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1、1、沥青路面结构层设计 1.1交通量的计算1.1.1根据柔性路面设计弯沉值作为设计指标时计算的当量交通量由相关规定可以得出下表，由得：当量轴次换算交通车型代表车型位置轴重/KNC1C2后轴数后轴轮交通量标准轴载Ni/次组数辆/日小客车桑塔纳2000前轴24000.00后轴24000.00中客车SH141前轴25.5516.4125008.46后轴55.11150037.41大客车CA50前轴28.716.412180050.49后轴68.2111800340.59小货车吉尔130前轴25.7516.4124007.00后轴59.51140041.80中货车CA390前轴3516.4129005
2、9.86后轴70.1511900192.51东风EQ140前轴23.716.4127008.54后轴69.211700141.11大货车JN150前轴4916.412750215.57后轴101.611750803.62特大车日野ZM440前轴6016.422700485.55后轴1002.217001540.00拖挂车五十铃EXR181L前轴6016.4327048.56后轴1001170210.00合计Ni4191.08注：轴载小于40KN的轴载作用不计。设计年限累计当量标准轴载数：其中t=15,=0.5,r=5.5%.1.1.2为半刚性路面时计算的当量交通量，由得：当量轴次换算交通车型代
3、表车型位置轴重/KNC1C2后轴数后轴轮交通量标准轴载Ni/次组数辆/日小客车桑塔纳2000前轴24000.00 后轴24000.00 中客车SH141前轴25.55118.5125000.17 后轴55.1115004.25 大客车CA50前轴28.7118.51218001.53 后轴68.211180084.25 小货车吉尔130前轴25.75118.5124000.14 后轴59.5114006.28 中货车CA390前轴35118.5129003.75 后轴70.151190052.78 东风EQ140前轴23.7118.5127000.13 后轴69.21170036.81 大货车
4、JN150前轴49118.51275046.11 后轴101.611750851.55 特大车日野ZM440前轴60118.522700217.51 后轴100317002100.00 拖挂车五十铃EXR181L前轴60118.5327021.75 后轴1001170210.00 合计Ni3637.01 注：轴载小于40KN的轴载作用不计。设计年限累计当量标准轴载数：其中t=15, =0.5, r=5.5%.一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量Nh= 2910 ,属重交通等级当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时 :路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 4191 设计年限内一个车
5、道上的累计当量轴次 : 1.713943E+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 :路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 3637 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 1.487381E+07属重交通等级即路面设计交通等级为重交通等级2、路面结构组合层组合2.1方案一：2.1.1结构组合与材料选取 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1714万次左右，根据规范推荐结构，路面结构层采用沥青混凝土（22cm）、基层采用水泥稳定碎石（20cm）、底基层采用水泥石灰砂砾土（厚度待定）。 规范规定高速公路一级公路的面层由二至三层组成，查规范，采用三层沥青面
6、层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚4cm），中间层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚8cm），下面层采用粗粒式沥青混凝土（厚10cm）。2.1.2各层材料的抗压模量与劈裂强度查有关资料的表格得各层材料抗压模量（20）、15抗压模量与劈裂强度材料名称H（mm）20抗压模量15抗压模量劈裂强度细粒式沥青混凝土40140020001.2中粒式沥青混凝土80120018001.0粗粒式沥青混凝土100100012000.8水泥稳定碎石200150036000.6水泥石灰砂砾土？100018000.4土基402.1.3路面结构层厚度的确定及强度验算2.1.3.1土基回弹模量的确定 该路段处于II区，为
7、中液限粘性土，查相关表的土基回弹模量为40.0MPa。 - 细粒式沥青混凝土 40 mm - 中粒式沥青混凝土 80 mm - 粗粒式沥青混凝土 100 mm - 水泥稳定碎石 200 mm - 水泥石灰砂砾土 ?mm - 新建路基2.1.3.2设计指标的确定对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层层底拉应力的验算。、设计弯沉值（一级公路）该公路为一级公路，路面等级系数取1.0，面层是沥青混凝土路面取1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数。设计弯沉值为： 、各层材料的容许层底拉应力 细粒式沥青混凝土 中粒式沥青混凝土 粗粒式沥青混凝土 水泥稳定碎石 水泥
8、石灰砂砾土 2.1.3.3设计资料总结设计弯沉值为（0.01mm）相关资料汇总如下表：材料名称H（mm）20抗压模量15抗压模量 容许拉应力 （）细粒式沥青混凝土40140020000.34中粒式沥青混凝土80120018000.28粗粒式沥青混凝土100100012000.23水泥稳定碎石200150036000.28水泥石灰砂砾土？100018000.14土基402.1.3.4确定水泥碎石层厚度（换算成三层体系）取设计弯沉值等于计算弯沉值为21.4（0.01mm） 根据 2.1.3.5弯拉应力的验算A点 细粒式密级配沥青混凝土底 可得为压应力，不需验算。B点 中粒式密级配沥青混凝土底 可得
9、为压应力，不需验算。C点 粗粒式密级配沥青混凝土底 可得为压应力，不需验算D点 水泥碎石层底 E点 底层弯拉应力 2.1.4路面结构层的确定： 2.1.4.1 路面结构层的确定： 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 40 mm - 中粒式沥青混凝土 80 mm - 粗粒式沥青混凝土 100 mm - 水泥稳定碎石 200 mm - 水泥石灰砂砾土 202 mm - 新建路基2.1.4.2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= 1.3 (0.01mm) 第 2 层路面顶
10、面交工验收弯沉值 LS= 1.5 (0.01mm) 第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 1.7 (0.01mm) 第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 2.2 (0.01mm) 第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 5.6 (0.01mm) 路基顶面交工验收弯沉值 LS= 145.6 (0.01mm) 2.1.4.3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 ( 1 )=-0.168 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-0.007 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )=-0.068 (MPa) 第 4 层底面
11、最大拉应力 ( 4 )= 0.12 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 ( 5 )= 0.14 (MPa)2.1.4.4验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 400 mm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 .2.2方案二：2.2.1结构组合与材料选取 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1714万次左右，根据规范推荐结构，路面结构层采用沥青混凝土（16cm）、基层采用密级配沥青碎石（20cm）、底基层采用水泥稳定砂砾（厚度待定）、垫层采用级配砂砾（18cm）。 规范规定高速公路一级公路的面层由二至三层组成，查规范，采用两层沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土
12、（厚6cm），中间层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚10cm）。2.2.2各层材料的抗压模量与劈裂强度查有关资料的表格得各层材料抗压模量（20）、15抗压模量与劈裂强度材料名称H（mm）20抗压模量15抗压模量劈裂强度细粒式沥青混凝土60140020001.2中粒式沥青混凝土100120018001.0密级配沥青碎石 140120014000.6水泥稳定砂砾 ？130036000.5级配砂砾1802002000土基402.2.3路面结构层厚度的确定及强度验算2.2.3.1土基回弹模量的确定 该路段处于II区，为中液限粘性土，查相关表的土基回弹模量为40.0MPa。 - 细粒式沥青混凝土 60 m
13、m - 中粒式沥青混凝土 100 mm - 密级配沥青碎石 140 mm - 水泥稳定砂砾 ？ - 级配砂砾 180mm - 新建路基2.2.3.2设计指标的确定对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层层底拉应力的验算。、设计弯沉值（一级公路）该公路为一级公路，路面等级系数取1.0，面层是沥青混凝土路面取1.0，该结构为柔性基层与半刚性基层组合，采用内插法的基层类型系数。设计弯沉值为： 、各层材料的容许层底拉应力 细粒式密级配沥青混凝土 中粒式密级配沥青混凝土 密级配沥青碎石 水泥稳定砂砾 级配砂砾 由于级配砂砾属于散料，不存在粘结拉应力，故层底拉应力为02.2.3.3设计
14、资料总结设计弯沉值为（0.01mm）相关资料汇总如下表：材料名称H（mm）20抗压模量15抗压模量 容许拉应力 （）细粒式沥青混凝土60140020000.34中粒式沥青混凝土100120018000.28密级配沥青碎石140120014000.17水泥稳定砂砾？130036000.23级配砂砾1802002000土基402.2.3.4确定水泥碎石层厚度（换算成三层体系）取设计弯沉值等于计算弯沉值为31.1（0.01mm） 根据 2.2.3.5弯拉应力的验算A点 细粒式密级配沥青混凝土底 可得为压应力，不需验算。B点 中粒式密级配沥青混凝土底 可得为压应力，不需验算。C点 密级配沥青碎石底 可
15、得为压应力，不需验算D点 水泥稳定砂砾底 E点 级配砂砾底由于级配砂砾属于散料，不存在粘结拉应力，故不需要验算层底弯拉应力 。 2.2.4路面结构层的确定：2.2.4.1 路面结构层的确定： 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 60 mm - 中粒式沥青混凝土 100mm - 密级配沥青碎石 140mm - 水泥稳定砂砾 245mm - 级配砂砾 180mm - 新建路基 2.2.4.2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= 1.3 (0.01mm) 第 2 层路面顶
16、面交工验收弯沉值 LS= 1.5 (0.01mm) 第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 1.9 (0.01mm) 第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 3.1 (0.01mm) 第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 11 (0.01mm)路基顶面交工验收弯沉值 LS= 145.6 (0.01mm) 2.2.4.3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 ( 1 )=-0.136 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-0.011 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )=-0.038 (MPa) 第 4 层底面最大
17、拉应力 ( 4 )= 0.23 (MPa)2.2.4.4验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 400 mm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求3、沥青路面结构层技术经济比较：综上所述：方案一：沥青层厚度22cm，总厚度为62.2cm。由概预算表可得：这条一级公路每米造价为：方案二： 沥青层厚度为30cm，总厚度为72.5cm。由概预算表可得：这条一级公路每米造价为：所以沥青路面结构设计根据上面技术经济比选后确定选方案一4、路基排水设计4.1 确定边沟布置，断面形式及尺寸边沟设置在路堤的坡脚外侧无需水力计算，横断面采用梯形标准横断面式，取梯形边沟内侧边坡坡度为1:1.5,外侧边坡坡度与挖方
18、边坡坡度相同，取为1:1.5，因江淮丘陵区降水量较大，故取底宽与深度均为0.6m，边沟纵坡为1:1，边沟采用浆砌片石，砌筑用砂浆强度采用M7.5.5、水泥混凝土路面结构层设计 水泥混凝土路面板为刚性路面，具有较高的力学强度，在车轮荷载作用下变形较小。所以，混凝土板通常工作在弹性阶段。本水泥混凝土路面设计主要依据公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)。在荷载图示方面采用静力作用均布面荷载，在地基模型方面，采用温克勒地基模型。在路面板形态方面，采用半空间弹性地基有限大矩形板理论。5.1 轴载换算5.1.1 车辆的类型和轴型车辆轴重参数参考表代表车型位置轴重/KNi后轴数后轴轮交通量组
19、数辆/日桑塔纳2000前轴2400后轴2400SH141前轴25.55551.0 12500后轴55.10.0 500CA50前轴28.7524.2 121800后轴68.21.0 1800吉尔130前轴25.75549.2 12400后轴59.51.0 400CA390前轴35481.3 12900后轴70.151.0 900东风EQ140前轴23.7569.1 12700后轴69.21.0 700JN150前轴49416.5 12750后轴101.61.0 750日野ZM440前轴60381.7 22700后轴1000.0 700五十铃EXR181L前轴60381.7 3270后轴1000
20、.0 70由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)得标准轴载的有关计算参数见下表：标准轴载计算参数标 准 轴 载BZZ100轴载P（KN）100轮胎接地压强p（MPa）0.70单轮传压面当量直径d（cm）21.30两轮中心距（cm）1.5d水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴轮型和轴载的作用次数，换算为标准轴载的作用次数。由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002) 有单轴单轮组： （2-2）单轴双轮组： 双轴双轮组： （2-3）三轴双轮组： （2-4）Ns100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；Pi单轴-单轮、单轴-双轮组、双轴
21、-双轮组或三轴-双轮组轴型级轴载的总重（KN）；轴型和轴载级位数； 各类轴型级轴载的作用次数； 轴-轮型系数，单轴-双轮组时，=1；单轴-单轮时，按（2-2）计算；双轴-双轮组时，按（2-3）计算；三轴-双轮组时，按（2-4）计算。对于标准轴载作用次数的统计，去掉影响较小的轴载小于40KN的交通量。计算结果列表如下： 轴载换算计算表交通车型代表车型位置轴重/KNi后轴数后轴轮交通量标准轴载Ni/次组数辆/日小客车桑塔纳2000前轴24000.00 后轴24000.00 中客车SH141前轴25.55551.0 125000.00 后轴55.10.0 5000.00 大客车CA50前轴28.75
22、24.2 1218000.00 后轴68.21.0 18003.94 小货车吉尔130前轴25.75549.2 124000.00 后轴59.51.0 4000.10 中货车CA390前轴35481.3 129000.02 后轴70.151.0 9003.10 东风EQ140前轴23.7569.1 127000.00 后轴69.21.0 7001.94 大货车JN150前轴49416.5 127503.45 后轴101.61.0 750966.85 特大车日野ZM440前轴60381.7 2270075.38 后轴1000.0 7000.00 拖挂车五十铃EXR181L前轴60381.7 32
23、707.54 后轴1000.0 700.00 合计Ni1062.32 则可知本路建成初期每昼夜双向混合交通量换算成标准轴载的作用次数为1062.32由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)可得高速公路的设计基准期为30年，由于路面设计依据的交通量是设计车道上的交通量，所以，应对道路交通量乘以方向不均匀系数及车道不均匀系数。方向不均匀系数取1.0，车道不均匀系数取1.0。水泥混凝土路面的临界疲劳荷位为纵缝边缘中部，该处的轮迹横向分布系数，按实际测定结果参照下表所示。车辆轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速、一级公路、收费站0.170.22二级及二级以下公路行车道宽大于7m0.34
24、0.39行车道宽小于或等于7m0.540.62本公路为一级公路双向四车道，取=0.2 。则设计基准期内面层临界荷位出得标准轴载累积作用次数Ne。水泥混凝土路面所承受的交通轴载作用，按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为4级，分级范围如下表所示。 交通分级交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数Ne（104）2000100200031003由上表可知，本道路交通属于重交通。5.2 路面结构组合设计方案一：组成水泥混凝土路面的结构层包括：垫层、基层和面层等，各结构层的功能和作用各不相同。5.2.1 垫层设计本公路路基土为中液限粘性土，需要在路基和基层之间设置垫层，以改善路基
25、的湿度和温度状况，保证面层和基层的强度、刚度及温度性。由于修筑垫层的材料，强度要求不一定要求很高，但水稳性和隔温性能要好，本设计垫层所采用的材料是石灰粉煤灰土 。由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)，垫层的宽度应与路基同宽，其最小厚度为150mm。本设计取垫层厚度为150mm。5.2.2 基层设计在面层下设置基层的主要目的是防止唧泥、错台和由此引起的面板断裂等损坏的出现。要求刚度与面层匹配，细粒土含量少、耐冲刷能力强和有排水设施。由于本公路为一级公路，对基层的上述要求较高。（1） 类型由于本公路交通属于重交通。由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)可得适宜的基
26、层类型如下表所示。适宜各类交通等级的基层类型交通等级基层类型特重交通贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土基层重交通水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层中等或轻交通水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料或级配粒料基层由上表本设计路面基层采用水泥稳定粒料。（2） 宽度由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)知。基层的宽度应比混凝土面层每侧至少宽出300mm（采用小型机具施工时）或500mm（轨模式摊铺机施工时）或650mm（滑模式摊铺机施工时）。路肩采用混凝土面层，其厚度与行车道面层相同时，基层宽度宜与路基同宽。级配粒料基层的宽度也宜与路基同宽。本设计采用与路基同宽度的基层。（3） 厚度由公路水泥混
27、凝土路面设计规范(JTG D402002)。可知各类基层厚度的适宜范围，如下表所示。各类基层厚度的适宜范围基层类型厚度适宜的范围（mm）贫混凝土或碾压混凝土基层120200水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层150250沥青混凝土基层4060沥青稳定碎石基层80100级配粒料基层150200多孔隙水泥稳定碎石排水基层100140沥青稳定碎石排水基层80100由于本设计采用水泥稳定粒料基层，且考虑到交通容量比较大，并结合贫混凝土的材料性能，决定采用200 mm的水泥稳定粒料基层。5.2.3 面层设计水泥混凝土面层应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。面层采用设接缝的普通混凝土。具体设计参数见下
28、节，水泥混凝土路面设计。5.3路面结构层设计5.3.1 初拟路面结构我们选定相应于一级公路的变异水平等级为中级。根据一级公路重交通等级和中变异水平等级，初拟普通混凝土面层厚度为下图所示，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。水泥稳定砂不设纵缝，横缝设假缝，间距(板长)5m。 - 普通混凝土面层 250 mm - 水泥稳定粒料 200mm - 石灰粉煤灰土 150 mm - 新建路基5.3.2 路面材料参数的确定（1）面层由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)可得普通混凝土面层弯拉强度标准值如下表所示。水泥混凝土设计弯拉强度标准值交通等级特重重中等轻水泥混凝土的弯拉强度标准值（
29、MPa）5.05.04.54.0钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）6.06.05.55.0同时可得相应的弯拉弹性模量如下表所示。水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值弯拉强度（MPa）1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5抗压强度（MPa）5.07.711.014.919.324.229.735.841.848.4弯拉弹性模量（GPa）10151821232527293133综上分析，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。（2）基层参考有关资料，水泥稳定粒料弯拉强度标准值为4.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为27GPa。又由下
30、表得水泥稳定粒料基层回弹模量取1500MPa。垫层和基层材料回弹模量经验参考值材料类型回弹模量（MPa）天然沙砾150200水泥稳定粒料13001700（3）垫层同样石灰粉煤灰土垫层的回弹模量取700MPa。（4）路基由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)建议路基土回弹模量取值如下表所示。中湿路基路床顶面回弹模量（MPa）土组公路自然区划土质砂26424050395035605060粘质土25453040254530453045粉质土22463254305027433045由公路自然区划标准可知：该公路位于II区，路基土质为中液限粘性土土。路基土回弹模量取40MPa。5.3.3
31、基层顶面回弹模量由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)得基层顶面回弹模量的计算公式如下： 普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)，有基层顶面的当量回弹模量Et的最低要求见下表所示。基层顶面回弹模量Et最低要求交通量等级特重重中等轻回弹模量Et（MPa）1201008080由于所以算的Et=219.57MPa，大于100MPa，所以满足要求。5.3.4 荷载疲劳应力由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)，采用水泥稳定粒料做基层时，宜将基层与混凝土面层视作分离式双层板进行应力分析。普通混凝土面层，因纵缝为设拉杆平
32、缝，接缝传荷能力的应力折减系数=0.87；水泥稳定砂基层不设纵缝，不考虑接缝传荷能力的应力折减系数。设计基准期内的荷载疲劳应力系数。 (2-18)式中： kf设计基准期内的荷载疲劳应力系数； Ne设计基准期内标准轴载累计作用次数； 与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057，普通混凝土水泥稳定砂和贫混凝土，=0.065；对普通混凝土面层， 。考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查下表可得。综合系数公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路1.301.251.201.10由于本公路为一级公路，取=1.25 。普通混凝土面层的荷载疲劳应力计算为，5.3.5温度疲劳应力水泥混凝土面层的最大温度梯度标准值Tg ，可按照公路所在地的公路自然区划按下表选用。表2.15 最
