路面结构设计

5.1沥青路面

5.1。1交通量及轴载计算分析

路面设计以单轴载双轮组100KN为标准轴载。

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： ①轴载换算:

轴载换算采用如下的计算公式：NC1C2ni(Pi/P)4.35

i1k计算结果如下表所示：

表5。1轴载换算表

型号 桑塔纳2000 江淮AL6600 黄海DD680 北京BJ130 EQ140 黄河JN163 东风SP9250 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 Pi(KN) 12。0 18。0 17。0 26。5 49。0 91.5 13.4 27。4 23.6 69.3 58.6 114 50.7 113。3 kC1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4.35C2 6.4 6。4 6。4 1 6.4 1 6。4 1 6。4 1 6.4 1 6。4 1 ni（次/日） 2180 2180 230 230 420 420 240 240 670 670 828 828 320 320 C1C2ni(Pi/P）4。35（次/日) 1。38 8。04 0.66 0.71 120.72 285。38 0.25 0.86 8.02 135.91 518。28 14。09 106。69 1652.61 4303.60 NC1C2niPi/Pi1

②累计当量轴次

根据《公路沥青路面设计规范JTG D50—2006》,高速公路沥青路面的设计年限取15年,四车道的车道系数是取0。5.

累计当量轴次:

1t1365NeN1

10.04913653654303.600.5118830(次）

150.0492) 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轴载换算公式：N'C'1C'2ni(Pi/P)8

i1k计算结果如下表所示：

表5.2 轴载换算结果（半刚性基层层底拉应力)

型号 桑塔纳2000 江淮AL6600 黄海DD680 北京BJ130 EQ140 黄河JN163 东风SP9250 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 Pi（KN） 12。0 18.0 17。0 26.5 49。0 91.5 13。4 27。4 23.6 69。3 58。6 114 50。7 113。3 kC1’ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 5 8C2’ 18.5 18.5 18.5 1 18。5 1 18.5 1 18.5 1 18。5 1 18.5 1 ni(次/日) 2180 2180 230 230 420 420 240 240 670 670 828 828 320 320 8C1'C2’ni(Pi/P）(次/日） 0。00 0。04 0。00 0.01 25.82 206.36 0.00 0。01 0。12 35。 213。00 2361.94 129.23 4344。69 7316.87 N'C1'C2'niPi/Pi1②累计当量轴次

参数取值同上，设计年限是15年，车道系数取0.5.

累计当量轴次：

1t1365NeN1

10.04913657316.870.532165257（次）

150.049

5。1.2结构组合设计及材料选取

1) 拟订路面结构组合方案

根据规定推荐结构,并考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构面层采用沥青混凝土（取18cm）,基层采用水泥碎石（取20cm)，下基层采用石灰土（厚度待定）。

另设20cm厚的中粗砂垫层。 2) 拟订路面结构层的厚度

由于计算所得的累计当量轴载达到了500万次，按一级路的路面来设计，由设计规范《公路沥青路面设计规范JTG D50—2006》规定高速公路、一级公路的面层由二层至三层组成。采用三层式沥青面层,表面层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚度为4cm），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度为6cm)，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（厚度为8cm）。 5.1.3设计指标及设计参数确定

1) 确定路面等级和面层类型

由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为大于500万次。根据规范《公路沥青路面设计规范JTG D50—2006》和设计任务书的要求可确定路面等级为高级路面，面层类型采用沥青混凝土，设计年限为15年。

2) 确定土基的回弹模量

① 此路为新建路面，根据设计资料可知路基干湿状态为干燥状态。 ② 根据设计资料，由设计规范《公路沥青路面设计规范JTG D50-2006》，该路段处于II2a区，为粉质土,确定土基的稠度为1。05。

③ 查设计规范《公路沥青路面设计规范JTG D50—2006》中“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值（MPa)”表并作提高得土基回弹模量为

E037.0MPa。

3）各层材料的设计参数（抗压模量与劈裂强度）

查设计规范《公路沥青路面设计规范JTG D50-2006》，得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取20C和15C的模量，各值均取规范给定范围的中值,因此得到20C和15C的抗压模量：细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa和2000MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa和1800MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa和1400MPa，水泥碎石(20C或15C）为1500MPa，石灰土（20C或15C)为550MPa，中粗砂（20C或15C）为90MPa。各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为1。2MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1.0MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为0.8MPa，水泥碎石为0.5MPa，石灰土为0.225MPa。

5。1.4路面结构厚度计算 1) 根据设计弯沉值计算路面厚度

设计指标的确定，对于高速公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。

2) 计算设计弯沉值

按照设计规范《公路沥青路面设计规范JTG D50—2006》中路面设计弯沉值公式Ld600Ne0.2AcAsAb计算。该项公路为高速公路,公路等级系数为1.0，面层

是沥青混凝土,面层类型系数取1.0，半刚性基层，基层类型系数取1.0 。

设计弯沉值为：

0.2 ld600Ne0.2AcAsAb60011883011121.03(0.01mm)

3) 计算各层材料的容许层底拉应力

由

RS/KS

沥青混凝土：

KS0.09Ne细粒式密级配沥青混凝土：

0.220.22/Ac0.0932165257/1.04.035

RS/KS1.2/4.0350.297MPa

中粒式密级配沥青混凝土:

RS/KS1.0/4.0350.248MPa

粗粒式密级配沥青混凝土:

RS/KS0.8/4.0350.198MPa

水泥碎石:

0.11 KS0.35Ne0.11/Ac0.3532165257/1.02.344

RS/KS0.5/2.3440.213MPa

石灰土：

KS0.45Ne0.110.11/Ac0.4532165257/1.03.013

RS/KS0.225/3.0130.075MPa

设计资料总结如下:

设计弯沉值为21.03(0.01mm)，相关设计资料汇总如下表所示。

表5。3设计资料汇总表

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 水泥碎石 石 灰 土 垫 层 h(cm) 4 6 8 20 ? 20 20°C模量 1400 1200 1000 1500 550 180 15°C模量 2000 1800 1400 1500 550 180 容许拉应力 0。297 0.248 0.198 0.213 0.075 －

4）查图法求计算层厚度

① 由上述计算可知设计弯沉值ld21.03(0.01mm)，令lsld，求综合弯沉系数F。

LS则 F1.6320000.38E0P0.36

21.031.63 200010.650.49020.3837.00.70.36

② 计算实际弯沉系数s sLsE121.0314001.974

2000p20000.710.65③ 计算理论弯沉系数L

sLc1.974F0.45464.343

④ 查三层体系表面弯沉系数诺谟图

对于细粒式密级配沥青混凝土

因为 h410.650.38

E2E12000.86 11400

E0E370.031 21200由

hd、E2E查图得 6.3 1由h、E0E查图得 K11.

2由

h4.d 、E0E 和Kl34320.42，查图得 2K16.31.⑤ 计算中层厚度

HH/5.810.6561.77cm⑥ 计算石灰土层厚度 n1 由公式HhEk2hk2.4kE得 32 62.8682.410001200202.415001200h2.455051200 则解得 h536.55cm 则取 h537cm

H5.8

5.1.5路面结构验算

5.1.5。1 验算沥青混凝土各面层及半刚性基层、底基层的层底弯拉应力

1)沥青面层层底拉应力验算（此时取15C抗压模量) ①细粒式密级配沥青混凝土表层验算

h4cm 由H=

ki1hk0.9n1Ek Ei114001500550200.9370.938.29cm 180018001800E0370.02和 E21800 即H680.9 由

h4H38.290.38、3.60、10.6510.65

E218000.9查图 E12000图中没有所查的相应数据，即、m1、m2均小于零，因此可知层底不产生拉应力,产生压应力，即满足要求。

②中粒式密级配沥青混凝土表层验算 则hhk4k1iEk200044610.1cm Ei1800Ek15005508200.9370.942.7cm Ei114001400Hki1hn1k0.9由

hE3710.1H42.70.03和 0.95、4.01、0E2140010.6510.65

E214000.78查图 E11800图中没有所查的相应数据，即、m1、m2均小于零，因此可知层底不产生拉应力,产生压应力，即满足要求。

③粗粒式密级配沥青混凝土表层验算 则hhk4k1iEk Ei20001800648 14001400

18.8cm44Hki1hk0.9n1Ek55020370.932.14cm Ei11500由

hE3718.8H32.140.02和 1.77、3.02、0E150010.6510.652

E215001.07查图 E11400图中没有所查的相应数据，即、m1、m2均小于零，因此可知层底不产生拉应力，产生压应力，即满足要求。

2）水泥碎石基层层底拉应力验算 则hhk4k1iEk Ei 4420001800140064842038.44cm 150015001500 H37cm

由

hE3738.44H370.07、和 3.61,3.47、0E55010.6510.652

E25500.37查图 E11500得0.13MPa、m11.36，m20.68，又有p0.7 则pm1m20.70.131.360.680.084MPa0.213MPa 即满足要求。

3）石灰土基层层底拉应力验算 则hhk4k1iEk Ei 4420001800140064842038.44cm 150015001500 H37cm

由

hE3738.44H370.07、和 3.61,3.47、0E255010.6510.65

E25500.37查图 E11500得0.22MPa、n11.07，n20.35，又有p0.7 则pn1n20.70.221.070.350.058MPa0.075MPa 即满足要求。

5.1。5。2 季节性冰冻地区沥青混凝土路面防冻厚度验算

因为该地区土基干湿类型为假定为干燥土基，且设计任务书中相关资料不全，所以不作路面防冻厚度验算.

5。1.6沥青混合料配合比设计

热拌沥青棍合料的配合比设计应遵照下列步骤进行：

1) 目标配合比的设计阶段，按规范中规定的矿料级配,用工程实际使用的材料计算各种材料的用量比例，进行马歇尔试验，确定最佳沥青用量。以矿料级配及沥青用量作 目标配合比，供拌和机确定各冷料仓的供料比例、进料速度及试拌使用.

2) 生产配合比设计阶段，沥青混凝土采用间歇式拌和机拌和,从二次筛分后进入各热料仓的材料取样进行筛分，以确定各热料仓的材料比例,供拌和机控制室使用。同时反复调整冷料仓比例以达到供料均衡，并取目标配合比设计的最佳沥青用量及其±0。3%之间的三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳沥青用量。

3) 生产配合比验证阶段，拌和机采用生产配合比进行试拌，铺筑试验段,并用拌和的沥青混合料及路上钻取的芯样进行马歇尔试验,由此确定生产用的标准配合比。标准配合比的矿料级配中，0.074mm，2。5mm，5mm三档的筛孔通过率接近要求级配的中值。

经设计确定的标准配合比在施工过程中不得随意变更，生产过程中，如遇进场材料发生变化，经检测沥青混合料的矿料级配、马歇尔技术指标不符合要求时,应及时调整配合比，使沥青混合料质量符合要求并保持相对稳定，必要时重新进行配合比设计.

5。2水泥路面设计

任务书规定：应设计服务区或收费站处的路面为水泥混凝土路面。 5。2.1交通量分析

由《公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D40—2003）》表3。0。1（下同，均为《规范》中表号），高速公路的设计基准期为30年,安全等级为一级。由表A。2.2，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22。取交通量年平均增长率为6.449％。

按式（A.2.2）计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为

N1gr1365Nesgrt6907.110.4913650.2243158387次0.4930

属特重交通等级.

5。2。2结构组合设计及材料选取

1) 初拟路面结构

由表3。0。1,相应于安全等级一级的变异水平等级为低级。根据高速公路、特重交通等级和低级变异水平等级，查表4.4.6，初拟普通混凝土面层厚度为0.28m.基层选用水泥粉煤灰碎石,厚0。20m。垫层为0.15m低剂量无机结合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m，长5.0m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝.

2) 路面材料参数确定

按表3.0.6，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa.

查附录F.1，路基回弹模量取37.0MPa。查附录F.2，低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取600MPa，水泥粉煤灰碎石基层回弹模量取1300MPa。

5.2.3路面厚度设计计算

按式(B．1．5)计算基层顶面当量回弹模量如下：

Ex2h12E1h2E22h12h213000.226000.1521048MPa 220.20.153hhE1h13E2h2Dx1212124211EhEh2211113000.236000.153121220.20.15

141113000.26000.153.083hx312Dx/Ex3123.083/10480.328m0.450.45Ex1048a6.2211.514.134E6.2211.51370Exb11.44E00.55104811.44370.7710.550.7711/3ExbEtahxE0E01/34.1340.32810483737197MPa

普通混凝土面层的相对刚度半径按式(B．1．3．2）计算为

r0.537h3Ec/Et0.5370.28331000/1650.861m

1) 荷载疲劳应力

按式（B.1。3），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为

0.6ps0.077r0.6h20.0770.8610.2820.8MPa

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数kr=O.87。考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数

nkfNe(43158387)0.0572.724。根据公路等级，由表B。1.2,考虑偏载和动

载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc=1。30.

按式(B．1．2)，荷载疲劳应力计算为

prkrkfkcps0.872.7241.30.82.766MPa

2) 温度疲劳应力

由表3。0。8，Ⅱ区最大温度梯度取88（℃/m)。板长5m，l/r=5/0.923=5。419，由图B.2.2可查普通混凝土板厚h=0.28m，Bx=0。42。按式(B.2.2),最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为

tmcEchTg21105310000.2888Bx0.421.604MPa

2温度疲劳应力系数kt,按式（B。2.3)计算为

c1.323frtm5.01.604aktb0.8280.0410.446 tmfr1.6045再由式（B.2。1)计算温度疲劳应力为

trkttm0.4461.6040.715MPa

查表3。0。1，高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级,目标可靠度为95％。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表3.0.3，确定可靠度系数γr=1。33。

按式(3.0.3）

rprtr1.33(2.7660.715)4.630MPafr5.0MPa

因而，所选普通混凝土面层厚度0。28m可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

5。2.4接缝构造设计 5。2.4。1 纵向接缝

1) 纵向接缝的布设应路面宽度和施工铺筑宽度而定：

① 一次铺筑宽度小于路面宽度，应设置纵向施工缝。纵向施工缝采用平缝形式，上部锯切槽口，深度为40mm，宽度为8mm,槽内灌塞填缝料，构造如图5.1.1a）所示；

② 一次铺筑宽度大于4。5m，应设置纵向缩缝。纵向缩缝采用假缝形式,锯切的槽口深度应大于施工缝的槽口深度。采用半刚性基层，槽口深度为板厚的2/5,取120mm.其构造如图5。1。1b）所示。

图5．1纵缝构造(尺寸单位：nun）

a)纵向施工缝；b）纵向缩缝

2) 纵缝应与路线中缝平行。在路面等宽的路段内或路面变宽路段的等宽部分，纵缝的间距和形式应保持一致。路面变宽段的加宽部分与等宽部分之间，以纵向施工缝隔开。

3) 拉杆应采用螺纹钢筋，设在板后，并应对拉杆中部100mm范围内进行防锈处理。拉杆的直径、长度和间距，可参照表5.1.3选用16×800×600（到自由边或未设拉杆的纵缝距离为4.5m）。施工布设时，拉杆间距应按横向接缝的实际位置予以调整，最外侧的拉杆距横向接缝的距离不得小于100mm。 5.2。4。2 横向接缝

1) 每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝,其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处。设在缩缝处的施工缝,采用传力杆的平缝形式，其构造如图5。2.1a）所示；设在胀缝处的施工缝，其构造与胀缝相同.遇有困难需设在缩缝之间时，施工缝采用设拉杆的企口缝形式,其构造如图5.2.1b）所示.

图5.2

2) 横向缩缝可等间距或变间距布置,采用假缝形式。本设计区段为特重和重交通公路的收费站段,缩缝采用设传力杆假缝形式，其构造如图5.2.a）所示。 3) 横向缩缝槽口增设深20mm、宽10mm的浅槽口，其构造如图5.3所示。

图5。3

4) 传力杆应采用光面钢筋。其尺寸和间距可按表5。2。5选用Φ35，最小长度450,最大间距300。最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为150～250mm。

5.2.4.3 接缝填封材料

1) 胀缝接缝板应选用能适应混凝土板膨胀收缩、施工时不变形、复原率高和耐久性好的材料.此为高速公路，选用沥青纤维板。

2) 接缝填料应选用与混凝土接缝槽壁粘结力强、回弹性好、适应混凝土板收缩、不溶于水、不渗水、高温时不流淌、低温时不脆裂、耐老化的材料。常用的填缝材料有聚氨酯焦油类、氯丁橡胶类、乳化沥青类、聚氯乙烯胶泥、沥青橡胶类、沥青玛蹄脂及橡胶嵌缝条等，此处选用沥青橡胶。