7、2 路面结构设计7.2.1 路面结构设计步骤新建沥青路面按以下步骤进行路面结构设计:(1) 根据设计任务书与路面等级及面层类型,计算设计年限内一个车道的累计当量轴次与设计弯沉值。

(2) 按路基土类型与干湿状态,将路基划分为几个路段,确定路段回弹模量值。

(3) 根据已有经验与规范推荐的路面结构,拟定几中可能的路面结构组合及厚度方案,根据选用的材料进行配合比实验及测定结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度,确定各结构层材料设计参数。

(4) 根据设计弯沉值计算路面厚度。

对二级公路沥青混凝土面层与半刚性基层材料的基层、底基层,应验算拉应力就是否满足容许拉应力的要求。

如不满足要求,或调整路面结构层厚度,或变更路面结构层组合,或调整材料配合比,提高材料极限抗拉强度,再重新计算。

7.2.2 路面结构层计算该路位于中原黄河冲积平原区,地质条件一般为a)第一层:冲积土;b)第二层:粘质土;c)第三层:岩石。

平原区二级汽车专用沥青混凝土公路,路面使用年限为12年,年预测平均增长率为6%。

(1)轴载分析本设计的累计当量轴次的计算以双轮组单轴载100kN为标准轴载,以BZZ-100表示。

标准轴载的计算参数按表7-1确定。

表7-1 标准轴载计算参数① 轴载换算各级轴载换算采用如下计算公式:4.351121()ki i i p N c c n p==∑(7-1)式中:N 1—标准轴载的当量轴次,次/日;n i —被换算车辆的各级轴载作用次数,次/日; P —标准轴载,kN;P i —被换算车辆的各级轴载,kN; k —被换算车辆类型;C 1—轴数系数,C 1=1+1、2(m-1),m 就是轴数。

当轴间距大于3m 时,按单独的一个轴载计算,当轴间距小于3m 时,应考虑轴系数;C 2—轮组系数,单轮组为6、4,双轮组为1、0,四轮组为0、38。

计算结果如下表7-3所示。

表7-3 轴载换算结果表(弯沉)② 累计当量轴次为:112[(1)1]365(10.06)1365682.770.600.062522505t e N N γηγ+-⨯=+-=⨯⨯⨯=次(7-2)式中:N e —累计当量轴次;η—车道系数,规范规定二级公路η值为0、60~0、70,取0、60;t —路面使用年限,二级公路取12年; γ—年预测平均增长率,二级路取6%; N 1—标准轴载的当量轴次,次/日。

2)验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次 ① 轴载换算验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为:N 1'=∑C 1'*C 2'*n i (p i /p)8 (7-3)计算结果如表7-4所示。

表7-4 轴载换算结果表(半刚性基层层底拉应② 累计当量轴次参数值同上,累计当量轴次N e '为:''112[(1)1]365(10.06)1365694.650.600.062566396t e N N γηγ+-⨯=+-=⨯⨯⨯=次(7-4)(2)路面结构组合材料选取经计算路面设计使用年限内一个车道上累计标准轴次为250万次左右,根据规范推荐结构,并考虑到当地材料供用条件,决定面层采用沥青混凝土路面(6cm),基层采用水泥混凝土稳定基层(水泥碎石15cm),底基层采用石灰稳定土(厚度待定)。

(3)各层材料的抗压模量与劈裂强度的选定查邓学均主编的《路基路面工程》表14-13、14-14,得到各层材料的抗压模量与劈裂强度。

路面设计弯沉值计算路面结构厚度时,取20℃的抗压模量,中粒式密级配沥青混凝土E 1=1400Mpa,验算层底弯拉应力时,取15℃的抗压模量,中粒式沥青混凝土E 1=1800 Mpa 。

水泥稳定碎石E 2=1300 Mpa;石灰稳定土E 3=600 Mpa 。

各层材料劈裂强度:中粒式沥青混凝土1σ=1、2 Mpa;水泥稳定碎石2σ=0、5 Mpa;石灰稳定土3σ=0、35 MPa 。

(4)土基回弹模量的确定该路段处于Ⅳ2区,为粘质土,稠度0、9,查邓学均主编的《路基路面工程》表14-9得土基回弹模量E 0=23、0Mpa 。

(5)设计指标的确定 ① 设计弯沉值dl0.2600decsbl N A A A -=(7-5)式中:dl —路面设计弯沉值(0、01mm);A c —公路等级系数,二级公路为1、1; A s —面层类型系数,沥青混凝土面层为1、0;A b —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,A b =1、0;所以:dl =600⨯-0、2⨯1、1⨯1、0⨯1、0=34、61(0、01mm)② 各层材料容许层底拉应力/R SP SK σσ=(7-6)式中:Rσ—路面结构层材料的容许拉应力,MPa;SPσ—结构层材料的极限抗拉强度,MPa,由实验确定。

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。

沥青混凝土面层:0.220.220.09 1.025225050.09/ 1.1ec Ks A N A α⨯⨯===2、10/R SP SK σσ==1、2/2、10=0、57MPa水泥稳定碎石:0.110.110.3525663960.35/ 1.1ec Ks N A ⨯===1、61/R SP S K σσ==0、5/1、61=0、31MPa石灰土:0.110.110.4525663960.45/ 1.1ec Ks N A ⨯===2、07/R SP S K σσ==0、35/2、07=0、17MPa式中:A a —沥青混合料级配系数;细、中粒式沥青混凝土为1、0,粗粒式沥青混凝土为1、1;A c —公路等级系数,二级公路取1、1。

(6)设计资料总结经计算路面设计弯沉值为34、61(0、01mm),相关设计资料汇总如表7-5。

① 计算容许弯沉值Rl0.21.1 1.1 1.00.0632522505R c s e B l A A N β==⨯⨯=cm(7-7)式中:Rl —容许回弹弯沉值,cm; N e —累计当量轴载作用次数; B —回归系数,取1、1;β—Rl 随N 改变的变化率。

② 计算弯沉综合修正系数F0.360.360.380.3800.06323.01.63() 1.63()2210.650.7S lE F p δ⎛⎫⎛⎫==⨯⨯ ⎪⎪⨯⎝⎭⎝⎭=0、627(7-8)式中:F —弯沉综合修正系数;Sl —路面实测弯沉值,在计算路面厚度时,可用容许弯沉值;P 、δ—标准车型的轮胎接地压强(MPa)与当量圆半径(cm),通常P 取0、7MPa,δ取10.65cm; E 0—土基回弹模量。

③ 计算理论弯沉系数ca10.063140020.7210.650.627R c l E p Fαδ⨯⨯==⨯⨯⨯=9、43(7-9)用三层体系为计算体系,将四层体系按照弯沉等效的原则换算为三层体系。

换算图式如图7-1所示。

图7-1 多层体系换算示意图由已知参数求得:60.56310.65hδ== ;2113000.931400E E ==;0223.00.01761300E E ==; 查邓学均主编的《路基路面工程》P 360页图14-14三层体系表面弯沉系数诺谟图,可得α=5、80,K 1=1、87。

由公式21c a K K α=(7-10)得:219.435.8 1.87c K Kαα==⨯=0、87 由K 2=0、87,020.0176EE =,0.563hδ=,查诺谟图得:3.3H δ=则 H=3、3×10、65==35、15cm; ④ 计算石灰土底基层厚度h 3 根据公式233 2.42.4235.15156001300H h h E E --===27、80 cm(7-11)取最小厚度h 3=28、0 cm 。

由于本路段属于Ⅳ2区,常年无冻土出现,因此不必进行防冻验算。

(8)各层底弯拉应力的验算先把四层体系换算成当量三层体系,此时第一层用15℃抗压模量,其余各层抗压模量不变,换算成当量层三层体系如图7-2所示。

图7-2 体系换算示意图① 确定允许弯拉应力查表知沥青混凝土与石灰土的抗弯拉强度分别为:1.2A S =MPa,0.35L S =MPa;沥青混凝土与石灰土的抗拉强度结构系数分别为:0.20.20.120.122522505 2.081.1SA e C K N A ==⨯=(7-12)0.10.10.40.42566396 1.591.1SL e C K N A =⨯=⨯=(7-13)其容许弯拉应力分别为:1.20.582.08A RA SAS K σ===MPa(7-14)0.350.221.59L RL SL S K σ===MPa(7-15)② 验算弯拉应力沥青混凝土层与水泥稳定碎石的计算回弹模量分为E 1=1800MPa,E 2=1300MPa,石灰土为E 3=600 MPa 。

a)结构上层等效换算:16h h ==cm 换算公式为:23152863.42H h h ==⨯=cm(7-16) 又60.56310.65hδ==,2113001800EE ==0、72,换算后的三层体系其上层及中下层间均就是连续接触,查诺谟图知σ为负值,故112r p m m σσ=为负值。

0.20.20.120.122522505 2.081.1s e c K N A ==⨯= (7-17)11.20.582.08A RA r S S K σσ===>(7-18)即面层设计满足要求。

b)验算石灰土层的弯拉应力215h h h === 21.5cm(7-19) 由0323.00.038600E E ==,2810.65H δ==2、63,查诺谟图可得0.34σ=; 又320.33E E =,查诺谟图可得1n =1、04;以及21.5 2.0210.65h δ==,查诺谟图可得20.78n =。

120.70.34 1.040.780.19L p n n σσ==⨯⨯⨯=MPa(7-20) 可见,L RL σσ<设计满足要求。

故h 3=28cm 也满足要求。

综上所述,路面结构各层厚度分别取h 1=6cm,h 2=15cm,h 3=28cm 。

经过上述的设计,计算及验算,最终拟定路面结构图如图7-3所示。

水泥稳定碎石土基石灰土中粒式沥青混凝土图7-3 路面结构示意图。