沥青路面结构设计

1、第四章 路面结构设计1.1设计资料（1）自然地理条件新建济南绕城高速，道路路基宽度为24.5米，全长5km，结合近几年济南经济增长及人口增长的情况，根据近期的交通量预测该路段的年平均交通量为5000辆/日，交通量平均年增长率=4%。路面结构设计为沥青混凝土路面结构，设计年限为15年。（2）土基回弹模量济南绕城高速北环所在地区为属于温带季风气候，季风明显，四季分明，春季干旱少雨，夏季温热多雨，秋季凉爽干燥，冬季寒冷少雪。据区域资料，年平均气温13.8，无霜期178天，最高月均温27.2（7月），最低月均温-3.2（1月），年平均降水量685毫米。道路沿线土质路基稠度=1.3；因此该路基处于干燥状

2、态，根据公路自然区划可知济南绕城高速处于区，根据【JTG D50-2006】公路沥青路面设计规范中表5.1.4-1可确定工程所在地土基回弹模量设计值为46MPa。（3）交通资料 交通组成及各车型汽车参数 表1-1车型前轴重（KN）后轴重（KN）后轴数后轴轮组数后轴距(m)交通量江淮HF140A18.941.81双轮组1300三菱FR41530511双轮组800长征CA16045.283.72双轮组<3700宇通ZK6820G30551双轮组700北京BK6150A48.571.22双轮组>3400解放SP920031.3783双轮组>3600东风SP925050.7113.3

3、3双轮组>35001.2交通分析（1）轴载换算路面设计以双轮组-单轴载为100KN为标准轴载，以BZZ-100表示。标准轴载的计算参数按表1-2确定。 表1-2 标准轴载BZZ-100标准轴载P（KN）100轮胎接地压强p（MPa）0.70单轮传压面当量圆直径d（cm）21.30两轮中心距（cm）1.5d当以设计弯沉为指标时及验算沥青层层底拉应力时，凡大于25kN的各级轴载Pi的作用次数Ni按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N的计算公式为： 式中：N标准轴载当量轴次数（次/d）； Ni被换算的车型各级轴载作用次数（次/d）； P标准轴载（kN）； Pi被换算车型的各级轴载（kN）； C

4、1被换算车型的各级轴载系数，当其间距大于3m时，按单独的一个轴计算，轴数系数即为轴数m，当其间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数为C1=1+1.2（m-1）； C2被换算车型的各级轴载轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1.0，四轮组为0.38。沥青路面营运第一年双向日平均当量轴次为：= 4709.00（次/d）当以半刚性层底拉应力为设计指标时，标准轴载当量轴次数：式中： 轴数系数 轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09。 注：轴载小于50KN的特轻轴重对结构的影响可以忽略不计，所以不纳入当量换算。沥青路面营运第一年双向日平均当量轴次：= 4978.00（次/d）该新

5、建道路为高速公路，采用沥青路面，设计年限为15年，交通增长率为4%，即=0.04。又该路设计为双向四车道，由【JTG D50-2006】公路沥青路面设计规范查表3.1.6得车道系数可取0.4-0.5，本设计取=0.5。以设计弯沉值为指标时，设计年限内一个车道上的累计当量轴次为： 以半刚性基层层底拉应力为设计指标时，设计年限内一个车道上的累计当量轴次为： 根据上述计算所得，由【JTG D50-2006】公路沥青路面设计规范查表3.1.8判断交通等级一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量Nh= 2500 ,属于重交通等级当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时 :路面营运第一年双向日平均

6、当量轴次 : 4709.00 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : （次）属于重交通等级当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时 :路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 4978.00 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : （次）属于重交通等级综上，路面设计交通等级为重交通等级1.3 初拟路面结构（1）路面结构方案根据济南绕城高速的功能性质及【JTG D50-2006】公路沥青路面设计规范，并结合工程经验与典型案例，初步拟定路面结构组合与各层结构厚度如下：方案一：采用半刚性基层（路面结构类型系数 1.0）- 细粒式沥青混凝土 40 mm - 中粒式沥青混凝土 60 mm - 粗粒式沥青混

7、凝土 80 mm - 水泥稳定碎石 待设计 - 级配碎石 200 mm方案二：采用柔性基层（路面结构类型系数 1.6）- 细粒式沥青混凝土 40 mm - 中粒式沥青混凝土 60 mm - 粗粒式沥青混凝土 80 mm - 密集配沥青碎石 待设计 - 水泥稳定碎石 300 mm（2）路面设计弯沉值和抗拉结构强度系数K该公路等级为高速公路，两种方案均采用沥青混凝土面层，半刚性基层，公路等级系数取1.0；基层为水泥稳定碎石，因此路面结构类型系数为1.0；面层为沥青混凝土面层,面层类型系数取1.0。路面设计弯沉值： 抗拉结构强度系数： （沥青混凝土面层） （无机结合料稳定集料） （无机结合料稳定细粒

8、土）容许拉应力，-路面结构材料的极限抗拉强度（MPa）。（3）路面材料相关参数的确定试验材料的确定：半刚性基层所用集料取自沿线料场，结合料沥青选用A级90号，面层采用SBS改性沥青，相关技术指标均符合公路沥青路面施工技术规范bn（JTG_F40-2004）相关的规定。路面材料劈裂强度：根据设计配合比，选取工程用各种原材料，测定规定稳定和龄期的材料劈裂强度。按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E20-2011）与公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E51-2009）中的方法进行测定，参数见表1-3。 表1-3材料名称细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土密级配沥青碎石

9、水泥稳定碎石劈裂强度（MPa）1.21.00.80.60.6路面材料抗压回弹模量的确定：根据设计配合比，选取工程用各种原材料制件，测定设计参数。按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程中规定的项目顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量。按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程中规定的方法测定沥青混合料的抗压回弹模量；测定20、15的抗压回弹模量，各种材料的试验结果与设计参数分别见表1-4、表1-5。 材料名称水泥稳定碎石级配砂砾级配碎石抗压回弹模量（MPa）3188250400 半刚性材料抗压回弹模量 表1-4 沥青材料抗压回弹模量 表1-5材料名称细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土密级配

10、沥青碎石20抗压回弹模量（MPa）19911425978124815抗压回弹模量（MPa）2680217513201715 由前面计算所得相关参数，计算路面各结构层容许拉应力R，见表1-6。 路面结构层容许拉应力计算表 表1-6结构层材料名称NeAcKsspR（MPa）细粒式沥青混凝土1.721071.03.521.20.34中粒式沥青混凝土1.721071.03.521.00.28粗粒式沥青混凝土1.721071.03.520.80.23密级配沥青碎石1.721071.03.520.60.17水泥稳定碎石1.811071.02.200.60.271.4 路面结构层厚度确定根据设计资料,利用

11、HPDS-2011公路路面设计程序系统进行路面结构层厚度的设计，以下分别进行方案一、方案二设计层的厚度设计。方案一：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 : 21.4 (0.01mm)路面设计层层位 : 4设计层最小厚度 : 150 (mm)表1-7层位结 构 层 材 料 名 称厚度(mm)20平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)15平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)容许应力(MPa)1细粒式沥青混凝土4019910268000.342中粒式沥青混凝土6014250217500.283粗粒式沥青混凝土809780132000

12、.234水泥稳定碎石?31880318800.275级配碎石200400040006新建路基46按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 21.4 (0.01mm) H( 4 )= 200 mm LS= 23.3 (0.01mm) H( 4 )= 250 mm LS= 20.1 (0.01mm) H( 4 )= 229 mm(仅考虑弯沉)按容许拉应力计算设计层厚度 : H( 4 )= 229 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 229 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 229 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 229 mm(第

13、 4 层底面拉应力计算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 229 mm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 229 mm(同时考虑弯沉和拉应力)通过对设计层厚度取整以及进一步的修改, 调整后得到路面结构厚度设计结果如下图: - 细粒式沥青混凝土 AC-10 40 mm - 中粒式沥青混凝土 AC-16 60 mm - 粗粒式沥青混凝土 AC-25 80 mm - 水泥稳定碎石 300 mm - 级配碎石 200 mm - 新建路基验算路面防冻厚度 :路面最小防冻厚度为 500 mm结构层总厚度 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 .方案二：公 路 等 级 : 高速公路新建路面的层数

14、: 5 标 准 轴 载 : BZZ-100路面设计弯沉值 : 21.4 (0.01mm)路面设计层层位 : 4 设计层最小厚度 : 150 (mm) 表1-8层位结 构 层 材 料 名 称厚度(mm)20平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)15平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)容许应力(MPa)1细粒式沥青混凝土4019910268000.342中粒式沥青混凝土6014250217500.283粗粒式沥青混凝土809780132000.234密级配沥青碎石?12480171500.175水泥稳定碎石30031880318800.276新建路基46按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 2

15、1.4 (0.01mm) H( 4 )= 150 mm LS= 15.8 (0.01mm) 由于设计层厚度 H( 4 )=Hmin时 LS<=LD,故弯沉计算已满足要求 . H( 4 )= 150 mm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力计算设计层厚度 : H( 4 )= 150 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 150 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 150 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 150 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 150 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求)路面设计层厚度

16、: H( 4 )= 150 mm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 150 mm(同时考虑弯沉和拉应力) 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,并根据沥青混合料压实最小厚度与适宜厚度表选择沥青混合料类别，调整后得到路面结构厚度设计结果如下图: - 细粒式沥青混凝土 AC-10 40 mm - 中粒式沥青混凝土 AC-16 60 mm - 粗粒式沥青混凝土 AC-25 80 mm - 密级配沥青碎石 ATB-30 150 mm - 水泥稳定碎石 300 mm - 新建路基验算路面防冻厚度 :路面最小防冻厚度为 500 mm结构层总厚度 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求。1.5

17、 交工验收弯沉值和层底拉应力计算 方案一：公 路 等 级 : 高速公路新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100表1-9层位结 构 层 材 料 名 称厚度(mm)20平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)15平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)综合影响系数1细粒式沥青混凝土40199102680012中粒式沥青混凝土60142502175013粗粒式沥青混凝土8097801320014水泥稳定碎石300318803188015级配碎石2004000400016新建路基461 计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 17.5

18、(0.01mm) 第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 19.3 (0.01mm) 第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 21.6 (0.01mm) 第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 24.6 (0.01mm) 第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 139.6 (0.01mm)路基顶面交工验收弯沉值 LS= 202.5 (0.01mm)( 根据公路沥青路面设计规范公式计算) LS= 256.6 (0.01mm)( 根据公路路面基层施工技术规范公式计算) 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :(未考虑综合影响系数) 第 1 层底面最大拉应力 ( 1 )= -0.197 (MP

19、a)0.34(MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )= -0.014 (MPa)0.28(MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )= -0.07 (MPa)0.23(MPa) 第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= 0.209 (MPa)0.27(MPa)故沥青结构层层底容许拉应力大于层底最大拉应力，设计满足要求。 方案二： 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100表1-10层位结 构 层 材 料 名 称厚度(mm)20平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)15平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)综合影响系数1细粒式沥青混凝土40

20、199102680012中粒式沥青混凝土60142502175013粗粒式沥青混凝土8097801320014密级配沥青碎石150124801715015水泥稳定碎石300318803188016新建路基461 计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 15.8 (0.01mm) 第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 17.5 (0.01mm) 第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 19.7 (0.01mm) 第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 22.6 (0.01mm) 第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 32.2 (0.01mm) 路基顶面交工验收弯沉值 LS= 202.5 (0.01mm)( 根据公路沥青路面设计规范公式计算) LS= 256.6 (0.01mm)( 根据公路路面基层施工技术规范公式计算) 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :(未考虑综合影响系数) 第