1、同济大学铺面工程铺面课程设计沥青混凝土路面设计1.背景与轴载换算1.1 背景1 区某地区二级公路，当地土质类型为粘性土，土的液限为 35.6%，塑限为 29.5%；年降雨量为 1500mm；夏季最高气温为 39，持续时间较长。当地盛产砂石料。路面宽度 7米，道路上有较陡的长坡。交通组成见表 2 和表 3。1.2 轴载换算沥青路面根据规范要求，采用下面的公式计算标准轴载和累计轴载次数83410iiPC83410nisiPNC6(15%)36510.71teN为轻交通程度。1.3 环境条件及路基弹性模量路槽下 80cm 稠度层位 1 2 3 4 5 6 7 8含水量百分比 28.2 28.4 28
2、.49 28.55 28.7 28.8 28.78 29.11wc 1.21 1.18 1.17 1.16 1.13 1.11 1.12 1.06平均稠度为 1.143查表可得，土基回弹模量为 37.14MPa。2.设计指标根据交通繁重程度，选用半刚性基层。拟定路面结构组合如下上面层 AC-10 4cm沥青层 8cm下面层 AC-13 4cm水泥石灰砂砾土 h=?级配碎石底基层 18cm土基 E0=37.14MPa3.容许设计指标由公路沥青路面设计规范 （JIG D50-2006）得知：1) 路表中心处的弯沉值不大于设计弯沉值2) 沥青面层的层底拉应力不大于该层混合料容许拉应力。3) 半刚性基
3、层或底基层的最大拉应力不大于该材料层的。3 1 路表设计弯沉为：0.376mm0.2 60.260*61.0.(1)dcsbelAN 沥青层底面容许拉应力为： 0.2 60.21.().8Racespf MPa 水泥石灰砂砾土基层底面容许拉应力为： 0.1 60.1.857.8571.()3.95RbcespANf 3.2 软件试算3.2.1 路面弯沉设计水泥石灰砂砾土的厚度为待定厚度，假设路面弯沉等于设计弯沉。用 BISAR 软件试算。各层材料的回弹模量取值如下：结构层次 弯沉计算回弹模量 (MPa) 弯拉应力计算回弹模量 (Mpa)AC-10 1600 1800沥青层AC-13 1500
4、1800水泥石灰砂砾土 800 1500级配碎石底基层 400 400土基 E0=37.14MPa,=0.4软件计算得到的弯沉值用下式修正： 0.581.60.612()s eEllpA试算得水泥石灰砂砾土的厚度为 24.5cm。此时路表弯沉为软件计算的理论弯沉为：0.5892mm修正后得实际弯沉 0.3557mm。取厚度为 24.5cm 验算沥青混凝土层底和水泥稳定随时层底拉应力。3.2.2 应力验算计算点位为单圆轮载中心轴线及双轮轮隙中心下，软件中设置如下：a 面层底拉应力为负值。如下图所示表面层：下面层：b基层底面拉应力为 0.121Mpa，符合要求。底基层的底面拉应力更小.这里不做验算
5、.3.3 设计指标比较基层厚度为 24.5cm 计算数值 设计容许值 检验结果路表弯沉 0.356mm 0.376mm 满足双轮轮隙中心处 负值面层底面拉应力单圆荷载中心轴线处 负值 0.628Mpa 满足基层底面拉应力 0.121MPa 0.195MPa 满足故最后路面结构组成为：上面层 AC-10 4cm沥青层 8cm下面层 AC-13 4cm水泥石灰砂砾土 24.5cm级配碎石底基层 18cm土基 E0=37.14MPa4.材料及相关设计4.1 路面材料考虑 降水量超过 1000mm，二级公路的沥青表面层用粗集料磨光值应当满足PSV40，且在基层下应设置垫层，改善排水。 粗集料和沥青应有
6、良好的黏结性，黏附性不低于 4 级。 如果采用了沥青玛蹄脂碎石混合料，则细集料不宜使用天然砂。（在以下方案设计中体现） 二级公路基层、底基层的集料压碎值不大于 35。4.2 结构组合设计 为防止雨水渗入路面结构层、土基中，本方案在沥青面层采用密级配沥青混合料。 沥青层之间设置黏层强化，基层上设置稀浆封层的下封层。4.3 路基与垫层 在路堑和强风化岩石路段，应注意填挖交界处及路堑段的排水设计。 路面可能收到裂隙水等地下水影响时，应设渗沟等排水设施加强路基排水。4.4 面层 由于有长陡坡路段，在该路段的表面层和中面层应提高沥青混合料的动稳定度指标要求。选用稠度高、60C 黏度大的沥青、改性沥青等。
7、备选方案1.路面结构设计采用开级配沥青混凝土面层，初拟路面结构如下。表面层 OGFC-13 4cm沥青层 9cm下面层 AC-16 5cm石灰土基层 h=?m级配碎石底基层 18cm土基 E0=37.14MPaOGFC 作为排水路面的表面层, 规范要求最小厚度为 4cm。在该面层下设置防水层。2.指标验算2.1 假设路表弯沉等于设计弯沉，确定水泥稳定碎石层厚度。使用 BISAR 软件试算如下：各层模量设置如下：结构层次 弯沉计算回弹模量 (MPa) 弯拉应力计算回弹模量 (Mpa)OGFC-13 1000 1200沥青层AC-16 1400 1800石灰土基层 700 1200级配碎石底基层
8、400 400土基 E0=37.14MPa,=0.4其中计算得水泥稳定碎石基层厚度为 28cm 时，理论弯沉为 0.6099mm，经过修正，为0.376mm。2.2 结构层拉应力验算。2.2.1 面层底面拉应力验算各层均为负值。计算点位置同原方案。表面层：下面层：2.2.3 基层底面拉应力验算基层底面拉应力为 0.155Mpa，符合容许值。2.3 设计指标比较基层厚度为 28cm 计算数值 设计容许值 检验结果路表弯沉 0.376mm 0.376mm 满足双轮轮隙中心处 负值面层底面拉应力单圆荷载中心轴线处 负值 0.628Mpa 满足基层底面拉应力 0.155MPa 0.195MPa 满足故
9、最后路面结构组成为：表面层 OGFC-13 4cm沥青层 9cm下面层 AC-16 5cm石灰土基层 28cm级配碎石底基层 18cm土基 E0=37.14MPa3.方案比较相对于原方案，该方案有以下特点：1. 采用开级配沥青混凝土做沥青表面层，强化了路面排水能力，降低了不利天气对路面使用性能的影响。2. 开级配沥青混凝土面层的构造深度较大，吸声能力较强。3. 采用模量较小的石灰土基层充分利用砂石材料，成本较低，并更大程度发挥路面结构的受力能力。在一般情况下，尽量采用备选方案。其他背景1.设计背景如果该道路为高速公路，设计年限内设计车道的最大累计标准轴载为1500万次（基层应力验算为1800万
10、次） ，请进行结构设计、材料设计和其他相关考虑。 Ne=1.5*107,重交通程度。2.路面结构设计2.1 路基处理及回弹模量。根据公路沥青路面设计规范规定，重交通时土基回弹模量应不小与 40Mpa。这里进行地基处理使得土基模量达到 40Mpa。2.2 路面结构上面层 SMA-13 6cm中面层 AC-20 6cm沥青层 20cm下面层 AC-25 8cm沥青稳定碎石 h=?级配碎石底基层 18cm土基 E0=40MPa其中沥青稳定碎石为 ATB-30，适宜厚度为 9-15cm，现厚度待定。其中沥青面层均为密级配 ,沥青稳定碎石基层也是密级配。3设计指标验算3.1 规范设计指标路表设计弯沉为：
11、采用柔性基层沥青路面0.352mm0.2 70.260*61.0.6(15)dcsbelAN 沥青层底面容许拉应力为： 0.2 70.21.(8).38Racespf MPa 沥青稳定碎石基层底面容许拉应力为： 0.1 70.1.857.571.()6.7RbcespANf 3.2 指标验算各层模量设置如下：结构层次 弯沉计算回弹模量 (MPa) 弯拉应力计算回弹模量 (Mpa)SMA-13 1400 1600AC-20 1200 1800沥青层AC-25 1200 1800沥青稳定碎石基层 1000 1200级配碎石底基层 400 400土基 E0=40MPa,=0.43.2.1 按沥青容许
12、弯沉设计基层厚度根据规范中 4.1.4 取适宜厚度 11.5cm。理论弯沉为 0.585mm，修正弯沉为 0.351mm。3.2.2 沥青层底面最大拉应力验算上面层：中面层：下面层:最大拉应力为 0.102MPa。3.2.3 基层底面拉应力验算应力值为 0.184Mpa。3.3 设计指标一览基层厚度为 11.5cm 方案计算值 设计容许值 检验结果路表弯沉 0.351mm 0.352mm 满足面层底面拉应力最大值 0.102MPa 0. 338Mpa 满足基层底面拉应力最大值 0.184Mpa 0.273 MPa 满足3.4 最终路面结构：上面层 SMA-13 6cm中面层 AC-20 6cm
13、沥青层 20cm下面层 AC-25 8cm沥青稳定碎石 11.5cm级配碎石底基层 18cm土基 E0=40MPa4.方案评价及其他方案该方案偏向于厚面层薄基层，沥青层厚度较大。该方案中大量使用沥青，而且在基地应力上安全储备较为浪费。在砂石产量比较丰富的地方应多的使用细集料比例大的混合料以减少使用其他材料的成本。地基处理是不必要达到 100Mpa。以下为第二方案主要目标:1. 面层和基层使用粒径小的沥青混合料,但表面层的集料平均粒径不能过小以达到规范的构造深度的要求；2. 采用更薄的面层，减少沥青的使用；3. 降低整体结构厚度，减少路面结构对路基的荷载；4. 合理的地基处理，考虑长期的使用应进
14、一步加固地基。第二方案1.路面结构设计按规范要求，重交通时应处理地基。现处理地基使得其模量为 45Mpa。路面结构设计如下：上面层 SMA-13 4cm中面层 AC-16 5cm沥青层 15cm下面层 AC-20 6cm沥青稳定碎石基层 h=?级配碎石底基层 18cm土基 E0=45MPa沥青稳定碎石层采用 ATB-25。2.指标验算2.1 按面层顶面弯沉设计沥青稳定碎石层厚度模量设置如下，用试算法确定基层厚度。结构层次 弯沉计算回弹模量 (MPa) 弯拉应力计算回弹模量 (Mpa)SMA-13 1400 1600AC-16 1200 1800沥青层AC-20 1200 1800沥青稳定碎石基
15、层 1000 1200级配碎石底基层 400 400土基 E0=45MPa,=0.4验算得厚度为 13cm 时，软件计算的面层弯沉为 0.5835mm：弯沉为 0.5835mm，经过修正后为：0.350mm。故基层最小厚度须大于 13cm2.2 面层底面拉应力验算上面层：中面层：下面层：故面层拉应力最大值为 0.0544Mpa.2.3 基层底面拉应力验算应力为：0.201Mpa3.4 设计指标一览基层厚度为 13cm 方案计算值 设计容许值 检验结果路表弯沉 0.350mm 0.352mm 满足面层底面最大拉应力 0.054Mpa 0. 338Mpa 满足基层底面最大拉应力 0.201Mpa
16、0.273 MPa 满足3.5 路面结构为上面层 SMA-13 4cm中面层 AC-16 5cm沥青层 15cm下面层 AC-20 6cm沥青稳定碎石 13cm级配碎石底基层 18cm土基 E0=45MPa3.路面材料设计（同原方案）3.1 结构组合设计 面层采用了沥青玛蹄脂碎石混合料，则细集料不宜使用天然砂。高速公路基层、底基层的集料压碎值不大于 30。 为防止雨水渗入路面结构层、土基中，本方案在沥青面层采用密级配沥青混合料。 粗集料和沥青应有良好的黏结性，黏附性不低于 5 级。 沥青层之间设置黏层强化，基层上设置稀浆封层的下封层。3.2 路基与垫层 在路堑和强风化岩石路段，应注意填挖交界处
17、及路堑段的排水设计。 路面可能收到裂隙水等地下水影响时，应设渗沟等排水设施加强路基排水。3.3 面层 降水量超过 1000mm，高速公路的沥青表面层用粗集料磨光值应当满足PSV42，且在基层下应设置垫层，改善排水。 由于有长陡坡路段，在该路段的表面层和中面层应提高沥青混合料的动稳定度指标要求。选用稠度高、60C 黏度大的沥青、改性沥青等。 高速公路表面层抗滑性能以横向力系数和构造深度为主要指标。在交工验收时应满足规范要求。1.设计背景该道路为高速公路，设计年限内设计车道的最大累计标准轴载为3000 万次（基层应力验算为3700 万次），请进行结构设计、材料设计和其他相关考虑。 重交通程度。2.
18、路面结构设计2.1 路基处理及回弹模量。根据公路沥青路面设计规范规定，重交通时土基回弹模量应不小与 40Mpa。这里进行地基处理使得土基模量达到 50Mpa。2.2 路面结构上面层 SMA-13 4cm中面层 AC-20 6cm沥青层 18cm下面层 AC-25 8cm沥青稳定碎石 h=?级配碎石底基层 18cm土基 E0=50MPa其中沥青稳定碎石为 ATB-30，适宜厚度为 9-15cm，现厚度待定。3设计指标验算3.1 规范设计指标路表设计弯沉为：采用柔性基层沥青路面0.307mm0.2 70.260*61.0.6(31)dcsbelAN 沥青层底面容许拉应力为： 0.2 70.21.(
19、).8Racespf MPa 沥青稳定碎石基层底面容许拉应力为： 0.1 70.1.857.8571.(3)6.52RbcespANf 3.2 指标验算3.2 1 按沥青容许弯沉设计基层厚度各层模量设置如下：结构层次 弯沉计算回弹模量 (MPa) 弯拉应力计算回弹模量 (Mpa)SMA-13 1400 1600AC-20 1200 1800沥青层AC-25 1200 1800沥青稳定碎石基层 1000 1200级配碎石底基层 400 400土基 E0=50MPa,=0.4根据规范中规定 4.1.4 取厚度为 11cm理论弯沉为 0.5335mm，修正弯沉为 0.3032mm。小于容许值。3.2
20、.2 沥青层底面最大拉应力验算上面层：中面层：上、中面层底面拉应力均为负值。下面层：故面层底面最大拉应力值为 0.0983Mpa3.2.3 基层底面拉应力验算应力值为 0.191Mpa。3.3 设计指标一览基层厚度为 11cm 方案计算值 设计容许值 检验结果路表弯沉 0.303mm 0.307mm 满足面层底面最大拉应力 0.098Mpa 0.288Mpa 满足基层底面最大拉应力 0.191Mpa 0.252 MPa 满足3.4 路面结构上面层 SMA-13 4cm中面层 AC-20 6cm沥青层 18cm下面层 AC-25 8cm沥青稳定碎石 h=11cm级配碎石底基层 18cm土基 E0
21、=50MPa如果该公路地处北方寒冷地区，则应如何设计？1. 根据 20 以上的冻结指数平均值，确定冰冻区划分等级（重冰冻区、中冰冻区等）。2. 计算多年最大冻深，进行结构层防冻厚度验算。如果总厚度小于最小防冻厚度，则应增加防冻垫层使其满足要求。防冻垫层的材料应采用透水性好的粒料类材料。在确定有关材料参数时应考虑一年内最不利季节的温度和湿度影响。3. 如果在高速公路、一级公路中采用半刚性基层，宜使用石灰粉煤灰稳定集料类材料做基层、底基层。在中、重冰冻区应检验半刚性基层和底基层的抗冻能力。可在石灰粉煤灰稳定集料里掺水泥或者其他早强剂，提高早期强度或越冬的抗冻性能4. 面层设计：a.选用合适的沥青混
22、合料达到足够的低温抗裂性，对于高速公路、一级公路表面层宜在-10C 进行弯曲试验，检验密级配沥青混凝土的低温抗裂性。b.当拌制沥青混凝土无法达到低温抗裂性的技术要求时，应采用掺有热塑性橡胶类改性剂的改性沥青。5. 对于季节性冰冻地区而可能使路面发生冻胀翻浆的现象，需充分考虑如下几个因素：a) 土质条件：路线经过地区是否有软土地基部分，或者容易引起不均匀沉降的不良地质部分。应设计正确的地基处理的方法（换填法等）和足够的路基厚度。b) 水文条件：地下水位的变化是否侵蚀到路基，土基的毛细吸水作用是否严重，附近是否有河流经过等。c) 行车条件：是否以后特重交通荷载的出现。d) 养护条件：所处区域是否方便养护，是否有经济条件完成养护工作，以及考虑当地养护条件水平。e) 气候条件：当地最低温度，季度间最大温差。选用良好抗冻性能的沥青混合料和抗低温的黏结材料以保证层间在低温作用时能有效传递荷载和变形。
