路面设计方案.docx

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路面设计方案

一、沥青路面设计方案

1路段所在地区基本资料

公路等级：

一级公路；II2区；设计车速：

80km/h；设计标准轴载：

BZZ-100；中液限粘性土，填方路基高1.6m，地下水位距路床2.2m，属中湿状态；年降雨量850mm；最高气温38℃，最低气温-25℃；多年最大冻深120cm；

2土基回弹模量的确定

设计路段路基处于中湿状态，路基土为中液限粘质土，查表可得土基回弹模量值为40MPa

3交通量资料

（1）EXCEL计算：

（2）Hpds2006软件计算：

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=1975,属特重交通等级

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当量轴次:

2201

设计年限内一个车道上的累计当量轴次:

1.009389E+07

属重交通等级

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:

1634

设计年限内一个车道上的累计当量轴次:

7.49E+06

属中等交通等级

路面设计交通等级为特重交通等级

4初拟路面结构

拟定采用两种路面结构。

按计算法确定方案一、方案二的路面厚度。

根据结构层的最小施工厚度、材料、水文、交通量以及施工机具的功能等因素，初步确定路面结构组合与各层厚度如下：

方案一:

4cm细粒式沥青混凝土+8cm中粒式沥青混凝土+12cm粗粒式沥青混凝土+300cm水泥稳定碎石基层+？

水泥石灰砂砾土层，以水泥石灰砂砾土为设计层。

方案二:

4cm细粒式沥青混凝土+8cm中粒式沥青混凝土+15cm密级配沥青碎石+25cm水泥稳定砂砾+20cm级配砂砾。

路面材料配合比设计与设计参数的确定

1试验材料的确定

半刚性基层所用集料与结合料取自沿线料场，沥青选用重交通90#石油沥青，上面层采用SBS改性沥青，技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTJF40-2004）相关规定。

2路面材料抗压回弹模量的确定

（1）半刚性材料的抗压回弹模量按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057-94）中规定的项目顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量。

（2）按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）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见下表：

半刚性材料及其他材料抗压回弹模量测定与参数取值

材料名称

抗压模量（MPa）

Ep

方差

Ep-2σ

Ep+2σ

σ

Ep代

水泥稳定碎石

3188

782

1624

4752

水泥石灰砂砾土

1591

250

1091

2091

水泥稳定砂砾

2617

234

2148

3086

级配碎石

400

级配沙砾

250

沥青材料抗压回弹模量测定与参数取值

材料名称

20℃抗压模量（MPa）

15℃抗压回弹模量（MPa）

Ep

方差

Ep-2σ

Ep

方差

Ep-2σ

Ep+2σ

σ

Epa

σ

Ep代

细粒式沥青混凝土

1991

201

1589

2680

344

1992

3368

中粒式沥青混凝土

1425

105

1215

2175

187

1801

2549

粗粒式沥青混凝土

978

55

868

1320

60

1200

1440

密级配沥青碎石

1248

116

1016

1715

156

1403

2027

3路面材料劈裂强度测定

根据设计配合比，选取工程用各种原材料，测定规定温度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》与《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的方法进行测定，结果见下表：

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

水泥稳定碎石

水泥稳定砂砾

水泥石灰砂砾土

二灰稳定

砂砾

劈裂强度（MPa）

1.2

1.0

0.8

0.6

0.6

0.5

0.4

0.6

路面材料劈裂强度

路面厚度设计（Hpds软件计算）

（1）方案一路面结构厚度计算

公路等级:

一级公路

新建路面的层数:

5

标准轴载:

BZZ-100

路面设计弯沉值:

23.8（0.01mm）

路面设计层层位:

5

设计层最小厚度:

150（mm）

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

40

1991

201

2680

344

0.42

2

中粒式沥青混凝土

80

1425

105

2175

187

0.32

3

粗粒式沥青混凝土

120

978

55

1320

60

0.26

4

水泥稳定碎石

300

3188

782

3188

782

0.25

5

水泥石灰砂砾土

？

1591

250

1591

250

0.14

6

新建路基

40

按设计弯沉值计算设计层厚度:

LD=23.8（0.01mm）

H（5）=150mmLS=1.4（0.01mm）

由于设计层厚度H（5）=Hmin时LS<=LD,

故弯沉计算已满足要求.

H（5）=150mm（仅考虑弯沉）

按容许拉应力计算设计层厚度:

H（5）=150mm（第1层底面拉应力计算满足要求）

H（5）=150mm（第2层底面拉应力计算满足要求）

H（5）=150mm（第3层底面拉应力计算满足要求）

H（5）=150mm（第4层底面拉应力计算满足要求）

H（5）=150mm（第5层底面拉应力计算满足要求）

路面设计层厚度:

H（5）=150mm（仅考虑弯沉）

H（5）=150mm（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600mm

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,最后得到路面结构设计结果如下:

----------------------------------------

细粒式沥青混凝土40mm

----------------------------------------

中粒式沥青混凝土80mm

----------------------------------------

粗粒式沥青混凝土120mm

----------------------------------------

水泥稳定碎石300mm

----------------------------------------

水泥石灰砂砾土150mm

----------------------------------------

新建路基

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=1.2（0.01mm）

第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.3（0.01mm）

第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.5（0.01mm）

第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.9（0.01mm）

第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=7.9（0.01mm）

路基顶面交工验收弯沉值LS=145.6（0.01mm）

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σ

（1）=-0.151（MPa）

第2层底面最大拉应力σ

（2）=-0.013（MPa）

第3层底面最大拉应力σ（3）=-0.064（MPa）

第4层底面最大拉应力σ（4）=0.121（MPa）

第5层底面最大拉应力σ（5）=0.111（MPa）

（2）方案二路面结构厚度计算

公路等级:

一级公路

新建路面的层数:

5

标准轴载:

BZZ-100

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

40

1991

201

2680

344

0.36

2

中粒式沥青混凝土

80

1425

105

2175

187

0.3

3

密级配沥青碎石

150

1248

116

1715

156

0.18

4

水泥稳定砂砾

250

2617

234

2617

234

0.24

5

级配砂砾

200

250

0

250

0

6

新建路基

40

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=1.3（0.01mm）

第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.5（0.01mm）

第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.8（0.01mm）

第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=2.8（0.01mm）

第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=10.3（0.01mm）

路基顶面交工验收弯沉值LS=145.6（0.01mm）

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σ

（1）=-0.188（MPa）

第2层底面最大拉应力σ

（2）=-0.019（MPa）

第3层底面最大拉应力σ（3）=-0.046（MPa）

第4层底面最大拉应力σ（4）=0.217（MPa）

最小防冻600mm，满足要求

二、水泥混凝土路面设计方案

水泥混凝土路面方案一

1.交通分析

表1可靠度设计标准

公路技术等级

高速公路

一级公路

二级公路

三、四级公路

安全等级

一级

二级

三级

四级

设计基准期（a）

30

30

20

20

目标可靠度（％）

95

90

85

80

目标可靠指标

1.64

1.28

1.04

0.84

变异水平等级

低

低～中

中

中～高

表2车辆轮迹横向分布系数

公路等级

纵缝边缘处

高速公路、一级公路、收费站

0.17～0.22

二级及二级以下公路

行车道宽>7m

0.34～O．39

行车道宽≤7m

O．54～0.62

由上表1，一级公路的设计基准期为30年，安全等级为二级。

由上表2，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取O.20。

计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为

属重交通等级。

2.初拟路面结构

表3水泥混凝土面层厚度的参考范围

交通等级

特重

重

公路等级

高速

一级

二级

高速

一级

二级

变异水平等级

低

中

低

中

低

中

低

中

面层厚度（mm）

≥260

≥250

≥240

270～240

260～230

250～220

交通等级

中等

轻

公路等级

二级

三、四级

三、四级

三、四级

变异水平等级

高

中

高

中

高

中

面层厚度（mm）

240～210

230～200

220～200

≤230

≤220

由表1，安全等级二级的变异水平等级为中级。

根据一级公路、重交通等级和中级变异水平等级，查表3，初拟普通混凝土面层厚度为O.25m。

基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5％），厚0.20m。

垫层为O.18m低剂量无机结合料稳定土。

普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m，长5.0m。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

3.路面材料参数确定

表4中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围（MPa）

土组

公路自然区划

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

土质砂

26～42

40～50

39～50

35～60

50～60

粘质土

25～45

30～40

25～45

30～45

30～45

粉质土

22～46

32～54

30～50

27～43

30～45

查表4，路基回弹模量取40MPa。

查表5，低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取700MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取1500MPa。

表5垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围

材料类型

回弹模量（胁）

材料类型

回弹模量（m）

中、粗砂

80～100

石灰粉煤灰稳定粒料

1300～1700

天然砂砾

150～200

水泥稳定粒料

1300～1700

未筛分碎石

180～220

沥青碎石（粗粒式，20℃）

600～800

级配碎砾石（垫层）

200～250

沥青混凝土（粗粒式，20℃）

800～1200

级配碎砾石（基层）

250～350

沥青混凝土（中粒式，20℃）

1000～1400

石灰土

200～700

多孔隙水泥碎石（水泥剂量9.5％～11％）

1300～1700

石灰粉煤灰土

600～900

多孔隙沥青碎石（20℃，沥

青含量2.5％～3.5％）

600～800

计算基层顶面当量回弹模量如下：

普通混凝土面层的相对刚度半径计算为

4．荷载疲劳应力

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kr=O.87。

考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数

。

根据公路等级，由下表，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc=1.25。

综合系数kc

公路等级

高速公路

一级公路

二级公路

三、四级公路

kc

1.30

1.25

1.20

1.10

荷载疲劳应力计算为

5．温度疲劳应力

最大温度梯度标准值Tg

公路自然区划

Ⅱ、Ⅴ

Ⅲ

Ⅳ、Ⅵ

Ⅶ

最大温度梯度（℃/m）

88～83

90～95

86～92

93～98

由上表，Ⅱ区最大温度梯度取83（℃／m）。

板长5m，

=5／0．677=7．56，由书本483页图16-14可查普通混凝土板厚h=0.25m，Bx=O.82。

最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为

温度疲劳应力系数kt，计算为（查书包484表16-29可得Ⅱ区回归系数a=0828,b=0.041,c=1.323）

计算温度疲劳应力为

查表1，一级公路的安全等级为二级，相应于二级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为90％。

再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查书本484表16-22,确定可靠度系数

=1.15。

因而，所选普通混凝土面层厚度（O.25m）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

水泥混凝土路面方案二

1．交通分析

由上表1，一级公路的设计基准期为30年，安全等级为二级。

由上表2，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取O.20。

2．初拟路面结构

由表1知，相应于安全等级二级的变异水平等级为中级。

根据一级公路重交通等级和低变异水平等级，查表3，初拟普通混凝土面层厚度为O.24m，碾压混凝土基层O.15m，底基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5％），厚O.18m，垫层为O.15m低剂量无机结合料稳定土。

水泥混凝土上面层板的平面尺寸长为5.0m、宽从中央分隔带至路肩依次为4.5m、4.5m；纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

碾压混凝土不设纵缝，横缝设假缝，间距（板长）4m。

3．路面材料参数确定

按书本480页表16-23和表16-25，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa；碾压混凝土弯拉强度标准值为4.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为27GPa。

查表4，路基土回弹模量取40MPa。

查表5，低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取700MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取1500MPa。

计算基层顶面当量回弹模量如下：

4．荷载疲劳应力

普通混凝土面层与碾压混凝土基层组成分离式复合式面层。

此时ku=O，hx=O。

复合式混凝土面层的截面总刚度，计算为

复合式混凝土面层的相对刚度半径，计算为

标准轴载在普通混凝土面层临界荷位处产生的荷载应力计算为

普通混凝土面层，因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数

=O．87；碾压混凝土基层不设纵缝，不考虑接缝传荷能力的应力折减系数

。

水泥混凝土面层，考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数

；碾压混凝土基层，考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数

。

根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数后

=1．25。

普通混凝土面层的荷载疲劳应力计算为

碾压混凝土基层的荷载疲劳应力计算为

5．温度疲劳应力

可查Ⅱ区最大温度梯度取83（℃／m）。

普通混凝土面层板长4m，

，由书本483页图16-14可由普通混凝土面层h01=O.22m，查得Bx=0.69，Cx=1.03。

最大温度梯度时普通混凝土上面层的温度翘曲应力计算为

普通混凝土面层的温度疲劳应力系数

，计算为

计算温度疲劳应力为

分离式复合式路面中碾压混凝土基层的温度翘曲应力可忽略不计。

查表1，一级公路的安全等级为二级，目标可靠度为90％，相应的变异水平等级为中。

再据此查书本480页表16-22，确定可靠度系数

。

普通混凝土面层

碾压混凝土基层

因而，拟定的由厚度0.22m的普通混凝土上面层和厚度O.12m的碾压混凝土基层组成的分离式复合式路面，可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

三、沥青路面方案与水泥混凝土路面方案技术经济比选

1沥青路面方案比选：

经过工程概算分析，两种路面结构的总造价分别为：

方案一路面每米造价5025.89元，方案二路面每米造价4474.781元。

结合经济等情况采用方案二沥青路面更加合理。

2水泥混凝土路面方案比选：

经过工程概算分析，两种路面结构的总造价分别为：

方案一路面每米造价2180.35元，方案二路面每米造价2572.82元。

考虑到路面长期使用性能，结合当地实际情况采用方案二路面。

3沥青路面方案与水泥混凝土路面方案比选：

沥青路面方案二和水泥混凝土路面方案二二者各有各的有点，在经济方面水泥混凝土路面占有效明显的优势，在技术指标方面，沥青路面优势比水泥混凝土路面要大一点，使用水泥混凝土路面方案二可能会更好些。