毕业设计（论文）高速公路沥青路面抗车辙性能研究

1、前 言改革开放以来，随着国民经济的飞速发展，经济实力的不断提高，我国公路建设尤其是高速公路建设发展迅猛，公路总里程已接近200万公里，高速公路约四万余公里，但同时，随着交通量的不断增大以及车辆行驶的渠化，高速公路沥青路面的车辙破坏现象却十分严重，这种破坏直接导致沥青路面的使用质量和使用寿命的下降，从而增加了路面的养护费用，增大公路建设的费用，而作为经济命脉，又不能容许屡次修复，甚至中断交通大修，因此，提高高速公路沥青路面的抗车辙能力的研究就十分必要，也非常迫切。本次课程设计就是在这种形势下研究高速公路沥青路面的抗车辙性能。提高高速公路沥青路面的抗车辙能力，可以从路面结构设计，矿料的级配设计，矿

2、料的改性方法，沥青的改性方法，沥青混合料的设计方法，试验方法，检测手段，以及评价指标等多方面进行研究，以保证和提高沥青路面具有较高的高温稳定性，抗车辙能力，抗疲劳能力，抗滑能力，低温抗裂性，水稳定性等综合性能，以达到提高沥青路面的耐久性能，降低公路工程造价的目的。当前沥青路面设计方法主要分为两类：一类是以经验、半经验或试验为依据的经验法；一类是以力学分析为基础，综合考虑环境、交通条件及材料特性为依据的理论法。本设计中主要依据第一类方法。目前高等级公路的沥青混合料组成设计国内外以马歇尔试验为主，并通过车辙试验和残留稳定度试验进行辅助性检验。本设计中在提高沥青路面抗车辙性能的研究主要从路面结构设计

3、、材料组成和矿料级配的设计方面入手，研究和探讨沥青混合料的稳定结构，从而达到提高沥青混合料的抗车辙能力性能和综合使用性能的目的。在本次设计中，主要设计过程如下：首先是沥青路面结构设计，根据使用要求、交通资料及自然条件确定合理的路面结构及结构厚度。然后是进行沥青混合料的组成设计：一是确定合适的沥青混合料类型及级配范围，二是选择合适的材料并进行相关的性能检测，三是通过矿质混合料配合比设计设计出良好的级配，四是通过马歇尔试验确定最佳沥青用量并进行配合比设计检验，最后根据整个过程及试验结果分析影响高速公路抗车辙能力的因素及提高的措施，从而得出研究的结论。本次设计过程中不仅培养了自己分析问题，解决问题的

4、能力，形成了严谨认真负责的态度，而且加强了创新意识和科研意识，以及同学之间的团结协作，真正做到了用理论指导实践，用实践验证理论，为自己将来走向工作岗位打下了坚实的基础，达到了毕业设计的目的。本项课题研究目前在国内研究较多，具有重要的意义。希望本课题的研究能给路面研究领域带来一点突破，给沥青路面性能改善尤其是抗车辙能力的提高和施工技术的革新做出一点贡献。1沥青路面结构组合设计我国新建公路沥青路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标。1 1 轴载分析111交通组成2003年统计，年平均昼夜交通量见下表： 表11 年平均昼夜交通量记表表车型载重/

5、kn自重/kn前轴重/kn后轴1后轴2后轴3交通量 次/日红岩c030290180.0120.062.0119.0119.0200（338）南阳ny151jc80.075.651.0104.6150（253）解放sp9200200.0114.631.378.078.078.0200（338）贝利埃gch6*6100.0158.073.092.592.5120（203）尤尼克2766170.090.067.0102.5102.5102.580（135）注：上表中交通量一栏括号中的数据为分别换算成2007年的年平均昼夜交通量。设计计算年限的起算年为2007年，2010年以前，交通量增长预计较高，按

6、交通量年增长率为14%，以后按8%考虑。112 轴载计算路面设计以双轮组单轴载100kn为标准轴载。(1) 以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次。1)轴载换算轴载换算采用如下计算公式：=（1.1） 式中：n标准轴载的当量轴次(次/日)ni被换算车型的各级轴载作用次数(次/日)p标准轴载(kn)pi被换算车型的各级轴载(kn)c1轴数系数c2轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38；当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为m；当轴间距小于3m时，轴数系数按下式计算。c1=1+1.2(m1)（1.2）计算结果如表12所示： 表12 2005年轴载

7、换算结果表（弯沉）车型pi/knc1c2nic1c2ni(pi/p)4.35红岩c030290前轴62.016.4338270.4后轴119.02.213381584.8南阳ny151jc前轴51.016.425386.5后轴104.611253307.7解放sp9200前轴31.316.433813.8后轴78.031338344.1贝利埃gch6*6前轴73.016.4203330.5后轴92.52.21203318.2尤尼克2766前轴67.016.4135151.3后轴102.53.41135511.0累计3918.3注：轴载小于25kn的轴载作用不计。根据2007年的轴载换算结果表可

8、以计算出2009年和2010年的轴载累计值为：=3918.3=3918.3*(1+0.14)2=5092.2= =5092.2*(1+0.08)=5499.62) 累计当量轴次根据设计规范，高速公路沥青路面的设计年限取15年，四车道的车道系数根据表13是0.40.5，取其平均值为=0.45。表13 车道系数表车道特征车道系数车道特征车道系数双向单车道1.0双向六车道0.30.4双向双车道0.60.7双向八车道0.20.3双向四车道0.40.5所以累计当量轴次为：ne1=365n07(1+r)t-1)/r=365*3918.3(1+0.14)3-1)*0.45/0.14=2213660ne2=3

9、65n10(1+r)t-1)/r=365*5499.6(1+0.08)12-1)*0.45/0.08=17142215ne=ne1+ne2=19355875(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：（1.3）式中：n标准轴载的当量轴次(次/日)ni被换算车型的各级轴载作用次数(次/日)p标准轴载(kn)pi被换算车型的各级轴载(kn)c1轴数系数c2轮组系数， 计算结果如表14所示。（2）累计当量轴次=6290.2 =6290.2*(1+0.14)2=8174.7= =8174.7*(1+0.08)=8828.7ne1=365 n07(

10、1+r)t-1)/r=365*6290.2*(1+0.14)3-1)*0.45/0.14=3553676ne2=365 n10(1+r)t-1)/r=365*8828.7*(1+0.08)12-1)*0.45/0.08=27518996ne=ne1+ne2=31072672表14 2005年轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）车 型pi/knc1c2nicic2ni(pi/p)8红岩c030290前轴62.0118.5338136.5后轴119.0313384077.7南阳ny151jc前轴51.0118.525321.4后轴104.611253362.6解放sp9200后轴78.03133

11、8138.9贝利埃gch6*6前轴73.0118.5203302.9后轴92.531203326.4尤尼克2766前轴67.0118.5135101.4后轴102.551135822.4累 计6290.2注：轴载小于50kn的轴载作用不计。12结构组合与材料选取121路面等级和面层类型的确定 路面等级和面层类型与公路等级和交通量相适应，根据公路等级、使用要求、设计年限内标准的累积当量轴次以及筑路材料、施工机具和自然条件等因素，按表15确定。路面面层要求具有较高的强度、耐磨性、抗滑性、热稳定性和不透水性等优良品质。因此常选用粘结力强的结合料和高强耐磨且级配良好的集料作为面层材料。本设计济菏高速公

12、路设计等级为高速公路，且其设计年限内的标准累计当量轴次远远大于400万次/车道，故可确定路面等级为高级路面，由表1.5，可选择的面层类型有沥青混凝土和热拌沥青碎石，而本设计为高速公路，考虑其使用要求选用沥青混凝土路面。对于ne很大的高速公路和一级公路，路面面层多为三层结构。表面层要求具有平整密实、抗滑耐磨、稳定耐久的功能及高温抗车辙、低温抗开裂、抗老化等品质。通常采用密级配的细粒式或中粒式沥青混凝土抗滑表层。中面层要求具有一定的密水性、抗剥离性，高温或重载条件下具有较高的抗剪强度。通常采用密级配的中粒式或粗粒式沥青混凝土。下面层要求具有良好的抗疲劳裂缝的性能和兼顾其他性能。沥青中面层和下面层经

13、受着与沥青上面层相同的不利工作环境，惟平整性和抗滑性方面的要求略低一些，因此其选择同样有较高的要求，特别是在密实防水和抗剪切变形等方面要求也很高，通常选用密实型中粒式和粗粒式沥青混合料。面层厚度较厚时，采用双层或三层结构，下面层采用细粒较少、空隙率较大的粗级配材料，既可增加高温抗变形能力，防止车辙，又可降低造价。综合考虑后，本设计上面层拟选用密实型细粒式沥青混凝土，中面层拟选用密实型中粒式沥青混凝土，下面层拟选用密实型粗粒式沥青混凝土。（但是因受原材料限制最终下面层选用密实型中粒式沥青混凝土）表15 各种路面适应的累计当量轴次公路等级路面等级面层类型设计年限/年设计年限内一个车道上的累计当量轴

14、次/次高速公路 一、二级公路高级路面沥青混凝土、热拌沥青碎石15=200*104二级公路次高级路面沥青上拌下贯式，沥青贯入式，热拌（冷拌）沥青碎石、砾石1250*104200*104三级公路沥青表面处治810*10450*104三、四级公路中级路面泥结碎石，级配碎、砾石及其他粒料53*10410*104四级公路低级路面当地材料加固或改善土5=3*104122基层类型的确定基层要求具有足够的强度、刚度和水稳定性。我国常用的基层有无机结合料（水泥、石灰和工业废渣等）稳定类基层和碎（砾）石混合料基层。本设计选择选择基层类型时考虑到此高速公路交通量繁重，基层厚度可能较厚或基层与路基模量比过大而增设底基

15、层。作为一个结构层，底基层既可以充分利用当地材料，降低造价，同时由于底基层回弹模量较低，也可调整基层、底基层和路基相邻三层的模量比，对刚度大的基层工作有利。本设计中的高速公路沥青路面多选用强度、刚度较高且水稳定性、整体性较好的无机结合料稳定类基层，并增设底基层。再考虑到沿线材料的供应及降低造价的要求，本设计选用石灰粉煤灰稳定碎石基层，底基层选用石灰粉煤灰稳定土。123确定路面结构层次和初拟结构层厚度在路面等级、面层类型和基层类型确定后，拟定出既满足交通要求又经济合理的结构层次方案（一般常拟定几种方案），并拟定出各结构厚度，为下一步路面厚度计算作准备。可参考表16选择各种结构层的适宜厚度以及考虑

16、施工因素的最小厚度。路面设计时，沥青面层厚度与公路等级、交通量及组成、沥青品种和质量有关，沥青面层推荐厚度见表17。还要考虑路面防冻最小厚度，见表18。表16 各类结构层的最小厚度和适宜厚度结 构 层 类 型施工最小厚度/cm结构层的适宜厚度/cm沥青混凝土热拌沥青碎石粗粒式5.068中粒式4.046细粒式2.52.54石灰稳定类15.01620石灰工业废渣类15.01620 表17 沥青层推荐厚度公路等级推荐厚度/cm公路等级推荐厚度/cm高速公路1218三级公路24一级公路1015四级公路12.5二级公路510表18 路面防冻最小厚度路基类型土质粘性土、细亚粘土粉性土冻深/基层、垫层类型砂

17、石类稳定土类工业废渣类砂石类稳定土类工业废渣类中湿50100404535403035455040453040100150455040453540506045504045150200506045554050607050604550大于20060705565505570756070506560100455540503545506045554050潮湿100150556050554550607055655060150200607055655055708065706065大于2007080657555708010070906580本设计经过轴载计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次为3000万次

18、左右，根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途有大量碎石、水泥、石灰、粉煤灰供应，路面结构面层采用沥青混凝土15cm，基层采用二灰稳定碎石20cm，底基层采用二灰土（厚度待定）。规范规定高速公路，一、二级公路面层由二层至三层组成。查规范中的第四节沥青路面的4.2高级路面中的表4.2.1“沥青混合料类型的选择（方孔筛）”，采用沥青混凝土三层式沥青面层。 本设计结合材料供应、施工工艺并按照表16、17、18的规定，从强度要求和造价以及压实厚度考虑，自上而下由薄到厚初拟适宜的各结构层厚度如下：细粒式沥青混凝土 （表面抗滑表层） 4中粒式沥青混凝土 （ 中面层） 5粗粒式沥青混凝土 （下面层） 6 （因受原

19、材料所限，此层后来采用密实型中粒式沥青混凝土）石灰粉煤灰稳定碎石 （基层） 20二灰土 （底基层） ？以二灰土为设计层。13 路面材料设计参数值根据我国现行的规范规定，以设计弯沉值计算路面厚度，对高速公路、一级公路、二级公路沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求，各层材料的计算模量采用拉压回弹模量，沥青混凝土和半刚性材料的抗拉强度采用劈裂测得的劈裂强度。可参照表19、110选用。表中列出了20、15时的抗压模量。由于弯沉值是以20为标准温度，因此，以路面设计弯沉值计算路面结构厚度时，采用20的抗压模量，验算层底拉应力是以15为标准温度，故用15的抗压模量。

20、表19 沥青混合料设计参数参考值材料名称沥青针入度/（0.1mm）抗压模量e1/mpa劈裂强度15/mpa2015细粒式密级配沥青混凝土=9012001600180022001.21.6中粒式密级配沥青混凝土=9010001400160020000.81.2中粒式密级配沥青混凝土=908001200120016000.61.0粗粒式密级配沥青混凝土= h0 h2，路基为中湿状态。（2）拟定土的平均稠度根据土基的干湿类型，利用土基干湿状态的稠度建议值表得到个路段土的平均稠度wc值。 表111 土基干湿状态的稠度建议值干湿状态土组干燥状态中湿状态潮湿状态过湿状态wc=wc1wc1wc=wc2wc2

21、wc=wc3wc=1.201.20wc=1.001.00wc=0.85wc=1.101.10wc=0.950.95wc=0.80wc=1.051.05wc=0.900.90wc=0.75wc0.75（3）预测土基回弹模量该路段土质为棕粘性土，潮湿系数为0.51.00，查表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值”查得土基回弹模量为40mpa。采用重型击实标准时，土基回弹模量可较表列数值提高15%30%，即46 mpa 52 mpa，本设计取46mpa。15 设计指标的确定对于高级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。本设计高速公路也进行此项验算。（1）设计弯沉值路面设

22、计弯沉值根据下式计算：ld=600ne-0.2acasab（1.4）对于高速公路，公路等级系数ac=1.0，面层是沥青混凝土，面层类型系数as=1.0，半刚性基层、底基层总厚度大于20cm，基层类型系数取ab=1.0。 设计弯沉值为：ld=600ne-0.2acasab=600*19355875(-0.2)*1.0*1.0*1.0=20.93 (0.01mm)（2）各层材料的容许层底拉应力r=sp/ks细粒式密级配沥青混凝土： ks=0.09aane0.22/ ac =0.09*1.0*310726720.22/1.0=4.00r=sp/ks=1.4/4.00=0.35 mpa中粒式密级配沥青

23、混凝土:ks=0.09aane0.22/ ac =0.09*1.0*310726720.22/1.0=4.00r=sp/ks=1.0/4.00=0.25 mpa粗粒式密级配沥青混凝土:ks=0.09aane0.22/ ac =0.09*1.1*310726720.22/1.0=4.41r=sp/ks=0.8/4.41=0.1814 mpa二灰稳定碎石:ks=0.35ne0.11/ ac =0.35*310726720.11/1.0=2.33r=sp/ks=0.65/2.33=0.2790 mpa二灰土:ks=0.45ne0.11/ ac =0.45*310726720.11/1.0=3.00r

24、=sp/ks=0.25/3.00=0.0833 mpa16 设计资料总结设计弯沉值为20.93（0.01mm）,相关设计资料汇总如表112：表112 设计资料汇总表材料名称h/cm15模量20模量劈裂强度/ mpa容许拉应力/ mpa细粒式沥青混凝土4180014001.40.35中粒式沥青混凝土5160012001.00.25粗粒式沥青混凝土6120010000.80.1814二灰稳定碎石2015000.50.2790二灰土？7500.250.0833土基46本设计后来因材料所限，下面层换用中粒式密集配沥青混凝土，相关设计资料汇总如下表：表113 设计资料汇总表材料名称h/cm15模量20模

25、量劈裂强度/ mpa容许拉应力/ mpa细粒式沥青混凝土4180014001.40.35中粒式沥青混凝土5160012001.00.25中粒式沥青混凝土6160012001.00.25二灰稳定碎石2015000.50.2790二灰土？7500.250.0833土基4617 确定石灰土层厚度通过计算机设计计算得到，二灰土的厚度为32cm，实际路面结构的路表实测弯沉值为20.93（0.01mm），沥青面层的层底均受压应力，二灰稳定碎石层底的最大拉应力为0.079mpa0.2790mpa，二灰土层层底最大拉应力为 0.078mpa0.0833mpa。上述设计结果满足设计要求。下面层换用中粒式密级配沥

26、青混凝土后通过计算机设计计算得到，二灰土的厚度为34cm，实际路面结构的路表实测弯沉值为20.93（0.01mm），沥青面层的层底均受压应力，二灰稳定碎石层底的最大拉应力为0.079mpa0.2790mpa，二灰土层层底最大拉应力为 0.079mpa0.0833mpa。上述设计结果满足设计要求。18 新建沥青路面结构设计结果汇总* *新建路面设计成果文件汇总（一）* *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 红岩cq30290 62 119 2 双轮组 3 338 4 贝利埃gch6x6 73 92.5

27、 2 双轮组 3 203 5 尤尼克2766 67 102.5 3 双轮组 3 135 设计年限 15 车道系数 .45 序号 分段时间(年) 交通量年增长率 1 3 14 2 12 8 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时 :路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 3918 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 1.93544e+07 当进行半刚性基层层底拉应力验算时 :路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 6291 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 3.10767e+07 公路等级 高速公路公路等级系数 1 面层类型系数 1 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 20.9 (0.01

28、mm)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 1.4 .39 2 中粒式沥青混凝土 1 .28 3 粗粒式沥青混凝土 .8 .2 4 石灰粉煤灰碎石 .65 .28 5 石灰粉煤灰土 .25 .08 新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : bzz-100 路面设计弯沉值 : 20.9 (0.01mm) 路面设计层层位 : 5 设计层最小厚度 : 15 (cm)层位 结构层材料名称 厚度(cm) 抗压模量(mpa) 抗压模量(mpa) 容许应力(mpa) (20) (15) 1 细粒

29、式沥青混凝土 4 1400 2000 .39 2 中粒式沥青混凝土 5 1200 1600 .28 3 粗粒式沥青混凝土 7 1000 1200 .2 4 石灰粉煤灰碎石 20 1500 1500 .28 5 石灰粉煤灰土 ? 750 750 .08 6 土基 46 按设计弯沉值计算设计层厚度 : ld= 20.9 (0.01mm) h( 5 )= 30 cm ls= 21.1 (0.01mm) h( 5 )= 35 cm ls= 19.4 (0.01mm) h( 5 )= 30.6 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : h( 5 )= 30.6 cm(第 1 层底面拉应力验算满

30、足要求) h( 5 )= 30.6 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) h( 5 )= 30.6 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) h( 5 )= 30.6 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) h( 5 )= 30.6 cm ( 5 )= .081 mpa h( 5 )= 35.6 cm ( 5 )= .072 mpa h( 5 )= 31.3 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : h( 5 )= 30.6 cm(仅考虑弯沉) h( 5 )= 31.3 cm(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 40 cm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 . 通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改, 最后得到路面结构设计结果如下: - 细粒式沥青混凝土 4 cm - 中粒式沥青混凝土 5 cm - 粗粒式沥青混凝土 7 cm - 石灰粉煤灰碎石 20 cm - 石灰粉煤灰土 32 cm - 土基 竣工验收弯沉值和层底拉应力计算 公 路 等 级 : 高速公路