高速公路沥青路面的结构怎样设计？
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。）
（1）首先根据题目中已知，判断其干湿类型，然后根据路基土确定土基回弹模量设计值；
（2）根据题目中已知各车型的交通量判断累计标准轴次是多少年；
（3）设计轴载
换算方法有弯沉及沥青层拉应力指标、半刚性层拉应力指标
（4）设计方案
计算结构层厚度，并进行验算防冻厚度。
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
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。
JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》较原JTG D50—2006的主要区别有：
1. 调整了交通荷载分级，增加了极重交通等级；采用累计当量轴载作用次数划分交通荷载等级应用不便，以货车交通量划分更为合适，新规范以路面设计期内累计交通量划分交通荷载等级；
2. 取消垫层的说法，沥青路面结构层自上而下可由面层。基层。底基层和必要的功能层组成。功能层包括防冻层、排水层、隔离层、粒层、透层等；
3. 路床顶面回弹模量要求与原规范有了较大的提高，约为原规范的2~3倍。原规范路床回弹模量采用压入承载板实验；新规范以三轴实验测试路基回弹模量来确定。原规范采用最不利季节路基的湿度，本规范采用路基平衡时的湿度；
4. 调整了路基湿度状况分类指标及标准，引入了温度调整系数和等效温度；
5. 原规范采用稠度来表征路基干湿状态，但稠度无法反映非粘性土的湿度状态和准确反映对回弹模量的影响。另外含水率变化同时引起土密实度变化，因而也是影响回弹模量的一项主要因素。而土的饱和度反映了含水率及密实度的影响。因此改用饱和度来表征；
6. 采用针对具体损坏的设计指标体系。增加了路基永久变形、沥青层永久变形和路面低温开裂设计指标，改进了沥青层和无机结合料层疲劳开裂预估模型，取消了路表弯沉值指标；
7. 改变了路面材料和路基的设计参数，调整了测试方法，规定了确定路面材料和路基设计参数的三个层次；
8. 规范了轴载谱及交通参数的调查分析方法；
9. 梳理了章节安排，突出了结构组合设计要求，规范了术语和符号
目前，我国二级公路沥青路面存在多种被破坏的现象，本文列举几种常见的破坏形式。（1）裂缝。路面产生裂缝的原因很多，包括非荷载裂缝和荷载裂缝，非荷载裂缝主要是温度裂缝和基层反射裂缝。温度裂缝一般有两种形式：一种是低温收缩裂缝，一种是温度疲劳裂缝。荷载型裂缝，即主要由行车荷载作用而产生的裂缝。（2）沉陷。该破坏主要是由于路基塌陷引起的。二级公路容易产生弹性和残余变形，残余变形影响了路基的稳定和路面的平整度。主要原因有：A.零填土中自由水分充分，压实荷载的大部分由空隙中自由水承受，土粒有效应力减小，土基不能充分碾压，难以达到足够的强度。B.零填及路堑路基对气候的变化敏感，水分和温度的作用使土粒吸胀和收缩作用明显，毛细水容易上升至路基工作区，使路基处于潮湿状态，降低了路基的承载力。C.因路基无填土，动载作用应力不能充分扩散即达天然地基上，促使地基变形沉降，或者使天然地基局部不均匀反映到路面上。（3）泛油。泛油是由于面层油石比过大，含油量过高而形成的。一般轻微泛油可撒石屑或粗砂，并用压路机或行车碾压处治；泛油较重的可先撒5mm～10 mm粒径的碎石，用压路机碾压，待稳定后撒石屑或粗砂，并用压路机或行车碾压。（4）车辙。车辙的形成大致可分为三个阶段：第一阶段是沥青路面进一步压密过程，时间持续较短，但变形快速增长。第二阶段是沥青路面压密稳定时期，该期间变形呈直线形稳定增长。第三阶段是由于沥青路面高温强度不足或抗永久变形能力不强，特别是在高温季节又有表面水浸入面层内部的情况下，容易产生剪切变形，使变形和应变速率迅速增大，直到破坏，也称为不稳定阶段。
预防二级公路沥青路面破坏的措施
1.合理进行路面结构组合设计
根据本地区的实际，不同的地区地理、气候、环境和经济发展特点不同，交通组合也有较大的差距，在进行路面设计时，不能千篇一律地采用半刚性基层，在交通量不大，重载交通量很少的地区路面结构组合设计应考虑使用级配碎石柔性基层和低剂量水泥稳定碎石基层；对交通量大，但重载交通量较少的地区，可以在半刚性基层和沥青面层之间设置级配碎石柔性排水层，或采用低剂量的水泥稳定碎石基层，减少半刚性材料反射裂缝对路面的早期损害；对于交通量较大且重载交通较多的地区，在使用半刚性结构层时，可以考虑使用土工材料加强结构层之间的联系，同时改善层间的受力特性。 2.改性沥青的使用
改性沥青是指“掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂(改性剂)，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料”。改性剂是指“在沥青或沥青混合料中加入天然的或人工的有机或无机材料，可熔融、分散在沥青中，改善或提高沥青路面性能(与沥青发生反应或裹覆在集料表面上)的材料”。由于改性沥青的良好使用性能，近几年，我国的高速公路路面开始使用改性沥青。根据沥青改性剂聚合物的种类区分可分为三类:一是热塑性橡胶类，二是橡胶类，三是树脂类。通过大量的试验和研究，SBS改性沥青的高温稳定性、低温性能、弹性恢复性能、感温性等无论从哪方面讲，都有非常突出的优点，所以我国改性沥青的发展方向应该以SBS作为主要方向。改性沥青的合理使用，将有效减少因面层原因引起的病害。
3.完善路面的防水设计
首先，应迅速排除表面水，防止积水渗入下层，要求路拱和表面平整度符合规定，路表不得积水其次，为防止面层渗水滞留基层表面，而使基层被浸软，在基层上做封层或透层，能够达到即使有水渗入也能及时沿基层表面的路拱排出的效果第三，面层材料应选择能耐荷载与水分复合作用的材料第四，设置排水层(垫层)，既能排水，也能隔断毛细水，使上升的毛细水也能及时排出。因此，此垫层或下基层应有排除上、下两方来水的作用，应用透水材料第五，与路面结构排水有关的边沟、渗沟、排水沟等，必须按规范要求设置第六，各层的强度自上而下逐渐减小，层次较多，虽受力情况较合理，但不同材料过多的层次将会给施工工艺及材料制备带来较大困难，因此，一般层次不宜过多，层间应尽量连续。
4.施工方面的预防措施
主要包括以下几点:（1）强化施工管理，提高工序控制的科学性。（2）为防止因路基沉降而引起的路面沉陷，必须严格控制路基压实度和原地面处理：①路堤基底应清理和压实，基底强度、稳定度不足时，应进行处理，以保证路基稳定，减少工后沉降。②压实度要求：零填及挖方路段。路基压实度≥95％；填方路段，路床顶面以下深度在0～0.8m时，路基压实度≥95％，路床顶面以下深度在0.8～1.5m时，路基压实度≥94％，路床顶面以下深度大于1.5m时，路基压实度≥92％。（3）保证现场试验数据的完整和准确，杜绝弄虚作假。特别是沥青材料、砂石料的试验数据，必须做到抽样合理，数据真实，保证沥青路面材料的路用性能。（4）重视并协调道路沥青路面的压实度、均匀度、平整度和构造深度等指标，特别处理好平整度与压实度的关系，保证压实度的基础上追求平整度。（5）对于路面基层施工要严格按规范要求选好合格材料，对于水泥稳定类材料，要严格按配合比要求控制水泥剂量及含水量，保证路面基层设计厚度及顶面标高，洒水碾压至要求密实度，保证基层表面平整度，严格控制施工质量。同时要重视半刚性基层的养护，防止反射裂缝的出现。（6）路面结构层所选材料应满足强度、稳定性和耐久性要求，同时路面垫层材料宜采用水稳定性好的粗粒料或各种稳定类材料。（7）严格控制沥青混凝土配合比，尤其是沥青用量的控制。
有点长，楼主耐心看完。
