某二级公路路面设计实例

路面设计路面结构设计的目的是提供在特定的使用期限内同所处环境相适应并能承受与其交通荷载适用的路面结构，同时设计路面结构，便于改变道路行驶条件，提高服务水平，满足汽车运输的要求，因此路面应起码具备三个方面的使用要求：平整、抗滑、承载能力。路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标，计算路面结构厚度，并对沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、底基层进行层底拉应力的验算。1路面等级与类型规范规定：二级公路一般采用沥青混凝土路面，根据设计年限内累计当量标准轴载作用次数多少选用高级路面和次高级路面，高级路面一般适用于设计年限内累计标准轴次大于400万次的二级公路,设计年限为15年；次高级路面适用于设计年限内累计标准轴次大于200万次的二级公路，设计年限为12年。本设计地区地质良好，无不良地况根据公路等级和交通量，确定路面等级为次高级，设计年限为12年。2设计流程1．根据设计要求，按弯沉或弯拉指标分别计算设计年限内一个车道的累计标准当量轴次，确定设计交通量与交通等级，拟定面层、基层类型，并计算设计弯沉值或容许弯拉应力。2．按路基土类与干湿类型及路基横断面形式，将路基划分为若干路段，确定各个路段土基回弹模量设计值。3．参与本地区的经验拟定几种可行的路面结构组合和厚度方案，根据工程选用的材料进行配合比试验，测定个结构层材料的抗压回弹模量、劈裂强度等，确定各结构层的设计参数。4．根据设计指标采用多层弹性体系理论设计程序计算或验算路面厚度。5．对于季节性冰冻地区应验算防冻厚度是否符合要求(本次设计不考虑冻害)。3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）轴载换算轴载换算的计算公式：N=4.35121()kiiiPCCnP（7-1）计算结果列于下表：表7-1轴仔换算结果表(弯沉)车型iP（kN）1C2Cin（次/日）12CC4.35()iiPnP（次/日）东风EQ140前轴23.7016.4后轴69.2011553111.48解放CA10B前轴19.4016.4后轴60.85113041.5350.45黄河JN150前轴49.0016.4后轴101.6011395423.24N=4.35121()kiiiPCCnP885.38注：轴载小于25kN的轴载作用不计。2）累计当量轴次根据设计规范，二级公路沥青路面的设计年限取12年，双车道的车道系数取0.6，年平均增长率=5.4%。累计当量轴次：'1121136515.4%1365×885.380.631587275.4%teNN（次）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，结果列于下表：表7-2轴仔换算结果表（半刚性基层层底拉应力）车型iP（kN）1C2Cin（次/日）12CC8()iiPnP（次/日）东风EQ140后轴69.2011553解放CA10B后轴60.85113041.557.17黄河JN150后轴101.6011395448.48N=8121()kiiiPCCnP505.65注：轴载小于50kN的轴载作用不计2）累计当量轴次'1121136515.4%1365×505.650.61807550()5.4%teNN次4结构组合与材料选取1.结构组合与材料根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途筑路材料较丰富，路面结构采用沥青混凝土（15cm），基层采用二灰碎石（20cm），基底层采用石灰土（厚度待定）。二级公路面层采用三层式沥青面层：表面层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚度3cm），中间层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度5cm），下层采用粗粒式密级配沥青混凝土（厚度7cm）。2.各层材料的抗压模量与劈裂强度抗压模量取20℃的模量，各值均取规范给定范围的中值，具体参数如下：表7-3抗压模量与劈裂强度表抗压模量(MPa)200C劈裂强度（MPa）细粒式密级配沥青混凝土14001.4中粒式密级配沥青混凝土12001.0粗粒式密级配沥青混凝土10000.8二灰碎石15000.5石灰土5500.2253.土基回弹模量的确定拟定该路段处处于VI区，土基回弹模量为30MPa。5设计指标的确定对于二级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。1.设计弯沉值。路面设计弯沉值计算：该公路为二级公路，公路等级系数取1.1，面层是沥青混凝土，面层类型系数取1.0，半刚性基层、底基层总厚度等于或大于20cm，基层类型系数取1.0。设计弯沉值为：0.20.2decbs60060031587271.11.01.0=33.09mmLNAAA（）2.各层材料容许层底拉应力sps/RK1）细粒式密级配沥青混凝土0.22saec0.09/KANA=0.220.091.03158727/1.1=2.20sps/RK=1.4/2.20=0.636MPa2）中粒式密级配沥青混凝土0.22saec0.09/KANA=0.220.091.03158727/1.1=2.20sps/RK=1.0/2.20=0.455MPa3）粗粒式密级配沥青混凝土0.22saec0.09/KANA=0.220.091.13158727/1.1=2.42sps/RK=0.8/2.42=0.331MPa4）二灰碎石0.11sec0.35/KNA=0.110.353158727/1.1=1.65sps/RK=0.5/1.65=0.303MPa5）石灰土0.11sec0.45/KNA=0.110.453158727/1.1=2.12sps/RK=0.225/2.12=0.106MPa设计弯沉值为33.09（0.01mm），相关资料汇总如下表：表7-4设计资料汇总表材料名称H（cm）抗压模量E1(MPa)容许拉应力（MPa）20℃15℃细粒式密级配沥青混凝土3140020000.636中粒式密级配沥青混凝土5120018000.455粗粒式密级配沥青混凝土7100014000.331二灰碎石2015000.303石灰土——5500.106土基——30——6确定石灰土层厚度利用弯沉等效换算法把路面换算为三层连续体系：图7-1多层体系转换图示轮载P=0.7MPa，双圆荷载半径δ=10.65cm计算弯沉综合系数：0.380.3601.63()()2000sLEFp=0.380.3633.09301.63()()200010.650.7=0.51402300.031000EE30.28210.65h2110000.7141400EE查三层体系表面弯沉系数诺谟图得012(,)(0.282,0.03)1.448EhkffE21(,)(0.282,0.714)7.68EhaffE由121000dcpLaFE12caakk得20.511k查三层体系表面弯沉系数诺谟图得5.22H55.59H由1542.42.42345222nKKEEHhhhhhEE=55.59得：532.65hcm取535hcm7层底拉应力验算采取15°C时的抗压模量，细粒式密级配沥青混凝土为2000MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1800MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1400MPa。1.对于细粒式沥青混凝土层143450.90.90.90.9234511222+nkKiiEEEEHhhhhhEEEE=36.0H36.00=3.38110.65h3=0.28210.6502300.0171800EE2118000.92000EE查三层连续体系上层底面弯拉应力系数诺谟图（上层中层层间连续）21(,)EhfE=(0.282,0.9)f≤012Pmm≤0R查三层连续体系中层底面弯拉应力系数诺谟图（上层中层层间连续）1n=21(,)(0.9,3.381)1.234EHffE2n=21(,,)(3.381,0.282,0.9)=0.31HhEffE02(,)(3.381,0.017)=0.341HEffE12Pnn=0.7×0.341×1.234×0.31=0.091≤0.6362.对于中粒式沥青混凝土层411ikkkEhhEi=1441221800358.191400EhhE13450.90.90.90.90.90.934511333150055072035=40.9914001400nkkKiiEEEEHhhhhEEEE3.85H0.769h02300.021400EEE1＝2000MPah＝h1＝3cmH＝？E2＝1800MPaE0＝30MPaE1＝1800MPah＝?H＝？E2＝1400MPaE0＝30MPa2114000.7781800EE查三层连续体系上层底面弯拉应力系数诺谟图（上层中层层间连续）21(,)EhfE=(0.769,0.778)f≤012Pmm≤0R查三层连续体系中层底面弯拉应力系数诺谟图（上层中层层间连续）1n=21(,)(0.778,3.85)1.166EHffE221=(,,)(3.85,0.769,0.778)=0.25HhEnffE02(,)(3.85,0.02)HEffE=0.26120.0530.455Pnn3.对于粗粒式沥青混凝土层12444441231332000180036716.6714001400ikkKiEEEhhhhhEEE150.90.90.9451145502035=31.481500nkkKiiEEHhhhEE2.96H1.57h02300.021500EE2115001.071400EE查三层连续体系上层底面弯拉应力系数诺谟图（上层中层层间连续）E1＝1400MPah＝?H＝？E2＝1500MPaE0＝30MPa21(,)=(1.57,1.07)0hEffE12Pmm≤0R查三层连续体系中层底面弯拉应力系数诺谟图（上层中层层间连续）211(,)(1.07,2.96)1.23EHnffE=1.232n=221(,,)(2.96,1.57,1.07)0.46HhEnffE02(,)(2.96,0.02)0.46HEffE12Pnn=0.182≤0.3314.对二灰碎石1234444123414444442000180014003672036.38150015001500ikkKiEEEEhhhhhhEEEE10.91135nkkkiiEHhE3.29H3.42h02300.05550EE2115002.73550EE查三层连续体系上层底面弯拉应力系数诺谟图（上层中层层间连续）21(,)EhfE=(3.42,2.73)f≤0E1＝1500MPah＝?H＝？E2＝550MPaE0＝30MPa12Pmm≤0R查三层连续体系中层底面弯拉应力系数诺谟图（上层中层层间连续）1n=211(,)(2.73,3.29)1.31EHnffE2n=221(,,)(3.29,3.42,2.73)0.53HhEnffE02(,)(3.29,0.05)0.25HEffE12Pnn=0.174≤0.303综上所述，各层均满足要求。