自然區(qū)劃-IV區(qū)一級公路路面結構設計

公路自然區(qū)劃Ⅳ區(qū)一級公路路面結構設計TheDesignOnTheRoadSurfaceStructureOfAClass-AHighwayInⅣRankNatureDivisionForHighway目錄1引言 12新建瀝青路面設計及計算 22.1基本資料 22.1.1自然地理條件 22.1.2土基回彈模量 22.1.3交通量及其年增長率和設計年限 22.2.4設計軸載 22.2初擬路面結構 52.3路面材料配合比設計與設計參數(shù)的確定 62.3.1試驗材料的確定 62.3.2路面材料配合比設計 62.3.3路面材料抗壓回彈模量的確定 62.3.4路面材料劈裂強度測定 62.4路面結構層厚度確定 72.4.1方案一的結構層厚度計算 72.4.2方案二的結構層厚度計算 82.4.3方案三的結構厚度驗算 92.4.4驗算防凍厚度 102.4.5計算機計算過程對比 113新建普通混凝土路面設計及計算 163.1基本資料 163.1.1自然地理條件 163.1.2土基回彈模量 163.1.3交通量及其年增長率和設計年限 163.1.4設計軸載 163.2初擬路面結構 183.3路面材料參數(shù)確定 183.4荷載疲勞應力 193.5溫度疲勞應力 203.6可靠度系數(shù)確定 203.7極限狀態(tài)方程驗算 203.8計算機軟件計算結果對比 20致謝 22參考文獻 231617公路自然區(qū)劃IV區(qū)一級公路路面結構設計1引言某地（IV區(qū)）擬建一級公路，設計年限為15年，土基為粉質(zhì)土，確定土基的稠度為1.10，回彈模量取36MPa，路基干濕狀態(tài)為中濕狀態(tài)。有關資料如下：1.初始條件：在雙輪組（或多輪組）貨車型號中自行選取，型號不少于7種（如表1），日交通量自擬，保證計算的交通等級屬于重交通或特重交通。表1交通組成車型名稱前軸重(kN)后軸重(kN)后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距(m交通量(輛/日)北京BJ13013.5527.2012010000成都CD13013.6027.2012010000江淮HF140A18.9041.801205000切貝爾D42028.2054.801204000星牌STAR200037.0076.001204000黃河QD35249.8095.801201000東風EQ15526.5056.702206002．公路技術等級為一級，為雙向四車道。3．交通組成如表1（示例）所示，交通量年增長率：前五（十）年：γ=8%；中間五（十）年：γ=7%；后五（十）年：γ=6%。擬采用瀝青路面結構和混凝土路面結構兩種路面類型進行施工圖設計。2新建瀝青路面設計及計算2.1基本資料2.1.1自然地理條件新建一級公路地處IV區(qū)，為雙向四車道，擬采用瀝青路面結構進行施工圖設計；沿線土質(zhì)為粉質(zhì)土，屬中濕狀態(tài)。2.1.2土基回彈模量設計路段路基處于中濕狀態(tài)，路基土為粉質(zhì)土，土基的稠度為1.10，根據(jù)室內(nèi)實驗法確定土基回彈模量設計值為36MPa。2.1.3交通量及其年增長率和設計年限根據(jù)工程可行性研究報告可知該路段所在地區(qū)近期交通組成與交通量，見表2-1。預測交通量為6.0%。瀝青路面累計標準軸次按15年計。表2-1近期交通組成與交通量車型名稱前軸重(kN)后軸重(kN)后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距(m交通量(輛/日)北京BJ13013.5527.2012010000成都CD13013.6027.2012010000江淮HF140A18.9041.801205000切貝爾D42028.2054.801204000星牌STAR200037.0076.001204000黃河QD352-49.8095.801201000東風EQ15526.5056.702206002.2.4設計軸載（1）當以彎沉值和瀝青層的層底拉應力為設計指標時，按P379,式14-5計算：N1前=1×6.4×10000×=10.71，N1后=1×1×10000×=34.70N2前=1×6.4×10000×=10.89，N2后=1×1×10000×=34.70；N3前=1×6.4×5000×=22.79，N3后=1×1×5000×=112.48；N4前=1×6.4×4000×=103.94，N4后=1×1×4000×=292.25；N5前=1×6.4×4000×=338.78，N5后=1×1×4000×]=1212.27；N6前=1×6.4×1000×=308.41，N6后=1×1×1000×=829.74；N7前=1×6.4×600×=11.90，N7后=.2.2×1×600×=111.86N=+=3435.42查P379,表14-3，取車道系數(shù)η=0.5，按P379,式14-6計算可得：累計當量軸次：Ne1=×365×3435.42×0.5=14593198.67總累計當量軸次：Ne=14593198.67≈1459萬當以半剛性材料結構層的層底拉應力為設計指標時，按P378,式14-1計算：N1前=1×18.5×10000×=0.02，N1后=1×1×10000×=0.30；N2前=1×18.5×10000×=0.02，N2后=1×1×10000×=0.30；N3前=1×18.5×5000×=0.15，N3后=1×1×5000×=4.66；N4前=1×18.5×4000×=2.96，N4后=1×1×4000×=32.53；N5前=1×18.5×4000×=25.99，N5后=1×1×4000×=445.21；N6前=1×18.5×1000×=69.99，N6后=1×1×1000×=709.46；N7前=1×18.5×600×=0.27，N7后=3×1×600×=19.23N=+=1310.55查P379,表14-3，取車道系數(shù)η=0.5。按P379,式14-6計算可得：累計當量軸次：Ne1=×365×1310.55×0.5=18908771.33總累計當量軸次：Ne==18908771.33≈1891萬1.2×10＜1459萬/1891萬＜2.5×10，屬于重交通。累計軸次計算結果見表2-2。表2-2軸載換算與累計軸次型號前軸載(KN)后軸載(KN)后軸數(shù)輪組數(shù)后軸距(m)交通量(輛/日)北京BJ13013.5527.201雙-10000成都CD13013.6027.201雙-10000江淮HF140A18.9041.801雙-5000切貝爾D42028.2054.801雙-4000星牌STAR200037.0076.001雙4000黃河QD35249.8095.801雙-1000東風EQ15526.5056.702雙-600換算方法彎沉以及瀝青層拉應力指標半剛性層拉應力指標累計交通軸次1459萬1891萬計算機軟件對比（見圖2-1）圖2-1計算機軟件軸載換算與累計軸次計算軸載換算及設計彎沉值和容許拉應力計算序號車型名稱前軸重(kN)后軸重(kN)后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距(m)交通量1北京BJ13013.5527.21雙輪組100002成都CD13013.627.21雙輪組100003江淮HF140A18.941.81雙輪組50004切貝爾D42028.254.81雙輪組40005星牌STAR200037761雙輪組40006黃河QD35249.895.81雙輪組10007東風EQ15526.556.72雙輪組<3600設計年限15車道系數(shù).45交通量平均年增長率6％一個車道上大客車及中型以上的各種貨車日平均交通量Nh=6570,屬特重交通等級當以設計彎沉值和瀝青層層底拉應力為指標時:路面營運第一年雙向日平均當量軸次:3435設計年限內(nèi)一個車道上的累計當量軸次:1.313227E+07屬重交通等級當以半剛性材料結構層層底拉應力為設計指標時:路面營運第一年雙向日平均當量軸次:1311設計年限內(nèi)一個車道上的累計當量軸次:5012056屬中等交通等級路面設計交通等級為特重交通等級公路等級一級公路公路等級系數(shù)1面層類型系數(shù)1路面結構類型系數(shù)1路面設計彎沉值:22.6(0.01mm)層位結構層材料名稱劈裂強度(MPa)容許拉應力(MPa)1細粒式瀝青混凝土1.2.362中粒式瀝青混凝土1.33粗粒式瀝青混凝土.8.244水泥穩(wěn)定砂礫.5.265水泥穩(wěn)定碎石.6.312.2初擬路面結構根據(jù)本地區(qū)的路用材料，結合已有工程經(jīng)驗與典型結構，擬定了三個結構組合方案。按計算法確定方案一、方案二的路面厚度；按驗算法驗算方案三的結構厚度。根據(jù)結構層的最小施工厚度、材料、交通量以及施工機具功能等因素，初步確定路面結構組合與各層厚度如下：方案一：4cm細粒式瀝青混凝土+6cm中粒式瀝青混凝土+7cm粗粒式瀝青混凝土+40cm水泥石灰沙礫土+？水泥穩(wěn)定碎石層，以水泥穩(wěn)定碎石層為設計層。方案二：4cm細粒式瀝青混凝土+7cm中粒式瀝青混凝土+18cm密級配瀝青碎石+？水泥穩(wěn)定砂礫+20cm級配礫石墊層，以水泥穩(wěn)定砂礫為設計層。方案三：4cm細粒式瀝青混凝土+7cm中粒式瀝青混凝土+2×13cm密級配瀝青碎石+32cm級配碎石。2.3路面材料配合比設計與設計參數(shù)的確定2.3.1試驗材料的確定半剛性基層所用集料取自沿線料場，結合料瀝青選用A級90號，上面層采用SBS改性瀝青，技術指標據(jù)符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTGF40—204）相關規(guī)定。2.3.2路面材料配合比設計(略)2.3.3路面材料抗壓回彈模量的確定（1）根據(jù)設計及配合比，選取工程用各種原材料制作，測定設計參數(shù)。按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTJ057—94）中規(guī)定的項目頂面法測定半剛性材料的抗壓回彈模量。（2）按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ052—2000）中規(guī)定的方法測定瀝青混合料的抗壓回彈模量，測定20℃、15℃的抗壓回彈模量，各種材料的試驗結果與設計參數(shù)見表2-3和表2-4。2.3.4路面材料劈裂強度測定根據(jù)設計配合比，選取工程用各種原材料，測定規(guī)定溫度和齡期的材料劈裂強度。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》與《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中規(guī)定的方法進行測定，結果見表2-5。表2-3瀝青材料抗壓回彈模量測定與參數(shù)取值材料名稱20℃抗壓回彈模量（MPa）15℃抗壓回彈模量（MPa）方差﹣2σ方差﹣2σ+2σσσ細粒式瀝青混凝土19112011589268034419923368細粒式瀝青混凝土14251051215217518718012549細粒式瀝青混凝土9785586813206012001440密級配瀝青碎石12481161016171515614032027表2-5路面材料劈裂強度材料名稱細粒式瀝青混凝土中粒式瀝青混凝土粗粒式瀝青混凝土密級配瀝青碎石水泥穩(wěn)定碎石水泥穩(wěn)定沙礫水泥石灰沙礫土二灰穩(wěn)定沙礫劈裂強度（Mpa）1.21.00.80.60.60.50.40.6表2-4半剛性材料及其他材料抗壓回彈模量測定與參數(shù)取值材料名稱抗壓模量（MPa）方差﹣2σ+2σσ水泥穩(wěn)定碎石318878210244752水泥石灰沙礫土15912501091291水泥穩(wěn)定沙礫261723421483086級配碎石400級配沙礫2502.4路面結構層厚度確定2.4.1方案一的結構層厚度計算該結構為半剛性基層，瀝青路面的公路等級系數(shù)為1.0，面層類型系數(shù)為1.0，基層類型系數(shù)為1.0，用P390,式14-21計算設計彎沉值可得：=600=600×14593198.67×1.0×1.0×1.0=22.15（0.01mm）故設計彎沉值為22.15（0.01mm）。用P392,式14-22、式14-23a、式14-23b計算容許拉應力可得：細粒式瀝青混凝土：====0.35（MPa）中粒式瀝青混凝土：====0.29（MPa）粗粒式瀝青混凝土：====0.24（MPa）水泥石灰沙礫土：====0.14（MPa）水泥穩(wěn)定碎石層：====0.21（MPa）計算機計算過程如圖2-2所示：利用設計程序計算出滿足設計彎沉指標要求的水泥石灰沙礫土層厚度為15cm；滿足層底拉應力要求的水泥石灰沙礫土層厚度為15cm。設計厚度取水泥石灰沙礫土層為15cm，路表計算彎沉為14.7（0.01mm）。計算機計算過程見圖2-3。各結構層的驗算見表2-6。計算機驗算過程見圖2-4。表2-6結構厚度計算結果新建路面結構厚度計算公路等級:一級公路新建路面的層數(shù):5標準軸載:BZZ-100路面設計彎沉值:22.15(0.01mm)路面設計層層位:4設計層最小厚度:150(mm)層位結構層材料名稱厚度20℃平均抗壓標準差15℃平均抗壓標準差容許應力(mm)模量(MPa)(MPa)模量(MPa)(MPa)(MPa)1細粒式瀝青混凝土401400020000.352中粒式瀝青混凝土601200016000.293粗粒式瀝青混凝土70900012000.244石灰粉煤灰碎石?1500015000.145石灰土25055005500.216新建路基36按設計彎沉值計算設計層厚度:LD=22.15(0.01mm)H(4)=150mmLS=2.2(0.01mm)由于設計層厚度H(4)=Hmin時LS<=LD,故彎沉計算已滿足要求.H(4)=150mm(僅考慮彎沉)按容許拉應力計算設計層厚度:H(4)=150mm(第1層底面拉應力計算滿足要求)H(4)=150mm(第2層底面拉應力計算滿足要求)H(4)=150mm(第3層底面拉應力計算滿足要求)H(4)=150mmσ(4)=.147MPaH(4)=200mmσ(4)=.13MPaH(4)=171mm(第4層底面拉應力計算滿足要求)H(4)=171mm(第5層底面拉應力計算滿足要求)路面設計層厚度:H(4)=150mm(僅考慮彎沉)H(4)=171mm(同時考慮彎沉和拉應力)驗算路面防凍厚度:路面最小防凍厚度500mm驗算結果表明,路面總厚度滿足防凍要求.2.4.2方案二的結構層厚度計算該結構為柔性基層與半剛性基層組合，瀝青層較厚。瀝青路面的公路等級系數(shù)為1.0，面層類型系數(shù)為1.0，根據(jù)工程經(jīng)驗，按內(nèi)插法確定基層類型系數(shù)，為1.45，用P390,式14-21計算設計彎沉值可得：=600=600×14593198.67×1.0×1.0×1.45=32.11（0.01mm）故設計彎沉值為32.11（0.01mm）。用P392,式14-22、式14-23a、式14-23b計算容許拉應力可得：細粒式瀝青混凝土：====0.35（MPa）中粒式瀝青混凝土：====0.29（MPa）密級配瀝青碎石：====0.21（MPa）水泥穩(wěn)定砂礫：====0.23（MPa）計算機計算過程如圖2-5所示。利用設計程序計算出滿足設計彎沉指標要求的水泥穩(wěn)定沙礫層厚度為15cm；滿足層底拉應力要求的水泥穩(wěn)定沙礫層厚度為17.5cm。.設計厚度取水泥穩(wěn)定沙礫層18cm，路表計算彎沉值為22.6（0.01mm）。計算機計算過程見圖2-6。各結構層的驗算結果見表2-7。計算機驗算過程見圖2-7。表2-7結構厚度計算結果序號結構層材料名稱20℃抗壓模量（MPa）15℃抗壓模量（MPa）劈裂強度（MPa）厚度（cm）層底拉應力（MPa）容許拉應力（MPa）均值標準差均值標準差1細粒式瀝青混凝土199120126083441.24－0.2350.352中粒式瀝青混凝土142510521751871.07－0.050.293密級配瀝青碎石124811617151560.6180.0060.214水泥穩(wěn)定砂礫261723426172340.5180.2250.235級配砂礫2500———20——6土基360——————2.4.3方案三的結構厚度驗算該結構為比較方案，其結構層為柔性基層，瀝青路面的公路等級系數(shù)為1.0，面層類型系數(shù)為1.0，基層類型系數(shù)為1.6，用P390,式14-21計算設計彎沉值可得：=600=600×14593198.67×1.0×1.0×1.6=35.44（0.01mm）故設計彎沉值為35.44（0.01mm）。用P392,式14-22、式14-23a、式14-23b計算容許拉應力可得：細粒式瀝青混凝土：====0.35（MPa）中粒式瀝青混凝土：====0.29（MPa）密級配瀝青碎石：====0.21（MPa）計算機計算過程見圖2-8。利用設計程序驗算結構是否滿足設計彎沉與容許拉應力的要求，驗算結果見表2-8。該結構路表計算彎沉為25.90（0.1mm），小于設計彎沉值，符合要求；各結構層的層底拉應力驗算結果均滿足要求。計算機驗算過程見圖2-9。表2-8結構厚度計算結果序號結構層材料名稱20℃抗壓模量（MPa）15℃抗壓模量（MPa）劈裂強度（MPa）厚度（cm）層底拉應力（MPa）容許拉應力（MPa）均值標準差均值標準差1細粒式瀝青混凝土199120126083441.24－0.2610.352中粒式瀝青混凝土142510521751871.07－0.0420.293密級配瀝青碎石124811617151560.6260.1760.214級配碎石3500———32——5土基360——————2.4.4驗算防凍厚度因所設計路面結構位于公路自然區(qū)劃Ⅳ區(qū)——東南濕熱區(qū)，氣溫高，熱季長，不會出現(xiàn)凍脹和翻漿現(xiàn)象，故不需進行防凍厚度驗算。

2.4.5計算機計算過程對比圖2-2方案一計算機軟件設計彎沉及容許拉應力計算圖2-4方案一計算機軟件計算彎沉及層底拉應力計算

圖2-3方案一計算機軟件設計層厚度計算

圖2-5方案二計算機軟件設計彎沉及容許拉應力計算圖2-7方案二計算機軟件計算彎沉及層底拉應力計算

圖2-6方案二計算機軟件設計層厚度計算

圖2-8方案三計算機軟件設計彎沉及容許拉應力計算圖2-9方案三計算機軟件計算彎沉及層底拉應力計算

3新建普通混凝土路面設計及計算3.1基本資料3.1.1自然地理條件新建一級公路地處IV區(qū)，為雙向四車道，擬采用普通混凝土路面結構進行施工圖設計；沿線土質(zhì)為粉質(zhì)土，屬中濕狀態(tài)。3.1.2土基回彈模量設計路段路基處于中濕狀態(tài)，路基土為粉質(zhì)土，土基的稠度為1.10，根據(jù)室內(nèi)實驗法確定土基回彈模量設計值為36MPa。3.1.3交通量及其年增長率和設計年限根據(jù)工程可行性研究報告可知該路段所在地區(qū)近期交通組成與交通量，見表3-1.預測交通量增長率前十年為8.0%，中十年為7.0%，后十年為6.0%。混凝土路面累計標準軸次按30年計。表3-1近期交通組成與交通量型號前軸載(KN)后軸載(KN)后軸數(shù)輪組數(shù)后軸距(m)交通量(輛/日)北京BJ13013.5527.201雙-10000成都CD13013.6027.201雙-10000江淮HF140A18.9041.801雙-5000切貝爾D42028.2054.801雙-4000星牌STAR200037.0076.001雙4000黃河QD35149.8095.801雙-1000東風EQ15526.5056.702雙-6003.1.4設計軸載（1）按P457,式16-1計算可得：N1前=（2.22×10×13.55）×10000×=9.3×10，N1后=1×10000×=9.0×10；N2前=（2.22×10×13.60）×10000×=9.9×10，N2后=1×10000×=9.0×10；N3前=（2.22×10×18.9）×5000×=8.3×10，N3后=1×5000×=4.3×10N4前=（2.22×10×28.2）×4000×=3.4×10，N4后=1×4000×=3.0×10；N5前=（2.22×10×37.0）×4000×=2.0×10，N5后=1×4000×=5.0×10N6前=（2.22×10×49.8）×1000×=5.9×10，N6后=1×1000×=5.0×10；N7前=（2.22×10×26.5）×600×=1.9×10，N7后=2×[（1.07×10×56.7）×600×]=6.0×10由于公路通行車輛在橫斷面上分布是不均勻的，根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律，車道數(shù)不同，分布概率也不一樣，為安全考慮，將分布概率集中的車道作為設計車道。因此，上述調(diào)查獲得的雙向年平均日貨車交通量，還應乘以方向系數(shù)（通常為0.5）和車道分布系數(shù)才能得到設計車道在設計基準期初期的年平均日貨車交通量。車道分布系數(shù)查P458，表16-2，取0.9。N=0.5×0.9×（+）=0.5×0.9×555.9=250.155查P459,表16-3，取車道系數(shù)η=0.2，按P458,式16-4計算可得：累計當量軸次：Ne1=×365×250.155×0.2=1443706.442總累計當量軸次：Ne=1443706.442≈144萬

100×10＜144萬＜2000×10，屬于重交通，累計軸次計算結果見表3-2。表3-2軸載換算與累計軸次型號前軸載(KN)后軸載(KN)后軸數(shù)輪組數(shù)后軸距(m)交通量(輛/日)北京BJ13013.5527.201雙-10000成都CD13013.6027.201雙-10000江淮HF140A18.9041.801雙-5000切貝爾D42028.2054.801雙-4000星牌STAR200037.0076.001雙4000黃河QD35149.8095.801雙-1000東風EQ15526.5056.702雙-600累計交通軸次144萬3.2初擬路面結構由P479，表16-20可知，一級公路對應的變異水平等級為低~中級。根據(jù)一級公路，重交通等級和低~中級變異水平等級，查P477，表16-17，初擬普通混凝土面層厚度為0.242m。考慮到排水需求，基層選用多孔隙水泥碎石，厚0.12mm。墊層為0.15m天然砂礫。普通混凝土板的尺寸為寬4.5m，長5m?？v縫為設拉桿平縫，橫縫為設傳力桿的假縫。3.3路面材料參數(shù)確定按P480，表16-23和P481，表16-25，取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為5.0MPa，相應彎拉彈性模量標準值為31Gpa。已知路基回彈模量為36Mpa。查P482，表16-27多孔隙水泥碎石基層回彈模量取1500MPa，天然砂礫墊層回彈模量取150MPa。

按P481，式16-53計算基層頂面當量回彈模量如下：E===676.829MpaD=++（）=++（）=0.623MN·mh===0.223（m）a=6.22[1－1.51]=6.22×[1－1.51×]=3.712b=1-1.44=1－1.44×=0.713E===121.893MPa普通混凝土面層的相對剛度半徑按P481，式16-52b計算為r=0.537h=0.537×0.25×=0.851m3.4荷載疲勞應力按P481，式16-52a，標準軸載在臨界荷位處差生的荷載應力計算為=0.077=0.077×=1.118MPa因縱縫為設拉桿平縫，接縫傳荷能力的應力折減系數(shù)K=0.90?？紤]荷載基準期內(nèi)荷載應力累計疲