第三部分公路路面结构设计

第三章公路路面结构设计-28-第三章公路路面结构设计3.1刚性路面结构设计3.1.1水泥混凝土路面结构设计根据《公路水泥混凝土路面设计规范》JTGD40—2002，及课本《路基路面工程》计算轴载分析。3.1.1.1轴载分析(1)标准轴载与轴载换算路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载表3-1轴载换算表车型iPiiN（次/日）N(次/日)解放CA10B后期60.8514000.1413黄河JN150前轴49.0011000.0011后轴101.601100128.91斯柯达706R前轴50.001600.0014后轴90.0016016.68依士兹TD50前轴42.201200.0001后轴90.001209.2651长征XD980后轴55.101500.0058小汽车400161)100(niiiisPNN142.0274注：小于40kN的单轴载和80kN双轴不计iP-----单（双）轴重；i-----轴载系数单轴时1i双轴时50.221.0710iiP第三章公路路面结构设计-29-设计车道轴载为Ns=142.02740.8=113.62次/日按照设计交通分级，可知该交通等级为轻交通，设计使用年限10年。(2)累计作用次数根据设计规范，其可靠度设计标准的安全等级查《路基路面工程》表5-18为三级，四级公路混凝土路面设计年限取10年，车轮轮迹横向分布系数取0.55，年平均交通增长率为6.0%.累计作用次数：1011365113.6210.0613650.80.06437299.8tseNN次3.1.1.2初拟板尺寸相应于安全等级为三级的变异水平为中级，据四级公路、中等交通和中级变异水平。初拟普通混凝土面层厚度为0.20m。基层选用6%水泥稳定粒料，厚0.15m，垫层为0.15米的低剂量无机结合料稳定土，普通混凝土板的平面尺寸为宽3m，长4m。3.1.1.3路面材料参数确定按《路基路面工程》表16-23和表16-25，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为4.5MPa，相应弯拉弹性模量标准值为29GPa。查《路基路面工程》表16-14，路基回弹模量取30MPa，查表16-27低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量600MPa，水泥稳定粒料回弹模量取1300MPa。按《路基路面工程》式16-51计算基层顶面当量回弹模量如下：第三章公路路面结构设计-30-2222112222221213000.156000.159500.150.15XhEhEEMPahh33211122121122()11()1.92.12124hEEhhhDxkNmEhEh312/0.289xxxhDEma=0.456.22[11.51()]4.236XOEE0.5511.44()0.785XOEbE1/30()151.7bXtxOEEahEMPaE普通混凝土面层的相对刚度半径按《路基路面工程》式16-52b为：330.537/0.5370.229000/151.70.619CtrhEEm3.1.1.4.荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算按《路基路面工程》式16-52a为：0.620.620.0770.0770.6170.21.443psrhMPa因纵缝为不设拉杆自由边界，接缝传荷能力的应力折减系数rk=1.0.考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳应力系数50.057(4.37299810)2.097vfekN根据公路等级，由《路基路面工程》表16-24，考虑偏载和动载等因素对路第三章公路路面结构设计-31-面疲劳损坏影响的综合系数1.10ck。荷载的疲劳应力按下式计算：1.02.09671.11.4433.3269prpsKrKfKcMPa3.1.1.5温度应力由《路基路面工程》表16-28，区最大温度梯度取88co。板长4m。l/r=4/0.88=4.55,由图16-14查普通混凝土板厚h=0.2m时，Bx=0.65.最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力按式16-56为：5110290000.2880.6522ccgtmxaEhTB=1.66MPa温度疲劳应力系数tk,按下式计算，查《路基路面工程》表16—29可得，自然区划为Ⅱ区，式中a=0.828,b=0.041,c=1.323.tk为1.32351.66[()][0.828()0.041]1.665ctmrttmrfkabf=0.456温度疲劳应力为：0.4561.66trttmk=0.757MPa查《路基路面工程》表16-20，目标可靠度为80%，根据目标可靠度和变异水平等级，查表16-22，确定可靠系数rr1.04()1.04(3.32690.757)rprtrr=4.25MPa4.5rfMPa因而，所选普通混凝土面层厚度为0.2m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。第三章公路路面结构设计-32-路面结构图详见附录图纸。3.2半刚性路面结构设计3.2.1沥青路面结构设计3.2.1.1交通量分析(1)根据《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2006,及课本《路基路面工程》，对预测交通量组成及年平均日交通量进行计算。对于设计弯沉为指标及验算沥青层层底拉应力时，凡轴载大于25kN的各级轴载（包括车辆的前后轴）Pi的作用次数Ni，均采用下式进行换算成标准轴载为P的当量作用次数N。35.4211PPnCCNiiki轴载分析路面设计以双轮单轴载100kN为标准轴载。a.当以设计弯沉为指标验算表3-2轴载换算结果汇总表（以弯沉为标准时）车型iP1C2Cin（次/日）N(次/日)解放CA10B后期60.851140046.09黄河JN150前轴49.0016.410028.74后轴101.6011100107.15斯柯达706R前轴50.0016.46028.25后轴90.00116056.91依士兹TD50前轴42.2016.4207.5后轴90.00112018.94长征XD980前轴37.116.4506.00后轴72.652.215038.36小汽车40035.41211)(niiiPPnCCN257.24第三章公路路面结构设计-33-设计车道轴载为N1=257.240.65=167.2次/日四级公路沥青路面设计年限6年，两车道的车道系数为0.6-0.7，取0.65，则设计使用期累计当量轴次为：611136510.061365167.20.65276698/0.06terNN次日b验算半刚性基层层底拉应力时计算结果如下表所示：表3-3轴载换算结果汇总表（半刚性基层层底拉应力验算）车型iP11C21Cin（次/日）N(次/日)解放CA10B后期60.85112003.76黄河JN150前轴49.00118.51006.15后轴101.6011100113.54斯柯达706R前轴50.00118.5603.61后轴90.00116021.52依士兹TD50前轴42.20118.5200.37后轴90.0011208.61长征XD980前轴37.1118.5500.332后轴72.65315011.64小汽车40081121111)(niiiPPnCCN172．896设计车道轴载为N1=172.8960.65=112.3824次/日则用于半刚性基层层底拉应力验算的累计当量轴次为：6111136510.061365112.38240.65185981/0.06terNN次日3.2.1.2路面结构设计经计算，路面设计使用年限内一个车道上累计标准轴次为小于300410次，第三章公路路面结构设计-34-根据《公沥设规》知，面层宜选用沥青混凝土，又因为路面所承受轻通量重，因此采用单层式结构，即表面层采用4cm厚细粒式密级配沥青混凝土。基层和底基层分别采用刚性较高，水稳定性较好的15cm厚6%水泥稳定风化料层和15cm厚的5%水泥稳定风化料层。3.2.1.3土基回弹模量的确定该路处于Ⅱ5区，且路基处于干燥状态，由表14-9，14-10得，w=1.05，表14-11得土基回弹模量Eo=46.5MPa。3.2.1.4确定各层材料的抗压模量与劈裂强度查表14-15和表14-16，按设计弯沉计算厚度时采用200C抗压模量，细粒式沥青混凝土1400MPa，验算面层底弯拉应力时采用150C抗压模量，细粒式沥青混凝土2000MPa，6%水泥稳定风化料层1300MPa，5%水泥稳定风化料层1200MPa。各层材料劈裂强度：细粒式沥青混凝土1.4MPa，6%水泥稳定风化料层0.5MPa，5%水泥稳定风化料层0.45MPa.3.2.1.5设计指标的确定a弯沉设计设计弯沉按式14-21计算，四级公路，取Ac=1.2，面层为沥青混凝土，取As=1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，取BA=1.0设计弯沉：0.240.2600600(12310)1.21143.562(0.01)deCSBLNAAAmmB各验算层材料容许拉应力sspRk/细粒式密级配沥青混凝土：第三章公路路面结构设计-35-CeasANAk/09.022.0=0.0910.221897471/1.2=1.80SSPRK/=1.4/1.8=0.78MPa6%水泥稳定风化料：0.110.35/1.43seCkNASSPRK/=0.5/1.43=0.35MPa5%水泥稳定风化料：0.110.35/1.43seCkNASSPRK/=0.45/1.43=0.31MPa3.2.1.6设计参数汇总经计算，路面设计弯沉值为36.468（0.01mm），路面各设计计算参数如下表所示：表3-4设计参数汇总表材料名称厚度（cm）20C0抗压模量（MPa）150C抗压模量（MPa）容许拉应力（MPa）细粒式沥青混凝土4140020000.786%水泥稳定风化料15130035000.355%水泥稳定风化料15120032000.31土基343.2.1.7计算路面结构表面弯沉值sl以及结构层层底弯拉应力m采用计算机辅助验算第三章公路路面结构设计-36-121000scPlFEmmp均小于容许应力，因此路面厚度满足要求。表3-5路面工程汇总表指标名称结构层厚度水泥混凝土路面结构普通混凝土面层20cm6%水泥稳定粒料15cm低剂量无机结合料稳定土15cm沥青混凝土路面路面宽细粒式沥青混凝土4cm6%水泥稳定风化料15cm5%水泥稳定风化料15cm