路面结构设计

1、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。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

2、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。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 ,=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， 按式（6-1）换算成标准轴载 P 的当量作用次数 N

3、：KP 4.35NC1,iC2,ini Pi(4-1)i 1P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(4-2)凡轴载大于 50kN 的各级轴载（包括车辆的前、后轴） Pi 的作用

4、次数 ni，按式 4-2换算成标准轴载 P 的当量作用次数 N：式中：C1',i 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 C1',i 1 2（m 1） ；KNC1,iC2,i nii1PiPC2',i 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,i4.35C1,i C2

5、,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前轴51.416.40.354450159.3解放 A10B后轴前轴60.8516.40.11575086.2519.40110.0057503.75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,i4.35C1,i C2,i (Pi/P)ni 次/日nbi 次/日黄河 JN

6、150后轴101.6111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；' ' 8 当计算半刚性基层层底拉应力时，轴载换算系数C1'C2' Pi P 8 ； 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

7、。在设计年限内，一个车道上的累计当量轴次 Ne参照式 (4-3)进行计算：(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1 6% 15 1 365 66%2228 0.5 9.4642 106 (次)15' 1 6% 1 365 6Ne'1717 0.5 7.2936 106 （次）e 6%3 106<Ne、 Ne' < 1.2 107为中等交通。路面结构

8、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基层组成设计 基层、底基层应具有足够的强度和稳定性

9、，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）集料981.53.5底基层集料971.02）配合比公路沥青路面设计规范 JTG D50-2006 建议水泥粉煤灰碎石配合比位 8：17：80 。抗压模量 E=13001700MPa（弯沉计算）、 E=24003

10、000MPa （拉应力计算用） ,劈裂强度 =0.40.55MPa。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 =4445°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

11、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、

12、加载速率 50mm/min 条件下，低温弯曲试验破坏应变 不小于 2000 ；渗水系数不大于 120 ml/min 。4.3填方路基路面结构层厚度确定路线经过地区属 4 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 、可知 1.20。根据公路沥青路面设计规范中附表和，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

13、为 200350MPa，取 300MPa。填方路段： K0+000.00K0+40.00， K0+280.00K0+720.00， K0+820.00 K0+910.00，K1+60.00K1+400.00。半填半挖路段： K0+40.00K0+280.00，K0+990.00K1+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 Ne 9.4642 106 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 路面结构及参数表抗压回弹模量（ MPa ）层次材料名称层厚（ cm ）15 C20 C劈裂强度（ MPa）1AC-164

14、180012001.02AC-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。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：ld 600Ne0 .A2cAsAb（4.4）式中： ld 路面设计弯沉值 ,0.01mm；N

15、e 设计年限内一个车道上累计当量轴次；Ac 公路等级系数 ,一级公路为 1.0；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时为 1.0。所以ld 600 (9.4642 106)0.21.0 1.0 1.0 24.151 ( 0.01 mm)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Ks 0.09AaNe0.22 /Ac(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R Ksp(4.6)Ks式中： R 路面结构层材料

16、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；Ks抗拉强度结构系数。所以Ks 0.09 1.0 (9.4642 106)0.22 /1.0 3.083spKs1.03.0830.32 (MPa)2) 粗粒式沥青混凝土( AC-25 )Aa 1.1，同理知Ks 0.09 1.1(9.4642 106)0.22 /1.0 3.391sp 0.8R sp 0.24 (MPa)R Ks 3.3913) 水泥粉煤灰碎石抗拉强度结构系数(4.7)Ks 0.35Ne0.11 / Ac则Ks 0.35(9.4642 106)0.11 /1.0 2.049s

17、pKs2.049 0.244 (MPa)4）二灰土抗拉强度结构系数(4.7)Ks 0.45Ne0.11 / Ac则Ks 0.45(9.4642 106)0.11 /1.0 2.634sp Ks0.252.6340.095 (MPa)按容许弯沉计算路面厚度1）计算综合修正系数0.38F 1.63 200ls0(4.9)式中： ls路面实际弯沉值 ,取ld ，0.01mm；E0土基回弹模量 ,MPa； p，标准轴的轮胎接地压强和当量圆半径 ,MPa,cm所以0.363000.362 000 1 0. 6 5 0. 7F 1. 6 3 2 4. 1 5.381.0982）计算 L'L'

18、;ldE12p F(4.10)0.02412 12001.772 0.7 10.65 1.0983）进行三层体系换算1k1k24.11)i 2 hi2.4 EE2ih11=4cmE11 =1200MPah22 =8cmE2 =1000 MPah3=？cmE3 =1500 MPah4 =20cmE4 =800 MPaE0=300 MPa（4.12）h= h1 =4cmE1 =1200MPaH=？ cmE2 =1000 MPaE0 =300 MPa图 4.1 弯沉 3 层体系换算图4由h0.38， E2 E110.65100012000.83，E0 E230010000.3，查三层体系表面弯沉系数

19、诺谟图，得k1= 0.305， =6.5'1. 77所以k2L1. 77 0. 892k16. 5 0. 305查三层体系表面弯沉系数诺谟图，得H 4.2 ， 即H=4.2×10.65=44.73 (cm)4Ei1500 800Hhi 2.4 i 8 h3 2.4 20 2.4 21.58 1.184h3i 2 i E23 1000 1000 3h3 17.07( cm)考虑到施工的方便和 公路沥青路面设计规范 （JTG D50-2006）表 各种结构层压实最小厚度和适宜厚度规定， 水泥粉煤灰碎石厚度选用 18cm。 验算弯拉应力1）弯拉应力等效换算法i hhkk1n1Hhk

20、ki1Ek Ei 1（1）计算上层地面弯拉应力的换算方法 上层换算公式4.13)中层换算公式4.14)（2）计算中层底面弯拉应力n2 hk1此时即为计算路基之上的 n-1 层的弯拉应力4.15)2）结构层弯拉应力计算4.16)r1 p r1 p m1m2 r 2 p r 2 p n1n2式中 r1三层体系上层底面弯拉应力，（MPa）；r2 三层体系中层底面弯拉应力， （MPa）；、 m1 、 m2、 n1、 n2 查三层体系上、中层地面弯拉应力系数诺模图。3）验算各层底面弯拉应力(1) 验算沥青混凝土上面层 (AC-16) 底面弯拉应力h11=4cmE1 =1800MPah= h1 =4cmE

21、1 =1800MPah22 =8cmE2 =1200 MPah3 =18cmE3 =2700 MPaH=？ cmE2 =1200 MPah4 =20cmE4 =2400 MPaE0 =300 MPaE0 =300 MPa图 6.2 沥青混凝土面层底面弯拉应力 3 层体系换算图则Hhk0.9 Ek8 18 0.9 2700 20 0.9 2400 91.8 （ cm）k 2 kE21200 1200410.650.38， E2 E1 0.67，查表得0 。则r1 0 r 0.32 (MPa)( 2) AC-20 底面弯拉应力同理， 0 ， r1 0 r 0.24 (MPa)(3) 验算水泥粉煤灰

22、碎石底面弯拉应力h11=4cmE1 =1800MPah22 =8cmE2 =1200 MPah= ？ cmE1 =2700MPah3 =18cmE3 =2700 MPah4 =20cmE4 =2400 MPaH=20cmE2 =2400 MPaE0=300 MPaE0=300 MPa图 4.3 水泥粉煤灰碎石弯拉应力 3 层体系换算图则h n 2hk 4 Ek18 8 4 1200 4 4 1800 30.14（cm）k 1 k En 22700 2700h2.83 ， E2 E1 0.9 ， E0 E2 0.125 ， H1.5 。10.65查表得：0.03， m1 1.16 ， m2 1.

23、3。则r1 p r1 p m1m2 0.7 0.03 1.16 1.3 0.032 (MPa)则 r1 r 0.244 (MPa)(4) 验算二灰土底面弯拉应力 换算图同水泥粉煤灰碎石弯拉应力 3 层体系换算图。查表得：0.195 ， n1 1.2， n2 0.45 。则r2 p r2 p n1n2 0.7 0.195 1.2 0.45 0.0737 (MPa)则 r1 r 0.09 (MPa) 经过验算各层地面弯拉应力满足要求。验算沥青混凝土剪应力由于本路段设计最大纵坡 i=2.8%，小于规范设计的最大纵坡和本线路为 公路，不需要计算和验算剪应力。4.4其他路基路面结构厚度确定挖方路基路面结

24、构在 挖 方 路 基 段 ： K0+720.00K0+820.00 ， K0+910.00K0+990.00 ， K1+480.00K1+540.00。开挖后下方为岩石，则回弹模量很大，不需设置底 基层，只设置基层。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 4.7表 4.7 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)15 C20 C1AC-164180012001.02AC-258120010000.83水泥粉煤灰碎石？270015000.55石基300根据计算，基层只需满足构造、施工要求即可，取水泥粉煤灰碎石厚为18cm，也做

25、为基底找平。根据验算各层地面弯拉应力满足要求。 隧道内路面结构隧道路段： K1+542.04K1+820.86。基层采用素混凝土，厚度为 15cm，其抗压强度为 C25。路面采用复合式 路面沥青上面层。其路面结构见表 4.8表 4.8 隧道复合式路面结构层数材料名称厚度（ cm）1SMA-1342AC-1643钢纤维水泥混凝土面板224素混凝土基层154.5 路面施工要求沥青混凝土面层施工要求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 =4445°C；含蜡量 <3%；密度

26、>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%，其亲水系数应小于 1 ,视密度不小于 2.5 t/ m3 。2）混合料拌合、运输拌合：温度为 155 C1

27、65 C ；混合料要均匀，颜色一致，无花白料， 无团粒。运输：每两车配备帆布，保温防水；车厢喷液体（水：柴油 =1：31：5） 防止粘车；车上旧料清除干净。3）混合料摊铺摊 铺 机 连 续 不断 摊 铺； 摊 铺 速度 V=22.5m/min ； 摊 铺 温度 为120 C145 C ；路面下面层、中面层走钢丝，上面层走雪橇。4）碾压碾压温度为 120 C145 C ；碾压完成温度为：钢轮压路机不低于 70 C； 轮胎压路机不低于 80 C ；震动压路机不低于 65 C ；严格可控制含水量， 按 “初压、复压、终压”碾压工艺进行碾压。5）面层质量控制 保证沥青混凝土路面质量达到设计要求，应控制

28、以下质量标准。表 4.9 沥青混凝土面层质量控制标准序号控制质量内容标准1压实度95%2平整度1.2mm3高程± 10mm4厚度总厚度 -15 上面层 -8mm5宽度+0 以上6中线偏位20mm7横坡±0.3%8弯沉竣工验收弯沉值水泥粉煤灰碎石基层施工要求1）混合料组成为节省投资，增加基层强度，在水泥稳定碎石中加入就地取材的粉煤灰，组成水泥、粉煤灰稳定碎石基层。 混合料配合比为水泥：粉煤灰：碎石 =6： 14：80，因粉煤灰含水量在 2030%左右，所以施工配比调整为 6：17.5：80； 最佳含水量为 9.8%；最大干密度 2.15g/cm3 松铺系数 1.47。2）材料

29、要求水泥：为了保证混合料在一定时间内能够拌和、 运输、摊铺、碾压完成， 不得使用硬水泥、早强水泥、及受潮变质的水泥。粉煤灰：粉煤灰的烧失量应小于 20%。 碎石：选用硬度大、无风化、洁净的碎石，碎石中针片状颗粒的总含量 应不超过 20%， 压碎值不大于 35%，最大粒径不超过 37.5mm。磨耗率28%， 含泥量5%，密度2.5 t/m3 ，针片状含量 15%。3）混合料的拌合 水泥%粉煤灰稳定碎石采用集中场拌法，尽量避免水泥含量超过设计配 合比的一个百分点。 拌合时，在拌和仓中适量加水，搅拌均匀。拌合时避 免出现粒料不均、灰土成团或含水量不均的现象。4）混合料的运输运输混合料时， 应根据摊铺

30、层的厚度和要求达到的压实干密度来计算每 车混合料的摊铺面积。 同时配备适当数量的车辆运送混合料，运输期间保 障施工道路畅通，尽量缩短运输时间，根据运距和气温高低决定是否采用蓬 布覆盖，防止水分散失。5）混合料的摊铺 在基层摊铺前对下承层进行清理，把浮土、杂物等清扫干净，并保持下 承层处于湿润状态。摊铺采用摊铺机进行，摊铺机后面设专人消除粗细集料离析现象。对于 粗集料“窝” 和粗集料“带” ，及时添加细集料，并拌和均匀；对于细集 料“窝” ，添加粗集料，并拌和均匀。摊铺时应避开下承层的纵向接缝，按照上下层不同缝的原则摊铺，并尽 量避免纵向接缝。 必须分两幅铺筑时， 宜采用两台摊铺机一前一后相隔约

31、 5-8 米同步向前摊铺。摊铺机摊铺时，行进速度要缓慢均匀地进行，不得中途随意换档。为保 证设计宽度及厚度，中线及边线处要比设计数多出 0.2 米，以保证边缘处的 压实。6）混合料的碾压 由于水泥的水化作用和凝结速度，对于混合料的拌合、运输、摊铺、碾 压就要求在较短时间内迅速完成，因此应确定合理的碾压长度，摊铺长度以 100200m为宜，以便在水泥终凝前完成所有程序的操作。严格控制含水量，并按“初压、复压、终压”碾压工艺进行碾压。碾压 时应遵循先轻后重、先慢后快的碾压原则。碾压顺序为：直线应从路边往路中间碾压，曲线由内侧路肩向外侧路肩 碾压。碾压错轮时后轮迹的重叠宽度不得大于后轮宽度的二分之一

32、，相邻两 段的碾压接头处应横向错成 45°价梯状，接缝处应多压二至三遍。7）基层质量控制表 4.10 公路基层质量标准序号内容标准1压实度98%2平整度10mm3高程+5mm ， -10mm4厚度-10mm5宽度+0 以上6配合比碎石 2% 粉煤灰 1.5% 水泥 1%7横坡0.3%8强度0.8MPa二灰土施工要求 二灰土底基层具有：承载能力大、刚性大、水稳定性好、经济等优点。1）材料要求（1）石灰 采用 III 级以上石灰； 石灰必须充分消解， 消解时间 7 10天，消解用水量为 500 800kg/T， 通常为 700kg/T； 石灰必须过筛，筛孔 10mm； 石灰的含水量 <4%； 石灰要求在 1 个月内用完，否则要覆盖。（2）粉煤灰 Al2O3+Fe2O3+SiO3>70%； 比表面积 >2500cm2/g； 含水量 <30%。（3）土 塑性指数 Ip=12 20； 土颗粒要求为 15mm，通过 5mm 筛的量占 60%； 有机土不能使用。2）备料（1） 拌和长料场石灰，粉煤灰应隔离，最好分别堆放。（2）粉煤灰的准备，如采用湿的粉煤灰 , 应在使用前几天运到现场 ,以便 滤水 , 干的粉煤灰应在装运