沥青路面结构设计.docx
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沥青路面结构设计
第四章路面结构设计
设计资料
（1）自然地理条件
新建济南绕城高速，道路路基宽度为米，全长5km，结合近几年济南经济增长及人口增长的情况，根据近期的交通量预测该路段的年平均交通量为5000辆/日，交通量平均年增长率
=4%。
路面结构设计为沥青混凝土路面结构，设计年限为15年。
（2）土基回弹模量
济南绕城高速北环所在地区为属于温带季风气候，季风明显，四季分明，春季干旱少雨，夏季温热多雨，秋季凉爽干燥，冬季寒冷少雪。
据区域资料，年平均气温℃，无霜期178天，最高月均温℃（7月），最低月均温℃（1月），年平均降水量685毫米。
道路沿线土质路基稠度
=；因此该路基处于干燥状态，根据公路自然区划可知济南绕城高速处于
区，根据【JTGD50-2006】《公路沥青路面设计规范》1可确定工程所在地土基回弹模量设计值为46MPa。
（3）交通资料
交通组成及各车型汽车参数表1-1
车型
前轴重（KN）
后轴重（KN）
后轴数
后轴轮组数
后轴距（m）
交通量
江淮HF140A
1
双轮组
1300
三菱FR415
30
51
1
双轮组
800
长征CA160
2
双轮组
<3
700
宇通ZK6820G
30
55
1
双轮组
700
北京BK6150A
2
双轮组
>3
400
解放SP9200
78
3
双轮组
>3
600
东风SP9250
3
双轮组
>3
500
交通分析
（1）轴载换算
路面设计以双轮组-单轴载为100KN为标准轴载，以BZZ-100表示。
标准轴载的计算参数按表1-2确定。
表1-2
标准轴载
BZZ-100
标准轴载P（KN）
100
轮胎接地压强p（MPa）
单轮传压面当量圆直径d（cm）
两轮中心距（cm）
当以设计弯沉为指标时及验算沥青层层底拉应力时，凡大于25kN的各级轴载Pi的作用次数Ni按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N的计算公式为：
式中：
N——标准轴载当量轴次数（次/d）；
Ni——被换算的车型各级轴载作用次数（次/d）；
P——标准轴载（kN）；
Pi——被换算车型的各级轴载（kN）；
C1——被换算车型的各级轴载系数，当其间距大于3m时，按单独的一个轴计算，轴数系数即为轴数m，当其间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数为C1=1+（m-1）；
C2——被换算车型的各级轴载轮组系数，单轮组为，双轮组为，四轮组为。
沥青路面营运第一年双向日平均当量轴次为：
=（次/d）
当以半刚性层底拉应力为设计指标时，标准轴载当量轴次数
：
式中：
——轴数系数
——轮组系数，单轮组为，双轮组为，四轮组为。
注：
轴载小于50KN的特轻轴重对结构的影响可以忽略不计，所以不纳入当量换算。
沥青路面营运第一年双向日平均当量轴次：
=（次/d）
该新建道路为高速公路，采用沥青路面，设计年限为15年，交通增长率为4%，即γ=。
又该路设计为双向四车道，由【JTGD50-2006】公路沥青路面设计规范查可取，本设计取
=。
以设计弯沉值为指标时，设计年限内一个车道上的累计当量轴次
为：
以半刚性基层层底拉应力为设计指标时，设计年限内一个车道上的累计当量轴次
为：
根据上述计算所得，由【JTGD50-2006】《公路沥青路面设计规范》查表判断交通等级
一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量
Nh=2500,属于重交通等级
当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时:
路面营运第一年双向日平均当量轴次:
设计年限内一个车道上的累计当量轴次:
（次）
属于重交通等级
当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时:
路面营运第一年双向日平均当量轴次:
设计年限内一个车道上的累计当量轴次:
（次）
属于重交通等级
综上，路面设计交通等级为重交通等级
初拟路面结构
（1）路面结构方案
根据济南绕城高速的功能性质及【JTGD50-2006】《公路沥青路面设计规范》，并结合工程经验与典型案例，初步拟定路面结构组合与各层结构厚度如下：
方案一：
采用半刚性基层（路面结构类型系数）
----------------------------------------
细粒式沥青混凝土40mm
----------------------------------------
中粒式沥青混凝土60mm
----------------------------------------
粗粒式沥青混凝土80mm
----------------------------------------
水泥稳定碎石待设计
----------------------------------------
级配碎石200mm
方案二：
采用柔性基层（路面结构类型系数）
----------------------------------------
细粒式沥青混凝土40mm
----------------------------------------
中粒式沥青混凝土60mm
----------------------------------------
粗粒式沥青混凝土80mm
----------------------------------------
密集配沥青碎石待设计
----------------------------------------
水泥稳定碎石300mm
（2）路面设计弯沉值
和抗拉结构强度系数K
该公路等级为高速公路，两种方案均采用沥青混凝土面层，半刚性基层，公路等级系数
取；基层为水泥稳定碎石，因此路面结构类型系数
为；面层为沥青混凝土面层,面层类型系数
取。
路面设计弯沉值
：
抗拉结构强度系数
：
（沥青混凝土面层）
（无机结合料稳定集料）
（无机结合料稳定细粒土）
容许拉应力
，
-----路面结构材料的极限抗拉强度（MPa）。
（3）路面材料相关参数的确定
试验材料的确定：
半刚性基层所用集料取自沿线料场，结合料沥青选用A级90号，面层采用SBS改性沥青，相关技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》bn（JTG_F40-2004）相关的规定。
路面材料劈裂强度：
根据设计配合比，选取工程用各种原材料，测定规定稳定和龄期的材料劈裂强度。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）与《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）中的方法进行测定，参数见表1-3。
表1-3
材料名称
细粒式沥青混凝土
中粒式沥青混凝土
粗粒式沥青混凝土
密级配沥青碎石
水泥稳定碎石
劈裂强度（MPa）
路面材料抗压回弹模量的确定：
根据设计配合比，选取工程用各种原材料制件，测定设计参数。
按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的项目顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方法测定沥青混合料的抗压回弹模量；测定20℃、15℃的抗压回弹模量，各种材料的试验结果与设计参数分别见表1-4、表1-5。
材料名称
水泥稳定碎石
级配砂砾
级配碎石
抗压回弹模量（MPa）
3188
250
400
半刚性材料抗压回弹模量表1-4
沥青材料抗压回弹模量表1-5
材料名称
细粒式沥青混凝土
中粒式沥青混凝土
粗粒式沥青混凝土
密级配沥青碎石
20℃抗压回弹模量（MPa）
1991
1425
978
1248
15℃抗压回弹模量（MPa）
2680
2175
1320
1715
由前面计算所得相关参数，计算路面各结构层容许拉应力σR，见表1-6。
路面结构层容许拉应力计算表表1-6
结构层材料名称
Ne
Ac
Ks
σsp
σR（MPa）
细粒式沥青混凝土
中粒式沥青混凝土
粗粒式沥青混凝土
密级配沥青碎石
水泥稳定碎石
路面结构层厚度确定
根据设计资料,利用HPDS-2011公路路面设计程序系统进行路面结构层厚度的设计，以下分别进行方案一、方案二设计层的厚度设计。
方案一：
公路等级:
高速公路
新建路面的层数:
5
标准轴载:
BZZ-100
路面设计弯沉值:
路面设计层层位:
4
设计层最小厚度:
150（mm）
表1-7
层位
结构层材料名称
厚度（mm）
20℃平均抗压模量（MPa）
标准差（MPa）
15℃平均抗压模量（MPa）
标准差（MPa）
容许应力（MPa）
1
细粒式沥青混凝土
40
1991
0
2680
0
2
中粒式沥青混凝土
60
1425
0
2175
0
3
粗粒式沥青混凝土
80
978
0
1320
0
4
水泥稳定碎石
?
3188
0
3188
0
5
级配碎石
200
400
0
400
0
6
新建路基
46
按设计弯沉值计算设计层厚度:
LD=
H（4）=200mmLS=
H（4）=250mmLS=
H（4）=229mm（仅考虑弯沉）
按容许拉应力计算设计层厚度:
H（4）=229mm（第1层底面拉应力计算满足要求）
H（4）=229mm（第2层底面拉应力计算满足要求）
H（4）=229mm（第3层底面拉应力计算满足要求）
H（4）=229mm（第4层底面拉应力计算满足要求）
路面设计层厚度:
H（4）=229mm（仅考虑弯沉）
H（4）=229mm（同时考虑弯沉和拉应力）
通过对设计层厚度取整以及进一步的修改,
调整后得到路面结构厚度设计结果如下图:
----------------------------------------
细粒式沥青混凝土AC-1040mm
----------------------------------------
中粒式沥青混凝土AC-1660mm
----------------------------------------
粗粒式沥青混凝土AC-2580mm
----------------------------------------
水泥稳定碎石300mm
----------------------------------------
级配碎石200mm
----------------------------------------
新建路基
验算路面防冻厚度:
路面最小防冻厚度为500mm
结构层总厚度
验算结果表明,路面总厚度满足防冻要求.
方案二：
公路等级:
高速公路
新建路面的层数:
5
标准轴载:
BZZ-100
路面设计弯沉值:
路面设计层层位:
4
设计层最小厚度:
150（mm）
表1-8
层位
结构层材料名称
厚度（mm）
20℃平均抗压模量（MPa）
标准差（MPa）
15℃平均抗压模量（MPa）
标准差（MPa）
容许应力（MPa）
1
细粒式沥青混凝土
40
1991
0
2680
0
2
中粒式沥青混凝土
60
1425
0
2175
0
3
粗粒式沥青混凝土
80
978
0
1320
0
4
密级配沥青碎石
?
1248
0
1715
0
5
水泥稳定碎石
300
3188
0
3188
0
6
新建路基
46
按设计弯沉值计算设计层厚度:
LD=
H（4）=150mmLS=
由于设计层厚度H（4）=Hmin时LS<=LD,故弯沉计算已满足要求.
H（4）=150mm（仅考虑弯沉）
按容许拉应力计算设计层厚度:
H（4）=150mm（第1层底面拉应力计算满足要求）
H（4）=150mm（第2层底面拉应力计算满足要求）
H（4）=150mm（第3层底面拉应力计算满足要求）
H（4）=150mm（第4层底面拉应力计算满足要求）
H（4）=150mm（第5层底面拉应力计算满足要求）
路面设计层厚度:
H（4）=150mm（仅考虑弯沉）
H（4）=150mm（同时考虑弯沉和拉应力）
通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改,并根据沥青混合料压实最小厚度与适宜厚度表选择沥青混合料类别，调整后得到路面结构厚度设计结果如下图:
----------------------------------------
细粒式沥青混凝土AC-1040mm
----------------------------------------
中粒式沥青混凝土AC-1660mm
----------------------------------------
粗粒式沥青混凝土AC-2580mm
----------------------------------------
密级配沥青碎石ATB-30150mm
----------------------------------------
水泥稳定碎石300mm
----------------------------------------
新建路基
验算路面防冻厚度:
路面最小防冻厚度为500mm
结构层总厚度
验算结果表明,路面总厚度满足防冻要求。
交工验收弯沉值和层底拉应力计算
方案一：
公路等级:
高速公路
新建路面的层数:
5
标准轴载:
BZZ-100
表1-9
层位
结构层材料名称
厚度（mm）
20℃平均抗压模量（MPa）
标准差（MPa）
15℃平均抗压模量（MPa）
标准差（MPa）
综合影响系数
1
细粒式沥青混凝土
40
1991
0
2680
0
1
2
中粒式沥青混凝土
60
1425
0
2175
0
1
3
粗粒式沥青混凝土
80
978
0
1320
0
1
4
水泥稳定碎石
300
3188
0
3188
0
1
5
级配碎石
200
400
0
400
0
1
6
新建路基
46
1
计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值:
第1层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=
路基顶面交工验收弯沉值
LS=（根据《公路沥青路面设计规范》公式计算）
LS=（根据《公路路面基层施工技术规范》公式计算）
计算新建路面各结构层底面最大拉应力:
（未考虑综合影响系数）
第1层底面最大拉应力σ
（1）=（MPa）
（MPa）
第2层底面最大拉应力σ
（2）=（MPa）
（MPa）
第3层底面最大拉应力σ（3）=（MPa）
（MPa）
第4层底面最大拉应力σ（4）=（MPa）
（MPa）
故沥青结构层层底容许拉应力大于层底最大拉应力，设计满足要求。
方案二：
公路等级:
高速公路
新建路面的层数:
5
标准轴载:
BZZ-100
表1-10
层位
结构层材料名称
厚度（mm）
20℃平均抗压模量（MPa）
标准差（MPa）
15℃平均抗压模量（MPa）
标准差（MPa）
综合影响系数
1
细粒式沥青混凝土
40
1991
0
2680
0
1
2
中粒式沥青混凝土
60
1425
0
2175
0
1
3
粗粒式沥青混凝土
80
978
0
1320
0
1
4
密级配沥青碎石
150
1248
0
1715
0
1
5
水泥稳定碎石
300
3188
0
3188
0
1
6
新建路基
46
1
计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值:
第1层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=
第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=
路基顶面交工验收弯沉值
LS=（根据《公路沥青路面设计规范》公式计算）
LS=（根据《公路路面基层施工技术规范》公式计算）
计算新建路面各结构层底面最大拉应力:
（未考虑综合影响系数）
第1层底面最大拉应力σ
（1）=（MPa）
（MPa）
第2层底面最大拉应力σ
（2）=（MPa）
（MPa）
第3层底面最大拉应力σ（3）=（MPa）
（MPa）
第4层底面最大拉应力σ（4）=（MPa）
（MPa）
第5层底面最大拉应力σ（5）=（MPa）
（MPa）
故沥青结构层层底容许拉应力大于层底最大拉应力，设计满足要求。
方案比选
方案一：
面层共设三层，分别为细粒式沥青混凝土40mm、中粒式沥青混凝土60mm、粗粒式沥青混凝土80mm。
面层总厚度180mm，采用半刚性基层，结构层层数共5层，结构总厚度为680mm。
方案二：
面层共设三层，分别为细粒式沥青混凝土40mm、中粒式沥青混凝土60mm，粗粒式沥青混凝土80mm。
面层总厚度180mm，采用柔性基层，结构层层数共5层，结构总厚度为630mm。
按照【JTGD50-2006】《公路沥青路面设计规范》，我国沥青路面以弯沉值和弯拉应力为设计指标，路面结构弯沉值越大，路面的寿命所受影响越大。
方案二路面弯沉值小于方案一，且方案二除上面层外其他层的弯沉值均小于方案一。
表明方案二的整体材料受力均匀，方案二为柔性基层相较方案一的半刚性基层反射裂缝较少。
其次从材料经济角度分析，方案二材料更易获得，从施工角度分析，方案二材料更少，施工宜选方案二。
综上所述，在两个方案都能够满足现有交通情况及当地条件下，选择方案二在性能指标、经济性上更优，故选择方案二作为实施方案。
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