600×=19.23N=+=1310.55查P379,表14-3，取车道系数η=0.5。按P379,式14-6计算可得：累计当量轴次：Ne1=×365×1310.55×0.5=18908771.33总累计当量轴次：Ne==18908771.33≈1891万1.2×10＜1459万/1891万＜2.5×10，属于重交通。累计轴次计算结果见表2-2。表2-2轴载换算与累计轴次型号前轴载(KN)后轴载(KN)后轴数轮组数后轴距(m)交通量(辆/日)北京BJ13013.5527.201双-10000成都CD13013.6027.201双-10000江淮HF140A18.9041.801双-5000切贝尔D42028.2054.801双-4000星牌STAR200037.0076.001双4000黄河QD35249.8095.801双-1000东风EQ15526.5056.702双-600换算方法弯沉以及沥青层拉应力指标半刚性层拉应力指标累计交通轴次1459万1891万计算机软件对比（见图2-1）图2-1计算机软件轴载换算与累计轴次计算轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算序号车型名称前轴重(kN)后轴重(kN)后轴数后轴轮组数后轴距(m)交通量1北京BJ13013.5527.21双轮组100002成都CD13013.627.21双轮组100003江淮HF140A18.941.81双轮组50004切贝尔D42028.254.81双轮组40005星牌STAR200037761双轮组40006黄河QD35249.895.81双轮组10007东风EQ15526.556.72双轮组<3600设计年限15车道系数.45交通量平均年增长率6％一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量Nh=6570,属特重交通等级当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时:路面营运第一年双向日平均当量轴次:3435设计年限内一个车道上的累计当量轴次:1.313227E+07属重交通等级当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时:路面营运第一年双向日平均当量轴次:1311设计年限内一个车道上的累计当量轴次:5012056属中等交通等级路面设计交通等级为特重交通等级公路等级一级公路公路等级系数1面层类型系数1路面结构类型系数1路面设计弯沉值:22.6(0.01mm)层位结构层材料名称劈裂强度(MPa)容许拉应力(MPa)1细粒式沥青混凝土1.2.362中粒式沥青混凝土1.33粗粒式沥青混凝土.8.244水泥稳定砂砾.5.265水泥稳定碎石.6.312.2初拟路面结构根据本地区的路用材料，结合已有工程经验与典型结构，拟定了三个结构组合方案。按计算法确定方案一、方案二的路面厚度；按验算法验算方案三的结构厚度。根据结构层的最小施工厚度、材料、交通量以及施工机具功能等因素，初步确定路面结构组合与各层厚度如下：方案一：4cm细粒式沥青混凝土+6cm中粒式沥青混凝土+7cm粗粒式沥青混凝土+40cm水泥石灰沙砾土+？水泥稳定碎石层，以水泥稳定碎石层为设计层。方案二：4cm细粒式沥青混凝土+7cm中粒式沥青混凝土+18cm密级配沥青碎石+？水泥稳定砂砾+20cm级配砾石垫层，以水泥稳定砂砾为设计层。方案三：4cm细粒式沥青混凝土+7cm中粒式沥青混凝土+2×13cm密级配沥青碎石+32cm级配碎石。2.3路面材料配合比设计与设计参数的确定2.3.1试验材料的确定半刚性基层所用集料取自沿线料场，结合料沥青选用A级90号，上面层采用SBS改性沥青，技术指标据符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—204）相关规定。2.3.2路面材料配合比设计(略)2.3.3路面材料抗压回弹模量的确定（1）根据设计及配合比，选取工程用各种原材料制作，测定设计参数。按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057—94）中规定的项目顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量。（2）按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052—2000）中规定的方法测定沥青混合料的抗压回弹模量，测定20℃、15℃的抗压回弹模量，各种材料的试验结果与设计参数见表2-3和表2-4。2.3.4路面材料劈裂强度测定根据设计配合比，选取工程用各种原材料，测定规定温度和龄期的材料劈裂强度。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》与《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的方法进行测定，结果见表2-5。表2-3沥青材料抗压回弹模量测定与参数取值材料名称20℃抗压回弹模量（MPa）15℃抗压回弹模量（MPa）方差﹣2σ方差﹣2σ+2σσσ细粒式沥青混凝土19112011589268034419923368细粒式沥青混凝土14251051215217518718012549细粒式沥青混凝土9785586813206012001440密级配沥青碎石12481161016171515614032027表2-5路面材料劈裂强度材料名称细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土密级配沥青碎石水泥稳定碎石水泥稳定沙砾水泥石灰沙砾土二灰稳定沙砾劈裂强度（Mpa）1.21.00.80.60.60.50.40.6表2-4半刚性材料及其他材料抗压回弹模量测定与参数取值材料名称抗压模量（MPa）方差﹣2σ+2σσ水泥稳定碎石318878210244752水泥石灰沙砾土15912501091291水泥稳定沙砾261723421483086级配碎石400级配沙砾2502.4路面结构层厚度确定2.4.1方案一的结构层厚度计算该结构为半刚性基层，沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，基层类型系数为1.0，用P390,式14-21计算设计弯沉值可得：=600=600×14593198.67×1.0×1.0×1.0=22.15（0.01mm）故设计弯沉值为22.15（0.01mm）。用P392,式14-22、式14-23a、式14-23b计算容许拉应力可得：细粒式沥青混凝土：====0.35（MPa）中粒式沥青混凝土：====0.29（MPa）粗粒式沥青混凝土：====0.24（MPa）水泥石灰沙砾土：====0.14（MPa）水泥稳定碎石层：====0.21（MPa）计算机计算过程如图2-2所示：利用设计程序计算出满足设计弯沉指标要求的水泥石灰沙砾土层厚度为15cm；满足层底拉应力要求的水泥石灰沙砾土层厚度为15cm。设计厚度取水泥石灰沙砾土层为15cm，路表计算弯沉为14.7（0.01mm）。计算机计算过程见图2-3。各结构层的验算见表2-6。计算机验算过程见图2-4。表2-6结构厚度计算结果新建路面结构厚度计算公路等级:一级公路新建路面的层数:5标准轴载:BZZ-100路面设计弯沉值:22.15(0.01mm)路面设计层层位:4设计层最小厚度:150(mm)层位结构层材料名称厚度20℃平均抗压标准差15℃平均抗压标准差容许应力(mm)模量(MPa)(MPa)模量(MPa)(MPa)(MPa)1细粒式沥青混凝土401400020000.352中粒式沥青混凝土601200016000.293粗粒式沥青混凝土70900012000.244石灰粉煤灰碎石?1500015000.145石灰土25055005500.216新建路基36按设计弯沉值计算设计层厚度:LD=22.15(0.01mm)H(4)=150mmLS=2.2(0.01mm)由于设计层厚度H(4)=Hmin时LS<=LD,故弯沉计算已满足要求.H(4)=150mm(仅考虑弯沉)按容许拉应力计算设计层厚度:H(4)=150mm(第1层底面拉应力计算满足要求)H(4)=150mm(第2层底面拉应力计算满足要求)H(4)=150mm(第3层底面拉应力计算满足要求)H(4)=150mmσ(4)=.147MPaH(4)=200mmσ(4)=.13MPaH(4)=171mm(第4层底面拉应力计算满足要求)H(4)=171mm(第5层底面拉应力计算满足要求)路面设计层厚度:H(4)=150mm(仅考虑弯沉)H(4)=171mm(同时考虑弯沉和拉应力)验算路面防冻厚度:路面最小防冻厚度500mm验算结果表明,路面总厚度满足防冻要求.2.4.2方案二的结构层厚度计算该结构为柔性基层与半刚性基层组合，沥青层较厚。沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，根据工程经验，按内插法确定基层类型系数，为1.45，用P390,式14-21计算设计弯沉值可得：=600=600×14593198.67×1.0×1.0×1.45=32.11（0.01mm）故设计弯沉值为32.11（0.01mm）。用P392,式14-22、式14-23a、式14-23b计算容许拉应力可得：细粒式沥青混凝土：====0.35（MPa）中粒式沥青混凝土：====0.29（MPa）密级配沥青碎石：====0.21（MPa）水泥稳定砂砾：====0.23（MPa）计算机计算过程如图2-5所示。利用设计程序计算出满足设计弯沉指标要求的水泥稳定沙砾层厚度为15cm；满足层底拉应力要求的水泥稳定沙砾层厚度为17.5cm。.设计厚度取水泥稳定沙砾层18cm，路表计算弯沉值为22.6（0.01mm）。计算机计算过程见图2-6。各结构层的验算结果见表2-7。计算机验算过程见图2-7。表2-7结构厚度计算结果序号结构层材料名称20℃抗压模量（MPa）15℃抗压模量（MPa）劈裂强度（MPa）厚度（cm）层底拉应力（MPa）容许拉应力（MPa）均值标准差均值标准差1细粒式沥青混凝土199120126083441.24－0.2350.352中粒式沥青混凝土142510521751871.07－0.050.293密级配沥青碎石124811617151560.6180.0060.214水泥稳定砂砾261723426172340.5180.2250.235级配砂砾2500———20——6土基360——————2.4.3方案三的结构厚度验算该结构为比较方案，其结构层为柔性基层，沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，基层类型系数为1.6，用P390,式14-21计算设计弯沉值可得：=600=600×14593198.67×1.0×1.0×1.6=35.44（0.01mm）故设计弯沉值为35.44（0.01mm）。用P392,式14-22、式14-23a、式14-23b计算容许拉应力可得：细粒式沥青混凝土：====0.35（MPa）中粒式沥青混凝土：====0.29（MPa）密级配沥青碎石：====0.21（MPa）计算机计算过程见图2-8。利用设计程序验算结构是否满足设计弯沉与容许拉应力的要求，验算结果见表2-8。该结构路表计算弯沉为25.90（0.1mm），小于设计弯沉值，符合要求；各结构层的层底拉应力验算结果均满足要求。计算机验算过程见图2-9。表2-8结构厚度计算结果序号结构层材料名称20℃抗压模量（MPa）15℃抗压模量（MPa）劈裂强度（MPa）厚度（cm）层底拉应力（MPa）容许拉应力（MPa）均值标准差均值标准差1细粒式沥青混凝土199120126083441.24－0.2610.352中粒式沥青混凝土142510521751871.07－0.0420.293密级配沥青碎石124811617151560.6260.1760.214级配碎石3500———32——5土基360——————2.4.4验算防冻厚度因所设计路面结构位于公路自然区划Ⅳ区——东南湿热区，气温高，热季长，不会出现冻胀和翻浆现象，故不需进行防冻厚度验算。

2.4.5计算机计算过程对比图2-2方案一计算机软件设计弯沉及容许拉应力计算图2-4方案一计算机软件计算弯沉及层底拉应力计算

图2-3方案一计算机软件设计层厚度计算

图2-5方案二计算机软件设计弯沉及容许拉应力计算图2-7方案二计算机软件计算弯沉及层底拉应力计算

图2-6方案二计算机软件设计层厚度计算

图2-8方案三计算机软件设计弯沉及容许拉应力计算图2-9方案三计算机软件计算弯沉及层底拉应力计算

3新建普通混凝土路面设计及计算3.1基本资料3.1.1自然地理条件新建一级公路地处IV区，为双向四车道，拟采用普通混凝土路面结构进行施工图设计；沿线土质为粉质土，属中湿状态。3.1.2土基回弹模量设计路段路基处于中湿状态，路基土为粉质土，土基的稠度为1.10，根据室内实验法确定土基回弹模量设计值为36MPa。3.1.3交通量及其年增长率和设计年限根据工程可行性研究报告可知该路段所在地区近期交通组成与交通量，见表3-1.预测交通量增长率前十年为8.0%，中十年为7.0%，后十年为6.0%。混凝土路面累计标准轴次按30年计。表3-1近期交通组成与交通量型号前轴载(KN)后轴载(KN)后轴数轮组数后轴距(m)交通量(辆/日)北京BJ13013.5527.201双-10000成都CD13013.6027.201双-10000江淮HF140A18.9041.801双-5000切贝尔D42028.2054.801双-4000星牌STAR200037.0076.001双4000黄河QD35149.8095.801双-1000东风EQ15526.5056.702双-6003.1.4设计轴载（1）按P457,式16-1计算可得：N1前=（2.22×10×13.55）×10000×=9.3×10，N1后=1×10000×=9.0×10；N2前=（2.22×10×13.60）×10000×=9.9×10，N2后=1×10000×=9.0×10；N3前=（2.22×10×18.9）×5000×=8.3×10，N3后=1×5000×=4.3×10N4前=（2.22×10×28.2）×4000×=3.4×10，N4后=1×4000×=3.0×10；N5前=（2.22×10×37.0）×4000×=2.0×10，N5后=1×4000×=5.0×10N6前=（2.22×10×49.8）×1000×=5.9×10，N6后=1×1000×=5.0×10；N7前=（2.22×10×26.5）×600×=1.9×10，N7后=2×[（1.07×10×56.7）×600×]=6.0×10由于公路通行车辆在横断面上分布是不均匀的，根据统计规律，车道数不同，分布概率也不一样，为安全考虑，将分布概率集中的车道作为设计车道。因此，上述调查获得的双向年平均日货车交通量，还应乘以方向系数（通常为0.5）和车道分布系数才能得到设计车道在设计基准期初期的年平均日货车交通量。车道分布系数查P458，表16-2，取0.9。N=0.5×0.9×（+）=0.5×0.9×555.9=250.155查P459,表16-3，取车道系数η=0.2，按P458,式16-4计算可得：累计当量轴次：Ne1=×365×250.155×0.2=1443706.442总累计当量轴次：Ne=1443706.442≈144万

100×10＜144万＜2000×10，属于重交通，累计轴次计算结果见表3-2。表3-2轴载换算与累计轴次型号前轴载(KN)后轴载(KN)后轴数轮组数后轴距(m)交通量(辆/日)北京BJ13013.5527.201双-10000成都CD13013.6027.201双-10000江淮HF140A18.9041.801双-5000切贝尔D42028.2054.801双-4000星牌STAR200037.0076.001双4000黄河QD35149.8095.801双-1000东风EQ15526.5056.702双-600累计交通轴次144万3.2初拟路面结构由P479，表16-20可知，一级公路对应的变异水平等级为低~中级。根据一级公路，重交通等级和低~中级变异水平等级，查P477，表16-17，初拟普通混凝土面层厚度为0.242m。考虑到排水需求，基层选用多孔隙水泥碎石，厚0.12mm。垫层为0.15m天然砂砾。普通混凝土板的尺寸为宽4.5m，长5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。3.3路面材料参数确定按P480，表16-23和P481，表16-25，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。已知路基回弹模量为36Mpa。查P482，表16-27多孔隙水泥碎石基层回弹模量取1500MPa，天然砂砾垫层回弹模量取150MPa。

按P481，式16-53计算基层顶面当量回弹模量如下：E===676.829MpaD=++（）=++（）=0.623MN·mh===0.223（m）a=6.22[1－1.51]=6.22×[1－1.51×]=3.712b=1-1.44=1－1.44×=0.713E===121.893MPa普通混凝土面层的相对刚度半径按P481，式16-52b计算为r=0.537h=0.537×0.25×=0.851m3.4荷载疲劳应力按P481，式16-52a，标准轴载在临界荷位处差生的荷载应力计算为=0.077=0.077×=1.118MPa因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数K=0.90。考虑荷载基准期内荷载应力累计疲