论述路面结构设计步骤

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7.2 路面结构设计
7.2.1 路面结构设计步骤
新建沥青路面按以下步骤进行路面结构设计：
(1) 根据设计任务书和路面等级及面层类型,计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值.
(2) 按路基土类型和干湿状态,将路基划分为几个路段,确定路段回弹模量值.
(3) 根据已有经验和规范推荐的路面结构,拟定几中可能的路面结构组合及厚度方案,根据选用的材料进行配合比实验及测定结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度,确定各结构层材料设计参数.
(4) 根据设计弯沉值计算路面厚度.对二级公路沥青混凝土面层和半刚性基层材料的基层、底基层,应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求.如不满足要求,或调整路面结构层厚度,或变更路面结构层组合,或调整材料配合比,提高材料极限抗拉强度,再重新计算.
7.2.2 路面结构层计算
该路位于中原黄河冲积平原区,地质条件一般为a）第一层：冲积土；b）第二层：粘质土；c）第三层：岩石.平原区二级汽车专用沥青混凝土公路,路面使用年限为12年,年预测平均增长率为6%.
（1）轴载分析
本设计的累计当量轴次的计算以双轮组单轴载100kN为标准轴载,以BZZ-100表示.标准轴载的计算参数按表7-1确定.
表7-1 标准轴载计算参数
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d(cm) 21.30
轮胎接地压力p（MPa） 0.70 两轮中心距（cm) 1.5d
表7-2 起始年交通量表
车型 小汽车 解放CA15 东风EQ140 黄河JN162
数量
（辆/d） 1500 800 600 200
1）以设计弯沉为指标及验算沥青层层底拉应力
① 轴载换算
各级轴载换算采用如下计算公式：
（7-1）
式中：N1—标准轴载的当量轴次,次/日；
ni—被换算车辆的各级轴载作用次数,次/日；
P—标准轴载,kN；
Pi—被换算车辆的各级轴载,kN；
k—被换算车辆类型；
C1—轴数系数,C1=1+1.2（m-1）,m是轴数.当轴间距大于3m时,按单独的一个轴载计算,当轴间距小于3m时,应考虑轴系数；
C2—轮组系数,单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轮组为0.38.
计算结果如下表7-3所示.

表7-3 轴载换算结果表（弯沉）
车 型 Pi
(KN) Ci C2 ni
解放CA15 前轴 20.97 1 1 800 —
后轴 70.38 1 1 800 173.58
东风EQ140 前轴 23.70 1 1 600 —
后轴 69.20 1 1 600 120.95
黄河JN162 后轴 59.50 1 1 200 20.90
后轴 115.00 1 1 200 367.34

682.77
注：轴载小于25kN的轴载作用不计.
② 累计当量轴次为：
（7-2）
式中：Ne—累计当量轴次；
η—车道系数,规范规定二级公路η值为0.60~0.70,取0.60；
t—路面使用年限,二级公路取12年；
—年预测平均增长率,二级路取6%；
N1—标准轴载的当量轴次,次/日.
2）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次
① 轴载换算
验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为：
N1'=∑C1'*C2'*ni(pi/p)8 （7-3）
计算结果如表7-4所示.
表7-4 轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）
车 型 Pi（kN） C1' C2' ni(次/日) C1'*C2'*ni(pi/p)8
(次/日)
解放CA15 后轴 70.38 1 1 800 48.16
东风EQ140 后轴 69.20 1 1 600 31.55
黄河JN162 前轴 59.50 1 18.5 200 3.14
后轴 115.50 1 1 200 611.80
N1'=∑C1'*C2'*ni(pi/p)8 694.65

注：轴载小于50kN的轴载作用不计.
② 累计当量轴次
参数值同上,累计当量轴次Ne'为：

（7-4）
（2）路面结构组合材料选取
经计算路面设计使用年限内一个车道上累计标准轴次为250万次左右,根据规范推荐结构,并考虑到当地材料供用条件,决定面层采用沥青混凝土路面（6cm）,基层采用水泥混凝土稳定基层（水泥碎石15cm）,底基层采用石灰稳定土（厚度待定）.
（3）各层材料的抗压模量与劈裂强度的选定
查邓学均主编的《路基路面工程》表14-13、14-14,得到各层材料的抗压模量和劈裂强度.路面设计弯沉值计算路面结构厚度时,取20℃的抗压模量,中粒式密级配沥青混凝土E1=1400Mpa,验算层底弯拉应力时,取15℃的抗压模量,中粒式沥青混凝土E1=1800 Mpa.水泥稳定碎石E2=1300 Mpa；石灰稳定土E3=600 Mpa.各层材料劈裂强度：中粒式沥青混凝土=1.2 Mpa；水泥稳定碎石=0.5 Mpa；石灰稳定土=0.35 MPa.
（4）土基回弹模量的确定
该路段处于Ⅳ2区,为粘质土,稠度0.9,查邓学均主编的《路基路面工程》表14-9得土基回弹模量E0=23.0Mpa.
（5）设计指标的确定
① 设计弯沉值
（7-5）
式中：—路面设计弯沉值（0.01mm）；
Ac—公路等级系数,二级公路为1.1；
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,Ab =1.0；
所以：=6002522505-0.21.11.01.0=34.61（0.01mm）
② 各层材料容许层底拉应力
（7-6）
式中：—路面结构层材料的容许拉应力,MPa；
—结构层材料的极限抗拉强度,MPa,由实验确定.我国公路沥青路面设计规范采用极限劈裂强度；
—抗拉强度结构系数.
沥青混凝土面层：
=2.10
=1.2/2.10=0.57MPa
水泥稳定碎石：
=1.61
=0.5/1.61=0.31MPa
石灰土：
=2.07
=0.35/2.07=0.17 MPa
式中：Aa—沥青混合料级配系数；细、中粒式沥青混凝土为1.0,粗粒式沥青混凝土为1.1；
Ac—公路等级系数,二级公路取1.1.
（6）设计资料总结
经计算路面设计弯沉值为34.61（0.01mm）,相关设计资料汇总如表7-5.
表7-5 设计资料汇总表
材料名称 h（cm） 20℃抗压摸量（MPa） 容许拉应力（MPa）
沥青混凝土（E1） 6 1400 0.57
水泥稳定碎石（E2） 15 1300 0.31
石灰土（E3） ? 600 0.17
（7）确定石灰土层厚度
① 计算容许弯沉值
cm （7-7）
式中：—容许回弹弯沉值,cm；
Ne—累计当量轴载作用次数；
B—回归系数,取1.1；
β—随N改变的变化率.
② 计算弯沉综合修正系数F
=0.627 （7-8）
式中：F—弯沉综合修正系数；
—路面实测弯沉值,在计算路面厚度时,可用容许弯沉值；
、—标准车型的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径（cm）,
通常 取0.7MPa,取10.65cm；
E0—土基回弹模量.
③ 计算理论弯沉系数
=9.43 （7-9）
用三层体系为计算体系,将四层体系按照弯沉等效的原则换算为三层体系.换算图式如图7-1所示.


图7-1 多层体系换算示意图
由已知参数求得：
；；；
查邓学均主编的《路基路面工程》P360页图14-14三层体系表面弯沉系数诺谟图,可得=5.80,K1=1.87.
由公式 （7-10）
得： =0.87
由K2=0.87,查诺谟图得：
则 H=3.3×10.65==35.15cm；
④ 计算石灰土底基层厚度h3
根据公式 27.80 cm （7-11）
取最小厚度h3=28.0 cm.
由于本路段属于Ⅳ2区,常年无冻土出现,因此不必进行防冻验算.
（8）各层底弯拉应力的验算
先把四层体系换算成当量三层体系,此时第一层用15℃抗压模量,其余各层抗压模量不变,换算成当量层三层体系如图7-2所示.

图7-2 体系换算示意图
① 确定允许弯拉应力
查表知沥青混凝土和石灰土的抗弯拉强度分别为：
MPa,MPa；
沥青混凝土和石灰土的抗拉强度结构系数分别为：
(7-12)
(7-13)
其容许弯拉应力分别为：
MPa (7-14)
MPa (7-15)
② 验算弯拉应力
沥青混凝土层和水泥稳定碎石的计算回弹模量分为E1=1800MPa,E2=1300MPa,石灰土为E3=600 MPa.
a）结构上层等效换算：cm
换算公式为：
cm (7-16)
又 ,=0.72,换算后的三层体系其上层及中
下层间均是连续接触,查诺谟图知为负值,故为负值.
(7-17)
(7-18)
即面层设计满足要求.
b）验算石灰土层的弯拉应力
= 21.5cm (7-19)
由,=2.63,查诺谟图可得；
又,查诺谟图可得=1.04；以及,查诺谟图可得.
MPa (7-20)
可见,设计满足要求.故h3=28cm也满足要求.
综上所述,路面结构各层厚度分别取h1=6cm,h2=15cm,h3=28cm.经过上述的设计,计算及验算,最终拟定路面结构图如图7-3所示.
图7-3 路面结构示意图