路面结构设计及计算

路面结构设计及计算

7.1 轴载分析

路面设计以双轴组单轴载100KN作为标准轴载

a.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

P

轴载换算采用如下的计算公式：N C1C2Ni i

P

4.35

（7.1）

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。 轴载换算结果如表所示：

表7.2 轴载换算结果表

注：轴载小于25KN的轴载作用不计。

（2）累计当量轴数计算

根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年限为15年，四车道的车道系数η取0.40，γ =4.2 %，累计当量轴次：

Ne

(1 )

t

1 365 N1

15

（1 0.042） 1 365 1848.327 0.40

5484490.次 (7.2)

0.042

验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次 b.轴载换算

验算半刚性基底层底拉应力公式为

p

N c1c2ni(i)

P (7.3) i 1

'

k

'

'

8

''

cc11式中：为轴数系数， 1 2(m 1)

'c 2为轮组系数，单轮组为1.85，双轮组为1，四轮组为0.09。

计算结果如下表所示：

注：轴载小于50KN的轴载作用不计。

N

e

(1 ) 1 365 N

t

'1

(1 0.042%)

7.2 结构组合与材料选取

15

1 365 1347.313 0.40

3397845次

0.042%

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700万次左右，根据规范推荐结构，路面结构层采用沥青混凝土（15cm）、基层采用石灰粉煤灰碎石（厚度待定）、底基层采用石灰土（30cm）。 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5cm），下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（厚6cm）。

7.3 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℃）与劈裂强度

7.4 土基回弹模量的确定

该路段处于Ⅲ4区，为粉质土，稠度为1.05，查相关表的土基回弹模量为51.5MPa。

7.5 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。

a.设计弯沉值（一级公路）: 该公路为一级公路，路面等级系数Ac=1.0，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：

Ld 960Ne 0.2AcAsAb

0.2

960 5484490 1.0 1.0 1.0 26.5(0.01mm) (7.4)

b.各层材料的容许层底拉应力

R

sp

Ks (7.5)

（1）细粒式密级配沥青混凝土

0.09AaNe

KS

Ac

0.22

(7.6)

0.22

0.09 1.0 5484490

2.734

1..0

R

SP

KS

1.4

0.5MPa (7.7) 2.734

（2）中粒式密级配沥青混凝土

0.09AaNe0.22

KS

Ac

0.22

0.09 1.0 5484490 2.734

1..0

R

SP

KS

1

0.36MPa 2.734

（3）粗粒式密级配沥青混凝土

0.09AaNe0.22

KS

Ac

0.22

0.09 1.1 5484490

3.01

1.0

R

SP

KS

0.8

0.26MPa 3.01

（4）细粒式沥青玛蹄脂碎石

0.09AaNe

KS

Ac

0.22

0.22

0.09 1.0 5484490

2.734

1..0

R

SP

KS

1.4

0.5MPa 2.734

（5）中粒式沥青玛蹄脂碎石

0.09AaNe0.22

KS

Ac

0.22

0.09 1.0 5484490 2.734

1..0

SP

1

R

K

2.734

0.36MPa S

（6）粗粒式沥青玛蹄脂碎石

0.09A0.22

KaNeS

Ac

0.09 1.1 5484490

0.22

1.0

3.01 SP

.8

R K

0S

3.01

0.26MPa （7）水泥碎石

0.11

K0.35Ne

S

A 0.35 54844900.11

1.93c SPR

0.5

.93

0.27MPa R1（9）石灰粉煤灰碎石

K0.45N0.11e0.11

S A 0.45 5484490 2.48 (7.9)

c SPR 0.6

0.32MPa R2.48

（10）石灰土

K 0.45N0.11e0.A 0.45 548449011

S 2.48

c SPR 0.25

2.48

0.1MPa R（11）二灰土

K0.45N0.11 e0.11

S A 0.45 5484490 2.48

c R

SP 0.3

0.12MPa R2.48

(7.8)

7.6 设计资料总结

相关资料汇总如下表： 公路等级 一级公路

公路等级系数 1 面层类型系数 1 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 26.5 (0.01mm)

按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 26.5 (0.01mm)

H( 4 )= 15 cm LS= 29.4 (0.01mm) H( 4 )= 20 cm LS= 25.9 (0.01mm) H( 4 )= 19.1 cm(仅考虑弯沉)

按容许拉应力验算设计层厚度 :

H( 4 )= 19.1 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 19.1 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 19.1 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 19.1 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 19.1 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 :

H( 4 )= 19.1 cm(仅考虑弯沉)

H( 4 )= 19.1 cm(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 60 cm

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 4 cm

--------------------------------------- 中粒式沥青混凝土 5 cm

--------------------------------------- 粗粒式沥青混凝土 6 cm

--------------------------------------- 石灰粉煤灰碎石 20 cm --------------------------------------- 石灰土 30 cm --------------------------------------- 土基

计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 :

第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 25.9 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 28.7 (0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 32.5 (0.01mm) 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 37.2 (0.01mm) 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 89.6 (0.01mm) 土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 322.9 (0.01mm) LS= 258.8 (0.01mm) 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 : 第 1 层底面最大拉应力 σ 第 2 层底面最大拉应力 σ 第 3 层底面最大拉应力 σ 第 4 层底面最大拉应力 σ 第 5 层底面最大拉应力 σ

方案B：

( 1 )=-0.224 (MPa) ( 2 )=-0.069 (MPa) ( 3 )=-0.042 (MPa) ( 4 )= 0.123 (MPa) ( 5 )= 0.076 (MPa)

按设计弯沉值计算设计层厚度 :

LD= 26.5 (0.01mm)

H( 4 )= 15 cm LS= 29.4 (0.01mm) H( 4 )= 20 cm LS= 25.8 (0.01mm) H( 4 )= 19 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 :

H( 4 )= 19 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 19 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 19 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 19 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 19 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求)

路面设计层厚度 :

H( 4 )= 19 cm(仅考虑弯沉)

H( 4 )= 19 cm(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 60 cm

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:

--------------------------------------- 细粒式沥青玛蹄脂碎石 3 cm

--------------------------------------- 中粒式沥青玛蹄脂碎石 4 cm

--------------------------------------- 粗粒式沥青玛蹄脂碎石 6 cm

--------------------------------------- 水泥稳定碎石 20 cm --------------------------------------- 石灰粉煤灰土 30 cm --------------------------------------- 土基

竣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土基顶面竣工验收弯沉值 :

第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 25.8 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 27.9 (0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 31 (0.01mm) 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 35.5 (0.01mm) 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 85.7 (0.01mm)

土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 322.9 (0.01mm) LS= 258.8 (0.01mm) 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :

第 1 层底面最大拉应力 σ( 1 )=-0.242 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 σ( 2 )=-0.129 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 σ( 3 )=-0.061 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 σ( 4 )= 0.127 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 σ( 5 )= 0.085 (MPa)

7.7方案比选

经分析，A方案路面结构造价低于B方案。同时考虑长期使用效能及本公路的交通状况，故采用A方案。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mvr1.html