论述路面结构设计步骤
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
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；
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
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)
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；
—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。
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），
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
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
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。
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
行车荷载和自然因素对路面的影响，随深度的增加而逐渐变化，因此，对路面材料的强度，抗变形能力和稳定性的要求随深度的增加而变化。为了适应这一特点，路面结构通常是分层铺筑的，按照使用要求、受力状况，土基支撑条件和自然因素影响程度的不同，分成若干层次。
路面结构层指的是构成路面的各铺砌层，按其所处的层位和作用，主要有面层、基层和底基层。最新《公路沥青路面设计规范》中指出路面结构层由三部分组成：面层、基层和底基层。之前的垫层，可归为功能层或路基处置层。
基层位于面层之下，垫层或路基之上。基层主要承受面层传递的车轮垂直力的作用，并把它扩散到垫层和土基，基层还可能受到面层渗水以及地下水的侵蚀。故需选择强度较高，刚度较大，并有足够水稳性的材料。
用来修筑基层的材料主要有：水泥、石灰、沥青等稳定土或稳定粒料(如碎石、砂砾)，工业废渣稳定土或稳定粒料，各种碎石混合料或天然砂砾。
基层可分两层铺筑
其上层称基层或上基层，起主要承重作用，下层则称下基层或底基层，起次要承重作用。底基层材料的强度要求比上基层略低些，可充分利用当地材料，以降低工程造价。
考虑到扩散应力的需要和施工的方便，基层的宽度应较面层每侧至少宽出Δ1(cm)，底基层每侧比基层至少宽出Δ2 (cm)。透水性基层、级配粒料基层的宽度宜与路基同宽。
1 支路采用沥青混凝土时，设计年限为 10 年；采用沥青表面处治时，为8 年。
2 砌块路面采用混凝土预制块时，设计年限为10 年；采用石材时，为20 年。
路面结构层指的是构成路面的各铺砌层，按其所处的层位和作用，主要有面层、基层和垫层。
路面不但要承受车轮荷载的作用，而且要受到自然环境因素的影响。由于行车荷载和大气因素对路面的影响作用，一般随深度而逐渐减弱，因而路面通常是多层结构，将品质好的材料铺设在应力较大的上层，品质较差的材料铺设在应力较小的下层，从而形成了路基之上采用不同规格和要求的材料，分别铺设垫层、基层和面层的路面结构形式。
一、路面结构组成
1．沥青路的结构层可由面层、基层、底基层、垫层组成。
2．面层是直接承受车轮荷载反复作用和自然因素影响的结构层，可由一至三层组成。表面层应根据使用要求设置抗滑耐磨、密实稳定的沥青层；中面层、下面层应根据公路等级、沥青层厚度、气候条件等选择适当的沥青结构层。
3．基层是设置在面层之下，并与面层一起将车轮荷载的反复作用传布到底基层、垫层、土基，起主要承重作用的层次。基层材料的强度指标应有较高的要求。
4．底基层是设置在基层之下，并与面层、基层一起承受车轮荷载反复作用，起次要承重作用的层次。底基层材料的强度指标要求可比基层材料略低。
5．基层、底基层视公路等级或交通量的需要可设置一层或两层。当基层或底基层较厚需分两层施工时，可分别称为上基层、下基层，或上底基层、下底基层。
6．垫层是设置在底基层与土基之间的结构层，起排水、隔水、防冻、防污等作用。
二、设计步骤
1．根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型、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．按路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段(在一般情况下路段长度不宜小于500m，若为大规模机械化施工，不宜小于1km)，确定各路段土基回弹模量值。
3．可参考附录A推荐结构，拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比试验及测定各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．根据设计弯沉值让算路面厚度。对高速公路、一级公路、二级公路沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、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，或变更路面结构组合，或调整材料配合比、提高极限抗拉强度，再重新计算．上述计算应采用多层弹性体系理论编制的专用设计程序进行．
（对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，尚应验算防冻厚度是否符合要求。）
