4 路面结构设计

中国矿业大学2008届本科毕业设计（论文）第1页4路面结构设计4.1路面类型及结构层组合路面设计应根据使用要求及气候、水文、土质等自然条件，密切结合当地实践经验。)在满足交通量和使用要求的前提下，应遵循因地制宜、合理取材、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，选择技术较先进、经济合理、安全可靠、有利于机械化的路面结构方案。4.1.1路面类型的确定目前，我国等级较高的公路一般采用沥青混凝土路面或水泥混凝土路面，两种路面类型各有优缺点，比较见表4.1表4.1路面类型比较表比较项目沥青混凝土路面水泥混凝土类型柔性刚性接缝无有噪音小大机械化施工容易较困难施工速度快慢稳定性易老化水稳、热稳均较好养护维修方便困难开放交通快慢晴天反光情况无稍大强度高很高行车舒适性好较好由交通量的计算知本道路为中等交通，则路面要选择高等级路面。通过对两种不同类型路面的比较，另外结合当地材料来源及路面设计原则等各方面综合考虑，选用沥青混凝土路面类型。4.1.2标准轴载及轴载换算设计采用现行路面设计规范中规定的标准轴载BZZ-100KN，p=0.7MPa,δ=10.65cm，设计使用年限为15年。1)当以设计弯沉值为指标以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，中国矿业大学2008届本科毕业设计（论文）第2页按式(6-1)换算成标准轴载P的当量作用次数N：4.351,2,1KiiiiiPNCCnP(4-1)式中：N——标准轴载的当量轴次，次/d；ni——被换算车型的各级轴载作用次数，次/d；P——标准轴载，kN；Pi——被换算车型各级（单根）轴载，kN；C1i——被换算车型各级轴载的轴数系数。当轴间距大于3m时，按单独的一个轴计算，轴数系数即为轴数m；当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数为C1i=1+1.2(m-1)；C2i——被换算轴载的轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1.0，四轮组为0.38。2)当进行半刚性基层层底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）Pi的作用次数ni，按式4-2换算成标准轴载P的当量作用次数N：8''1,2,1KiiiiiPNCCnP(4-2)式中：'1,iC——被换算车型各级轴载的轴数系数。当轴间距大于3m时，按单独的一个轴计算，轴数系数即为轴数m；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数为'1,12(1)iCm；'2,iC——被换算轴载的轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09。上述轴载换算公式仅适用于单轴轴载小于130kN的轴载换算。各种汽车当量轴次计算见表4.2：表4.2（a）交通量计算表车型Pi(kN)C1,iC2,iC1,iC2,i(Pi/P)4.35ni次/日nbi次/日黄河JN150后轴101.6111.07112001285.2前轴49.016.40.2871200344.1太脱拉138后轴80.02.210.758450341.1中国矿业大学2008届本科毕业设计（论文）第3页前轴51.416.40.354450159.3解放A10B后轴60.8516.40.11575086.25前轴19.40110.0057503.75跃进NJ130后轴38.30110.00810008N=nbi=2228次/日表4.2（b）交通量计算表车型Pi(kN)C1,iC2,iC1,iC2,i(Pi/P)4.35ni次/日nbi次/日黄河JN150后轴101.6111.13512001362前轴49.0118.50.061120073.2太脱拉138后轴80.0110.503450226.35前轴51.4310.09045040.5解放A10B后轴60.85110.01975014.1跃进NJ130后轴----10000N=nbi=1717次/日注：当计算弯沉和沥青混凝土层底拉应力时，轴载换算系数=C1C2(Pi/P)4..35；当计算半刚性基层层底拉应力时，轴载换算系数8''12iCCPP；总（车辆）换算系数＝后轴换算系数＋前轴换算系数；当量轴次＝交通量×总换算系数。在设计年限内，一个车道上的累计当量轴次eN参照式(4-3)进行计算：111365teNN(4-3)式中：Ne——设计年限内一个车道上的累计当量轴次，次；t——设计年限，取15年；N1——路面竣工后第一年的平均日当量轴次，次/d；Nt——设计年限最后一年的平均日当量轴次，次/d；——设计年限内交通量的平均年增长率，为6%；——车道系数，取0.5。所以15616%136522280.59.4642106%eN（次）中国矿业大学2008届本科毕业设计（论文）第4页15'616%136517170.57.2936106%eN（次）6310eN、'eN71.210为中等交通。4.1.3路面结构层组合沥青路面交通等级为中等交通，根据规范推荐结构，并考虑到商州地区的实际情况，即有大量粉煤灰、石灰、水泥、碎石供应。对于填方路基土基稳定性不好，则充分利用当地的资源，采用碎石处理，拟定结构层组合方案。表4.3填方路基路面结构层组合方案表材料名称厚度AC-164cmAC-258cm水泥粉煤灰碎石?二灰土20cm碎石处理土基对于全挖方路基，路面下直接是岩石，根据工程实例，则不需设置底基层，拟定结构层组合方案。表4.4挖方路基路面结构层组合方案材料名称厚度AC-164cmAC-258cm水泥粉煤灰碎石?石基4.2路面结构层组成设计4.2.1基层组成设计基层、底基层应具有足够的强度和稳定性，在冰冻地区应具有一定的抗冻性。拟选用水泥粉煤灰碎石为基层，厚度根据计算得到。底基层为16cm厚二灰土。1)材料要求水泥为普通硅酸盐水泥。粉煤灰含量为17%。碎石最大粒径不大于37.5mm，并应达到一定的级配规定。中等交通水泥粉煤灰碎石结构压实度及中国矿业大学2008届本科毕业设计（论文）第5页7d无侧限抗压强度见表4.5表4.5水泥粉煤灰碎石结构压实度及7d无侧限抗压强度层位类别压实度（%）抗压强度（MPa）基层集料≥981.5~3.5底基层集料≥97≥1.02)配合比《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2006建议水泥粉煤灰碎石配合比位8：17：80。抗压模量E=1300～1700MPa（弯沉计算）、E=2400～3000MPa（拉应力计算用）,劈裂强度σ=0.4～0.55MPa。4.2.2面层组成设计一级公路路面沥青混凝土面层应具有良好的抗滑耐磨、高温稳定性好、抗裂强等性能。各层沥青混合料应满足所在层位的功能要求，便于施工，不容易离析。各层应连续施工并连结成为一个整体。1)材料要求（1）沥青根据面层的类型、交通量、气候、施工方法选择石油沥青（AH-70），锥入度，AH-70；延度100cm；软化度=44~45°C；含蜡量3%；密度1。（2）矿料矿料包括碎石、砾石、石屑、砂和矿粉。它是沥青面层的骨架，承受行车荷载和车轮的磨耗主要靠矿料。碎石：有足够的强度和耐磨行，压碎值≤25%~28%；含泥量1%，含水量3%；粘结力≥4级。砂和石屑：砂（粒径2.36mm），石屑（粒径4.75mm），砂和石屑要求级配，含泥量3%~5%。矿粉（填料，粒径0.075mm）：由石灰石、白云石磨细的石粉。要求粒径0.075mm成分占70%、含水量1%。2)配合比设计通过马歇尔试验、浸水马歇尔试验，车辙试验进行配合比设计。3)强度指标沥青混合料的车辙试验的动稳定度不低于800次/mm；水稳定性指标：浸水马歇尔试验残留稳定度不小于80%，冻融劈裂试验残留强度不小于75%；在温度－10℃、加载速率50mm/min条件下，低温弯曲试验破坏应变不小于2000με；渗水系数不大于120ml/min。4.3填方路基路面结构层厚度确定中国矿业大学2008届本科毕业设计（论文）第6页路线经过地区属Ⅲ4区，土质为粉性土，由于本路基设计为不利季节处于干燥状态，由规范知临界高度H1应2.4～3.0m之间。本路段地下水位较低，设计标高较高，路基处于干燥状态。根据《公路沥青路面设计规范》中附表F.0.1、F.0.2可知ω≥1.20。根据《公路沥青路面设计规范》中附表和F.0.3，知土基回弹模量在≥74MPa，选定74MPa作为土基回弹模量。对于填方和半填半挖路基，在半填半挖路段，挖方处进行多挖40cm，进行碎石处理，使整个路基顶层抗压模量相同。抗压模量为200~350MPa，取300MPa。填方路段：K0+000.00~K0+40.00，K0+280.00~K0+720.00，K0+820.00~K0+910.00，K1+60.00~K1+400.00。半填半挖路段：K0+40.00`K0+280.00，K0+990.00~K1+60.00，K1+400.00~480.00。在设计年限内，一个车道上的累计当量轴次69.464210eN次。拟定路面结构方案，确定路面材料回弹模量和极限抗弯拉强度见表4.6表4.6路面结构及参数表层次材料名称层厚（cm）抗压回弹模量（MPa）劈裂强度（MPa）15C20C1AC-164180012001.02AC-258120010000.83水泥粉煤灰碎石？270015000.54二灰土2024008000.255土基—300路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标，计算路面结构厚度。并对沥青混凝土面层和半刚性基层进行层底拉应力的验算。4.3.1确定路面设计弯沉值ld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。其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6.4计算确定：0.2600decsblNAAA(4.4)式中：dl——路面设计弯沉值,0.01mm；中国矿业大学2008届本科毕业设计（论文）第7页eN——设计年限内一个车道上累计当量轴次；cA——公路等级系数,一级公路为1.0；sA——面层类型系数,沥青混凝土面层为1.0；bA——基层类型系数,对半刚性基层、底基层总厚度等于或大于20cm时为1.0。所以60.26009.4642101.01.01.024.151dl（）mm（0.01）4.3.2计算容许弯拉应力1）中粒式沥青混凝土（AC-16）抗拉强度结构系数0.220.09/saecKANA(4.5)式中：aA——沥青混合料级配的系数；细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1；结构层材料的容许拉应力spRsK(4.6)式中：R——路面结构层材料的容许拉应力；sp——结构层材料的极限抗拉强度，由试验确定，我国公路沥青路面设计规范采用极限劈裂强度；sK——抗拉强度结构系数。所以60.220.091.09.464210/1.03.083sK（）1.00.323.083spRsK()MPa2)粗粒式沥青混凝土（AC-25）中国矿业大学2008届本科毕业设计（论文）第8页1.1aA，同理知60.220.091.19.464210/1.03.391sK（）0.80.243.391spRsK()MPa3）水泥粉煤灰碎石抗拉强度结构系数0.110.35/secKNA(4.7)则60.110.359.464210/1.02.049sK（）0.50.2442.049spRsK()MPa4）二灰土抗拉强度结构系数0.110.45/secKNA(4.7)则60.110.459.464210/1.02.634sK（）0.250.0952.634spRsK()MPa4.3.3按容许弯沉计算路面厚度1）计算综合修正系数0.360.3801.632000slEFp(4.9)式中：