鋪面工程課程設(shè)計(jì)瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)

同濟(jì)大學(xué)鋪面工程鋪面課程設(shè)計(jì)瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)1.背景與軸載換算1.1背景Ⅳ1區(qū)某地區(qū)二級公路，當(dāng)?shù)赝临|(zhì)類型為粘性土，土的液限為35.6%，塑限為29.5%；年降雨量為1500mm；夏季最高氣溫為39℃，持續(xù)時(shí)間較長。當(dāng)?shù)厥a(chǎn)砂石料。路面寬度7米，道路上有較陡的長坡。交通組成見表2和表3。1.2軸載換算瀝青路面根據(jù)規(guī)范要求，采用下面的公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)軸載和累計(jì)軸載次數(shù)為輕交通程度。1.3環(huán)境條件及路基彈性模量路槽下80cm稠度層位12345678含水量百分比28.228.428.4928.5528.728.828.7829.11wc1.211.181.171.161.131.111.121.06平均稠度為1.143查表可得，土基回彈模量為37.14MPa。2.設(shè)計(jì)指標(biāo)根據(jù)交通繁重程度，選用半剛性基層。擬定路面結(jié)構(gòu)組合如下瀝青層8cm上面層AC-104cm下面層AC-134cm水泥石灰砂礫土h=?級配碎石底基層18cm土基E0=37.14MPa3.容許設(shè)計(jì)指標(biāo)由《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JIGD50-2006）得知：路表中心處的彎沉值不大于設(shè)計(jì)彎沉值瀝青面層的層底拉應(yīng)力不大于該層混合料容許拉應(yīng)力。半剛性基層或底基層的最大拉應(yīng)力不大于該材料層的。3．1路表設(shè)計(jì)彎沉為：0.376mm瀝青層底面容許拉應(yīng)力為：水泥石灰砂礫土基層底面容許拉應(yīng)力為：3.2軟件試算3.2.1路面彎沉設(shè)計(jì)水泥石灰砂礫土的厚度為待定厚度，假設(shè)路面彎沉等于設(shè)計(jì)彎沉。用BISAR軟件試算。各層材料的回彈模量取值如下：結(jié)構(gòu)層次彎沉計(jì)算回彈模量(MPa)彎拉應(yīng)力計(jì)算回彈模量(Mpa)瀝青層AC-1016001800AC-1315001800水泥石灰砂礫土8001500級配碎石底基層400400土基E0=37.14MPa,μ=0.4軟件計(jì)算得到的彎沉值用下式修正：試算得水泥石灰砂礫土的厚度為24.5cm。此時(shí)路表彎沉為軟件計(jì)算的理論彎沉為：0.5892mm修正后得實(shí)際彎沉0.3557mm。取厚度為24.5cm驗(yàn)算瀝青混凝土層底和水泥穩(wěn)定隨時(shí)層底拉應(yīng)力。3.2.2應(yīng)力驗(yàn)算計(jì)算點(diǎn)位為單圓輪載中心軸線及雙輪輪隙中心下，軟件中設(shè)置如下：面層底拉應(yīng)力為負(fù)值。如下圖所示表面層：下面層：b．基層底面拉應(yīng)力為0.121Mpa，符合要求。底基層的底面拉應(yīng)力更小.這里不做驗(yàn)算.3.3設(shè)計(jì)指標(biāo)比較基層厚度為24.5cm計(jì)算數(shù)值設(shè)計(jì)容許值檢驗(yàn)結(jié)果路表彎沉0.356mm0.376mm滿足面層底面拉應(yīng)力雙輪輪隙中心處負(fù)值0.628Mpa滿足單圓荷載中心軸線處負(fù)值基層底面拉應(yīng)力0.121MPa0.195MPa滿足故最后路面結(jié)構(gòu)組成為：瀝青層8cm上面層AC-104cm下面層AC-134cm水泥石灰砂礫土24.5cm級配碎石底基層18cm土基E0=37.14MPa4.材料及相關(guān)設(shè)計(jì)4.1路面材料考慮降水量超過1000mm，二級公路的瀝青表面層用粗集料磨光值應(yīng)當(dāng)滿足PSV>40，且在基層下應(yīng)設(shè)置墊層，改善排水。粗集料和瀝青應(yīng)有良好的黏結(jié)性，黏附性不低于4級。如果采用了瀝青瑪蹄脂碎石混合料，則細(xì)集料不宜使用天然砂。（在以下方案設(shè)計(jì)中體現(xiàn)）二級公路基層、底基層的集料壓碎值不大于35。4.2結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)為防止雨水滲入路面結(jié)構(gòu)層、土基中，本方案在瀝青面層采用密級配瀝青混合料。瀝青層之間設(shè)置黏層強(qiáng)化，基層上設(shè)置稀漿封層的下封層。4.3路基與墊層在路塹和強(qiáng)風(fēng)化巖石路段，應(yīng)注意填挖交界處及路塹段的排水設(shè)計(jì)。路面可能收到裂隙水等地下水影響時(shí)，應(yīng)設(shè)滲溝等排水設(shè)施加強(qiáng)路基排水。4.4面層由于有長陡坡路段，在該路段的表面層和中面層應(yīng)提高瀝青混合料的動穩(wěn)定度指標(biāo)要求。選用稠度高、60oC黏度大的瀝青、改性瀝青等。備選方案路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用開級配瀝青混凝土面層，初擬路面結(jié)構(gòu)如下。瀝青層9cm表面層OGFC-134cm下面層AC-165cm石灰土基層h=?m級配碎石底基層18cm土基E0=37.14MPaOGFC作為排水路面的表面層,規(guī)范要求最小厚度為4cm。在該面層下設(shè)置防水層。指標(biāo)驗(yàn)算2.1假設(shè)路表彎沉等于設(shè)計(jì)彎沉，確定水泥穩(wěn)定碎石層厚度。使用BISAR軟件試算如下：各層模量設(shè)置如下：結(jié)構(gòu)層次彎沉計(jì)算回彈模量(MPa)彎拉應(yīng)力計(jì)算回彈模量(Mpa)瀝青層OGFC-1310001200AC-1614001800石灰土基層7001200級配碎石底基層400400土基E0=37.14MPa,μ=0.4其中計(jì)算得水泥穩(wěn)定碎石基層厚度為28cm時(shí)，理論彎沉為0.6099mm，經(jīng)過修正，為0.376mm。2.2結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力驗(yàn)算。2.2.1面層底面拉應(yīng)力驗(yàn)算各層均為負(fù)值。計(jì)算點(diǎn)位置同原方案。表面層：下面層：2.2.3基層底面拉應(yīng)力驗(yàn)算基層底面拉應(yīng)力為0.155Mpa，符合容許值。設(shè)計(jì)指標(biāo)比較基層厚度為28cm計(jì)算數(shù)值設(shè)計(jì)容許值檢驗(yàn)結(jié)果路表彎沉0.376mm0.376mm滿足面層底面拉應(yīng)力雙輪輪隙中心處負(fù)值0.628Mpa滿足單圓荷載中心軸線處負(fù)值基層底面拉應(yīng)力0.155MPa0.195MPa滿足故最后路面結(jié)構(gòu)組成為：瀝青層9cm表面層OGFC-134cm下面層AC-165cm石灰土基層28cm級配碎石底基層18cm土基E0=37.14MPa方案比較相對于原方案，該方案有以下特點(diǎn)：采用開級配瀝青混凝土做瀝青表面層，強(qiáng)化了路面排水能力，降低了不利天氣對路面使用性能的影響。開級配瀝青混凝土面層的構(gòu)造深度較大，吸聲能力較強(qiáng)。采用模量較小的石灰土基層充分利用砂石材料，成本較低，并更大程度發(fā)揮路面結(jié)構(gòu)的受力能力。在一般情況下，盡量采用備選方案。其他背景設(shè)計(jì)背景如果該道路為高速公路，設(shè)計(jì)年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道的最大累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載為1500萬次（基層應(yīng)力驗(yàn)算為1800萬次），請進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)和其他相關(guān)考慮。Ne=1.5*107,重交通程度。2.路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1路基處理及回彈模量。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，重交通時(shí)土基回彈模量應(yīng)不小與40Mpa。這里進(jìn)行地基處理使得土基模量達(dá)到40Mpa。2.2路面結(jié)構(gòu)瀝青層20cm上面層SMA-136cm中面層AC-206cm下面層AC-258cm瀝青穩(wěn)定碎石h=?級配碎石底基層18cm土基E0=40MPa其中瀝青穩(wěn)定碎石為ATB-30，適宜厚度為9-15cm，現(xiàn)厚度待定。其中瀝青面層均為密級配,瀝青穩(wěn)定碎石基層也是密級配。3．設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)算3.1規(guī)范設(shè)計(jì)指標(biāo)路表設(shè)計(jì)彎沉為：采用柔性基層瀝青路面0.352mm瀝青層底面容許拉應(yīng)力為：瀝青穩(wěn)定碎石基層底面容許拉應(yīng)力為：3.2指標(biāo)驗(yàn)算各層模量設(shè)置如下：結(jié)構(gòu)層次彎沉計(jì)算回彈模量(MPa)彎拉應(yīng)力計(jì)算回彈模量(Mpa)瀝青層SMA-1314001600AC-2012001800AC-2512001800瀝青穩(wěn)定碎石基層10001200級配碎石底基層400400土基E0=40MPa,μ=0.43.2.1按瀝青容許彎沉設(shè)計(jì)基層厚度根據(jù)規(guī)范中4.1.4取適宜厚度11.5cm。理論彎沉為0.585mm，修正彎沉為0.351mm。3.2.2瀝青層底面最大拉應(yīng)力驗(yàn)算上面層：中面層：下面層:最大拉應(yīng)力為0.102MPa。3.2.3基層底面拉應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)力值為0.184Mpa。3.3設(shè)計(jì)指標(biāo)一覽基層厚度為11.5cm方案計(jì)算值設(shè)計(jì)容許值檢驗(yàn)結(jié)果路表彎沉0.351mm0.352mm滿足面層底面拉應(yīng)力最大值0.102MPa0.338Mpa滿足基層底面拉應(yīng)力最大值0.184Mpa0.273MPa滿足3.4最終路面結(jié)構(gòu)：瀝青層20cm上面層SMA-136cm中面層AC-206cm下面層AC-258cm瀝青穩(wěn)定碎石11.5cm級配碎石底基層18cm土基E0=40MPa4.方案評價(jià)及其他方案該方案偏向于厚面層薄基層，瀝青層厚度較大。該方案中大量使用瀝青，而且在基地應(yīng)力上安全儲備較為浪費(fèi)。在砂石產(chǎn)量比較豐富的地方應(yīng)多的使用細(xì)集料比例大的混合料以減少使用其他材料的成本。地基處理是不必要達(dá)到100Mpa。以下為第二方案主要目標(biāo):面層和基層使用粒徑小的瀝青混合料,但表面層的集料平均粒徑不能過小以達(dá)到規(guī)范的構(gòu)造深度的要求；采用更薄的面層，減少瀝青的使用；降低整體結(jié)構(gòu)厚度，減少路面結(jié)構(gòu)對路基的荷載；合理的地基處理，考慮長期的使用應(yīng)進(jìn)一步加固地基。第二方案1.路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按規(guī)范要求，重交通時(shí)應(yīng)處理地基?，F(xiàn)處理地基使得其模量為45Mpa。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：瀝青層15cm上面層SMA-134cm中面層AC-165cm下面層AC-206cm瀝青穩(wěn)定碎石基層h=?級配碎石底基層18cm土基E0=45MPa瀝青穩(wěn)定碎石層采用ATB-25。2.指標(biāo)驗(yàn)算2.1按面層頂面彎沉設(shè)計(jì)瀝青穩(wěn)定碎石層厚度模量設(shè)置如下，用試算法確定基層厚度。結(jié)構(gòu)層次彎沉計(jì)算回彈模量(MPa)彎拉應(yīng)力計(jì)算回彈模量(Mpa)瀝青層SMA-1314001600AC-1612001800AC-2012001800瀝青穩(wěn)定碎石基層10001200級配碎石底基層400400土基E0=45MPa,μ=0.4驗(yàn)算得厚度為13cm時(shí)，軟件計(jì)算的面層彎沉為0.5835mm：彎沉為0.5835mm，經(jīng)過修正后為：0.350mm。故基層最小厚度須大于13cm2.2面層底面拉應(yīng)力驗(yàn)算上面層：中面層：下面層：故面層拉應(yīng)力最大值為0.0544Mpa.2.3基層底面拉應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)力為：0.201Mpa3.4設(shè)計(jì)指標(biāo)一覽基層厚度為13cm方案計(jì)算值設(shè)計(jì)容許值檢驗(yàn)結(jié)果路表彎沉0.350mm0.352mm滿足面層底面最大拉應(yīng)力0.054Mpa0.338Mpa滿足基層底面最大拉應(yīng)力0.201Mpa0.273MPa滿足3.5路面結(jié)構(gòu)為瀝青層15cm上面層SMA-134cm中面層AC-165cm下面層AC-206cm瀝青穩(wěn)定碎石13cm級配碎石底基層18cm土基E0=45MPa3.路面材料設(shè)計(jì)（同原方案）3.1結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)面層采用了瀝青瑪蹄脂碎石混合料，則細(xì)集料不宜使用天然砂。高速公路基層、底基層的集料壓碎值不大于30。為防止雨水滲入路面結(jié)構(gòu)層、土基中，本方案在瀝青面層采用密級配瀝青混合料。粗集料和瀝青應(yīng)有良好的黏結(jié)性，黏附性不低于5級。瀝青層之間設(shè)置黏層強(qiáng)化，基層上設(shè)置稀漿封層的下封層。3.2路基與墊層在路塹和強(qiáng)風(fēng)化巖石路段，應(yīng)注意填挖交界處及路塹段的排水設(shè)計(jì)。路面可能收到裂隙水等地下水影響時(shí)，應(yīng)設(shè)滲溝等排水設(shè)施加強(qiáng)路基排水。3.3面層降水量超過1000mm，高速公路的瀝青表面層用粗集料磨光值應(yīng)當(dāng)滿足PSV>42，且在基層下應(yīng)設(shè)置墊層，改善排水。由于有長陡坡路段，在該路段的表面層和中面層應(yīng)提高瀝青混合料的動穩(wěn)定度指標(biāo)要求。選用稠度高、60oC黏度大的瀝青、改性瀝青等。高速公路表面層抗滑性能以橫向力系數(shù)和構(gòu)造深度為主要指標(biāo)。在交工驗(yàn)收時(shí)應(yīng)滿足規(guī)范要求。1.設(shè)計(jì)背景該道路為高速公路，設(shè)計(jì)年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道的最大累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載為3000萬次（基層應(yīng)力驗(yàn)算為3700萬次），請進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)和其他相關(guān)考慮。重交通程度。2.路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1路基處理及回彈模量。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，重交通時(shí)土基回彈模量應(yīng)不小與40Mpa。這里進(jìn)行地基處理使得土基模量達(dá)到50Mpa。2.2路面結(jié)構(gòu)瀝青層18cm上面層SMA-134cm中面層AC-206cm下面層AC-258cm瀝青穩(wěn)定碎石h=?級配碎石底基層18cm土基E0=50MPa其中瀝青穩(wěn)定碎石為ATB-30，適宜厚度為9-15cm，現(xiàn)厚度待定。3．設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)算3.1規(guī)范設(shè)計(jì)指標(biāo)路表設(shè)計(jì)彎沉為：采用柔性基層瀝青路面0.307mm瀝青層底面容許拉應(yīng)力為：瀝青穩(wěn)定碎石基層底面容許拉應(yīng)力為：3.2指標(biāo)驗(yàn)算3.2．1按瀝青容許彎沉設(shè)計(jì)基層厚度各層模量設(shè)置如下：結(jié)構(gòu)層次彎沉計(jì)算回彈模量(MPa)彎拉應(yīng)力計(jì)算回彈模量(Mpa)瀝青層SMA-1314001600AC-2012001800AC-2512001800瀝青穩(wěn)定碎石基層10001200級配碎石底基層400400土基E0=50MPa,μ=0.4根據(jù)規(guī)范中規(guī)定4.1.4取厚度為11cm理論彎沉為0.5335mm，修正彎沉為0.3032mm。小于容許值。3.2.2瀝青層底面最大拉應(yīng)力驗(yàn)算上面層：中面層：上、中面層底面拉應(yīng)力均為負(fù)值。下面層：故面層底面最大拉應(yīng)力值為0.0983Mpa3.2.3基層底面拉應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)力值為0.191Mpa。3.3設(shè)計(jì)指標(biāo)一覽基層厚度為11cm方案計(jì)算值設(shè)計(jì)容許值檢驗(yàn)結(jié)果路表彎沉0.303mm0.307mm滿足面層底面最大拉應(yīng)力0.098Mpa0.288Mpa滿足基層底面最大拉應(yīng)力0.191Mpa0.252MPa滿足3.4路面結(jié)構(gòu)瀝青層18cm上面層SMA-134cm中面層AC-206cm下面層AC-258cm瀝青穩(wěn)定碎石h=11cm級配碎石底基層18cm土基E0=50MPa如果該公路地處北方寒冷地區(qū)，則應(yīng)如何設(shè)計(jì)？根據(jù)20以上的凍結(jié)指數(shù)平均值，確定冰凍區(qū)劃分等級（重冰凍區(qū)、中冰凍區(qū)等）。計(jì)算多年最大凍深，進(jìn)行結(jié)構(gòu)層防凍厚度驗(yàn)算。如果總厚度小于最小防凍厚度，則應(yīng)增加防凍墊層使其滿足要求。防凍墊層的材料應(yīng)采用透水性好的粒料類材料。在確定有關(guān)材料參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮一年內(nèi)最不利季節(jié)的溫度和濕度影響。如果在高速公路、一級公路中采用半剛性基層，宜使用石灰粉煤灰穩(wěn)定集料類材料做基層、底基層。在中、重冰凍區(qū)應(yīng)檢驗(yàn)半剛性基層和底基層的抗凍能力?？稍谑曳勖夯曳€(wěn)定集料里摻水泥或者其他早強(qiáng)劑，提高早期強(qiáng)度或越冬的抗凍性能面層設(shè)計(jì)：a.選用合適的瀝青混合料達(dá)到足夠的低溫抗裂性，對于高速公路、一級公路表面層宜在-10oC進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，檢驗(yàn)密級配瀝青混凝土的低溫抗裂性。b.當(dāng)拌制瀝青混凝土無法達(dá)到低溫抗裂性的技術(shù)要求時(shí)