水泥稳定碎石基层沥青路面结构.docx
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水泥稳定碎石基层沥青路面结构
1工程概况
东北地区某高速公路，设计车速100km/小时，设计使用年限15年。
所在地区自然区划属Ⅱ-2区，沥青路面气候分区属2-2区，年均降雨量607毫米，年平均气温11.6℃，月平均气温最低为-3.2℃，月平均气温最高为24.8℃，多年最低气温为-20℃。
2交通参数
交通参数分析详见2.5.2节交通参数示例。
3初拟路面结构方案
结合工程经验，初拟水泥稳定碎石基层沥青路面结构列于表7-3，其中水泥稳定碎石基层厚度分别取340mm、360mm和380mm。
表7-3初拟水泥稳定碎石基层沥青路面结构
结构层
材料类型
厚度（mm）
面层
AC13（SBS改性沥青）
40
AC20（90号道路石油沥青）
60
AC25（90号道路石油沥青）
80
基层
水泥稳定碎石
340/360/380
底基层
级配碎石
180
4路基和结构层材料参数
路基顶面回弹模量
路基为受气候影响的干燥类，土质为低液限黏土。
参考《公路路基设计规范》（JTGD30-2015），低液限黏土路基标准状态下回弹模量取70MPa，回弹模量湿度调整系数ks取0.95，干湿与冻融循环作用折减系数kη取0.80，则经过湿度调整和干湿与冻融循环作用折减的路基顶面回弹模量为53MPa，满足规范5.2.2条规定。
级配碎石底基层模量
根据试验测定结果，经湿度调整后，级配碎石底基层模量为300MPa。
水泥稳定碎石基层模量和弯拉强度
根据试验测定结果，水泥稳定碎石材料弹性模量为24000MPa，乘以结构层模量调整系数0.5，水泥稳定碎石基层模量为12000MPa，弯拉强度为1.8MPa。
沥青面层模量
根据试验测定结果，20℃、10Hz时，SBS改性沥青AC13表面层模量为11000MPa，90号道路石油沥青AC20中面层和AC25下面层模量为10000MPa。
泊松比
根据规范表5.6.1，路基泊松比取0.40，级配碎石底基层取0.35，沥青混合料面层和水泥稳定碎石基层取0.25。
5路面结构验算
根据规范表6.2.1，需要验算的设计指标为无机结合料基层层底拉应力和沥青混合料层永久变形；项目处于季节性冻土地区，由规范B.5.1条的规定，还需进行低温开裂指数验算。
水泥稳定碎石基层层底应力
根据结构层厚度和力学参数，采用弹性层状体系理论，计算得到水泥稳定碎石基层厚度为340mm、360mm和380mm时的层底拉应力，列于表7-4。
表7-4水泥稳定碎石基层层底拉应力计算结果
水泥稳定碎石基层厚度（mm）
拉应力（MPa）
340
0.269
360
0.251
380
0.236
根据规范表3.0.1，高速公路目标可靠指标β取1.65。
根据气象资料，工程所在地区冻结指数F为242℃·日，按照表B.1.1内插，季节性冻土地区调整系数ka取0.95。
根据规范式（B.2.1-2），当水泥稳定碎石基层厚度为340mm、360mm和380mm，现场综合修正系数kc分别为-1.201、-1.239和-1.271。
根据工程所在地区，查规范表G.1.2得到基准路面结构温度调整系数
=1.16。
根据表7-3初拟路面结构和路面结构层材料参数，按规范式（G.1.3-1）计算得到水泥稳定碎石厚度为340mm、360mm和380mm时，路面结构的温度调整系数kT2分别为1.25、1.22和1.19。
由规范表B.2.1-1，疲劳开裂模型参数a=13.24，b=12.52。
根据以上参数，按规范式（B.2.1-1）计算不同基层厚度时水泥稳定碎石基层疲劳开裂寿命，列于表7-5。
由2.5.2节交通参数示例，对应于无机结合料层层底拉应力的当量设计轴载累计作用次数为1.51×109次，水泥稳定碎石基层厚度为360mm时，基层疲劳开裂寿命可满足设计要求，故基层厚度取360mm。
表7-5水泥稳定碎石基层疲劳开裂寿命
水泥稳定碎石基层厚度（mm）
疲劳开裂寿命（次）
340
1.29×109
360
1.59×109
380
1.95×109
沥青混合料层永久变形量
在试验温度为60℃，压强为0.7MPa，加载次数为2520次时，三种沥青混合料车辙试验变形深度R0见表7-6。
表7-6沥青混合料R0取值（mm）
材料类型
车辙试验总变形深度R0
改性沥青AC13
2.5
道路石油沥青AC20
5.0
道路石油沥青AC25
5.1
查规范表G.1.2，基准等效温度Tξ=18.2℃，带入Tξ和沥青混合料层厚度ha=180mm，由规范式（G.2.1）计算得到沥青混合料层永久变形等效温度为21.1℃。
根据规范B.3.1条规定的分层方法，将沥青混合料层分为七个分层：
40mm改性沥青AC13表面层，分为10mm+15mm+15mm，共三层；
60mm道路石油沥青AC20中面层，分为20mm+20mm+20mm，共三层；
80mm道路石油沥青AC25下面层，作为一层。
分别计算设计荷载作用下各分层顶部的竖向压应力，以上七个分层应力分别标识为p1~p7，结果列入表7-7。
表7-7不同分层顶部压应力计算结果（MPa）
p1
p2
p3
p4
p5
p6
P7
0.70
0.70
0.69
0.67
0.62
0.55
0.48
根据规范式（B.3.2-3）和式（B.3.2-4），ha=180mm时d1=-4.15，d2=0.66。
根据以上分层方法和规范式（B.3.2-2）规定的取值规则，至上而下各分层的中点深度取值分别为15mm、17.5mm、32.5mm、50mm、70mm、90mm和140mm，根据d1和d2的计算结果，带入规范式（B.3.2-2），可得到七个分层的永久变形修正系数取值如表7-8，分别以kR1~kR7表示。
表7-8各分层修正系数kRi计算结果
kR1
kR2
kR3
kR4
kR5
kR6
kR7
3.80
4.57
7.11
7.36
6.22
4.74
1.94
由2.5.2节交通参数示例，对应于沥青混合料层永久变形量的当量设计轴载累计作用次数为2.15×107次。
根据以上参数，采用规范式（B.3.2-1）计算各分层永久变形量，分别以Ra1~Ra7表示，第1层至第7层的永久变形量分别为Ra1=0.6mm，Ra2=1.0mm，Ra3=1.6mm，Ra4=4.1mm，Ra5=3.0mm，Ra6=1.8mm，Ra7=2.4m。
各层永久变形累加得到沥青混合料层总永久变形量，
=14.6（mm），满足规范表3.0.6-1容许变形量的要求。
根据规范式（B.3.4）和表7-6所列车辙试验变形深度R0计算沥青混合料的动稳定度，取整后列于表7-9，满足规范5.5.7条规定
表7-9沥青混合料动稳定度（次/mm）
材料类型
动稳定度
改性沥青AC13
2410
道路石油沥青AC20
860
道路石油沥青AC25
840
路面低温开裂指数
根据气候条件，所在地区低温设计温度T为-20℃。
根据规范式（B.5.1），路基填料为低液限粘土，路基类型参数b=2。
表面层改性沥青的-10℃条件下弯曲梁流变试验的劲度模量St为300Mpa。
沥青混合料层厚度ha=180mm。
将上述参数带入规范式（B.5.1），低温开裂指数CI=1.7，满足规范3.0.6条对低温开裂指数的要求。
6路基顶面和路表验收弯沉值
根据规范B.7节，确定路基顶面和路表验收弯沉值时，荷载与落锤式弯沉仪相同，荷载盘半径为150mm，荷载为50kN。
路基标准状态下回弹模量取70MPa，回弹模量湿度调整系数ks取0.95，则平衡湿度状态下的回弹模量为66MPa，采用弹性半空间体理论计算得到路基顶面验收弯沉值lg为248.1（0.01mm）。
采用表7-3拟定的路面结构以及各层结构模量值，路基顶面回弹模量采用平衡湿度状态下的回弹模型乘以模量调整系数kl（kl=0.5），为33MPa，根据弹性层状体系理论计算得到路表验收弯沉值la为24.7（0.01mm）。
7设计结论
综合以上分析，满足无机结合料层疲劳开裂、沥青混合料容许永久变形量和沥青面层低温开裂要求的路面结构设计结果汇总如下：
表7-10沥青路面结构组合与结构层模量
结构层
材料类型
厚度（mm）
结构层模量（MPa）
面层
AC13（SBS改性沥青）
40
11000
AC20（90号道路石油沥青）
60
10000
AC25（90号道路石油沥青）
80
10000
基层
水泥稳定碎石
360
12000
底基层
级配碎石
180
300
路基
53
水泥稳定碎石材料90d弯拉强度不小于1.8MPa，并宜不大于2.0MPa。
表面层改性沥青低温性能应满足规范5.5.5条的规定。
沥青混合料低温弯曲试验的破坏应变应符合规范表5.5.6的有关规定。
改性沥青AC13动稳定度不小于2400次/mm，道路石油沥青AC20动稳定度不小于800次/mm，道路石油沥青AC25动稳定度不小于800次/mm。
沥青混合料的贯入强度宜符合规范5.5.8条的规定。
沥青混合料的水稳定性要求应符合规范5.5.10条的有关规定。
设计沥青路面结构的路基顶面验收弯沉值为248.1（0.01mm），路表验收弯沉值为24.7（0.01mm）。
（其他要求从略）
算例2：
级配碎石基层沥青路面结构
1工程概况
华中地区某二级公路，全长60公里，设计车速80km/小时，设计年限12年。
所在地区为暖温带大陆性气候，自然区划属Ⅱ-5区，沥青路面气候分区属1-3区，年均降雨量641毫米，年平均气温14.3℃，月平均气温最低0.1℃，月平均气温最高27.5℃。
2交通参数
交通参数分析详见2.5.3节交通参数示例。
3初拟路面结构方案
结合工程经验，初拟路面结构见表7-11，沥青混合料层厚度分别为100mm、120mm和140mm。
表7-11初拟级配碎石基层沥青路面结构
结构层
材料类型
厚度（mm）
面层
AC13（90号道路石油沥青）
40
AC25（90号道路石油沥青）
60/80/100
基层
级配碎石
300
底基层
级配碎石
200
4路基和结构层材料参数
路基顶面回弹模量
参考《公路路基设计规范》（JTGD30-2015），粘土质砂路基标准状态下的回弹模量取75MPa，湿度调整系数ks取1.1，干湿与冻融循环作用折减系数kη取0.85，则经过湿度调整和干湿与冻融循环作用折减的路基顶面回弹模量为70Mpa，满足规范5.2.2条规定。
级配碎石层模量
根据规范表5.3.8，经湿度调整后，级配碎石基层模量取500MPa，级配碎石底基层模量取300MPa。
沥青混合料层模量
根据规范表5.5.11，20℃、10Hz时，90号道路石油沥青AC13表面层模量取9000MPa，AC25下面层模量取10000MPa。
泊松比
根据规范表5.6.1，路基泊松比取0.40，沥青混合料层泊松比取0.25，级配碎石基层和底基层泊松比取0.35。
5路面结构验算
根据规范表6.2.1，需要验算的设计指标为沥青混合料层层底拉应变，沥青混合料层永久变形量和路基顶面竖向压应变。
沥青混合料层层底拉应变
采用弹性层状体系理论，计算沥青混合料层厚度为100mm、120mm和140mm时，沥青混合料层层底拉应变，结果列于表7-12。
表7-12沥青混合料层层底拉
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