路面结构设计计算.docx

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路面结构设计计算

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）根据设计任务书和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和设计弯沉值。

（2）按路基土类型和干湿状态，将路基划分为几个路段，确定路段回弹模量值。

（3）根据已有经验和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和半刚性基层材料的基层、底基层，应验算拉应力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

标准轴载BZZ-100标准轴载BZZ-100

标准轴载P（kN）100单轮传压面当量圆直径d（cm）21.30

轮胎接地压力p（MPa）0.70两轮中心距（cm）1.5d

表7-2起始年交通量表

车型小汽车解放CA15东风EQ140黄河JN162

数量

（辆/d）1500800600200

1）以设计弯沉为指标及验算沥青层层底拉应力

①轴载换算

各级轴载换算采用如下计算公式：

（7-1）

式中：

N1—标准轴载的当量轴次，次/日；

ni—被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日；

P—标准轴载，kN；

Pi—被换算车辆的各级轴载，kN；

k—被换算车辆类型；

C1—轴数系数，C1=1+1.2（m-1），m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；

C2—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）

车型Pi

（KN）CiC2ni

解放CA15前轴20.9711800—

后轴70.3811800173.58

东风EQ140前轴23.7011600—

后轴69.2011600120.95

黄河JN162后轴59.501120020.90

后轴115.0011200367.34

682.77

注：

轴载小于25kN的轴载作用不计。

②累计当量轴次为：

（7-2）

式中：

Ne—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；

—年预测平均增长率，二级路取6%；

N1—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：

N1'=∑C1'*C2'*ni（pi/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力）

车型Pi（kN）C1'C2'ni（次/日）C1'*C2'*ni（pi/p）8

（次/日）

解放CA15后轴70.381180048.16

东风EQ140后轴69.201160031.55

黄河JN162前轴59.50118.52003.14

后轴115.5011200611.80

N1'=∑C1'*C2'*ni（pi/p）8694.65

注：

轴载小于50kN的轴载作用不计。

②累计当量轴次

参数值同上，累计当量轴次Ne'为：

（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和劈裂强度。

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E1=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E1=1800Mpa。

水泥稳定碎石E2=1300Mpa；石灰稳定土E3=600Mpa。

各层材料劈裂强度：

中粒式沥青混凝土=1.2Mpa；水泥稳定碎石=0.5Mpa；石灰稳定土=0.35MPa。

（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E0=23.0Mpa。

（5）设计指标的确定

①设计弯沉值

（7-5）

式中：

—路面设计弯沉值（0.01mm）；

Ac—公路等级系数，二级公路为1.1；

As—面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；

Ab—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，Ab=1.0；

所以：

=6002522505-0.21.11.01.0=34.61（0.01mm）

②各层材料容许层底拉应力

（7-6）

式中：

—路面结构层材料的容许拉应力，MPa；

—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；

—抗拉强度结构系数。

沥青混凝土面层：

=2.10

=1.2/2.10=0.57MPa

水泥稳定碎石：

=1.61

=0.5/1.61=0.31MPa

石灰土：

=2.07

=0.35/2.07=0.17MPa

式中：

Aa—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；

Ac—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。

表7-5设计资料汇总表

材料名称h（cm）20℃抗压摸量（MPa）容许拉应力（MPa）

沥青混凝土（E1）614000.57

水泥稳定碎石（E2）1513000.31

石灰土（E3）？

6000.17

（7）确定石灰土层厚度

①计算容许弯沉值

cm（7-7）

式中：

—容许回弹弯沉值，cm；

Ne—累计当量轴载作用次数；

B—回归系数，取1.1；

β—随N改变的变化率。

②计算弯沉综合修正系数F

=0.627（7-8）

式中：

F—弯沉综合修正系数；

—路面实测弯沉值，在计算路面厚度时，可用容许弯沉值；

、—标准车型的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径（cm），

通常取0.7MPa，取10.65cm；

E0—土基回弹模量。

③计算理论弯沉系数

=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：

；；；

查邓学均主编的《路基路面工程》P360页图14-14三层体系表面弯沉系数诺谟图，可得=5.80，K1=1.87。

由公式（7-10）

得：

=0.87

由K2=0.87，，，查诺谟图得：

则H=3.3×10.65==35.15cm；

④计算石灰土底基层厚度h3

根据公式27.80cm（7-11）

取最小厚度h3=28.0cm。

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

查表知沥青混凝土和石灰土的抗弯拉强度分别为：

MPa，MPa；

沥青混凝土和石灰土的抗拉强度结构系数分别为：

（7-12）

（7-13）

其容许弯拉应力分别为：

MPa（7-14）

MPa（7-15）

②验算弯拉应力

沥青混凝土层和水泥稳定碎石的计算回弹模量分为E1=1800MPa，E2=1300MPa，石灰土为E3=600MPa。

a）结构上层等效换算：

cm

换算公式为：

cm（7-16）

又，=0.72，换算后的三层体系其上层及中

下层间均是连续接触，查诺谟图知为负值，故为负值。

（7-17）

（7-18）

即面层设计满足要求。

b）验算石灰土层的弯拉应力

=21.5cm（7-19）

由，=2.63，查诺谟图可得；

又，查诺谟图可得=1.04；以及，查诺谟图可得。

MPa（7-20）

可见，设计满足要求。

故h3=28cm也满足要求。

综上所述，路面结构各层厚度分别取h1=6cm，h2=15cm，h3=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。

图7-3路面结构示意图