e沥青路面结构层计算示例

1设计原始资料和依据

该公路处于II 3 区，路线经过地区属于湿暖带半湿润季风气候区，海洋型和大陆型过渡的气候特征比较明显，气候温暖、四季分明、雨量充沛、冬寒夏热。年内夏、秋季降水相对集中，易出现暴雨造成涝灾，其余季节降水偏少。

气候区内年平均气温13.7 o C，以7、8月份最热，年平均最高气温19.4 o C，年平均最低气温9.1 o C，历年极端最高气温39.9 o C，历年极端最低气温-22.4 o C。历年最大积雪深度20cm，最大冻土深度33 cm，历年平均无霜期163.5天。气候区内年平均降雨量884.0mm，历年最大降雨量1358.0mm，以7~10月降雨相对较为集中。

区域内常年主导风向为东北风，历年平均风速3.3m/s。最大风速16.8m/s。8、9月份受台风影响区内空气湿度较高，年平均相对湿度为70%左右，最小相对湿度65%、最大相对湿度85%。

设计线路经过地段主要由第四系松散沉积层所组成。第四纪沉积层由全新（Q4a1）的低~高液限粘土夹中粗砂及上更新（Q3a1）的低~高液限粘土所组成。由于古河道多次变迁作用，地层厚度分布不均，堆积层厚度上部全新（Q4a1）一般在3~9m局部达10m，地层岩性主要为低~高液限粘土，其CBR为2%~10%；下部上更新统（Q3a1）沉积层厚度一般为10~40m，地层岩性主要为低~高液限粘土，呈中~高压缩性。

1.1.1路线服务范围交通运输要求和经济技术调查资料

由于此路段处于江地势平缓，沿线以农业为主，该路段经过两条大渠和一条铁路，故该道路的修通对于完善苏北地区贸易交往，改善该地区的投资环境具有深远的意义。另外修建该路所需的路基填料、石灰、碎石等集料在附近地区都非常丰富，并且都能满足技术指标要求。

1.1.2交通量资料

表1-1 交通量资料

车型小汽车黄河JN-150 跃进NJ-130 解CA-10B 太拖拉138

交通量（辆/日）3500 900 1100 1800 600

1.2设计依据

本设计AB段高速公路位于徐州市洞山地区，根据沿线地形、地貌、地质、水文、气象等自然条件进行设计，依据的有关规范、规程具体如下：

1) 部颁《公路工程技术标准》（JTG B01－2003）；

2) 部颁《公路路线设计规范》（JTG D20－2006）；

3) 部颁《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）；

4) 部颁《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）；

5) 部颁《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）；

6) 部颁《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80-1-2004)；

7) 部颁《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）；

8) 部颁《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）；

9) 部颁《公路排水设计规范》（JTJ018-97）；

10)《京福高速公路绕徐州城西段设计说明书》；

11) 拟建公路的设计原始资料；

12) 拟建公路所处地区的地区地形图。

2路面结构层厚度设计

2.1.1土基回弹模量的确定

由于本路段无实测条件，故可按查表法预测土基回弹模量值。

1）确定临界高度

本路段土基设计为不利季节处于干燥状态，因为徐州地区为Ⅱ5区，由设计资料知该地

区土质为粘性土，查《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)附录F.0.1可确定临界高度H 1在2.1m~2.5m 之间。

2）土的平均稠度

因本路段属于干燥类型，根据路基的临界高度，由《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中5.1.4-1知路床表面以下80cm 深度内平均稠度为W c ≥1.10，本设计取W c =1.10。

3）确定土基回弹模量

据以上所述查表得该地区的土基回弹模量为E 0=52.0Mpa 。为保证高填土路基的含水量，设计中取E 0为45.0 Mpa 。

2.1.2 路面设计参数的确定

1）交通量组成

已知设计年限为20年，设计年限内交通量年平均增长率r=8%，交通量组成见下表：

路面设计以双轮组单轴载100KN 为标准荷载，标准轴载计算参数如下：

（1）轴载换算

以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN 的各级荷载（包括车辆的前、后轴）1P 的作用次数1n ，均按下式换算成标准轴载P 的当量作用次数N 。

∑=?

??

???=K

i i P P n C C N 1

35

.4121 (4-3-1)

式中： N — 标准轴载的当量轴次，次／日；

1n — 被换算车型的各级轴载作用次数，次／日；

P — 标准轴载，KN ；

1P — 被换算车型的各级轴载，KN ；

1C — 轴数系数；

2C — 轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。

当轴间距大于3m 时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为m ；当轴间距小于3m 时，按双轴或多轴计算，轴数系数按下式计算。

)1(2.111-?+=m C （4-3-2）式中： m —

轴数。

本路段轴载换算如下表所示。

出。（现行规范没有这一条规定，小汽车应该也计算在内）

（2）累计当量轴次计算

由《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)3.1.2-1设计年限内一个车道上的累计当量

轴次1N 按下式计算。

γ

γ365

]1)1([?-+=

t e N η1N （4-3-3）

式中： e N —设计年限内一个车道上的累计当量轴次，次；

t —设计年限，年；

1N —路面竣工后第一年双向日平均当量轴次，次／日；

γ—设计年限内交通量的平均年增长率(%),应根据实际情况调查，预测交通量增长，

经分析确定；

η—车道系数，查《公路沥青路面设计规范》(JTJ014－97)确定车道系数为0.4~0.5,本设计取η=0.45。

设计年限内一个车道上的累计当量轴次e N 为

45.007.225108

.0365]1)08.01([20???-+=e N =16919948.48（次）

4）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次 当进行半刚性基层层底拉应力验算时，各种车型的前后轴1P 的作用次数1n ，均按下式转换成标准轴载P 的当量作用次数N '。

∑=???

???''='K

i i P P n C C N 1

8

121 （4-3-4）

式中： '

1C —轴数系数；

'

2C —轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09。

当轴间距小于3m 时，双轴或多轴的轴数系数按下式计算。

)1(211-?+='

m C （4-3-5）

计算结果如下表。

算在内）

设计年限内一个车道上的累计当量轴次'

e N 仍按式（4-3-3）进行计算：

45.048.140808

.0365]1)08.01([20???-+='

e

N = 1058670（次）

2.1.3 路面结构层厚度计算

方案一

路面结构及计算参数见表4-3-5。

路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，是根据设计年限内每个车道累计标准当量轴次、公路等级、面层和基层的类型等确定的。

路面设计弯沉值可按下式计算：

b s

c e

d A A A N l 2.0600-= （4-3-6）

式中： d l —路面设计弯沉值(0.01mm);

e N —设计年限内一个车道上的累计当量轴次；

c A —公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为

1.2；

S A —面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；

b A —路面结构类型系数，半刚性基层、刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥青路

面为1.6，若基层由半刚性基层与柔性基层组合而成，通过线性内插确定。

根据上式计算得：

0.10.10.1169199496002.0????=-d l =21.50（0.01mm ）

2）结构层材料的容许弯拉应力

高速公路的沥青混凝土面层或半刚性材料基层、底基层，在进行层底拉应力验算时，结构层底面计算点的拉应力m σ应小于或等于该层材料的容许弯拉应力R σ，即：

m σ≤R σ （4-3-7）

容许弯拉应力R σ按下式列公式计算：

s

SP

R K σσ=

（4-3-8）

式中： R σ—路面结构层材料的容许弯拉应力(MPa)；

SP σ—沥青混凝土或半刚性材料的劈裂强度(MPa)。对沥青混凝土指15℃时的劈裂

强度；对水泥稳定类材料为龄期90d 的劈裂强度(MPa)；对二灰稳定类、石灰稳定类的材料为龄期180d 的劈裂强度(MPa)；

S K —抗压强度结构系数。

对沥青混凝土面层：

c e s A N K /09.022

.0= (4-3-9)

式中： a A —沥青混凝土级配类型系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1。

对无机结合稳定集料类：

S K c e A N /35.011

.0= （4-3-10）

对无机结合类稳定细粒土类：

S K c e A N /45.011

.0= （4-3-11）

（1）沥青混凝土上面层AK-13A

SP σ＝1.4Mpa

S K =0.09×1.0×(16919949)0.22/1.0=3.503

R σ=

MPa 3996.0503

.34

.1=

（2）沥青混凝土中面层AC-20Ⅰ SP σ＝1.0Mpa

S K =0.09×1.0×(16919949)0.22/1.0=3.503

R σ=

MPa 2855.0503

.30

.1=

（3）沥青混凝土下面层AC-30Ⅱ

SP σ＝0.8Mpa

S K =0.09×1.1×(16919949)0.22/1.0=3.853

R σ =

MPa 2076.0853

.38

.0=

（4）二灰碎石基层

SP σ＝0.7 Mpa

S K =0.35×(10586703)0.11/1.0=2.074

R σ=

MPa 3375.0074

.27

.0=

（5）二灰土底基层

SP σ＝0.3Mpa

S K =0.45×(10586703)0.11/1.0=2.667 R σ =MPa 1125.0667

.23.0=

3）路面厚度计算

路面厚度是根据多层弹性理论、层间接触条件为完全连续体系时，在双圆均布荷载作用下，轮隙中心处实测路表弯沉值s l 等于设计弯沉值d l 的设计原则进行计算（其力学图式如

式中： s l —路面实测弯沉值，0.01mm ；

p 、δ—标准车型的轮胎接地压强(MPa)和当量圆半径，cm ；

F —弯沉综合修正系数； c α—理论弯沉系数；

0E 或)(n E —土基回弹模量值，MPa ；

1E 、2E 、1-n E —各层材料回弹模量值；

1h 、2h 、1-n h —各结构层厚度，cm 。

计算得：

36.038.0)7

.045

()65.10200050.21(

63.1???=F =0.5304

由式（4-3-13）得理论弯沉系数：

806.35304

.065.107.021*******

50.21210001=?????=??=

f p E l s c δα

H

编 张登良主审，人民交通出版社）第360页图14-14得4.6=α3。

由376.065

.104

==δ

h

，

0375.01200

452

==E E 查《路基路面工程》

（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第360页图14-14得24.11=k 。

由于αα21k k c =，所以

1

2k k c ?=

αα=

24

.143.68058

.3?=0.477

再由376.0=δ

h

，

0375.02

=E E 和2k =0.477查《路基路面工程》

（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第360页图14-14得05.6=δH

，

从而，43.6465.1005.6=?=H cm

根据等效路表弯沉的结构层转换公式：

∑==?+?+?+=?=5

2

4.24.244.24

.2243.641200

75020120015001200100066i i i h E E h H 得：09.334=h cm, 取34cm 计。

4）验算弯拉应力

（1）上面层底面弯拉应力验算

∑==?+?+?+=?=5

2

i 9.09.09.09.02i 864.451200600

2012001500361200100075E E h H i cm

对高速公路的沥青混凝土面层和半刚性基层、低基层进行拉应力的验算时，各层

按连续验算。

验算层低拉应力时根据多层弹性理论，层间接触条件为完全连续体系，以双圆荷载作用下按下式计算层低最大拉应力m σ。

m m p σσ?= （4-3-15）

),......,;,......,(

1

02312121--=n n m E E E E

E E h h h f δδδσ

m σ应以下式计算：

21m m m ??=σσ （4-3-16）

式中： 1m 、2m —系数。

验算层低拉应力时，应满足下式要求：

m σR σ≤ （4-3-17）

式中： R σ—容许拉应力。

由376.065

.104==δh

，8.02000

160012==E E 查《路基路面工程》

（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第362页图14-18得无具体的σ。

由376.065.104

==δ

h

，9.02000

1800

1

2

==E E ，025.01800

452

==E E

查表

无具体的1m 值。

由306.4=δ

H

，9.02000

1800

1

2

==E E ，

025.01800

4520

==E E 查表无具体的2m 值。

说明上面层底面所受拉应力较小，即可认为：0<σ，从而，m σ＜0＜R σ=0.3996，满足强度要求。

（1）中面层底面拉应力验算

中层厚度： 705.501400

750

20140015003469.053

9.09

.03=?+?+=?=

∑=i i i E E h H cm 同理，查表得0<σ，从而，m σ＜0＜R σ=0.2855，满足强度要求。 （2）下面层底面拉应力验算

中层厚度：259.431500

750

20349

.0=?+=H cm 查表得0<σ，从而，m σ＜0＜R σ=0.202，满足强度要求。

（3

=h 中层厚度：H=20cm

由739.465.10477.50==δh ，50.01500

75012==E E 查《路基路面工程》

（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第362页图14-18得： 08.0=σMpa ；

由47.465.10477.50==δh 50.01500

75012==E E 06.07504520

==E E 查表得40.11

=m ；

由88.165

.1020

==δ

H

，50.0150075012

==E E ，06.0750

4520==E E 查表得08.12=m ；

从而：3375.00847.008.140.108.07.021=<=???=???=R m m m p σσσ

Mpa,所以基层满足抗弯拉要求。 h1=4cm E1=2000MPa 第363页图14-19得42.0=σMpa ，13.11=n ，23.02=n

从而，1125.00764.023.013.142.07.0=<=???=R m σσMpa ， 所以底基层满足抗弯拉要求。

通过计算可知方案一的路面总厚度为4+6+6+1+34+20=71cm 。 二）方案二

路面结构及计算参数如下表：

l=21.50（0.01mm）

路面设计弯沉值：

d

综合修正系数：F=0.530

=3.806

理论弯沉系数：

c

h=35.023cm,取36cm。

水泥稳定碎石层计算厚度：

4

经验算，该方案面层、基层弯拉应力均满足要求。

综上可知，方案二路面总厚度为：4+6+6+36+20+1=73cm

2.1.4方案比较确定

通过以上分析，方案一和方案二两者的总体厚度相差不大，从技术指标上比较，两种方案均可采用，都能满足技术要求而且厚相差不大。两种结构层面层相同，所以主要从基层、底基层的材料上比较。该地区有大量的粉煤灰，和大量的石灰岩及灰绿岩，也同样有大型的水泥生产厂。所以从材料上看，采用两种方案均可。但是，从价格上比较，粉煤灰和石灰粉是非常廉价的。从施工和设计上考虑该地区在修建高速公路时大多采用二灰结石基层。从经济上考虑，最终确定基层采用方案一（二灰结石层）。底基层采用稳定性较好而且原料丰富的二灰土。

本路段经过的地区在每年的7～10月份降雨相对集中，且年平均降雨量达884.0mm。

综合考虑材料、施工条件及经济等方面因素，最终确定路面类型和结构层组合为道路面层上层选择4cm AK－13A细粒式沥青混凝土抗滑表层，中面层选择6cm AC-20Ⅰ型中粒式沥青混凝土, 下面层选择6cm AC-30Ⅱ粗粒式型沥青混凝土；基层采用34cm二灰碎石；底基层采用20cm二灰土。在基层上设置沥青封层，封层沥青材料采用PC-2，厚度为1cm如