v4 路面结构设计

v4 路面结构设计

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。

4.1.1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。 4.1.2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 ,δ=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 ：

4.35

1,2,1

K

i i i i i P N C C n P =??

= ?

??∑ (4-1)

式中：N ——标准轴载的当量轴次，次/d ；

n i ——被换算车型的各级轴载作用次数，次/d ； P ——标准轴载，kN ；

P i ——被换算车型各级（单根）轴载，kN ；

C 1i ——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C 1i =1+1.2(m-1)；

C 2i ——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

凡轴载大于50kN 的各级轴载（包括车辆的前、后轴）P i 的作用次数n i ，按式4-2换算成标准轴载P 的当量作用次数N ：

8

''

1,2,1K

i i i i i P N C C n P =??'= ???

∑ (4-2) 式中：'

1,i C ——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'

1,12(1)i C m =+-；

'

2,i C ——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 P i (kN) C 1,i

C 2,

i

C 1,i C 2,i (P i /P)

4.3

5

n i 次/日 n bi 次/日

黄河JN150 后轴 101.6

1 1 1.071

1200 1285.

2 前轴 49.0 1 6.4 0.287 1200

344.1

太脱拉138

后轴 80.0 2.2 1

0.758 450 341.1

前轴

51.4 1 6.4 0.354 450 159.3

解放A10B 后

轴

60.8

5

1 6.4 0.115 750 86.25 前

轴

19.4

1 1 0.005 750 3.75

跃进NJ13 0 后

轴

38.3

1 1 0.008

100

8

N= n bi=2228次/日表4.2（b）交通量计算表

车型

P i

(kN)

C1,

i

C2,i

C1,i

C2,i

(P i/P)4.3

5

n i

次/

日

n bi

次/日

黄河JN15 0 后

轴

101.

6

1 1 1.135

120

1362 前

轴

49.0 1

18.

5

0.061

120

73.2

太脱拉后

轴

80.0 1 1 0.503 450

226.3

5

138 前

轴

51.4 3

1 0.090 450 40.5 解放A10B 后轴 60.85 1

1

0.019 750 14.1

跃进NJ130

后轴

-

- - - 1000

N =∑n bi =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=C 1C 2(P i /P)4..35；

当计算半刚性基层层底拉应力时，轴载换算系数()

8

'

'1

2

i

C C P

P =；

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。

在设计年限内，一个车道上的累计当量轴次e N 参照式(4-3)进行计算：

()111365

t e N N γηγ

??+-???= (4-3)

式中：N e ——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；

N 1——路面竣工后第一年的平均日当量轴次，次/d ；

N t ——设计年限最后一年的平均日当量轴次，次/d ；

γ——设计年限内交通量的平均年增长率，为6%； η——车道系数，取0.5。

所以

()15616%1365

22280.59.4642106%

e N ??+-???=??=?（次） ()15'616%1365

17170.57.2936106%

e N ??+-???=??=?（次） 6

310?

N 、'e

N <7

1.210?为中等交通。

4.1.3路面结构层组合

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-16 4cm AC-25 8cm 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-16 4cm

AC-25 8cm

水泥粉煤灰碎石?

石基

4.2路面结构层组成设计

4.2.1基层组成设计

基层、底基层应具有足够的强度和稳定性，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）

基层集料≥98 1.5~3.5 底基层集料≥97 ≥1.0

2)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=1300～1700MPa（弯沉计算）、E=2400～3000MPa （拉应力计算用）,劈裂强度σ=0.4～0.55MPa。

4.2.2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=44~45°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℃、加载速率50mm/min条件下，低温弯曲试验破坏应变不小于2000με；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Ⅲ4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F.0.1、F.0.2可知ω≥1.20。

根据《公路沥青路面设计规范》中附表和 F.0.3，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。抗压模量为200~350MPa，取300MPa。

填方路段：K0+000.00~K0+40.00，K0+280.00~K0+720.00，K0+820.00

~K0+910.00，K1+60.00~K1+400.00。

半填半挖路段：K0+40.00`K0+280.00，K0+990.00~K1+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6

9.464210e N =?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

层次 材料名称 层厚（cm ） 抗压回弹模量（MPa ） 劈裂强度（MPa ） 15C 20C 1 AC-16 4 1800 1200 1.0 2 AC-25 8

1200 1000

0.8

3 水泥粉煤灰碎石 ？

2700 1500

0.5

4 二灰土 20 2400 800

0.25 5

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。 4.3.1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：

0.2600d e c s b l N A A A -= (4.4)

式中：d l ——路面设计弯沉值,0.01mm ；

e N ——设计年限内一个车道上累计当量轴次；

c A ——公路等级系数,一级公路为1.0； s A ——面层类型系数,沥青混凝土面层为1.0；

b A ——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

60.2

6009.464210 1.0 1.0 1.024.151d l -=????=（） mm （0.01）

4.3.2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

0.22

0.09/s a e c K A N A = (4.5)

式中：a A ——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

sp

R s

K σσ=

(4.6)

式中：

R σ——路面结构层材料的容许拉应力；

sp

σ——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；

s

K ——抗拉强度结构系数。

所以

60.22

0.09 1.09.464210/1.0 3.083s K =???=（）

1.0

0.323.083

sp

R s

K σσ=

=

=

()

MPa

2)粗粒式沥青混凝土（AC-25）

1.1a A =，同理知

60.22

0.09 1.19.464210/1.0 3.391s K =???=（）

0.8

0.243.391

sp

R s

K σσ=

=

=

()MPa

3）水泥粉煤灰碎石 抗拉强度结构系数

0.11

0.35/s e c K N A = (4.7)

则

60.11

0.359.464210/1.0 2.049s K =??=（）

0.5

0.2442.049

sp

R s

K σσ=

=

=

()

MPa

4）二灰土

抗拉强度结构系数

0.11

0.45/s e c K N A = (4.7)

则

60.11

0.459.464210/1.0 2.634s K =??=（）

0.25

0.0952.634

sp

R s

K σσ=

=

=

()

MPa

4.3.3按容许弯沉计算路面厚度

1）计算综合修正系数

0.36

0.38

01.632000s l E F p δ????

= ? ?

??

??

(4.9)

式中：ls ——路面实际弯沉值,取d l

，0.01mm ；

E0——土基回弹模量,MPa ；

p ，δ——标准轴的轮胎接地压强和当量圆半径,MPa,cm 。 所以

0.38

0.36

24.153001.63 1.098200010.650.7F ?

???

=??= ?

????

??

2）计算'

L α

'12d L l E p F

αδ=

(4.10)

则

'0.024121200

1.77

20.710.65 1.098L α?=

=???

3） 进行三层体系换算

'112

k k αα= （4.11）

4

2i i H h ==∑ （4.12） 1

h =4cm 1

E =1200MPa

h=1

h =4cm

1

E =1200MPa

2

h =8cm

2

E =1000 MPa

H=？cm 2

E =1000 MPa

3

h =？cm

3

E =1500 MPa

4

h =20cm

4E =800 MPa 0

E =300 MPa

E

=300 MPa

图4.1 弯沉3层体系换算图

由4

0.3810.65

h δ=

=，2

11000

0.831200

E

E =

=，0

2300

0.31000

E

E =

=，查

三层体系表面弯沉系数诺谟图，得

k 1=0.305，α=6.5

所以

'21 1.770.896.50.305

L k k αα===? 查三层体系表面弯沉系数诺谟图，得

4.2H =， 即

H=4.2×10.65=44.73 （cm ）

4

332

82021.58 1.184i i H h h h ===+??=+∑

317.07h = cm （）

考虑到施工的方便和《公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）》表4.1.5-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 。

4.3.4验算弯拉应力

1)弯拉应力等效换算法

（1）计算上层地面弯拉应力的换算方法 上层换算公式

1

i

k h h ==∑ （4.13）

中层换算公式

1

1

n k k i H h -=+=

∑ （4.14）

（2）计算中层底面弯拉应力

此时即为计算路基之上的n-1层的弯拉应力

2

1

n k h h -==∑ （4.15）

2）结构层弯拉应力计算

11122

212r r r r p p m m p p n n σσσσσσ--

-

-

?==??

?==?

（4.16）

式中 1

r σ——三层体系上层底面弯拉应力，()MPa ；

2

r σ——三层体系中层底面弯拉应力，

()

MPa ；

σ

-

、1

m 、2

m 、1

n 、2

n ——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

1

h =4cm 1

E =1800MPa

h=1

h =4cm

1

E =1800MPa

2

h =8cm

2

E =1200 MPa

H=？cm

2

E =1200 MPa

3

h =18cm 3

E =2700 MPa

4

h =20cm

4

E =2400 MPa 0

E =300 MPa

E =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

4

2

8182091.8k k H h ===+??=∑

cm （）

4

0.38

10.65

h ==，2

10.67

E E =，查表得 0σ-

<。则

100.32

r r σσ<<=

()

MPa （2）AC-20底面弯拉应力 同理，0

σ-

<，1

00.24

r r σ

σ<<=

()MPa

（3）验算水泥粉煤灰碎石底面弯拉应力

1

h =4cm 1

E =1800MPa

h=？cm

1

E =2700MPa

2

h =8cm

2

E =1200 MPa

3

h =18cm 3

E =2700 MPa

4

h =20cm

4

E =2400 MPa

H=20cm 2

E =2400 MPa 0

E =300 MPa

E =300 MPa

图4.3 水泥粉煤灰碎石弯拉应力3层体系换算

图

则

2

1

188430.14n k k h h -===+=∑ cm （）

30.14

2.8310.65

h =

=，210.9E E =，020.125E E =， 1.5H =。 查表得： 0.03σ-

=，1 1.16m =，2 1.3m =。则

11120.70.03 1.16 1.30.032r r p p m m σσσ--

===???= ()MPa

则 10.244r r σσ<= ()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：0.195σ-

=，1 1.2

n =，2

0.45

n =。则

22120.70.195 1.20.450.0737r r p p n n σσσ-

-

===???= ()MPa

则 1

0.09

r r σ

σ<=

()

MPa

经过验算各层地面弯拉应力满足要求。 4.3.5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

4.4.1挖方路基路面结构

在挖方路基段：K0+720.00~K0+820.00，K0+910.00`K0+990.00，K1+480.00~K1+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 ） 15C 20C 1

AC-16

4

1800 1200

1.0

2 AC-25 8 1200 1000 0.8

3 水泥粉

煤灰碎

石

？2700 1500 0.5

5 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，也做为基底找平。根据验算各层地面弯拉应力满足要求。

4.4.2隧道内路面结构

隧道路段：K1+542.04~K1+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）

1 SMA-13 4

2 AC-16 4

3 钢纤维水泥混

凝土面板

22

4 素混凝土基层15

4.5路面施工要求

4.5.1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=44~45°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155C~165C；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=1：3~1：5）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=2~2.5m/min；摊铺温度为120C~145C；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120C~145C；碾压完成温度为：钢轮压路机不低于70C；轮胎压路机不低于80C；震动压路机不低于65C；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 1.2mm

3 高程±10mm

4 厚度总厚度-1

5 上

面层-8mm

5 宽度+0以上

6 中线偏位20mm

7 横坡±0.3%

8 弯沉≤竣工验收弯

沉值

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20~30%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