高速公路沥青路面设计.docx

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高速公路沥青路面设计

高速公路沥青路面设计

设计任务书

1、设计目的

通过本设计掌握高速公路沥青路面设计的基本过程和计算方法。

2、设计题目

（1）设计题目

南京地区某高速公路，其中某段经调查路基为粉质中液限粘土，地下水位1.1m，路基填土高度0.5m。

近期混合交通量为25350辆/日，交通组成和代表车型的技术参数分别如表1、表2所示，交通量年平均增长率8%。

该路沿线可开采砂砾、碎石，并有石灰、水泥、粉煤灰、沥青供应。

请设计合适的半刚性沥青路面结构。

（2）设计依据

《公路沥青路面设计规范》（JTGD50—2006）

《路基路面工程》（第三版），邓学钧主编，2008.5

《路基路面工程》，沙爱民主编，2011.3

3、设计方法与设计内容

（1）根据自然区划、路基土类型和地下水位高度，确定土基回弹模量值；

（2）计算设计年限内一个车道的累积当量轴次和设计弯沉值；

（3）根据设计资料，确定合适的面层类型（包括面层材料级配类型）；

（4）拟定2种可能的路面结构组合与厚度方案，确定各结构层材料的计算参数；

（5）根据《公路沥青路面设计规范》验算拟定的路面结构；

4、设计要求

（1）总体要求：

根据设计资料，初步拟定2种路面方案，并对这2种方案进行经济技术比较（经济技术比较以初始修建费为依据，每种材料的单价见附录中表3所示）；

（2）要求计算每种代表车型的轴载换算系数（共两种：

一种以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时的轴载换算系数；另一种为进行半刚性基层层底拉应力验算时的轴载换算系数）。

（3）拟定的路面结构方案，应明确标示出每种材料的名称、厚度和设计时使用的模量值。

并列出路面结构验算过程。

5、附录

（1）2015年材料单价表

表32015年材料单价表

一、确定车道数

序号

汽车型号

日交通量

小客车转换系数

当量小客车（pcu/d）

1

桑塔纳

6228.495

1

6228.495

2

五十铃

10723.05

1.5

16084.58

3

解放CA10B

5587.14

2.5

13967.85

4

黄河JN150

2284.035

2.5

5710.088

5

黄河JN162

479.115

2.5

1197.788

6

交通SH361

45.63

4

182.52

合计

43371.32

设计年限末交通量

设计年限小时交通量为

（其中D=0.5，K=12.5%）

附录A公路服务水平分级

服务水

平等级

v/C值

设计速度（km/h）

120

100

80

最大服务交通量[pcu/（h·ln）]

最大服务交通量[pcu/（h·ln）]

最大服务交通量[pcu/（h·ln）]

一

v/C≤0.35

750

730

700

二

0.35

1200

1150

1100

三

0.55

1650

1600

1500

四

0.75

1980

1850

1800

五

0.90

2200

2100

2000

六

v/C>1.00

0～2100

0～2200

0～2000

结论：

高速公路采用三级服务水平，则车道数取双向六车道

故采用八车道。

二、土基回弹模量的确定

1、查阅规范，知南京地区地处Ⅳ2区，地下水位临界高度分别是：

H1=1.6-1.7取1.65

H2=1.1-1.2取1.15

H3=0.8-0.9取0.85

2、按路基相对高度预估

该路段路基相对高度为1.1+0.5=1.6米,H2

3、确定平均稠度

查阅规范，知Wc在0.95到1.10之间，去中值1.025.

4、确定土基回弹模量

查表F.0.3知，Wc=1.00时为27MPa；当Wc=1.05时为29MPa,内插得自然回弹模量为28MPa。

5、

故对土基进行处理，使之回弹模量达到42MPa。

6、改善措施

规范规定：

可以采用换填砂、砂砾、碎石等材料处理地基，或掺入消石灰、固化材料处理。

设置土工合成材料，加强路基排水，进行综合处治。

对于该处，采用5%石灰进行拌合并用压实机械进行压实，并现场测试达到要求的40Mpa以上后即可。

三、累计当量轴载的计算

1、以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次

交通组成

序号

汽车型号

总重

载重

前轴重

后轴重

后轴数

轮组数

轴距（cm）

比重（%）

日交通量

1

桑塔纳

21

16.5

23

1

单

24.57

6228.495

2

五十铃

42

23.5

44

1

42.3

10723.05

3

解放CA10B

80.25

40

19.4

60.85

1

双

22.04

5587.14

4

黄河JN150

150.6

82.6

49

101.6

1

双

9.01

2284.035

5

黄河JN162

174.5

100

59.5

115

1

双

1.89

479.115

6

交通SH361

280

150

60

2*110

2

双

130

0.18

45.63

以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次

轴载换算1

车型

Pj（KN）

C1

C2

ni（次/日）

N（次/日）

解放CA10B

前轴

19.4

1

6.4

5587.14

28.53

后轴

60.85

1

1

5587.14

643.76

黄河JN150

前轴

49

1

6.4

2284.035

656.50

后轴

101.6

1

1

2284.035

2447.32

黄河JN162

前轴

59.5

1

6.4

479.115

320.46

后轴

115

1

1

479.115

879.99

交通SH361

前轴

60

1

6.4

45.63

31.65

后轴

110*2

2.2

1

45.63

303.92

合计

5008.20

大客车及中型以上货车交通量约为1400（辆/d/车道）

2、半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次

半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次

轴载换算2

车型

Pj（KN）

C1

C2

nj（次/日）

N’（次/日）

解放CA10B

前轴

19.4

1

18.5

5587.14

0.21

后轴

60.85

1

1

5587.14

105.02

黄河JN150

前轴

49

1

18.5

2284.035

140.42

后轴

101.6

1

1

2284.035

2593.30

黄河JN162

前轴

59.5

1

18.5

479.115

139.23

后轴

115

1

1

479.115

1465.62

交通SH361

前轴

60

1

18.5

45.63

14.18

后轴

110*2

3

1

45.63

586.87

合计

5044.86

大客车及中型以上货车交通量约为1400（辆/d/车道）

综上：

1、以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次为1737万次。

2、以半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次为1750万次。

3、大客车及中型以上货车为1400（辆/d/车道）

故评定交通等级为重交通。

三、设计指标的确定

1）设计弯沉值ld

设计弯沉值应根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按下式计算确定。

该公路为高速公路，公路等级系数取Ac=1.0，面层为沥青混凝土，面层类型系数取As=1.0，半刚性基层沥青混凝土路面结构类型系数取Ab=1.0。

计算弯沉值及层底拉应力时，Ne=1.75×10^7（次/车道）

Ld=600（Ne）^（-0.2）AcAsAb=600*（1.75*10^7）^-0.2*1.0*1.0*1.0=21.4（0.01mm）

2）路面结构层材料的容许拉应力

（δR为材料容许拉应力，δs为材料极限劈裂强度，Ks为抗拉强度结构系数）

对沥青混凝土的极限抗拉强度，系指15℃时的极限抗拉强度；对水泥稳定类材料龄期为90d的极限抗拉强度（MPa）；对二灰稳定类、石灰稳定类的材料龄期为180d的极限抗拉强度（MPa）。

对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数，Ks=0.09Ne^（0.22）/Ac=3.53

对无机结合料稳定集料类Ks=0.35Ne^（0.11）/Ac=2.19

对无机结合料稳定细粒土类Ks=0.45Ne^（0.11）/Ac=2.82

材料参数参考资料：

四、路面结构方案

方案一（半刚性基层路面）

------------------------------------------------

细粒式沥青混凝土（SMA-13）40mm

------------------------------------------------

中粒式沥青混凝土（AC-20）60mm

------------------------------------------------

粗粒式沥青混凝土（AC-25）80mm

------------------------------------------------

水泥稳定碎石xxmm

------------------------------------------------

二灰碎石210mm

------------------------------------------------

新建路基

表7、各层材料的设计参数表

层位

结构层材料

厚度

（cm）

抗压模量（MPa）

15℃劈裂强度

（MPa）

20℃

15℃

1

SMA-13

4

1400

2000

1.4

2

AC-20

6

1200

1800

1.0

3

AC-25

8

1000

1200

0.8

4

水泥稳定碎石

xx

1500（弯沉）

3600（拉应力）

0.5

5

二灰碎石

21

1500（弯沉）

3600（拉应力）

0.65

6

土基

40

******************************

*公路新建路面设计成果文件汇总*

******************************

一、设计弯沉值和容许拉应力计算

当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时:

设计年限内一个车道上的累计当量轴次:

1.75E+07

属重交通等级

当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时:

设计年限内一个车道上的累计当量轴次:

1.75E+07

属重交通等级

路面设计交通等级为重交通等级

公路等级高速公路

公路等级系数1面层类型系数1路面结构类型系数1

路面设计弯沉值:

21.4（0.01mm）

二、新建路面结构厚度计算

新建路面的层数:

5

标准轴载:

BZZ-100

路面设计弯沉值:

21.4（0.01mm）

路面设计层层位:

4

设计层最小厚度:

150（mm）

材料参数：

结构层

材料的极限劈裂强度δs

Ks

各层容许拉应力δR

细粒式沥青混凝土SMA-13

1.4

3.13

0.45

中粒式沥青混凝土AC-20

1.0

3.13

0.32

细粒式沥青混凝土AC-25

0.8

3.13

0.26

水泥稳定碎石

0.5

2.19

0.23

二灰稳定碎石

0.65

2.82

0.23

按设计弯沉值计算设计层厚度:

LD=21.4（0.01mm）

H（4）=200mmLS=21.9（0.01mm）

H（4）=250mmLS=19.6（0.01mm）

H（4）=210mm（仅考虑弯沉）

按容许拉应力计算设计层厚度:

H（4）=210mm（第1层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=210mm（第2层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=210mm（第3层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=210mm（第4层底面拉应力计算满足要求）

H（4）=210mm（第5层底面拉应力计算满足要求）

路面设计层厚度:

H（4）=210mm（仅考虑弯沉）

H（4）=210mm（同时考虑弯沉和拉应力）

验算路面防冻厚度:

路面最小防冻厚度600mm

验算结果表明,路面总厚度满足防冻要求.

三、交工验收弯沉值和层底拉应力计算

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=21.4（0.01mm）

第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=23.5（0.01mm）

第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=26.9（0.01mm）

第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=32.3（0.01mm）

第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=82.5（0.01mm）

路基顶面交工验收弯沉值

LS=232.9（0.01mm）（根据“公路沥青路面设计规范”公式计算）

LS=292.5（0.01mm）（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）=-0.146（MPa）

第2层底面最大拉应力σ

（2）=-0.027（MPa）

第3层底面最大拉应力σ（3）=-0.081（MPa）

第4层底面最大拉应力σ（4）=0.041（MPa）

第5层底面最大拉应力σ（5）=0.211（MPa）

最终路面结构为：

------------------------------------------------

细粒式沥青混凝土（SMA-13）40mm

------------------------------------------------

中粒式沥青混凝土（AC-20）60mm

------------------------------------------------

粗粒式沥青混凝土（AC-25）80mm

------------------------------------------------

水泥稳定碎石210mm

------------------------------------------------

二灰碎石210mm

------------------------------------------------

新建路基

方案二（复合式路面）

------------------------------------------------

细粒式沥青混凝土（SMA-13）40mm

------------------------------------------------

中粒式沥青混凝土（AC-20）60mm

------------------------------------------------

粗粒式沥青混凝土（AC-25）80mm

------------------------------------------------

级配碎石碎石160mm

------------------------------------------------

水稳碎石xxmm

------------------------------------------------

新建路基

材料参数如下：

层位

结构层材料

厚度

（cm）

抗压模量（MPa）

15℃劈裂强度

（MPa）

Ks

各层容许拉应力δR

20℃

15℃

1

SMA-13

4

1400

1800

1.4

3.13

0.45

2

AC-16

6

1200

1800

1.0

3.13

0.32

3

AC-25

8

1000

1200

0.8

3.13

0.26

4

级配碎石

16

400

400

5

水稳碎石

xx

1400（弯沉）

3600（弯拉）

0.5

2.19

0.23

******************************

*公路新建路面设计成果文件汇总*

******************************

一、设计弯沉值和容许拉应力计算

当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时:

设计年限内一个车道上的累计当量轴次:

1.75E+07

属重交通等级

当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时:

设计年限内一个车道上的累计当量轴次:

1.75E+07

属重交通等级

路面设计交通等级为重交通等级

公路等级高速公路

公路等级系数1面层类型系数1路面结构类型系数1

路面设计弯沉值:

21.4（0.01mm）

二、新建路面结构厚度计算

新建路面的层数:

5

标准轴载:

BZZ-100

路面设计弯沉值:

21.4（0.01mm）

路面设计层层位:

5

设计层最小厚度:

150（mm）

层位

结构层材料名称

厚度（mm）

20℃平均抗压（MPa）

标准差

15℃平均抗压（MPa）

标准差

容许应力（MPa）

1

细粒式沥青混凝土

40

1400

0

2000

0

0.4

2

中粒式沥青混凝土

60

1200

0

1800

0

0.28

3

粗粒式沥青混凝土

80

1000

0

1200

0

0.23

4

级配碎石

160

400

0

400

0

0

5

水泥稳定碎石

xx

1400（弯沉）

0

3600（弯拉）

0

0.23

6

新建路基

40

按设计弯沉值计算设计层厚度:

LD=21.4（0.01mm）

H（5）=350mmLS=22.8（0.01mm）

H（5）=400mmLS=20.9（0.01mm）

H（5）=386mm（仅考虑弯沉）

按容许拉应力计算设计层厚度:

H（5）=386mm（第1层底面拉应力计算满足要求）

H（5）=386mm（第2层底面拉应力计算满足要求）

H（5）=386mm（第3层底面拉应力计算满足要求）

H（5）=386mm（第5层底面拉应力计算满足要求）

路面设计层厚度:

H（5）=386mm（仅考虑弯沉）

H（5）=386mm（同时考虑弯沉和拉应力）

验算路面防冻厚度:

路面最小防冻厚度600mm

验算结果表明,路面总厚度满足防冻要求.

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,

最后得到路面结构设计结果如下:

----------------------------------------

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

----------------------------------------

级配碎石160mm

----------------------------------------

水泥石灰稳定碎石390mm

----------------------------------------

三、交工验收弯沉值和层底拉应力计算

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=21.3（0.01mm）

第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=23.7（0.01mm）

第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=27.4（0.01mm）

第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=30.8（0.01mm）

第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=35.7（0.01mm）

路基顶面交工验收弯沉值

LS=232.9（0.01mm）（根据“公路沥青路面设计规范”公式计算）

LS=292.5（0.01mm）（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）=-0.198（MPa）

第2层底面最大拉应力σ

（2）=0.047（MPa）

第3层底面最大拉应力σ（3）=0.134（MPa）

第5层底面最大拉应力σ（5）=0.173（MPa）

五、层间处理

1、沥青层之间设置黏层，可采用改性乳化沥青，其沥青洒布量宜为0.3-0.6L/㎡。

2、基层之上设置透层沥青，为保证其就良好的渗透性能，可用液体沥青或乳化沥青。

3、在半刚性基层上设置封层。

4、下封层可采用沥青单层表面处治或稀浆封层

六、方案比选（仅从造价方面考虑）

方案比选时只从单位面积造价考虑即可。

方案一

-------------------------------------------

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

----------------