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7.2

路面结构设计

7.2.1

路面结构设计步骤

新建沥青路面按以下步骤进行路面结构设计:

(1)

根据设计任务书和路面等级及面层类型,计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值。

(2)

按路基土类型和干湿状态,将路基划分为几个路段,确定路段回弹模量值。

(3)

根据已有经验和规范推荐的路面结构,拟定几中可能的路面结构组合及厚度方案,根据选用的材料进行配合比实验及测定结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度,确定各结构层材料设计参数。

(4)

根据设计弯沉值计算路面厚度。对二级公路沥青混凝土面层和半刚性基层材料的基层、底基层,应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求。如不满足要求,或调整路面结构层厚度,或变更路面结构层组合,或调整材料配合比,提高材料极限抗拉强度,再重新计算。

7.2.2

路面结构层计算

该路位于中原黄河冲积平原区,地质条件一般为a)第一层:冲积土;b)第二层:粘质土;c)第三层:岩石。平原区二级汽车专用沥青混凝土公路,路面使用年限为12年,年预测平均增长率为6%。

(1)轴载分析

本设计的累计当量轴次的计算以双轮组单轴载100kN为标准轴载,以BZZ-100表示。标准轴载的计算参数按表7-1确定。

表7-1

标准轴载计算参数

标

准

轴

载

BZZ-100

标

准

轴

载

BZZ-100

标准轴载P(kN)

100

单轮传压面当量圆直径d(cm)

21.30

轮胎接地压力p(MPa)

0.70

两轮中心距(cm)

1.5d

表7-2

起始年交通量表

车型

小汽车

解放CA15

东风EQ140

黄河JN162

数量

(辆/d)

1500

800

600

200

1)以设计弯沉为指标及验算沥青层层底拉应力

①

轴载换算

各级轴载换算采用如下计算公式:

(7-1)

式中:N1—标准轴载的当量轴次,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—被换算车辆类型;

C1—轴数系数,C1=1 1.2(m-1),m是轴数。当轴间距大于3m时,按单独的一个轴载计算,当轴间距小于3m时,应考虑轴系数;

C2—轮组系数,单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轮组为0.38。

计算结果如下表7-3所示。

表7-3

轴载换算结果表(弯沉)

车

型

Pi

(KN)

Ci

C2

ni

解放CA15

前轴

20.97

1

1

800

—

后轴

70.38

1

1

800

173.58

东风EQ140

前轴

23.70

1

1

600

—

后轴

69.20

1

1

600

120.95

黄河JN162

后轴

59.50

1

1

200

20.90

后轴

115.00

1

1

200

367.34

682.77

注:轴载小于25kN的轴载作用不计。

②

累计当量轴次为:

(7-2)

式中:Ne—累计当量轴次;

η—车道系数,规范规定二级公路η值为0.60~0.70,取0.60;

t—路面使用年限,二级公路取12年;

—年预测平均增长率,二级路取6%;

N1—标准轴载的当量轴次,次/日。

2)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的轴载换算公式为:

N1'=∑C1'*C2'*ni(pi/p)8

(7-3)

计算结果如表7-4所示。

表7-4

轴载换算结果表(半刚性基层层底拉应力)

车

型

Pi(kN)

C1'

C2'

ni(次/日)

C1'*C2'*ni(pi/p)8

(次/日)

解放CA15

后轴

70.38

1

1

800

48.16

东风EQ140

后轴

69.20

1

1

600

31.55

黄河JN162

前轴

59.50

1

18.5

200

3.14

后轴

115.50

1

1

200

611.80

N1'=∑C1'*C2'*ni(pi/p)8

694.65

注:轴载小于50kN的轴载作用不计。

②

累计当量轴次

参数值同上,累计当量轴次Ne'为:

(7-4)

(2)路面结构组合材料选取

经计算路面设计使用年限内一个车道上累计标准轴次为250万次左右,根据规范推荐结构,并考虑到当地材料供用条件,决定面层采用沥青混凝土路面(6cm),基层采用水泥混凝土稳定基层(水泥碎石15cm),底基层采用石灰稳定土(厚度待定)。

(3)各层材料的抗压模量与劈裂强度的选定

查邓学均主编的《路基路面工程》表14-13、14-14,得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。路面设计弯沉值计算路面结构厚度时,取20℃的抗压模量,中粒式密级配沥青混凝土E1=1400Mpa,验算层底弯拉应力时,取15℃的抗压模量,中粒式沥青混凝土E1=1800

Mpa。水泥稳定碎石E2=1300

Mpa;石灰稳定土E3=600

Mpa。各层材料劈裂强度:中粒式沥青混凝土=1.2

Mpa;水泥稳定碎石=0.5

Mpa;石灰稳定土=0.35

MPa。

(4)土基回弹模量的确定

该路段处于Ⅳ2区,为粘质土,稠度0.9,查邓学均主编的《路基路面工程》表14-9得土基回弹模量E0=23.0Mpa。

(5)设计指标的确定

①

设计弯沉值

(7-5)

式中:—路面设计弯沉值(0.01mm);

Ac—公路等级系数,二级公路为1.1;

As—面层类型系数,沥青混凝土面层为1.0;

Ab—基层类型系数,对半刚性基层、底基层总厚度等于或大于

20cm时,Ab

=1.0;

所以:=6002522505-0.21.11.01.0=34.61(0.01mm)

②

各层材料容许层底拉应力

(7-6)

式中:—路面结构层材料的容许拉应力,MPa;

—结构层材料的极限抗拉强度,MPa,由实验确定。我国公路沥青路面设计规范采用极限劈裂强度;

—抗拉强度结构系数。

沥青混凝土面层:

=2.10

=1.2/2.10=0.57MPa

水泥稳定碎石:

=1.61

=0.5/1.61=0.31MPa

石灰土:

=2.07

=0.35/2.07=0.17

MPa

式中:Aa—沥青混合料级配系数;细、中粒式沥青混凝土为1.0,粗粒式沥青混凝土为1.1;

Ac—公路等级系数,二级公路取1.1。

(6)设计资料总结

经计算路面设计弯沉值为34.61(0.01mm),相关设计资料汇总如表7-5。

表7-5

设计资料汇总表

材料名称

h(cm)

20℃抗压摸量(MPa)

容许拉应力(MPa)

沥青混凝土(E1)

6

1400

0.57

水泥稳定碎石(E2)

15

1300

0.31

石灰土(E3)

?

600

0.17

(7)确定石灰土层厚度

①

计算容许弯沉值

cm

(7-7)

式中:—容许回弹弯沉值,cm;

Ne—累计当量轴载作用次数;

B—回归系数,取1.1;

β—随N改变的变化率。

②

计算弯沉综合修正系数F

=0.627

(7-8)

式中:F—弯沉综合修正系数;

—路面实测弯沉值,在计算路面厚度时,可用容许弯沉值;

、—标准车型的轮胎接地压强(MPa)和当量圆半径(cm),

通常

取0.7MPa,取10.65cm;

E0—土基回弹模量。

③

计算理论弯沉系数

=9.43

(7-9)

用三层体系为计算体系,将四层体系按照弯沉等效的原则换算为三层体系。换算图式如图7-1所示。

图7-1

多层体系换算示意图

由已知参数求得:

;;;

查邓学均主编的《路基路面工程》P360页图14-14三层体系表面弯沉系数诺谟图,可得=5.80,K1=1.87。

由公式

(7-10)

得:

=0.87

由K2=0.87,,,查诺谟图得:

则

H=3.3×10.65==35.15cm;

④

计算石灰土底基层厚度h3

根据公式

27.80

cm

(7-11)

取最小厚度h3=28.0

cm。

由于本路段属于Ⅳ2区,常年无冻土出现,因此不必进行防冻验算。

(8)各层底弯拉应力的验算

先把四层体系换算成当量三层体系,此时第一层用15℃抗压模量,其余各层抗压模量不变,换算成当量层三层体系如图7-2所示。

图7-2

体系换算示意图

①

确定允许弯拉应力

查表知沥青混凝土和石灰土的抗弯拉强度分别为:

MPa,MPa;

沥青混凝土和石灰土的抗拉强度结构系数分别为:

(7-12)

(7-13)

其容许弯拉应力分别为:

MPa

(7-14)

MPa

(7-15)

②

验算弯拉应力

沥青混凝土层和水泥稳定碎石的计算回弹模量分为E1=1800MPa,E2=1300MPa,石灰土为E3=600

MPa。

a)结构上层等效换算:cm

换算公式为:

cm

(7-16)

又

,=0.72,换算后的三层体系其上层及中

下层间均是连续接触,查诺谟图知为负值,故为负值。

(7-17)

(7-18)

即面层设计满足要求。

b)验算石灰土层的弯拉应力

=

21.5cm

(7-19)

由,=2.63,查诺谟图可得;

又,查诺谟图可得=1.04;以及,查诺谟图可得。

MPa

(7-20)

可见,设计满足要求。故h3=28cm也满足要求。

综上所述,路面结构各层厚度分别取h1=6cm,h2=15cm,h3=28cm。经过上述的设计,计算及验算,最终拟定路面结构图如图7-3所示。

图7-3

路面结构示意图