第四章 路面设计

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某中等城市主干道黄河路（K0+000-K2+000）施工图设计

第四章 路面设计

4.1 设计原则及设计指标

路面设计应根据道路等级与使用要求，遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护的原则，结合当地条件和实践经验，对路基路面进行综合设计，以达到技术经济合理，安全适用的目的。柔性路面结构应按土基和垫层稳定，基层有足够强度，面层有较高抗疲劳、抗变形和抗滑能力等要求进行设计。结构设计应以双圆均布垂直和水平荷载作用下的三层弹性体系理论为基础，采用路表容许回弹弯沉、容许弯拉应力及容许剪应力三项设计指标。路面结构用计算机计算；无计算机时对于三层以上体系用当量层厚度法换算为三层体系后查诺模图计算。面层材料应具有足够的强度与温度稳定性；上基层应采用强度高稳定性好的材料；底基层可就地取材；垫层材料要求水稳定性好。

4.2 设计资料

1、该段设计为城市次干道II级道路，设计行车速度为50km/h 。设计标准轴载为BZZ-100KN。交通资料如表4—1。

表4—1 交 通 资 料

车 型 序号 名 称 1 2 3 4 5 三菱T653B 黄河JN163 东风EQ155 新疆XJ-662A 湘江HQP40 (kN) 29.3 58.6 26.5 32.7 23.1 (kN) 48.0 114.0 56.7 64.7 73.2 1 1 2 1 1 前轴重后轴重后轴数 组数 双轮组 双轮组 双轮组 双轮组 双轮组 (m) >3 3 >3 （辆/日） 300 300 400 500 400 后轴轮 后轴距交通量 注：①上表为双车道双向交通量调查结果； ②单位为辆/昼夜；

③交通量平均增长率为5%。

2、车路段属于河南丘陵中湿区

IV5，气候温和，雨量充沛，应注意路面水毁

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防治；按照《公路沥青路面施工技术规范》附录A的沥青路面施工气候分区，浙江属于热区，最低日平均气温大于0℃，另外根据该地区的降雨量，属于多雨湿润地区。

3、沿线有丰富的砂石材料，砂质好；石料为石灰岩，质量可靠，运输便利；当地有水泥厂和电厂，粉煤灰较丰富。

4.3 设计说明

依据规范要求，选用的各结构层，其中基层采用水泥稳定碎石，以满足多雨湿润地区路面结构层排水的要求。混凝土路面结构的强度高、稳定性及耐久性好，但是水泥的需求量大，有接缝，这些接缝影响行车的舒适性，增加施工和养护的复杂性，而且又是路面的薄弱点，如处理不当，将导致路面板边和板角处的破坏；开放交通较迟；修复困难，混凝土路面破坏后，开挖很困难，修补工作量也大，且影响交通。

沥青路面是用沥青材料做结合料粘结矿物修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。由于沥青路面使用沥青结合料，因而增强了矿料间的结合力，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、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、开放交通早、容易养护维护等优点。

4.4 路面结构设计

依据设计要求，拟分别采用两种路面结构设计方案（水泥砼路面与沥青砼路面两种方案）进行路面结构方案比选，选取其中最优方案作为本设计路段路面结构，并付诸于工程实际。

4.4.1 沥青混凝土路面设计

沥青路面结构设计采用弹性层状体系理论结合本路段新建沥青路面设计基本参数（如路面等级、面层类型、土基回弹模量、各结构层材料抗压回弹模量及抗拉强度等）采用公路路面设计程序系统进行验算。其基本原理依据设计弯沉值计算路面厚度。

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1、轴载分析

路面设计以双轮组单轴载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??c1?c2ni(i?1kpi4.35) p式中：N —标准轴载当量轴次，次/日；

ni—被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日；

P—标准轴载，KN；

pi—被换算车辆的各级轴载，KN；

K—被换算车辆的类型数；

c1—轴载系数，c1?1?1.2(m?1)，m是轴数。当轴间距离大于

3m时，按单独的一个轴载计算；当轴间距离小于3m时，应考虑轴数系数；

c2—轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。

表4—2 交 通 资 料

车 型 序号 名 称 1 2 3 4 5 三菱T653B 黄河JN163 东风EQ155 新疆XJ-662A 湘江HQP40

表4—3 轴载换算结果表（弯沉）

(kN) 29.3 58.6 26.5 32.7 23.1 (kN) 48.0 114.0 56.7 64.7 73.2 1 1 2 1 1 前轴重后轴重后轴数 组数 双轮组 双轮组 双轮组 双轮组 双轮组 (m) 3 >3 （辆/日） 300 300 400 500 400 后轴轮 后轴距交通量

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车型 前轴 三菱T653B 后轴 前轴 黄河JN163 后轴 前轴 东风EQ155 后轴 前轴 新疆XJ－662A 后轴 前轴 湘江HQP40 后轴 73.2 累计 1 1 400 102.963 1022.799 64.7 23.1 1 1 1 6.4 500 400 75.232 4.365 56.7 32.7 2 1 1 6.4 400 500 67.792 24.742 114.0 26.5 1 1 1 6.4 300 400 530.465 7.932 48.0 58.6 1 1 1 6.4 300 300 12.317 187.783 pi/KN 29.3 c1 1 c2 6.4 ni 300 c1?c2ni(pi4.35) p9.208 ② 累计当量轴次

根据设计规范，二级道路沥青路面的设计年限取10年，四车道的车道系数是0.4—0.5，取0.45。

Ne＝t365N1（[1??）－1]??

式中：Ne－设计年限内累计交通量； Nl－设计的初始年平均日交通量； ?－设计年限内交通量年平均增长率； ?－轮迹分布系数； t－设计年限。

10365?1022.799?（[1?0.05）－1]?0.45＝2113019 次 则Ne＝0.05（2）、验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次。 ① 轴载换算

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当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50KN的各级轴载（包括车辆的前后轴）的作用次数N，应按下述公式换算成标准轴载P的当量作用次数。

验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为

N??c1'?c2'ni(i?1kpi8) p''cc11式中：－为轴数系数，?1?2(m?1)；

'c2 －轮组系数，单轮组为1.85，双轮组为1，四轮组为0.09。

表4--4 交 通 资 料

车 型 序号 名 称 1 2 3 4 5

表4--5 轴载换算计算结果

车型 前轴 黄河JN163 后轴 东风EQ155 新疆XJ－后轴 662A 64.7 1 1 500 15.353 后轴 114.0 56.7 1 2 1 1 300 400 855.776 8.546 三菱T653B 黄河JN163 东风EQ155 新疆XJ-662A 湘江HQP40 (kN) 29.3 58.6 26.5 32.7 23.1 (kN) 48.0 114.0 56.7 64.7 73.2 1 1 2 1 1 前轴重后轴重后轴数 组数 双轮组 双轮组 双轮组 双轮组 双轮组 (m) 3 >3 （辆/日） 300 300 400 500 400 后轴轮 后轴距交通量 pi/KN 58.6 c1 1 'c2 18.5 'ni 300 'c1'?c2'ni(pi8) p77.175

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湘江HQP40 后轴 73.2 累计

1 1 400 32.972 989.822 ② 累计当量轴次

1010365Nl（[1?0.05）－1]365?989.822?（[1?0.05）－1]N?＝?0.45＝?0.45＝2044892e0.050.05次

2、 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200万次左右，根据规范推荐结构，路面结构层采用沥青混凝土（12cm）、基层采用水泥碎石（40 cm）。

规范规定城市二级道路的面层由二至三层组成，查规范，采用二层沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青抗滑表层（厚4cm），下面层采用粗粒式沥青混凝土（厚8cm）。

3、各层材料的抗压模量与劈裂强度

表4--6 各层材料抗压模量（20℃）与劈裂强度

抗压模量厚度层位 结构层材料名称 (cm) (20℃) 1 2 3 4 细粒式沥青 粗粒式沥青混凝土 水泥稳定砂砾 土基 4 8 1400 1000 1500 (15℃) 2000 1200 1500 0.43 0.28 0.24 1.4 0.8 0.5 (MPa) (MPa) (MPa) 强度 抗压模量容许应力劈裂

4、土基回弹模量的确定

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该路段处于Ⅳ5区，为粘质土，稠度为1.00，查《路基路面工程》表16.6.2，可知土基回弹模量为39.5MPa。 5、设计指标的确定

对于中等城市主干路，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。

（1）、设计弯沉值

该道路为中等城市次干道，路面等级系数Ac?1.1，面层是沥青混凝土路面As取1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，基层类型系数

Ab?1.0。

设计弯沉值为：

0.2NAcAsA＝ ld?600－eb6?00-0.221130?19?1?.1＝1.0 1.035.9（0.01mm）

（2）、各层材料的容许层底拉应力

?R??spKs

①细粒式密级配沥青混凝土：

0.09AaNe KS?Ac0.220.0?91.0?204480.2292＝＝2

1.1 ?R??SPKS?1.4?0.7MPa 2②粗粒式密级配沥青混凝土：

0.09AaNe0.22KS?Ac

.220.09?1.1?20448092?2.2 ?

1.1 ?R??SPKS?0.8?0.36MPa 2.2③水泥稳定砂砾：

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0.35Ne0.11KS?Ac0.11

?0.3?52044892＝1.571.1

?R?

?SPKS?0.5?0.318MPa 1.576、设计资料总结

设计弯沉值为35.9（0.01mm）相关资料汇总如表4—7。

表4—7 设计资料汇总表

材料名称 细粒式沥青 粗粒式沥青混凝土 水泥稳定砂砾 土基

层厚(cm) 4 8 40 — 容许拉应力（MPa） 0.700 0.360 0.318 — 用HPDS2006验算知上述设计结果满足设计要求。

4.4.2 水泥混凝土路面设计

1、轴载分析

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，按下式换算为标准轴载的作用次数。

?P?NS=??iNi?i? （4-1）

?100?i?1n16?i=2.22?103Pi?0.43 （4-2）

?0.22或 ?i=1.07?10?5Pi或 ?i=2.24?10?8Pi

（4-3） （4-4）

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式中：

NS—100KN单轴-双轮组标准轴载的作用次数；

单轴-双轮组、双轴-双轮组或三轴-双轮组轴型i级轴载Pi —单轴-单轮、

的总重（KN）；

n —轴型和轴载级位数；

Ni—各类轴型i级轴载的作用次数；

?i—轴-轮型系数，单轴-双轮组时，?i=1；单轴-单轮时，按式（4-2）计

算；双轴-双轮组时，按式（4-3）计算；三轴-双轮组时，按式（4-4）计算。

凡是前、后轴载大于40KN的轴数均应换算成标准轴数。对于前、后轴载小于或等于40KN的轴数，因为它在混凝土板内产生的应力很小，引起的疲劳损伤也很轻微，故可略去不计。设计任务书提供的交通资料为双车道双向调查结果，如表4--8。

表4--8 交 通 资 料

车 型 序号 名 称 1 2 3 4 5

表4--9 计算设计年通过的标准轴载作用次数

三菱T653B 黄河JN163 东风EQ155 新疆XJ-662A 湘江HQP40 (kN) 29.3 58.6 26.5 32.7 23.1 (kN) 48.0 114.0 56.7 64.7 73.2 1 1 2 1 1 前轴重后轴重后轴数 组数 双轮组 双轮组 双轮组 双轮组 双轮组 (m) >3 3 >3 （辆/日） 300 300 400 500 400 后轴轮 后轴距交通量

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车型 车轴 Pi(KN) ?i Ni(次/日) ?iNi(pi16) 100－3 三菱T653B 后轴 前轴 48.0 58.6 114.0 56.7 64.7 73.2 1 359 1 0.44×101 1 －5 300 300 300 400 500 400 2.382×1026.031 黄河JN163 后轴 东风EQ155 新疆XJ－662A 湘江HQP40 累计 后轴 后轴 后轴 3051.469 4.564×100.471 2.718 3080.689 －7 平均增长率为：i?500 2、交通参数分析

设计基准期内水泥混凝土面层临界荷位处所承受的标准轴载累计作用次数，可按下式计算确定。

N?1?gr??1?365? Ne?sgrt??式中：Ne—标准轴载累计作用次数；

t—设计基准期；

gr—交通量年平均增长率；

?—临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数。

查规范知，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数??0.35。已知交通量年平均增长率为5%。将参数代入上式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：

20Ns?1?gr??1?3653080.689??1?500??1?365Ne??=?0.35?1301.3371

0gr50t????（万次）

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由规范知：设计车道标准轴载累计作用次数1000?104?Ne?2000?104时，属重交通等级。所以该路属重交通等级。

3、初拟路面结构

由规范知，相应于安全等级三级的变异水平等级取中级。根据二级道路、特重交通等级和中级变异水平等级，初拟普通混凝土面层厚度为0.22m。基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚0.18m；垫层选用0.18m低剂量无机结合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸宽为4.5 m，长5.0m，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

4、路面材料参数确定

查规范知，取重交通等级的普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量取Ec=30GPa。

查规范知，路基回弹模量取E0?30MPa，水泥稳定粒料回弹模量1300MPa，无机结合料稳定土垫层回弹模量600 MPa。

新建公路的基层顶面当量回弹模量可按下式确定：

?ExbEt?ahxE0??E?022??? ?13Ex?h1E1?h2E2h1?h21322

?12Dxhx???E?x3??? ?32?h?h2?EhEhDx?11?22?112124??Exa?6.22?1?1.51??E??0??Exb?1?1.44??E?0?????0.55?11???EhEh22?11??? ??1?????0.45?? ??

式中：

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Et—基层顶面的当量回弹模量（MPa）；

； E0—路床顶面的当量回弹模量（MPa）

； Ex—基层和底基层或垫层的当量回弹模量（MPa）； E1、E2—基层和底基层或垫层的回弹模量（MPa）； hx—基层和底基层或垫层的当量厚度（m）

； Dx—基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度（MN-m）； h1、h2—基层和底基层或垫层的厚度（m）

a、b—与ExE0有关的回归系数。

将E1?1300 Mpa、E2＝600Mpa、h1?0.18m、h2?0.18m、E0＝30Mpa代入得：

Ex?h1E1?h2E2h1?h2322221300?0.182?600?0.182=?950（MPa）

0.182?0.1822Dx??h?h2?E1h1Eh?22?1121243?11???EhEh22?112??? ??1?11300?0.183600?0.183?0.18?0.18??11????=??

12124?1300?0.18600?0.18? =0.924?MN?m?

?12Dxhx???E?x?3??=12?0.924950?0.012 (m) ?13??Exa?6.22?1?1.51??E??0??Exb?1?1.44??E?0?????0.55?????0.45?0.45????950???4.236 ??6.22??1?1.51??30??????????0.55?950??1?1.44????30??0.785

13?Exb Et?ahxE0??E?0

??950?0.785??4.236?0.012?30? ???30???49

13?130(MPa)

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普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算：

?Ecr?0.537h??E?t??? ?13式中：r－混凝土板的相对刚度半径（m），； ； h－混凝土板的厚度（m）

Ec－水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa）； Et－基层顶面当量回弹模量（MPa）。

? 相对刚度半径计算为：

?Ecr?0.537h??E?t????13?30000??0.537?0.22????130?13?0.725（m）

5、荷载疲劳应力

标准轴载Ps在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力按下式计算：

?ps?0.077r0.60h?2

?ps－标准轴载Ps在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力式中：（MPa）；

?ps?0.077r0.60h?2?0.077?0.7250.60?0.22?2?1.312（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。

?pr?krkfkc?ps 式中：

?pr—标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）；

?ps—标准轴载Ps在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力（MPa）；

kr—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，kr=0.87～0.92（刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值）；

kf—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；

kc—考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。

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其中 kf?Ne 式中：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?=0.057；

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数kr=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?Ne??1301?33?721.5 ；4 4?0.057根据公路等级，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

kc?1.20。

则荷载疲劳应力计算为：

?pr?krkfkc?ps?0.87?2.544?1.20?1.312＝3.48（MPa） 6、温度疲劳应力

由规范知，Ⅳ5区最大温度梯度取Tg?86℃/m。板长l?5m，

lr=

5?6.90，可查普通混凝土厚h=0.22m时，Bx＝0.51。按下式计算，最大0.725温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力。

?tm??cEchTg2Bx

式中：

?tm—最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力（MPa）； ?c—混凝土的线膨胀系数（1/℃），通常可取为1?10?5/℃；

Tg—最大温度梯度；

Bx—综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，可按lr和h查图

确定；

。 l—板长，即横缝间距（m）将参数代入式（4-16）得：

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?tm??cEchTg21?10?5?30000?0.22?88Bx=?0.51?1.48（MPa）

2温度疲劳应力系数kt，按下式计算

c?fr???tm???a?kt???b? ?tm??f???r??式中：a、b和c—回归系数，按所在地区的公路自然区划查表确定；

。 fr—混凝土弯拉强度标准值（MPa）

根据公路自然区划，查规范知，取a?0.841，b?0.058，c?1.323，得：

c1.323?5.0??fr???tm?1.48????a?kt??0.058??0.372 ??b?=1.48??0.841??5.0??tm??f?????????r??临界荷位处的温度疲劳应力按下式确定：

?tr?kt?tm

式中：?tr—临界荷位处的温度疲劳应力（MPa）；

?tm— 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力（MPa）；

kt— 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：

?tr?kt?tm=0.372?1.48?0.550（MPa）

查规范知，二级道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为低级，确定可靠度系数?r=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。

?r??pr??tr??fr 式中：

?r——可靠度系数；

?pr——行车荷载疲劳应力（MPa）；

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； ?tr——温度梯度疲劳应力（MPa）

。 fr——水泥混凝土弯拉强度标准值（MPa）将各参数代入计算式得：

?r??pr??tr?=1.13??3.48?0.55??4.55MPa?fr?5.0MPa

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。

4.4.3 路面结构方案比选

依据规范要求，选用的各结构层，其中基层采用水泥稳定碎石，以满足多雨湿润地区路面结构层排水的要求。混凝土路面结构的强度高、稳定性及耐久性好，但是水泥的需求量大，有接缝，这些接缝不但增加施工和养护的复杂性，而且又是路面的薄弱点，如处理不当，将导致路面板边和板角处的破坏；开放交通较迟；修复困难，混凝土路面破坏后，开挖很困难，修补工作量也大，且影响交通。

沥青路面是用沥青材料做结合料粘结矿物修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。由于沥青路面使用沥青结合料，因而增强了矿料间的结合力，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、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短、养护维修简便、适宜于分期修建等优点。但是，沥青路面的抗弯强度低，所以要求路面的基础应具有足够的强度和稳定性。同时，低温时的沥青路面的抗变性能很低，为防止不均匀冻胀而使沥青路面开裂，需设置防冻层。

综合考虑两种路面结构的优缺点，本路段采用沥青混凝土路面结构。

4.5 设计成果

表4--10 设计成果

材料名称 细粒式沥青 粗粒式沥青混凝土 水泥稳定碎石

53

层厚(cm) 4 8 40 湖 南 文 理 学 院 芙 蓉 学 院 毕 业 设 计

某中等城市主干道黄河路（K0+000-K2+000）施工图设计

土基

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