沥青路面结构设计.docx
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沥青路面结构设计
第四章路面结构设计
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℃,无霜期178天,最高月均温℃(7月),最低月均温℃(1月),年平均降水量685毫米。
道路沿线土质路基稠度
=;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》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
1
双轮组
1300
三菱FR415
30
51
1
双轮组
800
长征CA160
2
双轮组
<3
700
宇通ZK6820G
30
55
1
双轮组
700
北京BK6150A
2
双轮组
>3
400
解放SP9200
78
3
双轮组
>3
600
东风SP9250
3
双轮组
>3
500
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)
单轮传压面当量圆直径d(cm)
两轮中心距(cm)
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+(m-1);
C2——被换算车型的各级轴载轮组系数,单轮组为,双轮组为,四轮组为。
沥青路面营运第一年双向日平均当量轴次为:
=(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,双轮组为,四轮组为。
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:
=(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=。
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可取,本设计取
=。
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:
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:
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
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)
----------------------------------------
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)
----------------------------------------
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;基层为水泥稳定碎石,因此路面结构类型系数
为;面层为沥青混凝土面层,面层类型系数
取。
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)
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
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
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:
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
2
中粒式沥青混凝土
60
1425
0
2175
0
3
粗粒式沥青混凝土
80
978
0
1320
0
4
水泥稳定碎石
?
3188
0
3188
0
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=
H(4)=200mmLS=
H(4)=250mmLS=
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:
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
2
中粒式沥青混凝土
60
1425
0
2175
0
3
粗粒式沥青混凝土
80
978
0
1320
0
4
密级配沥青碎石
?
1248
0
1715
0
5
水泥稳定碎石
300
3188
0
3188
0
6
新建路基
46
按设计弯沉值计算设计层厚度:
LD=
H(4)=150mmLS=
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。
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=
第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=
路基顶面交工验收弯沉值
LS=(根据《公路沥青路面设计规范》公式计算)
LS=(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)=(MPa)
(MPa)
第2层底面最大拉应力σ
(2)=(MPa)
(MPa)
第3层底面最大拉应力σ(3)=(MPa)
(MPa)
第4层底面最大拉应力σ(4)=(MPa)
(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=
第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=
路基顶面交工验收弯沉值
LS=(根据《公路沥青路面设计规范》公式计算)
LS=(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)=(MPa)
(MPa)
第2层底面最大拉应力σ
(2)=(MPa)
(MPa)
第3层底面最大拉应力σ(3)=(MPa)
(MPa)
第4层底面最大拉应力σ(4)=(MPa)
(MPa)
第5层底面最大拉应力σ(5)=(MPa)
(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。