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沥青路面结构设计

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态，根据公路自然区划可知济南绕城高速处于

区，根据【JTGD50-2006】《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HF140A

18.9

41.8

1

双轮组

1300

三菱FR415

30

51

1

双轮组

800

长征CA160

45.2

83.7

2

双轮组

<3

700

宇通ZK6820G

30

55

1

双轮组

700

北京BK6150A

48.5

71.2

2

双轮组

>3

400

解放SP9200

31.3

78

3

双轮组

>3

600

东风SP9250

50.7

113.3

3

双轮组

>3

500

1.2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）；

C1——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γ=0.04。

又该路设计为双向四车道，由【JTGD50-2006】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【JTGD50-2006】《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【JTGD50-2006】《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40mm

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

中粒式沥青混凝土60mm

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

粗粒式沥青混凝土80mm

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

水泥稳定碎石待设计

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

级配碎石200mm

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40mm

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

中粒式沥青混凝土60mm

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

粗粒式沥青混凝土80mm

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

密集配沥青碎石待设计

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

水泥稳定碎石300mm

（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》（JTGE20-2011）与《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）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

水泥稳定碎石

劈裂强度（MPa）

1.2

1.0

0.8

0.6

0.6

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）

3188

250

400

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

密级配沥青碎石

20℃抗压回弹模量（MPa）

1991

1425

978

1248

15℃抗压回弹模量（MPa）

2680

2175

1320

1715

由前面计算所得相关参数，计算路面各结构层容许拉应力σR，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

Ne

Ac

Ks

σsp

σR（MPa）

细粒式沥青混凝土

1.72

107

1.0

3.52

1.2

0.34

中粒式沥青混凝土

1.72

107

1.0

3.52

1.0

0.28

粗粒式沥青混凝土

1.72

107

1.0

3.52

0.8

0.23

密级配沥青碎石

1.72

107

1.0

3.52

0.6

0.17

水泥稳定碎石

1.81

107

1.0

2.20

0.6

0.27

1.4路面结构层厚度确定

根据设计资料,利用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

40

1991

0

2680

0

0.34

2

中粒式沥青混凝土

60

1425

0

2175

0

0.28

3

粗粒式沥青混凝土

80

978

0

1320

0

0.23

4

水泥稳定碎石

?

3188

0

3188

0

0.27

5

级配碎石

200

400

0

400

0

6

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）=200mmLS=23.3（0.01mm）

H（4）=250mmLS=20.1（0.01mm）

H（4）=229mm（仅考虑弯沉）

按容许拉应力计算设计层厚度:

H（4）=229mm（第1层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=229mm（第2层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=229mm（第3层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=229mm（第4层底面拉应力计算满足要求）

路面设计层厚度:

H（4）=229mm（仅考虑弯沉）

H（4）=229mm（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-1040mm

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

中粒式沥青混凝土AC-1660mm

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

粗粒式沥青混凝土AC-2580mm

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

水泥稳定碎石300mm

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

级配碎石200mm

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

新建路基

验算路面防冻厚度:

路面最小防冻厚度为500mm

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:

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

40

1991

0

2680

0

0.34

2

中粒式沥青混凝土

60

1425

0

2175

0

0.28

3

粗粒式沥青混凝土

80

978

0

1320

0

0.23

4

密级配沥青碎石

?

1248

0

1715

0

0.17

5

水泥稳定碎石

300

3188

0

3188

0

0.27

6

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）=150mmLS=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）=150mm（仅考虑弯沉）

按容许拉应力计算设计层厚度:

H（4）=150mm（第1层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=150mm（第2层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=150mm（第3层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=150mm（第4层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=150mm（第5层底面拉应力计算满足要求）

路面设计层厚度:

H（4）=150mm（仅考虑弯沉）

H（4）=150mm（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-1040mm

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

中粒式沥青混凝土AC-1660mm

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

粗粒式沥青混凝土AC-2580mm

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

密级配沥青碎石ATB-30150mm

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

水泥稳定碎石300mm

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

新建路基

验算路面防冻厚度:

路面最小防冻厚度为500mm

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

40

1991

0

2680

0

1

2

中粒式沥青混凝土

60

1425

0

2175

0

1

3

粗粒式沥青混凝土

80

978

0

1320

0

1

4

水泥稳定碎石

300

3188

0

3188

0

1

5

级配碎石

200

400

0

400

0

1

6

新建路基

46

1

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（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σ

（1）=-0.197（MPa）

0.34（MPa）

第2层底面最大拉应力σ

（2）=-0.014（MPa）

0.28（MPa）

第3层底面最大拉应力σ（3）=-0.07（MPa）

0.23（MPa）

第4层底面最大拉应力σ（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

1991

0

2680

0

1

2

中粒式沥青混凝土

60

1425

0

2175

0

1

3

粗粒式沥青混凝土

80

978

0

1320

0

1

4

密级配沥青碎石

150

1248

0

1715

0

1

5

水泥稳定碎石

300

3188

0

3188

0

1

6

新建路基

46

1

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1层底面最大拉应力σ

（1）=-0.184（MPa）

0.34（MPa）

第2层底面最大拉应力σ

（2）=0.008（MPa）

0.28（MPa）

第3层底面最大拉应力σ（3）=-0.038（MPa）

0.23（MPa）

第4层底面最大拉应力σ（4）=-0.024（MPa）

0.17（MPa）

第5层底面最大拉应力σ（5）=0.18（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。

1.6方案比选

方案一：

面层共设三层，分别为细粒式沥青混凝土40mm、中粒式沥青混凝土60mm、粗粒式沥青混凝土80mm。

面层总厚度180mm，采用半刚性基层，结构层层数共5层，结构总厚度为680mm。

方案二：

面层共设三层，分别为细粒式沥青混凝土40mm、中粒式沥青混凝土60mm，粗粒式沥青混凝土80mm。

面层总厚度180mm，采用柔性基层，结构层层数共5层，结构总厚度为630mm。

按照【JTGD50-2006】《公路沥青路面设计规范》，我国沥青路面以弯沉值和弯拉应力为设计指标，路面结构弯沉值越大，路面的寿命所受影响越大。

方案二路面弯沉值小于方案一，且方案二除上面层外其他层的弯沉值均小于方案一。

表明方案二的整体材料受力均匀，方案二为柔性基层相较方案一的半刚性基层反射裂缝较少。

其次从材料经济角度分析，方案二材料更易获得，从施工角度分析，方案二材料更少，施工宜选方案二。

综上所述，在两个方案都能够满足现有交通情况及当地条件下，选择方案二在性能指标、经济性上更优，故选择方案二作为实施方案。

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