路面結構設計

1、5.路面結構設計瀝青路面交通量及軸載計算分析路面設計以單軸載雙輪組100KN為標準軸載。1）以設計彎沉值為指標及驗算瀝青層層底拉應力中的累計當量軸次: 軸載換算：k軸載換算采用如下的計算公式：NC1c2nMR/P）4.35i 1計算結果如下表所示：表5.1軸載換算表型號Pi(KN)CC2n（次/日）GQni(PP) 4.35(次/日)桑塔納前軸12.016.421801.382000后軸18.016.421808.04江淮前軸17.016.42300.66AL6600后軸26.5112300.71黃海前軸49.016.4420120.72DD680后軸91.511420285.38北京前軸13

2、.416.42400.25BJ130后軸27.4112400.86EQ140前軸23.616.46708.02后軸69.311670135.91黃河前軸58.616.4828518.28JN163后軸114118281464.09東風前軸50.716.4320106.69SP9250后軸113.3113201652.61k _ _4 35NGC2n P/P4303.60i 1累計當量軸次1 / 15根據(jù)公路瀝青路面設計規(guī)范 JTG D50-2006，高速公路瀝青路面的設計年 限取15年，四車道的車道系數(shù)是取0.5。累計當量軸次：t TOC o 1-5 h z 11365Ne Ni15365 4

3、303.60 0.518918830 (次)1 0.06449365 4303.60 0.518918830 (次)0.064492）驗算半剛性基層層底拉應力中的累計當量軸次軸載換算k驗算半剛性基層層底拉應力軸載換算公式：N C1C2ni（Pi / P）8i 1計算結果如下表所示:表5.2軸載換算結果（半剛性基層層底拉應力）型號Pi(KN)CGni（次/日）GCni(Pi/P) 8(次/ 日)桑塔納2000前軸12.0118.521800.00后軸18.0118.521800.04江淮AL6600前軸17.0118.52300.00后軸26.5112300.01黃海DD680前軸49.0118

4、.542025.82后軸91.511420206.36北京BJ130前軸13.4118.52400.00后軸27.4112400.01EQ140前軸23.6118.56700.12后軸69.31167035.64黃河JN163前軸58.6118.5828213.00后軸114118282361.94東風SP9250前軸50.7518.5320129.23后軸113.3513204344.69kNCyn P/p8i 17316.87累計當量軸次參數(shù)取值同上，設計年限是15年，車道系數(shù)取0.52 / 15累計當量軸次:tNeNeN1151 0.064491、，、0.06449 365 7316.8

5、7 0.5 32165257 （次）0.064495.1.2結構組合設計及材料選取1）擬訂路面結構組合方案根據(jù)規(guī)定推薦結構，并考慮到公路沿途有大量碎石且有石灰供應， 路面結構 面層采用瀝青混凝土（取18cm）,基層采用水泥碎石（取20cm）,下基層采用 石灰土（厚度待定）。另設20cm厚的中粗砂墊層。2）擬訂路面結構層的厚度由于計算所得的累計當量軸載達到了 500萬次，按一級路的路面來設計，由 設計規(guī)范公路瀝青路面設計規(guī)范 JTG D50-2006規(guī)定高速公路、一級公路的 面層由二層至三層組成。采用三層式瀝青面層，表面層采用細粒式密級配瀝青混 凝土（厚度為4cm）,中面層采用中粒式密級配瀝青混

6、凝土（厚度為 6cm）,下 面層采用粗粒式密級配瀝青混凝土（厚度為 8cm）。5.1.3設計指標及設計參數(shù)確定1）確定路面等級和面層類型由上面的計算得到設計年限內(nèi)一個行車道上的累計標準軸次約為大于500萬次。根據(jù)規(guī)范公路瀝青路面設計規(guī)范JTG D50-2006和設計任務書的要求可確定路面等級為高級路面，面層類型采用瀝青混凝土，設計年限為15年。2）確定土基的回彈模量此路為新建路面，根據(jù)設計資料可知路基干濕狀態(tài)為干燥狀態(tài)。根據(jù)設計資料，由設計規(guī)范公路瀝青路面設計規(guī)范JTG D50-2006，該路段處于112a區(qū)，為粉質(zhì)土，確定土基的稠度為 1.05。 查設計規(guī)范公路瀝青路面設計規(guī)范JTG D50

7、-2006中“二級自然區(qū)劃各土組土基回彈模量參考值（MPa）”表并作提高得土基回彈模量為E0 37.0MPa.3）各層材料的設計參數(shù)（抗壓模量與劈裂強度）3 / 15查設計規(guī)范公路瀝青路面設計規(guī)范 JTG D50-2006，得到各層材料的抗壓模量和劈裂強度?？箟耗Ａ咳?0oC和15oC的模量，各值均取規(guī)范給定范圍的中值，因此得到20oC和15oC的抗壓模量：細粒式密級配瀝青混凝土為 1400MPa 和2000MPa,中粒式密級配瀝青混凝土為 1200MPa和1800MPa,粗粒式密級配 瀝青混凝土為1000MPa和1400MPa,水泥石石（20oC或15C）為1500MPa,石灰土（ 20oC

8、或15C）為550MPa,中粗砂（20oC或15C）為90MPa。各層材料的劈裂強度：細粒式密級配瀝青混凝土為 1.2MPa,中粒式密級配瀝青混凝土 為1.0MPa粗粒式密級配瀝青混凝土為 0.8MPa,水泥石石為0.5MPa,石灰土為0.225MPa。5.1.4路面結構厚度計算1）根據(jù)設計彎沉值計算路面厚度設計指標的確定，對于高速公路，規(guī)范要求以設計彎沉值作為設計指標，并 進行結構層底拉應力驗算。2）計算設計彎沉值按照設計規(guī)范公路瀝青路面設計規(guī)范 JTG D50-2006中路面設計彎沉值 公式Ld = 600Ne0.2AA5Ab計算。該項公路為高速公路，公路等級系數(shù)為1.0,面層是 瀝青混凝

9、土，面層類型系數(shù)取1.0,半剛性基層，基層類型系數(shù)取1.0。設計彎沉值為：ld 600Ne 0.2AcAsAb 600 18918830 0.2 1 1 1 21.03（0.01mm）3）計算各層材料的容許層底拉應力由 R S/Ks瀝青混凝土 ：Ks 0.09Ne022 /Ac 0.09 32165257022/1.0 4.035細粒式密級配瀝青混凝土：RS/KS 1.2/4.035 0.297MPa中粒式密級配瀝青混凝土：r s/Ks 1.0/4.035 0.248MPa4 / 15粗粒式密級配瀝青混凝土:R S/KS 0.8/4.035 0.198MPa水泥碎石：KS 0.35Ne0.11

10、/Ac 0.35 3216525701/1.0 2.344R S/KS 0.5/2.344 0.213MPa R S S石灰土：KS 0.45Ne0.11/Ac 0.45 321652570,1/1.0 3.013RS/KS 0.225/3.013 0.075MPaR S S設計資料總結如下：設計彎沉值為21.03(0.01mm),相關設計資料匯總如下表所示。表5.3設計資料匯總表材料名稱h(cm)20 C模量15 C模量容許拉應力細粒式瀝青混凝土4140020000.297中粒式瀝青混凝土6120018000.248粗粒式瀝青混凝土8100014000.198水泥碎石20150015000.

11、213石灰土?5505500.075墊 層20180180一4)查圖法求計算層厚度 TOC o 1-5 h z 由上述計算可知設計彎沉值1d 21.03(0.01mm)，令ls ld,求綜合彎沉 系數(shù)F。 0.380.36則F 1.63 -L旦2000P0.380.3621.0337.01.63 2000 10.650.70.49025 / 15計算實際彎沉系數(shù)LsE12000 pLsE12000 p21,03 14001.9742000 0.710.65計算理論彎沉系數(shù)計算理論彎沉系數(shù)s 1.974s 1.974F 0.45464.343查三層體系表面彎沉系數(shù)諾謨圖 對于細粒式密級配瀝青混凝

12、土查三層體系表面彎沉系數(shù)諾謨圖 對于細粒式密級配瀝青混凝土因為410.650.38巨E1120014000.86EE23712000.031E2查圖得E1因為410.650.38巨E1120014000.86EE23712000.031E2查圖得E16.3h、旦查圖得1.64E2&和K2E2lK16.34.3430.42 ,查圖得 -1.645.8計算中層厚度計算中層厚度H H /5.8 10.65 61.77cmH H /5.8 10.65 61.77cm15002.4則解得計算石灰土層厚度, 1200h5 215002.4則解得計算石灰土層厚度, 1200h5 2:5501200hfc 3

13、6.55cm貝 U 取 h5 37cm6 / 155.1.5路面結構驗算驗算瀝青混凝土各面層及半剛性基層、底基層的層底彎拉應力1）瀝青面層層底拉應力驗算（此時取15oC抗壓模量）細粒式密級配瀝青混凝土表層驗算 h 4 cmn 1由H=n 1由H=hkk i 10.9 Ek Ei 1目口一1400(1500550” ”即 H 6 8 09 20 09 37 0938.29cm、18001180011800由 00.38、 3829 3.60、 且 3 0.02 和10.6510.65E2 1800E黑。9查圖圖中沒有所查的相應數(shù)據(jù)，即s、mm2均小于零，因此可知層底不產(chǎn)生 拉應力，產(chǎn)生壓應力，即

14、滿足要求。中粒式密級配瀝青混凝土表層驗算i 匚 OCCC則 hhk4（ 4 41 6 10.1cm TOC o 1-5 h z k 1, Ei1800Hhk0.9 Ek 8 20 09 1500 37 09 55042.7cmk i 1 k Ei 1.1400.1400由 h 101 0.95、 427 4.01、E0 -3 0.03和10.6510.65E2 1400E2 1400 0.78 查圖E11800圖中沒有所查的相應數(shù)據(jù)，即s、m1、m2均小于零，因此可知層底不產(chǎn)生 拉應力，產(chǎn)生壓應力，即滿足要求。粗粒式密級配瀝青混凝土表層驗算一. i E則 h hk4 k 1Ei7 / 1544

15、 2000140018.8cm4 180044 2000140018.8cm4 18008,1400:0任 20 3T1032.14cm由 h 3 1.77、H10.65必!！ 3.02、旦 -3L 0.02和10.65E2 150012卷0 1.07查圖圖中沒有所查的相應數(shù)據(jù)，即s、m1、m2均小于零，因此可知層底不產(chǎn)生拉應力，產(chǎn)生壓應力，即滿足要求。2）水泥碎石基層層底拉應力驗算k 1hk,2000, 18004 4 k 1hk,2000, 18004 4 6 4,150015004 1400 15002038.44cmH 37cm皿 3.61, H 37cm皿 3.61, H 工 3.4

16、7、210.6510.65E2375500.07、和E155015000.37查圖0.13MPa、mE155015000.37查圖0.13MPa、m1 1.36, m20.68 ,又有p 0.7p m1m20.7 0.131.360.68 0.084MPa 0.213MPa即滿足要求。3）石灰土基層層底拉應力驗算一 i E.則 h hk4 一k 1 Ei/ 2000, 18004 1 / 2000, 18004 1 1500 6 ,1500,14008 1150020 38.44cmH 37cm8 / 1538.44 361H 3710.65. ， 10.653.47、E0E3738.44 3

17、61H 3710.65. ， 10.653.47、E0E375500.07、和E2E孤037查圖0.22MPa、n1 1.07, n20.35 ,又有p 0.7p n1n20.7 0.22 1.070.350.058MPa 0.075MPa即滿足要求。5.1.5.2 季節(jié)性冰凍地區(qū)瀝青混凝土路面防凍厚度驗算因為該地區(qū)土基干濕類型為假定為干燥土基，且設計任務書中相關資料不 全，所以不作路面防凍厚度驗算。5.1.6瀝青混合料配合比設計熱拌瀝青棍合料的配合比設計應遵照下列步驟進行：1）目標配合比的設計階段，按規(guī)范中規(guī)定的礦料級配，用工程實際使用的 材料計算各種材料的用量比例，進行馬歇爾試驗，確定最佳

18、瀝青用量。以礦料級 配及瀝青用量作 目標配合比，供拌和機確定各冷料倉的供料比例、進料速度及 試拌使用。2）生產(chǎn)配合比設計階段，瀝青混凝土采用間歇式拌和機拌和，從二次篩分 后進入各熱料倉的材料取樣進行篩分， 以確定各熱料倉的材料比例，供拌和機控 制室使用。同時反復調(diào)整冷料倉比例以達到供料均衡， 并取目標配合比設計的最 佳瀝青用量及其土 0.3 %之間的三個瀝青用量進行馬歇爾試驗，確定生產(chǎn)配合比 的最佳瀝青用量。3）生產(chǎn)配合比驗證階段，拌和機采用生產(chǎn)配合比進行試拌，鋪筑試驗段， 并用拌和的瀝青混合料及路上鉆取的芯樣進行馬歇爾試驗，由此確定生產(chǎn)用的標準配合比。標準配合比的礦料級配中，0.074mm

19、2.5mm 5mmE檔的篩孔通過率 接近要求級配的中值。經(jīng)設計確定的標準配合比在施工過程中不得隨意變更，生產(chǎn)過程中，如遇進場材料發(fā)生變化，經(jīng)檢測瀝青混合料的礦料級配、馬歇爾技術指標不符合要求時， 應及時調(diào)整配合比，使瀝青混合料質(zhì)量符合要求并保持相對穩(wěn)定， 必要時重新進 行配合比設計。9 / 155.2水泥路面設計任務書規(guī)定：應設計服務區(qū)或收費站處的路面為水泥混凝土路面父通量分析由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D40-2003) 表3.0.1 (下同，均 為規(guī)范中表號)，高速公路的設計基準期為30年，安全等級為一級。由表A.2.2,臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)取0.22。取交通量年平均

20、增長率為6.449%。按式(A.2.2)計算得到設計基準期內(nèi)設計車道標準荷載累計作用次數(shù)為tNNs 1 g1 365egr3069071 0.6449_LJ65 0.22 43158387 次0.6449屬特重交通等級。結構組合設計及材料選取1)初擬路面結構由表3.0.1,相應于安全等級一級的變異水平等級為低級。根據(jù)高速公路、 特重交通等級和低級變異水平等級，查表4.4.6,初擬普通混凝土面層厚度為0.28m?；鶎舆x用水泥粉煤灰碎石，厚 0.20m。墊層為0.15m低劑量無機結合料 穩(wěn)定土。普通混凝土板的平面尺寸為寬4.5m,長5.0m?？v縫為設拉桿平縫，橫縫為設傳力桿的假縫。2)路面材料參數(shù)

21、確定按表3.0.6,取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為5.0MPa,相應彎拉彈性模量標準值為31GPa。查附錄F.1,路基回彈模量取37.0MPa。查附錄F.2,低劑量無機結合料穩(wěn)定 土墊層回彈模量取600MPa,水泥粉煤灰碎石基層回彈模量取1300MPa。路面厚度設計計算按式(B. 1. 5)計算基層頂面當量回彈模量如下:ExhjE hExhjE h2E212h2_221300 0.22 600 0.1520.22 0.1521048MPa10 / 15 TOC o 1-5 h z E1h13 E2h；h1A 21112124EhE2h21300 0.23 600 0.1531212-20.

22、2 0.151141300 0.2 600 0.153.083hx 3 12Dx/Ex 3 12 3.083/1048 0.328m r 0.537h3Ec/Et 0.537 0.28 3 31000/165 0.861m0.456.22 1 1.51 ExE06.22 1 1.510.456.22 1 1.51 ExE06.22 1 1.511048370.454.1340.55b 1 1.44 且 0.55b 1 1.44 且 1 1.44E。0.551048370.771Et1/3b _ ExEt1/3b _ Ex0.771 crahx E0 4.134 0.32837E01/31048

23、37197 MPa普通混凝土面層的相對剛度半徑按式(B. 1. 3.2)計算為1)荷載疲勞應力按式(B.1.3),標準軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應力計算為ps 0.077r0.6h 2 0.077 0.8610.6 0.28 2 0.898MPa ps因縱縫為設拉桿平縫，接縫傳荷能力的應力折減系數(shù)kr=O87o考慮設計基準期內(nèi)荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數(shù) kf Nen (43158387)0.057 2.724。根據(jù)公路等級，由表 B.1.2,考慮偏載和動 載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù) kc=1.30o按式(B. 1. 2),荷載疲勞應力計算為dr krkfkc dS 0.87

24、2.724 1.3 0.898 2.766MPapi I c ps2)溫度疲勞應力由表3.0.8, II區(qū)最大溫度梯度取 88(C /m)0板長5m, l/r=5/0.923=5.4191,由 圖B.2.2可查普通混凝土板厚h=0.28m, Bx=0.42。按式(B.2.2),最大溫度梯度時 混凝土板的溫度翹曲應力計算為11 / 15tmcEchTg dBx_ 5_ _1 1031000 0.28 8820.42 1.604MPatmcEchTg dBx_ 5_ _1 1031000 0.28 8820.42 1.604MPa溫度疲勞應力系數(shù)kt,按式（B.2.3）計算為ktkatmctmfr

25、50-5. 0.8281.6041.60451.3230.0410.446再由式（B.2.1）計算溫度疲勞應力為trkt tm 0.446 1.604 0.715MPa查表3.0.1,高速公路的安全等級為一級，相應于一級安全等級的變異水平 等級為低級，目標可靠度為 95%。再據(jù)查得的目標可靠度和變異水平等級，查 表3.0.3,確定可靠度系數(shù)丫 r=1.33o按式（3.0.3）r pr tr 1.33 (2.766 0.715) 4.630MPa fr 5.0MPa因而，所選普通混凝土面層厚度0.28m可以承受設計基準期內(nèi)荷載應力和溫 度應力的綜合疲勞作用。5.2.4接縫構造設計縱向接縫1）縱向接縫的布設應路面寬度和施工鋪筑寬度而定：一次鋪筑寬度小于路面寬度，應設置縱向施工縫?？v向施工縫采用平縫 形式，上部鋸切槽口，深度為 40mm,寬度為8mm,槽內(nèi)灌塞填縫料，構造如 圖5.1.1a）所示；一次鋪筑寬度大于4.5m,應設置縱向縮縫。縱向縮縫采用假縫形式， 鋸切的槽口深度應大于施工縫的槽口深度。采用半剛性基層，槽口深度為板厚的2/5，取12