四川某双向四车道一级公路路面工程设计(沥青路面)

四川某双向四车道一级公路路面工程设计(沥青路面)
课程名称：路面工程
设计题目：路面设计
院系：土木工程
专业：道路工程
年级：2009级
姓名：
学号：
指导教师：
成绩指导教师(签章)
2012年月日
西南交通大学峨眉校区第1章：配合比设计
级配曲线图
第2章确定沥青最佳用量
第3章沥青路面设计
一基本资料
1.自然地理情况
四川松潘县至若尔盖修建一级公路，双为向四车道，采用沥青路
面结构，沿线土质为粉质土，在春季不利季节调查得知地下水位离地面1.1m，路基填土高度0.8m。

属于潮湿状态；最高气温29℃最低气温﹣22℃，平均冻结指数为270℃•d，最大冻结指数为369℃d。

2土基回弹模量的确定
设计路段处于潮湿状态，路基土为粉质土，查表确定土基回弹模量设计值为35MPa。

3.经过调查，预期交通量平均年增长率为5.32%。

沥青路面累计标准轴次按15年计。

表1 第一年双向平均日交通量
车型
前
轴
重
（k
N）
前
轴
数
前
轴
轮
组
数
后
轴
重
（k
N）
后
轴
数
后
轴
轮
组
数
后
轴
轴
距
交
通
量
（
辆/
日）
黄河
QD352
55 1 单112 1 双- 540
交通SH-141 45 1 单
2×
98
2 双
>3
m
330
东风EQ144 40 1 单
2×
92
2 双
<3
m
350
罗曼50 1 单3× 3 双>3140
SQ9251
114 m
4.轴载换算
（1）当以弯沉值和沥青层层底拉应力为设计指标时
4.35
K
i 12i i=1
P N=C C n P ⎛⎫
⎪
⎝⎭∑
()()t e 157
1+r -1365
N =N ηr
1+0.0532-1365
=3111.1720.40.0532
=1.00410⎡⎤⨯⎣⎦⨯⎡⎤⨯⎣⎦⨯⨯⨯ （2）当以半刚性材料层底拉应力为设计指标时
8
121
K
i i i P N C C n P =⎛⎫
= ⎪⎝⎭∑
车型
轴重
（KN ）
轴数系数C1
轮组系数 C2
换算系数
总换算系数
交通量（辆/日）
当量轴次（辆/日）
车型 轴重（KN ） 轴数系数C1 轮组系数C2 换算系数 总换算系数 交通量（辆/日） 当量轴次（辆/
日） 黄河QD352 前轴 55 1 6.4 0.475 2.112 540 1140.112 后轴 112 1 1 1.637 交通SH-141 前轴 45 1 6.4 0.198 2.030 330 669.9 后轴 2×98 2 1 1.832 东风EQ144 前轴 40 1 6.4 0.119 1.650 350 577.5 后轴 2×92 2.2 1 1.531 罗曼SQ9251
前轴 50 1 6.4 0.314 5.619
140
723.66 后轴
3×114
3
1
5.305
合计
3111.172
黄河QD352 前轴55 1 18.5 0.155
2.631 540 1420.74 后轴112 1 1 2.476
交通SH-141 前轴45 1 18.5 0.031
1.733 330 571.89 后轴2×98 2 1 1.702
东风EQ144 前轴40 1 18.5 0.012
1.552 350 543.2 后轴2×92 3 1 1.540
罗曼SQ9251 前轴50 1 18.5 0.072
8.630 140 1208.2 后轴3×114 3 1 8.558
合计3744.03 ()
()15
7
11365
10.05321365
3744.030.4
0.0532
1.21810
t
e
r
N N
r
η
⎡⎤
+-⨯
⎣⎦
=⨯
⎡⎤
+-⨯
⎣⎦
=⨯⨯
=⨯
二初拟路面结构
根据结构层的最小施工厚度、材料、水文、交通量，初步确定路面结构组合与各层厚度如下：
方案一：
3cm细粒式沥青混凝土+5cm中粒式沥青混凝土+8cm粗粒式沥青混凝土+36cm水泥稳定碎石+二灰稳定粗粒土?cm
方案二：
3cm细粒式沥青混凝土+5cm中粒式沥青混凝土+8cm粗粒式沥青混凝土+?cm密级配沥青碎石基层+20cm级配砂砾底基层
三路面材料设计参数的确定
结构层容许弯拉应力
R
σ：
=
sp
R s
K σσ
沥青面层抗拉强度结构系数s K ：
()
0.22
70.220.09 1.00410
0.09 3.1231.0
e
s c
N
K A ⨯⨯=
=
=
无机结合料稳定集料抗拉强度结构系数s K ：
()0.11
70.110.35 1.21810
0.35 2.1061.0
e
s c
N
K A ⨯⨯=
=
=
无机结合料稳定细粒土抗拉强度结构系数s K ：
()
0.11
70.110.45 1.21810
0.45 2.708
1.0
e
s c
N
K A ⨯⨯=
=
=
方案一材料容许拉应力
材料名称 20C ︒抗压回弹模量 15C ︒抗压回
弹模
量
劈裂强度（MPa ） 抗拉强度结构系数 容许拉应力（MPa ）
细粒式沥青混凝土 1500 2000 1.4
3.123 0.45 中粒式沥青混凝土 1200 1600 1.0 3.123 0.32 粗粒式沥青混凝土 1000 1200 0.8 3.123 0.26 水泥稳定碎石 1500 4000 0.5 2.106 0.24 二灰稳定粗粒土 800 2500
0.24 2.106 0.11
方案二材料容许拉应力
材料名称 20C
︒抗压回弹模量
15C
︒抗压回弹模量 劈裂强度（MP a ） 抗拉强度结构系数
容许拉应力（MPa ） 细粒式沥青混凝土 1500 2000 1.4
3.123 0.45
中粒式沥青混凝土 1400 1800 1.0 3.123 0.32
粗粒式沥青混凝土 1000 1200 0.8 3.123 0.26 密级配沥青碎石(基层) 1300 1400 0.8 3.123 0.33 级配沙砾（基层）
200 200 0 0 0
四路面结构层厚度确定
1.方案一的结构厚度计算
该结构为半刚性基层，沥青路面的基层类型系数为1.0. 设计弯沉值计算
()
0.2
0.27600600 1.00410 1.0 1.0 1.023.87(0.01)
d e c s B l N A A A mm --==⨯⨯⨯⨯⨯=
55 计算结果 —————————————————————— ———
————
56 路面设计弯沉值(0.01mm) 23.87 57 路面结构的实测弯沉值(0.01mm) 18.52704
58 路面第 1层厚度(cm) 3 59 路面第 2层厚度(cm) 5 60 路面第 3层厚度(cm) 8 61 路面第 4层厚度(cm) 36 62 路面第 5层厚度(cm) 24.80001 63 设计控制层厚度(cm) 24.80001 64 第 1结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 18.52704 65 实际路面结构第 1层底最大拉应力(MPa) 0 66 第 2结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 18.75192 67 实际路面结构第 2层底最大拉应力(MPa) 0 68 第 3结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 19.04808 69 实际路面结构第 3层底最大拉应力(MPa) 0 70 第 4结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 19.79412 71 实际路面结构第 4层底最大拉应力(MPa) 7.261537E-02
72 第 5结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 23.50371 73 实际路面结构第 5层底最大拉应力(MPa) .1098069 74 土基层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 266.1563
利用设计程序算出满足设计弯沉指标的二灰稳定粗粒土底基层厚度为24.8取为25m ，此时路面计算弯沉为18.53mm ），验算结果见下表：
材料名称 层底拉应力(MPa) 厚度（cm ） 容许拉应力
(MPa)
细粒式沥青混凝土 0 3 0.45 中粒式沥青混凝土 0 5 0.32 粗粒式沥青混凝土
0 8 0.26 水泥稳定碎石
0.07262 36 0.24
二灰稳定粗粒土
0.1098 25 0.11
由上表可知，层底拉应力均小于容许应力（m R σσ<），计算弯沉小于设计弯沉()s d l l <，满足要求。

2.方案二的结构厚度计算
该结构为柔性基层，沥青路面的基层类型系数为1.6. 设计弯沉值计算
()
0.2
0.2
7600600 1.00410
1.0 1.0 1.638.19(0.01)
d e
c s B l N
A A A mm --==⨯⨯⨯⨯⨯=
53 计算结果 —————————————————————— ———
————
54 路面设计弯沉值(0.01mm) 38.19 55 路面结构的实测弯沉值(0.01mm) 38.06173 56 路面第 1层厚度(cm) 3 57 路面第 2层厚度(cm) 5 58 路面第 3层厚度(cm) 8 59 路面第 4层厚度(cm) 19.59999 60 路面第 5层厚度(cm) 20 61 设计控制层厚度(cm) 19.59999 62 第 1结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 38.06173 63 实际路面结构第 1层底最大拉应力(MPa) 0 64 第 2结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 42.64071 65 实际路面结构第 2层底最大拉应力(MPa) 0 66 第 3结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 48.51642 67 实际路面结构第 3层底最大拉应力(MPa) 0 68 第 4结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 17.2803
69 实际路面结构第 4层底最大拉应力(MPa) .2498357 70 第 5结构层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 219.9454 71 土基层顶面施工控制弯沉(0.01mm) 266.1563
利用设计程序算出满足设计弯沉指标的密集配沥青碎石基层厚度为20.04cm ，取为20cm ，此时路面计算弯沉为38.06(0.01mm)验算结果见下表：
材料名称
层底拉应力(MPa)
厚度 （cm ） 容许拉应力(MPa) 细粒式沥青混凝土 0 3 0.45
中粒式沥青混凝土 0 5 0.32
粗粒式沥青混凝土
0 8 0.26
密级配沥青碎石（基层） 0.025 20 0.33 级配沙砾（底基层） 0 20 0
由上表可知，层底拉应力均小于容许应力（m R σσ<），计算弯沉小于设计弯沉()s d l l <，满足要求。

第4章 混凝土路面设计
四川松潘县至若尔盖修建一级公路，所在地区自然区划属VII5区。

沿线土质为粉质土，在春季不利季节调查得知地下水位离地面
1.1m ，路基填土高度0.8m 。

属于潮湿状态；
经过交通调查，设计轴载s 100P KN =，最重轴载m 146P KN =。

经过调查，预期交通量平均年增长率为5.32%。

表1 第一年双向平均日交通量
车型 前轴重 （k N ）
前轴数 前轴 轮
组数 后
轴
重 （k N ）
后轴
数
后轴 轮组数 后轴 轴距 交
通量 （辆/
日）
黄河QD352 55 1 单 112 1 双 - 540 交通SH-141 45 1 单 2×98 2 双 >3m 330 东风EQ144 40 1 单 2×92 2 双 <3m 350 罗曼SQ9251
50 1 单
3×114
3 双
>3m 140
轴载换算
16
1
100n
i s i i P N N =⎛⎫
= ⎪
⎝⎭∑
P N s i i N i KN ----式中：标准轴载的作用次数；
第级轴载重（），联轴按每一根轴载单独计； n 各级轴型的轴载级位数；各类轴型级轴载的作用次数。

车型
轴重（KN ） (Pi/100)^16
当量系
数 总换算系数
交通量（次/日）
当量轴次（辆/日）
黄河QD352
前
轴 55
0.000 0.000
6.130
540
3310.2
后
轴 112
6.130 6.130 交通SH-141
前
轴 45
0.000 0.000
1.448
330
477.87
后
轴 2×98 0.724 1.448 东风EQ144
前
轴 40
0.000 0.000
0.527
350
184.45
后
轴 2×92 0.263 0.527 罗曼SQ9251
前
轴 50
0.000 0.000
24.412
140
3378.88
后
轴
3×114 8.137 24.412
合计
7352.4
设计车道使用初期标准轴载日作用次数：
7352.40.50.6=2205.72s N =⨯⨯
一级公路设计基准期为30年，安全等级为一级。

临界荷位车辆轮迹横向分布系数为0.2。

计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数：
()()30
4
113652205.210.05221 3650.20.0532
1089.9482310t
s r e r
N g N g η⎡⎤
⨯+-⎣⎦=
⨯⨯⎡⎤
⨯+-⎣⎦=
⨯⨯=⨯ 属于重交通荷载等级。

初拟路面结构
施工变异等级取低等级。

根据一级公路重交通荷载等级和低变异水平等级，初拟普通混凝土面层厚度为24cm ，基层材料水泥稳定砂砾22cm ，底基层材料级配砾石24cm 。

单向路幅宽度为2×3.75m （行车道）+2.75m （硬路肩），行车道水泥混凝土面板尺寸取4.75×3.75，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混凝土，并设拉杆与行车道板相连。

路面材料参数确定
查表 3.0.8和附录 E.0.3，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa ，相应的弯拉弹性模量与泊松比为31GPa,0.15。

玄武岩粗集料混凝土的线膨胀系6910c α-=⨯。

取低液限粉土的回弹模量为90MPa ，地下水位1.9m 时的湿度调整系数为0.88，因此，路床顶综合回弹模量取90×0.88=79.2MPa 。

取水泥稳定砂砾基层材料的回弹模量为2200MPa ，泊松比取0.2；级配砾石底基层材料的回弹模量取250MPa ，泊松比取0.35. 计算板底地基综合回弹模量如下：
()
22
211
211
1250n
n
x i
i i
a i i h E E h E h MP h =====∑∑
11
24n
x i i h h h cm ====∑
()0.26ln()0.860.26ln 0.240.860.489x h α=+=⨯+=
0.489
0025079.2138.94479.2x t a E E E MP E α
⎛⎫⎛⎫==⨯= ⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭
混凝土面层板的弯曲刚度c D 、半刚性基层板的弯曲刚度b D 、路面结构总相对刚度半径g r 为：
()()
33
22
310000.2436.5341211210.15c c c c E h D MN m ν⨯===-⨯- ()()
33
2222000.22 2.0331211210.2b b b b E h D MN m ν⨯===-⨯-
13
13
36.534 2.0331.21 1.210.789138.944c b g t D D r m E ⎛⎫
++⎛⎫
==⨯= ⎪
⎪
⎝⎭
⎝⎭
荷载应力
由公式计算标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为：
33
0.6520.940.6520.941.4510 1.45100.7890.24100 1.5512.0331/136.534ps
g c s a b c
r h P MP D D σ----⨯⨯==⨯⨯⨯=++
330.6520.940.6520.941.4510 1.45100.7890.24146 2.2142.0331/136.534
pm
g c m a b c
r h P MP D D σ----⨯⨯==⨯⨯⨯=++
按照公式计算面层荷载疲劳应力和面层最大荷载应力：
pr r f c ps k k k σσ= ,max p r c pm k k σσ=
0.0570.87 1.10 10899 4 2.8
35182r c f e k k k N λ===其中：当采用混凝土路肩且与路面等厚时应力折减系数取；一级公路综合系数取；
疲劳应力系数
因此0.87 2.518 1.10 1.551 3.337pr r f c ps a k k k MP σσ==⨯⨯⨯= ,max 0.87 1.10 2.214 2.119p r c pm a k k MP σσ==⨯⨯=
温度应力
最大温度梯度取94℃/m 。

由公式计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数L B 。

1
1
110.240.224640.719/22310002200c b n a c b h h k MP m E E --⎛⎫⎛⎫
=+=+= ⎪ ⎪⎝⎭
⎝⎭ ()()14
14
2.03336.5340.1432.03336.5344640.719c b c b n D D r m D D k β⎡⎤⎡⎤⨯===⎢⎥⎢⎥
++⨯⎣⎦⎣⎦
()()()()43
4
3
434
3
4640.7190.78936.5340.1430.4664640.7190.143
36.5340.789n g c n c
g k r D r k r
D r ββ
ξ-⨯-⨯=-=-
=-⨯-⨯
4.75 2.001330.789
g L t r =
==⨯ ()()()()()()()()
sinh 2.001cos 2.001cosh 2.001sin 2.001110.90210.466cos 2.001sin 2.001sinh 2.001cosh 2.001L C +⎛⎫=-= ⎪
++⎝⎭ ()()4.48 4.480.241.770.1311 1.770.9020.13110.9020.532
c h L L L B e C C e --⨯=⨯--=⨯-⨯-=
计算面层最大温度应力：
6,max 910310000.24940.532 1.6742
2
c c c g
t L a E h T B MP ασ-⨯⨯⨯⨯=
=⨯=
温度疲劳应力系数按下式计算：
1.27,max ,max
5 1.6740.8340.0520.4651.6745t b t r
t t t t r f k a c f σσ⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫
⎢⎥=
-=⨯⨯-=⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎣⎦
计算温度疲劳应力
,max 0.465 1.6740.778tr t t a k MP σσ==⨯=
结构极限状态校核
一级公路、低变异水平下的可靠度系数 1.13r γ=，按下式校核路面结构是否满足要求。

()()1.13 3.3370.778 4.650 5.0r pr tr r a f MP γσσ+=⨯+=<= ()()max max 1.13 2.119 1.647 4.256 5.0r p t r a f MP γσσ+=⨯+=<=
拟定的由计算厚度0.24m 的普通混凝土面层的路面结构满足要求，可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用，以 及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。

取混凝土面层设计厚度为0.25m 。