路面结构设计计算
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路面结构设计计算
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
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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；
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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
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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）
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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
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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；
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-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。
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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），
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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
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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
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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.
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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
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