沥青路面设计

1、8路面设计沥青路面设计包括原材料的调查与选择、沥青混合料配合比以及基层材料配合比设计、各项设计参数的测试与选定、路面结构组合设计、路面结构层厚度验算以及路面结构方案的比选等。8.1 沥青混凝土路面概述（1）路面结构设计的原则 路面结构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，将路面作为一个整体考虑，进行综合设计。 在满足交通量和使用要求的前提下，应遵循“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的技术经济比较，选择技术先进，经济合理，安全可靠的方案。 应结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果，积极、慎重地运用行之有效的新材料、新工艺、新技

2、术。 路面设计方案应充分考虑沿线环境保护、自然生态的平衡，有利于施工、养护工作人员的健康与安全。 为确保工程质量，应尽可能选择有利于机械化、工厂化施工的设计方案。（2）沥青路面结构设计理论与方法 世界各国的沥青路面结构设计方法，可分为经验法和力学经验法两大类。经验法主要通过对实验路或使用道路的实验观测，建立路面结构（结构层组合、厚度和材料性质）、车辆荷载（轴载大小和作用次数）和路面使用性能三者之间的关系，如美国的加州承载比（CBR）法和美国各州公路和运输工作协会（AASHTO）法。力学经验法应用于力学原理分析路面结构在荷载与环境作用下的力学响应量（应力、应变、位移），建立力学响应量与路面使用性

3、能之间的关系模型，路面设计按使用要求，运用关系模型完成结构设计。我国现行的沥青路面设计方法、美国的沥青学会（AI）法和壳牌（Shell）法均为力学经验法。 我国现行的公路沥青路面设计规范（JTG D502011）采用弹性层状体系作力学分析基础理论，以双圆垂直均布荷载作用下的路面整体沉降（弯沉）和结构层的层底拉应力作为设计指标，以疲劳效应为基础，处理轴载标准化转换与轴载多次重复作用效应。8.2沥青路面的设计计算（1）设计交通资料（见下表8.1）： 表8.1 路面设计交通资料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交通量（辆/昼夜）1小客车11.8281双轮组16172中客车

4、 SH13025.5555.11双轮组8503大客车CA5028.768.21双轮组1334小货车BJ13013.5527.21双轮组18175中货车CAD5024.568.61双轮组6926中货车EQ14023.769.21双轮组1027大货车JN15049101.61双轮组245注：设计年限为12年 车道系数为=0.7 交通量年平均增长值r=8.0。轴载分析：路面设计以BZZ100作为标准轴载，以设计弯沉值为指标验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次。 轴载换算轴载换算公式： 式中：以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载的当量轴次（次/日）； 被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）

5、； 标准轴载（kN）； 被换算车型的各级轴载（kN）； 被换算车型的轴载系数； 被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0.38； 被换算车型的轴载级别。当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下列公式计算： 式中：轴数轴载换算结果如下表8.2所示：表8.2 轴载换算结果序号车型 1小客车前轴11.816.416171后轴2811161772中客车SH130前轴25.5516.485015后轴55.111850643大客车CA50前轴28.716.41334后轴68.211133264小货车BJ130前轴13.5516.418

6、172后轴27.211181775中货车CAD50前轴24.516.469210后轴68.6116921356中货车EQ140前轴23.716.41022后轴69.211102217大货车JN150前轴4916.424571后轴101.611245263后轴1003179237628 累计当量轴次计算路面竣工后第一年日平均当量轴次：= 628设计年限内一个车道上累计当量轴次：查表可得交通等级为中等交通。方案一：路面各层结构及其力学参数（见下表8.3）表8.3 路面结构力学参数层位结构层材料名称厚度（cm）抗压模量（M Pa）20劈裂强度（M Pa）1细粒式沥青混凝土614001.22粗粒式沥青

7、混凝土810000.83水泥稳定碎石2515000.64天然砂砾待定200 土基回弹模量确定：该路段处于5区，为亚砂土和亚粘土，干湿状态为中湿状态，稠度为1.0，查得土基回弹模量为32.5。 设计指标确定：本二级公路的设计，以设计弯沉值作为设计标准，并进行层底拉应力计算。 按弯沉指标要求计算天然砂砾层厚度本公路为二级公路，根据规范，公路等级系数，面层为沥青混凝土面层，基层为半刚性基层，基层类型系数。 土基 土基 （2）设计弯沉值： 由和查诺谟图得，由和查诺莫图得。 令则弯沉综合修正系数： 联立上面两式得：由、和查诺谟图得则可反算出：代入当量厚度换算公式得， 解得，取（3）各层材料的容许层底拉应

8、力： 细粒式密级配沥青混凝土 粗粒式密级配沥青混凝土 水泥稳定碎石 设计资料总结：设计弯沉值为33.33（0.01mm），相关资料汇总如下表8.4： 表8.4 设计资料汇总表材料名称H(cm)20抗压模量15容许拉应力（） 细粒式沥青混凝土614000.550粗粒式沥青混凝土810000.458水泥稳定碎石2515000.365天然砂砾18200土基32.5（4）弯拉应力的验算由于水泥稳定碎石下层有天然砂砾，故天然砂砾作为中层，以上作为上层。 细粒式沥青混凝土： 查诺谟图发现为压应力，故应力验算通过。 粗粒式沥青混凝土查诺谟图得： 则：故应力验算通过。 水泥稳定类碎石 查诺谟图得： 则： 故应

9、力验算通过。 天然砂砾 查诺谟图得： 则： 符合设计要求。方案二：（1） 设计资料（见表8.1和表8.2）路面各层结构及其力学参数（见下表8.5）表8.5 路面结构力学参数层位结构层材料名称厚度（cm）抗压模量（M Pa）20劈裂强度（M Pa）1细粒式沥青混凝土614001.22粗粒式沥青混凝土810000.83碎石灰土259000.354级配碎石待定200 土基回弹模量确定：该路段处于5区，为亚砂土和亚粘土，稠度为1.0，查得土基回弹模量为32.5. 设计指标确定：本二级公路的设计，以设计弯沉值作为设计标准，并进行层底拉应力计算。 按弯沉指标要求计算天然砂砾层厚度本公路为二级公路，根据规范

10、，公路等级系数，面层为沥青混凝土面层，基层为半刚性基层，基层类型系数 土基 土基 （2）设计弯沉值： 由和查诺谟图得，由和查诺莫图得。 令则弯沉综合修正系数： 联立上面两式得：由、和查诺谟图得则可反算出：代入当量厚度换算公式得， 解得，取（3）各层材料的容许层底拉应力。用方案一求解方法可得各层材料容许拉应力要素如下表8.6：8.6各层材料及容许拉应力要素表材料名称H(cm)20抗压模量15容许拉应力（） 细粒式沥青混凝土614000.550粗粒式沥青混凝土810000.458碎石灰土259000.213级配碎石18200土基32.5（4）弯拉应力的验算由于水泥稳定碎石下层有天然砂砾，故天然砂砾

11、作为中层，以上作为上层。 细粒式沥青混凝土： 查诺谟图发现为压应力，故应力验算通过。 粗粒式沥青混凝土 查诺谟图发现为压应力，故应力验算通过。 碎石灰土 查诺谟图得： 则： 故应力验算通过。 级配碎石 查诺谟图得： 则： 符合设计要求 。方案比选（见下表8.7）：表8.7方案比选表比较要素方案一方案二材料性能水泥稳定碎石抗压强度和劈裂强度相对较大。碎石灰土抗压强度和劈裂强度相对较小。经济性水泥稳定碎石和天然砂砾成本较低，且材料易取得。碎石灰土和级配碎石成本较高。施工工艺施工简单，方便。需注意水对材料的影响安全系数各层基底拉应力安全系数较高。第二层基底拉应力安全系数偏低。综合比较后，认为方案一的

12、设计更为合理，故采用方案一作为沥青路面设计方案。8 路面设计路面是用各种材料混合料铺筑在路基上供车辆行驶的层状结构物。路面按面层的使用品质，材料组成类型以及结构强度和稳定性，路面可分为四个等级，即高级路面，次高级路面，中级路面和低级路面。从力学性能来分路面可分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面三类。本二级公路可选的路面结构主要是沥青混凝土路面和水泥混凝土路面，下面将主要计算这两种路面。8.1 沥青混凝土路面沥青路面是用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构，是在柔性基层、半刚性基层上铺筑一定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。沥青路面设计的任务是根据使用要求及气候、水文、

13、土质等自然条件，密切结合当地实践经验，设计确定经济合理的路面结构，使之能承受交通荷载和环境因素的作用，在预定的使用期限满足各级公路相应的承载能力、耐久性、舒适性、安全性的要求。路面设计包括原材料的选择、混合料配合比设计和设计参数的测试与确定、路面结构层组合与厚度计算，以及路面结构的方案比选等内容。路面设计除行车道部分的路面外，对高速公路、一级公路还应包括路缘带、硬路肩、加减速车道、紧急停车带、收费站和服务区的场面设计及路面排水系统的设计，对其他各级公路应包括路肩加固、路缘石和路面排水设计。8.2 沥青路面的计算设计608.2.1 交通量的确定作为路面设计的重要参照，交通量组成是设计的咽喉，有关

14、交通量资料如下表8.1所示：表8.1 路面设计交通资料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交通量（辆/昼夜）1小客车11.8281双轮组15002中客车 SH13025.5555.11双轮组24003大客车CA5028.768.21双轮组1804小货车BJ13013.5527.21双轮组15005解放CAD5024.568.61双轮组7006东风EQ14023.769.21双轮组2007黄河JN15049.0101.61双轮组2008特大车日野KB22250.2104.31双轮组1609拖挂车五十铃603001双轮组40注：设计年限为12年 车道系数为=0.7 交通量

15、年平均增长值r=8.0。轴载分析：路面设计以BZZ100作为标准轴载，以设计弯沉值为指标验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次。 轴载换算轴载换算公式： 式中：以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载的当量轴次（次/日）； 被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）； 标准轴载（kN）； 被换算车型的各级轴载（kN）； 被换算车型的轴载系数； 被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0.38； 被换算车型的轴载级别。当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下列公式计算： 式中：轴数轴载换算结果如下表8.2所示：表8.2 轴载

16、换算结果序号车型1小客车前轴11.816.416171后轴2811161772中客车SH130前轴25.5516.485015后轴55.111850643大客车CA50前轴28.716.41334后轴68.211133264小货车BJ130前轴13.5516.418172后轴27.211181775解放CAD50前轴24.516.469210后轴68.6116921356东风EQ140前轴23.716.41022后轴69.211102217黄河JN150前轴4916.424571后轴101.6112452638特大车日野KB222前轴4916.424571后轴101.6112452639拖挂车

17、五十铃前轴4916.424571后轴101.611245263628 累计当量轴次计算路面竣工后第一年日平均当量轴次：= 628设计年限内一个车道上累计当量轴次：查表可得交通等级为中等交通。8.2.3 结构组合与材料选取由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为85万次左右，根据规范推荐结构，根据规范推荐结构，路面结构面层采用沥青混凝土（15cm）、基层采用水泥稳定碎石（厚度待定）、底基层采用石灰土24cm。8.2.4 各层材料的抗压模量与劈裂强度的确定查有关资料的表格得各层材料抗压模量（20）与劈裂强度，如下表3.4所示：表3.4 各层材料抗压模量与劈裂强度表材料名称 H(mm

18、)20抗压模量 劈裂强度细粒式密级配沥青混凝土41400MPa1.4MPa中粒式密级配沥青混凝土51200MPa1.0MPa粗粒式密级配沥青混凝土61000MPa0.8MPa水泥稳定碎石 待定1500MPa0.5MPa石灰土碎石 24500MPa0.225MPa3.2.5 土基回弹模量的确定查得土基回弹模量为80MPa。3.2.6 设计指标的确定对于二级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标。设计弯沉值的计算公式为：其中，设计年限内的一个车道累计当量轴次；公路等级系数，三、四级公路为1.2； 面层类型系数，沥青混凝土面层取值为1.0； 路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0。 代入数据，

19、 3.2.7 设计资料总结设计弯沉值为40.96（0.01mm）相关资料汇总如下表3.5：表3.5 各层资料数据表材料名称 H/cm20抗压模量 容许拉应力细粒式密级配沥青混凝土4 1400MPa0.855MPa中粒式密级配沥青混凝土5 1200MPa0.611MPa粗粒式密级配沥青混凝土6 1000MPa0.489MPa水泥稳定碎石 待定 1500MPa0.370MPa石灰土 24 500MPa0.128MPa土基 32.5MPa3.2.8 确定水泥稳定碎石层厚度（换算成三层体系） 令弯沉值等于设计弯沉值：弯沉综合修正系数F按下式计算：其中：设计弯沉值； ，标准车型的轮胎接地压强和当量圆半径

20、，取值为别为0.7MPa和10.65cm。理论弯沉系数用以下公式计算：细粒式密集配沥青混凝土厚度细粒式密集配沥青混凝土20抗压模中粒式密集配沥青混凝土20抗压模量 查诺模图得 查表得 查表得：根据公式：其中，石灰土厚度，代入数据有由公式可以算得，则取值。综上所述，该拟定方案可行，即路面结构面层采用沥青混凝土（15cm）、基层采用水泥稳定碎石（17cm）、底基层采用石灰土(24cm)。3.3 水泥混凝土路面水泥混凝土路面是指以水泥混凝土板做面层（配筋或不配筋）的路面，亦称刚性路面，俗称白色路面，它是一种高级路面。它是以混凝土路面板和基、垫层所组成的路面结构。根据对材料的要求及组成分为：普通混凝土

21、路面（素混凝土路面 ）钢筋混凝土路面、连续配筋混凝土路面、钢钎维混凝土路面、复合式混凝土路面、水泥混凝土预制路面等。其中素混凝土路面是指除局部范围外面层内不配筋的水泥混凝土路面。水泥混凝土路面是一种刚度大、扩散荷载应力的能力强、稳定性好和使用寿命长的路面结构，它与其他路面相比，具有以下特点：优点：（1） 强度高。水泥混凝土路面具有较高的抗压、抗弯拉力学强度和抗磨耗能力。（2） 稳定性好。水泥混凝土路面受到水的侵入和气候温度等自然因素影响时，引起的强度变化小，没有像沥青路面那样的“老化”情况，也没有像砂石路那样的“衰变”现象，同时，抵抗侵蚀能力也较强。（3） 耐久性好。由于水泥混凝土路面强度和稳

22、定性好，抗侵蚀能力强，所以它经久耐用。一般能使用2040年，而且它能通行包括履带式车辆等在内的各种运输工具。（4） 养护维修费用小。与沥青路面相比，水泥混凝土路面虽然一次修筑投资大，但由于使用年限长，并且每年所需养护维修费用比较少，因此水泥混凝土路面的长远经济效益较好。（5） 抗滑性能好。水泥混凝土路面粗糙度好、抗滑，能保证车辆有较高的安全行驶速度，提高车辆行驶的稳定性。（6） 有利于夜间行车。水泥混凝土路面色泽鲜明，能见度好，有利于夜间行车。缺点：（4） 水泥和水的需要量大，修筑20 cm厚、7 m宽水泥混凝土路面，每公里要消耗水泥约400500 t 和水约250 t，尚且不包括养生用水，这

23、给水泥不足和缺水地区带来较大的困难。（5） 接缝较多。水泥混凝土路面建造许多接缝，这些接缝不但增加施工和养护的复杂性，而且容易引起行车跳动，其刚度大、减震效果差，噪声大、影响行车的舒适性。接缝处混凝土面层板的板边和角隅部位是薄弱点，如处理不当易发生破坏。（6） 开放交通较迟。水泥混凝土路面铺筑后，一般需经23个星期湿治养生后，使强度的增长满足行车要求才能开放交通。（7） 养护修复难。水泥混凝土路面使用中的局部破坏处，在修复过程中开挖困难，有时修复的工作量大，且影响交通。这对于有地下管线的城市道路、交通量大的高等级公路会带来较大困难。3.4 水泥混凝土路面的设计计算3.4.1 交通量的确定作为路

24、面设计的重要参照，交通量组成是设计的咽喉，有关交通量资料如下表3.6所示，其平均增长率为4.5%:表3.6 交通量资料车型交通量（辆/昼夜）123456789101112小客车120015001700160017001400210019001700150013001800中客车SH1301300110090070060050060070080090010001100大客车CA50160150130120130110100110140130180130小货车BJ130210024001800200016001400150016001700180019002000中货车CAD50600750700

25、9001000900800700600500450400中货车EQ14010011015018080707580859095100大货车JN150200300250300220230300220210240270190特大车日野KB2221601401201009070809060504045拖挂车五十铃40609012010080859075706565交通量年平均增长率（%）4.55.55.06.56.07.57.08.08.59.09.510.0换算可得下3.7表：表3.7 轴载简化表车型前轴重后轴重后轴数后轴轮组数交通量小客车13.0025.601双1200中客车SH13016.502

26、3.001双1300大客车CA5028.7068.201双160小货车BJ13013.5527.201双2100中货车CAD5024.7068.201双600中货车EQ14023.7069.201双100大货车JN15049.00101.601双200日野车KB22250.20104.301双160拖挂车五十铃50.20104.301双40跟据上面的资料进行轴载换算以确定路面各层所需的厚度。3.4.2 轴载分析路面设计双轮组单轴载100kN以设计弯沉值为指标及验算面层层底拉力中的累计当量轴次。（1） 轴载换算： 式中 ：100kN的单轴双轮组标准轴载的作用次数； 单轴单轮、单轴双轮组、双轴双轮

27、组或三轴双轮组轴型i级轴载的总重kN； 各类轴型i级轴载的作用次数； -轴型和轴载级位数； 标准轴载。轴载换算结果如表3.8所示：表3.8 轴载换算表车型大客车CA50后轴68.201600.35中货车CAD50后轴68.206001.31中货车EQ140后轴69.20 1000.28大货车JN150前轴49.002000.002后轴101.60200161.14拖挂车五十铃前轴50.20400.001后轴104.304078.45 日野车KB222前轴50.21600.004后轴104.3160313.80564.326注：轴载小于40KN的轴载作用不计。（2） 计算累计当量轴次 根据表设计

28、规范，三级公路的设计基准期为15年，安全等级为三级，轮迹横向分布系数取0.60， 交通量年平均增长率，则 其交通量在中，故属重型交通。3.4.3 初拟路面结构横断面 由表3.0.1，相应于安全等级三级的变异水平为中高。根据三级公路、重交通等级和中级变异水平等级，现初拟普通混凝土面层厚度为240mm，基层采用级配碎石粒料，厚20cm。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.5m，长4.0m。横缝为设传力杆的假缝。3.4.4 确定基层顶面当量回弹模量取路基回弹模量值为80MPa,取距地下水位2.0m时的湿度调整系数0.8，则土基回弹模量取值，级配碎石。设计弯拉强度：，泊松比为0.15。结构层如下图3.1：图3.1 路面结构层强度图按式（B.2.4）计算板底地基当量回弹模量如下： 式中：板底地基当量回弹模量； 路床顶面的综合回弹模量，基层和底基层或垫层的当量回弹模量，基层和底基层或垫层的回弹模量，基层和底基层或垫层的当量厚度，基层和底基层或垫层的厚度。普通混凝土面层的相对刚度半径按式（B.1.3-2）计算为：3.4.5 计算荷载疲劳应力按式（B.1.3），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。考虑设计基准期内荷应力累计疲劳作用的疲劳应力系数：其中，与混合料性质有关的指数，普通混凝土