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1、第三章路面设计3.1 路面设计概述：路面是用各种材料混合料铺筑在路基上供车辆行驶的层状结构物。道路的好坏直接影响行车速度、安全及运输成本。路面的质量对发挥道路运输经济效益有着十分重要的作用。路面按面层的使用品质，材料组成类型以及结构强度和稳定性，将路面分为四个等级。表：3.1各等级路面所具有的面层类型以及所适用的公路等级路面等级面层类型所适用的公路等级高级水泥混凝土,沥青混凝土高级、一级、二级次高级热拌沥青碎石混合料、沥青贯入式二级乳化沥青碎石混合料、沥青表面处治三级中级水结碎石、泥结碎石、级配碎石、半整齐石块路面四级低级各种粒料或当地粒料改善土四级路面类型一般按所用的材料划分，在工程设计中，
2、主要从路面结构在行车荷载作用下的力学特性出发，将路面划分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面。在设计中应对路面的强度和刚度、稳定性、表面平整度、耐久性、表面抗滑性、不透水性和少尘性进行综合考虑和比选。3.2 路面设计基本要求路面的基本是为车辆提供快速安全舒适和经济的行驶表面，要求路面能够满足行车的使用要求，降低运输费用和延长路面的使用年限。路面设计的基本要求包括：1、路面结构必须具有足够的强度和刚度，以抵抗行车作用下所产生的各种应力，避免路面破坏和变形。2、路面结构必须具有足够的稳定性，以保证路面的强度和刚度在水分和温度变化的情况下，不致发生明显的降低。3、路面必须具有一定的平整度，以保证行车的安
3、全性和舒适性，同时减小因车辆对路面冲击而造成的路面破坏加快、汽车的机体和轮胎的磨损及油耗。4、应采用具有足够疲劳强度、抗老化和抗变形累积能力的路面结构和路面材料，以保证路面的耐久性要求。5、路面表面必须具有足够的抗滑性能，使车轮与路面之间具有足够的附着力或摩擦力，以保证行车安全和运输的经济效益。路面应具有不透水性和少沉性，以保证土基的强度和路面结构的稳定性。3.3 设计资料本设计路段位于河南省鹤壁市，属于城市二级主干道，鹤壁市属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，光照充足，气候温和，雨量适中，年平均气温14,年均降雨量670毫米。本设计路段设计车速40kmh,设计标准轴载为BZZ100,初期BZ
4、Z1.OO轴载交通量3000次/日，年平均增长率5%；非机动车高峰小时单向流量为3400辆/小时；机动车道设计通行能力5500辆/小时，非机动车道设计通行能力3600辆/小时。预测交通组成如表3.2所示。表3.2紫叶路预测交通组成表车型前轴重/KN后轴重/KN后轴数后轴轮组数后轴距交通量（次/日）三菱T653B29.348.01双轮祖500黄河JNI6358.6114.01双轮祖400江淮HF15045.1101.51双轮祖400解放SP920031.378.03双轮祖3m600湘江HQP4023.173.22双轮祖3m600东风EQ15526.556.72双轮祖3m5003.4 路面设计比选
5、根据设计要求，拟分别采用两种路面结构设计方案（水泥混凝土路面和沥青混凝土路面）进行路面结构方案比选，选取其中最优方案作为本设计路面结构，并应用于工程实际施工。1、水泥混凝土路面（1）设计方法水泥混凝土路面结构层的组合设计，应根据该路的交通繁重程度，结合当地环境条件和材料供应情况，选择和安排混凝土路面的结构层次，包括土基、垫层、基层和面层的结构组合设计，各层的路面结构类型、弹性模量和厚度。（2）设计标准及参数混凝土路面设计以IOOKN轴载作为标准轴载。其他各级轴载Pi的作用次数Ni应按公式换算为标准轴载Pk的作用次数NcioNci=Nai=1.Fk式中：Nd设计初期，机动车车道上日交通量换算为日
6、标准轴载的轴数（n/d）；Ni被换算各级轴载的轴数（n/d）；Pk标准轴载，为IOOKN；Pi被换算各级轴载（KN）；%与汽车后轴轴数及其他因素有关的后轴数系数，见表3.3o2、值在表列范围内而非表列数值时，可用插入法求后轴数设传力杆不设传力杆=375Ee=187.5%尸25双后轴（轴距1.35m）0.235.933.711.76单后轴11表3.3后轴数系数%注：1、EC为水泥混凝土弯拉弹性模量（MPa）；6为基层顶面的计算回弹模量（MPa）。双后轴轴距大于1.35m时，分别按单后轴计。轴载小于40KN的轴数可不计。轴载大于或等于40KN时均应换算为标准轴载的轴数。混凝土路面的交通等级按设计初
7、期设计车道的日标准轴载的轴数N分为四级。交通等级及采用的设计年限见表3.4。表3.4混凝土路面交通等级及设计年限交通等级日标准轴载的轴数设计年限特重2150040重15OOV.5OO30中等500N1.i220020轻 b与纥/&)有关的回归系数。将E=1500Mpa、E2= 1300Mpa A1=O. 18m 2=0. 20m 线=42MPa 代入得:EX=h1.2El+h22E22h+h21500X 0.182 +1300 0.2020.182 +0.202=1389.50MPa与E凡3 (% +%y( 11 ,Dr =+ +12124 E1. hl E2h2 cnn n lo3 ann
8、no3 (0.18 + 0.2)2(! X0.18 + - 0.2),15000.18j 13000.23 v15001300111212=6.395hx=f2Dx1/3=(126.395W1389.5=0.381 m1-1.44(1389.50/42)o55=O.787(FQftQ51Et=E0云，=4.2750.381078742(尸=269.718(MPa)普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算：(EY73r=0.537IEJ式中：r一混凝土板的相对刚度半径(m),；万一混凝土板的厚度(m)；心一水泥混凝土的弯拉弹性模量(MPa)；口一基层顶面当量回弹模量(MPa)o相对刚度半径计算为：
9、(EYA31000-r=0.537/?=0.5370.22()3=0.574(m)IkFJ269.718荷载疲劳应力标准轴载P,在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力按下式计算:=O.O77r62Ps式中：b冲一标准轴载p,在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力；n=O.O77r6z-2=O.O77O.57460.222=1.14(MPa)标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式确定。bpr=母户外式中：bpr标准轴载巴在临界荷位处产生的荷载疲劳应力(MPa)；bp,一标准轴载PS在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力；即一考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时,(二0.8
10、70.92(刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值)；与一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，%一考虑偏载和动载等因素对路而疲劳损坏影响的综合系数，其中kf=NC式中：设计基准期内标准轴载累计作用次数，y一与混合料性质有关的指数，普通混凝土1/R.057；因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数十二0.87。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为：kf=N；=()007=2.589根据公路等级，查表得考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数取匕=1.25。则荷载疲劳应力计算为：o-/?r=krkfkcps=0.872.5891.251.14=3.21
11、0(MPa)温度疲劳应力由路基路面工程中表18.3.11,I5区最大温度梯度取q=92Cm板长=5m,1.r=50.574=8,712由路基路面工程中图18.3.1可查普通混凝土厚力=0.22m时，Bx=O.64o按下式，最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力。式中：一最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)；。,一混凝土的线膨胀系数(1/),通常可取为1x10-5/C；7；一最大温度梯度，查表取用；纥一综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，可按/和人查用图确定；/一板长，即横缝间距(m)o将参数代入下式得：蛀1X1。YX31000X0.22X92X0.64N08MPaI/*2*2温
12、度疲劳应力系数左,按式(323)网)计算*=g卜式中：。、6和。一回归系数，按所在地区的公路自然区划查表确定。工一混凝土弯拉强度标准值(MPa)；根据公路自然区划，查表，取a=0.841,b=0.058,c=1.323,得：kt=-/3-bt,nIaJSD(?(Y)R1323=-0.841H-0.058=0.4822.0081_5)临界荷位处的温度疲劳应力按下式确定：irkQm式中：O一临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)；n-最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa),k-考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数,温度疲劳应力为：1.r=k1.1.n=O.482X2.008=0.859(MP
13、a)查路基路面工程中表18.3.2,二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85,再根据查得的目标可靠度和中级变异水平等级，查表18.3.13,确定可靠度系数九二1.13。水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，其表达式采用下式：%(b*+bJ式中：r可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平等级按表确定；pr一一行车荷载疲劳应力(MPa),;”一一温度梯度疲劳应力(MPa),fr水泥混凝土弯拉强度标准值(MPa),。将各参数代入式中得：,pr+tr)=1.13(3.210+0.859)=4.598MPafr=5.
14、0MPa因而，所选普通混凝土面层厚度(0.22m)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。2、沥青混凝土路面(1)、设计方法沥青路面是在柔性基层、半刚性基层上，铺筑一定厚度的沥青混合料作面层的路面结构。沥青路面设计应根据使用要求及气候、水文、土质等自然条件，密切结合当地实践经验，设计确定经济合理的路面结构，使路面在预定的使用期限内满足各级公路相应的承载能力、耐久性、舒适性、安全性的要求，它包括有原材料选择、混合料配合比设计和设计参数的测试与确定、路面结构组合与厚度计算等内容。(2)、设计参数、容许弯沉值容许弯沉值是路面设计中控制强度的一项指标，为路面设计的重要参数。容许弯沉值的确
15、定，不仅考虑路面外观状态与弯沉的关系，而且要考虑道路的使用、养护要求和经济意义。容许弯沉值的大小，直接影响路面建筑投资、使用品质和使用年限。因此，必须正确的拟订路面的容许弯沉值。设计路面时，只要路面使用年限末期的弯沉值小于容许弯沉值，路面在使用年限内就不会达到临界状态，路面保持良好，能满足使用要求。按容许弯沉值可以确定柔性路面结构层厚度，保证路面整体有要求的抗垂直变形能力。此外，对路面的要求还应考虑道路的重要性和类型。z_1.1IR二尸TaMS式中：N设计年限内设计标准轴载累计数；N=N,.ar道路分类系数，按表4.5.1选用；4路面类型系数，按表4.5.2取用；轴载分配系数，按实际情况调查确
16、定，无数据时表?取用；Ne设计年限内各种轴载换算为标准轴载累计数。表3.10道路分类系数例城市级别道路分类快速路主干路次干路支路大城市0.851.01.11.2中小、城市0.851.11.21.2表3.11路面类型系数4路面类型沥青混凝土沥青碎石、沥青贯入式碎砾石沥青表面处治粒料系数七1.01.11.21.3表3.12轴载分配系数n车道数机动车行车道宽度(m)轴载分配系数单车道5.51.0双车道6.07.00.60.727.50.5四车道214.50.5六车道222.00.30.4为了防止路面出现车辙沉陷软弹网裂等整体强度不足的损坏，路表面的回弹弯沉IS应小于或等于路表容许弯沉，应符合下式要求
17、：(Ir-Is)/1.R5%、容许弯拉应力。R容许弯拉应力是规范规定的设计路面的另一项设计指标。路面结构层的材料承受行车荷载的重复作用，当达到临界状态时，路面结构层出现的最大疲劳弯拉应力，就是容许弯拉应力。容许弯拉应力可用下式计算：fam沥青混凝土的弯拉强度，MPa;Kiun沥青混凝土弯拉结构强度系数，与荷载的作用重复次数有关。按下式计算：Kut=02N02ar式中：N设计年限内设计标准轴载累计数;道路分类系数，按表451选用半刚性基层材料的容许弯拉应力，按下式计算:式中：jam半刚性材料的弯拉强度，MPaKam半刚性基层弯拉结构强度系数。按下式计算：SN/4式中N、生同前。结构层抗弯拉强度是
18、按规定由试验测定，表4.5.4是部分路面材料的弯拉强度和弯拉回弹模量。表3.13路面材料抗弯拉强度和弯拉回弹模量参考值材料名称抗弯拉强度（MPa）弯拉回弹模量（MPa）沥青混凝土1.51500沥青石屑1.01800水泥土0.62800水泥稳定砂砾0.62800石灰土0.31200石灰土粉煤灰0.51800炉渣灰土0.61300为了防止路面出现疲劳裂缝损坏，材料层的容许弯拉应力或等于该层的实际弯拉应力，并符合下式：（RrVR5%、容许抗剪应力路面材料的容许抗剪应力，由下式计算:Tr=式中：沥青混合料面层材料的抗剪强度，由莫尔圆可知紧急制动时=c+atan?=2c+,tan9式中：c、材料的粘结力
19、(MPa)和内摩擦角(),由试验确定;a破裂面上的有效法向应力(MPa)。/(/)=?.)一/)(1+sie)气山)是水平力系数为/时的计算点最大主压应力cp(f)=Ptf)式中：)水平力系数为一时的计算点最大主压应力系数。%)=%)+046(-03)式中：3)水平力系数=03时的主压力系数4.3)=)3)PP143)、p、P2由图查取。7/)水平力系数为/时的计算点最大剪应力(MPa)r)=P几()水平力系数为/时的最大剪应力系数)=3)1.3(/-0.3)4(0.3)水平力系数=03时的剪应力系数4(0.3)=43)%,24).3)、71、，2系数由图查取。(是沥青混合料面层剪应力强度系数
20、。对停车站、交叉口等缓慢停车地点，/=0.2时：k_033Ns02)=式中：Nc停车站或交叉口设计年限内同一位置停车站的标准轴累计次数对紧急制动点，/=0.5时，式中：%道路分类系数为了防止路面面层出现车辙波浪推移和剪切等破坏，面层材料的容许剪英应力大于或等于破裂面上实际剪应力，并应符合下式：(tr-t)tr5%、回弹模量土基回弹模量土基回弹模量的大小与土的种类性质状态有关系，通过试验得到下列关系式:Eg=MK25WF式中：K土基的压实系数；Wx土的相对含水量，即土的含水量与液限之比；m、n一系数，主要与土的类别有关。对于新建道路的路面设计，由于路基尚未建成，不能实测土基回弹模量。这样的情况下
21、，应先根据要求达到的压实程度路基潮湿状态和土类等资料，查表得出相应的土基回弹模量值。抗压回弹模量g首先，应计算土基回弹模量EO,在计算弯沉系数：IEOa=2Pr式中：I路表回弹弯值(cm)；EO测点下士基回弹模量(MPa)；P轮胎压强(MPa)；r双圆荷载之一的轨迹圆半径(cm)0计算平均弯沉值：，=空计算标准差:计算代表弯沉：=i+s计算&：E1.=必式中：P轮胎压强(MPa)；r单轮印迹当量圆半径(cm)；I代表弯沉(cm)材料的泊松比(3)、设计计算、行车荷载与交通分析该设计路段为城市次干道二级道路，设计行车速度为50kmho设计标准轴载为BZZ-IOOo路面设计以双轮组单轴100KN为
22、标准轴载。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。当以设计弯沉值为指标时及验算沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN的各级轴载P的作用次数n,轴载换算采用如下的计算公式：K/pA435N=ZCGN或/=1J式中：N标准轴载的当量轴次，次/日；%被换算车型的各级轴载作用次数，次/日P标准轴载，IOoKN；P被换算车型的各级轴载，KN；C1轴载系数，当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算，此时轴载系数为m；当轴间距小于或等于3m时，按双轴或多轴计算，轴载系数按下式计算：C1=1.+1.2(zn-1.)m轴数;轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1,四轮组为0.38。计算结果
23、见表3.14表3.14车型Pi/KNCiC2iCiCzni(PiZP)435三菱T653B前轴29.316.450015.35后轴48.01150020.53黄河JNI63前轴58.616.4400250.38后轴114.011400707.27江淮HF1.50前轴45.116.440080.16后轴101.511400426.78解放SP9200前轴31.316.460024.54后轴78.031600610.78湘江HQP40后轴73.221600308.89东风EQ155前轴26.516.45009.91后轴56.72.2150093.21累计2547.8累计当量轴次2547.8根据设计
24、规范，二级城市道路的沥青路面的设计年限取15年，四车道的车道系数是040.5,取0.45。=365Nm+)T365x25478x(1.+005)j045=2006692e/0.05结构组合与材料选取计算的设计年限内一个行车道上的累计标准轴载次约为2000万次左右。根据规范推荐结构，路面结构面层采用4cm厚细粒式抗滑沥青碎(AK-13A)+5cm厚中粒式沥青碎(AC-201)+6cm厚粗粒式沥青碎(AC-251)+3cm厚沥青表处+18cm厚5%水泥稳定碎石基层+15Cm厚4%水泥稳定砂砾基层。根据规范规定二级道路的面层由二层至三层组成，本工程采用三层式沥青面层。分别为4cm厚细粒式抗滑沥青碎(
25、AK-13A)+5cm厚中粒式沥青碎(AC-20D+6Cm厚粗粒式沥青碎(AC-251)+3Cm厚沥青表处(不作为路面结构计算各层材料的抗压模量和劈裂强度查表得到各层材料的抗压模量和劈裂。抗压模量取20。C的模量，各值均取规范给定的中值，因此得到20的抗压模量：细粒式密级配沥青混凝土为MOOMPa,中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa,粗粒式密级配沥青混凝土为IOOOMPa,水泥碎石为1500MPa,水泥稳定沙砾1500MPa。各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为1.4MPa,中粒式密级配沥青混凝土为1.OMPa,粗粒式密级配沥青混凝土为0.8MPa,水泥稳定碎石为0.5MPa,水泥
26、稳定沙砾为0.5MPao土基回弹模量的确定根据该路段表层粘土的3=29.6%、液限用=41.7%塑限Wp=30.1%,可以确定该路段处于II区,粘质土，稠度为1.05,查自然区划各土组土基回弹模量参考值查得土基的回弹模量为28MPa0设计指标确定1)容许弯沉值1.11.1湎-(0.5 X 20066920 严1.l1.0= 25.144(0.01)2)容许弯拉应力根据公路沥青路面设计规范，沥青的极限抗拉强度强度采用极限劈裂强度Kan=02N2ar0.122006692002 3.151.1对于细粒式密级配沥青混凝土的劈裂强度为1.4MPa,其容许弯拉应力为:f14=上=0.444(MP)K3.
27、15对于中粒式密级配沥青混凝土的劈裂强度为1.OMPa,其容许弯拉应力为:f1()1.i=0317(MPa)a,n3.15对于粗粒式密级配沥青混凝土的劈裂强度为O.8MPa,其容许弯拉应力为:=0.253(MPtz)K.3.15对于水泥稳定碎石的劈裂强度为O.5MPa,其容许弯拉应力为：外=-=-=059(MPa)Kam3.15对于水泥稳定沙砾的劈裂强度为O.5MPa,其容许弯拉应力为：fO5fi=-=059(MPa)a,n3.15设计资料汇总设计弯沉值为25.144(0.01mm),相关设计资料汇总如下表材料名称h/cm15C模量20。C模量劈裂强度6/MPa容许拉应力/MPa细粒式密级配沥
28、青混凝土4180014001.40.444中粒式密级配沥青混凝土5160012001.00.317粗粒式密级配沥青混凝土61200IOOO0.80.253水泥稳定碎石1815000.50.159水泥稳定沙砾1515000.50.159土基40设计验算（3）方案比选路面结构方案比选图式沥青混凝土结构细粒式沥青玛蹄脂碎石4cm中粒式沥青混凝土5cm粗粒式沥青混凝土6cm水泥稳定碎石18cm水泥稳定沙砾15cm土基40cm水泥混凝土结构普通混凝土面层22cm6%水泥稳定碎石18cm5%水泥稳定砂砾20cm土基40cm方案分析水泥混凝土路面是一种刚度大、扩散能力强、稳定性好和使用寿命长的路面结构，和其
29、他路面相比，具有强度高、稳定性好、耐久性好、养护维修费用少、抗滑性能好等优点。但同时由于其本身的原因，施工过程中，水泥和水的需求量大,修筑20Cm厚,7Cn1.宽的水泥路面,每公里要消耗水泥约400至500t和水250t；接缝较多，这些接缝不但增加施工和养护的复杂性，而且容易引起行车跳动，其刚度大，减振效果差，噪声大，影响行车的舒适性；开通交通较迟，水泥混凝土路面铺筑后，一般经2-3个星期湿治养生后，使强度的增长满足行车要求才开放交通；养护修护困难，水泥混凝土路面使用中的局部破坏处，在修护过程中开挖困难，有时修复的工作量大，且影响交通。这对于有地下管线的城市道路会带来较大麻烦。沥青路面是用沥青
30、材料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。由于其使用了沥青混合料，因而增强了矿料间粘结力，提高了混合料的强度和稳定性，使路面的使用质量和耐久性都得到了提高。与水泥混凝土路面相比,沥青路面具有表面平整、无接缝、于分期修建的优点。但是由于沥青路面属于柔性路面，其强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性，因此沥青路面的抗弯强度较低，在低温时，沥青路面的抗变形能力很低，在寒冷地区容易开裂,同时，由于沥青材料的一些特性使得它的透水性小,土基和基层的水分难以排出，土基和基层容易变软。当今时代，随着城市的发展。人们对城市道路的要求也越来越高，同时随着经济的快速，交通量的增长也超出了人们的考虑范围，城市道路的翻修也越来越频繁，同时本设计路段土质较好，具有足够的强度和稳定性及排水性，当地的气温环境也比较好，且本路段离水泥生产地距离较远，水泥运输不放便。因此结合沥青路面和水泥混凝土路面的优缺点，本路段设计选用沥青混凝土路面作为路面设计结构。
