自然区划IV区一级公路路面结构设计

公路自然区划ⅳ区一级公路路面结构设计 thedesignontheroadsurfacestructureofaclass-ahighwayinⅳranknaturedivisionforhighway

1开场

白........................................................................................................................................12新建沥青路面设计及排

序....................................................................................................1

2.1基本资

料.....................................................................................................................1

2.1.1自然地理条

件..................................................................................................12.1.2土基回转模

量..................................................................................................22.1.3交通量及其年增长率和设计年

限..................................................................22.2.4设计轴有

载..........................................................................................................2

2.2初拟路面结

构.............................................................................................................62.3路面材料配合比设计与设计参数的确定.................................................................6

2.3.1试验材料的确

认..............................................................................................62.3.2路面材料协调比设

计......................................................................................62.3.3路面材料抗压回转模量的确

认......................................................................62.3.4路面材料伏毛强度测

量............................................................................

......62.4路面结构层厚度确

认.................................................................................................7

2.4.1方案一的结构层厚度计

算..............................................................................72.4.2方案二的结构层厚度计

算............................................................................102.4.3方案三的结构厚度验

算................................................................................112.4.4验算防冻厚

度................................................................................................12

2.4.5计算机排序过程对

照.....................................................................................13

3新建普通混凝土路面设计及计

算......................................................................................18

3.1基本资

料...................................................................................................................18

3.1.1自然地理条

件................................................................................................183.1.2土基回弹模

量................................................................................................183.1.3交通量及其年增长率和设计年

限................................................................183.1.4设计轴

载........................................................................................................18

3.2初拟路面结

构...........................................................................................................213.3路面材料参数确

认...................................................................................................213.4荷载烦躁形

变...........................................................................................................223.5温度烦躁形

变...........................................................................................................233.6可靠度系数确

认.......................................................................................................233.7音速状态方程求函

数...................................................................................................233.8计算机软件计算结果对

照.......................................................................................23致

意..................................................................................................................................25参考文

献............................................................................................................................26 公路自然区划iv区一级公路路面结构设计

某地（iv区）新建一级公路，设计年限为15年，土基为粉质土，确认土基的甜度为1.10，回转模量挑36mpa，路基和暖状态为中烫状态。有关资料如下：

1.初始条件：在双轮组（或多轮组）货车型号中自行选取，型号不少于7种（如表1），日交通量自拟，保证计算的交通等级属于重交通或特重交通。 表中1交通共同组成

2．公路技术等级为一级，为双向四车道。

3．交通共同组成例如表中1（示例）右图，交通量年增长率：前五（十）年：γ=8%；中间五（十）年：γ=7%；后五（十）年：γ=6%。

拟采用沥青路面结构和混凝土路面结构两种路面类型进行施工图设计。 2新建沥青路面设计及排序 2.1基本资料 2.1.1自然地理条件

新建一级公路地处iv区，为双向四车道，拟采用沥青路面结构进行施工图设计；沿线土质为粉质土，属中湿状态。 2.1.2土基回转模量

设计路段路基处于中湿状态，路基土为粉质土，土基的稠度为1.10，根据室内实验法确定土基回弹模量设计值为36mpa。2.1.3交通量及其年增长率和设计年限

根据工程可行性研究报告所述该路段所在地区近期交通共同组成与交通量，见到表中2-1。预测交通量为6.0%。沥青路面总计标准轴次按15年计。 表2-1近期交通组成与交通量 2.2.4设计轴有载

（1）当以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时，按p379,式14-5计算：n1前=1×6.4×10000×( 13.5.3527.204.35

)=10.71，n1后=1×1×10000×()=34.7010010013.604.3527.204.35 )=10.，n2后=1×1×10000×()=34.70；100100

n2前=1×6.4×10000×(n3前=1×6.4×5000×(n4前=1×6.4×4000×(n5前=1×6.4×4000×(n6前=1×6.4×1000×(n7前=1×6.4×600×( 18.904.31.804.35

))=112.48；=22.79，n3后=1×1×5000×(10010028.204.35.804.35 )=103.94，n4后=1×1×4000×()=292.25；10010037.004.3576.004.35 )=338.78，n5后=1×1×4000×()]=1212.27；10010049.804.3595.804.35 )=308.41，n6后=1×1×1000×()=829.74；100100 56.74.3526..35

)=111.86)=11.90，n7后=.2.2×1×600×(100100 n=

ni前+ni后=3435.42

查p379,表中14-3[1]，挑车道系数η=0.5，按p379,式14-6[1]排序可以得：总计当量轴次： (1

0.06)1×365×3435.42×0.5=14593198.67ne1=

总总计当量轴次： ne=14593198.67≈1459万

（2）当以半刚性材料结构层的层底扎形变为设计指标时，按p378,式14-1[1]排序：n1前=1×18.5×10000×( 13.55827.28

)=0.02，n1后=1×1×10000×()=0.30；100100 13.68()27.28

)=0.30；n2前=1×18.5×10000×100=0.02，n2后=1×1×10000×(10041.8818.98 )=4.66；)=0.15，n3后=1×1×5000×(n3前=1×18.5×5000×(

n4前=1×18.5×4000×(n5前=1×18.5×4000×(n6前=1×18.5×1000×(n7前=1×18.5×600×( 28.28.88

)=2.96，n4后=1×1×4000×()=32.53；10010076.00837.008 )=445.21；)=25.99，n5后=1×1×4000×(100100 49.85.88

)=69.99，n6后=1×1×1000×()=709.46；100100 26.5856.78

)=0.27，n7后=3×1×600×()=19.23100100 n=

ni前+ni后=1310.55

查p379,表14-3[1]，取车道系数η=0.5。按p379,式14-6[1]计算可得：累计当量轴次： (1

0.06)1×365×1310.55×0.5=108771.33ne1=

总累计当量轴次： ne==108771.33≈11万

1.2×107＜1459万/11万＜2.5×107，属于重交通。累计轴次计算结果见表2-2。 表中2-2轴有载折算与总计轴次 （3）计算机软件对比（见图2-1）

图2-1计算机软件轴有载折算与总计轴次排序

轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算

序号车型名称前轴轻(kn)后轴重(kn)后轴数后轴轮组数后轴距(m)交通量 1北京bj13013.5527.21双轮组10000 2成都cd13013.627.21双轮组与10000 3江淮hf140a18.941.81双轮组5000 4乌贝尔d42028.2.81双轮组与4000 5星牌star200037761双轮组4000 6黄河qd35249.5.81双轮组与1000 7东风eq15526.556.72双轮组

设计年限15车道系数.45交通量平均值年增长率6％

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=6570,属特重交通等级 当以设计弯角沉值和沥青层层底拉形变为指标时: 路面营运第一年双向日平均当量轴次:3435

设计年限内一个车道上的总计当量轴次:1.313227e+07属于轻交通等级 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值当量轴次:1311设计年限内一个车道上的总计当量轴次:5012056属于中等交通等级 路面设计交通等级为特重交通等级 公路等级一级公路

公路等级系数1面层类型系数1路面结构类型系数1 路面设计弯角沉值:22.6(0.01mm)

层位结构层材料名称劈裂强度(mpa)容许拉应力(mpa)1细粒式沥青混凝土1.2.362中粒式沥青混凝土1.33粗粒式沥青混凝土.8.244水泥稳定砂砾.5.26 5水泥平衡碎石.6.31 2.2初拟路面结构

根据本地区的路用材料，融合尚无工程经验与典型结构，制订了三个结构女团方案。按计算法确认方案一、方案二的路面厚度；按求函数法求函数方案三的结构厚度。根据结构层的最轻施工厚度、材料、交通量以及施工机具功能等因素，初步确认路面结构女团与各层厚度如下：

方案一：4cm细粒式沥青混凝土+6cm中粒式沥青混凝土+7cm粗粒式沥青混凝土+40cm水泥石灰沙砾土+？水泥稳定碎石层，以水泥稳定碎石层为设计层。

方案二：4cm细粒式沥青混凝土+7cm中粒式沥青混凝土+18cm密级分体式沥青碎石+？水泥平衡砂砾+20cm级分体式砾石垫层，以水泥平衡砂砾为设计层。

方案三：4cm细粒式沥青混凝土+7cm中粒式沥青混凝土+2×13cm密级配沥青碎石+32cm级配碎石。

2.3路面材料协调比设计与设计参数的确认 2.3.1试验材料的确定

半刚性基层所用集料源自沿线料场，融合可望沥青采用a级90号，上面层使用sbs改性沥青，技术指标据合乎《公路沥青路面施工技术规范》（jtgf40—204）有关规定。2.3.2路面材料协调比设计(略) 2.3.3路面材料抗压回弹模量的确定

（1）根据设计及协调比，挑选出工程用各种原材料制作，测量设计参数。

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（jtj057—94）中规定的项目顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量。

（2）按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（jtj052—2000）中规定的方法测量沥青混合料的抗压回转模量，测量20℃、15℃的抗压回转模量，各种材料的试验结果与设计参数见到表中2-3和表中2-4。2.3.4路面材料伏毛强度测量

根据设计配合比，选取工程用各种原材料，测定规定温度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》与《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的方法进行测定，结果见表2-5。

表中2-3沥青材料抗压回转模量测量与参数值域 2.4路面结构层厚度确定 2.4.1方案一的结构层厚度排序

该结构为半刚性基层，沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，基层类型系数为1.0，用p390,式14-21[1]计算设计弯沉值可得：

ld=600ne0.2acasab=600×14593198.670.2×1.0×1.0×1.0=22.15（0.01mm）

故设计弯沉值为22.15（0.01mm）。

用p392,式14-22[1]、式14-23a[1]、式14-23b[1]排序允许扎形变可以得：细粒式沥青混凝土： =0.35（mpa）

0.0914593198.670.22/1.0 中粒式沥青混凝土： =0.29（mpa）0.22 0.0914593198.67/1.0 粗粒式沥青混凝土： =0.24（mpa）0.22 0.0914593198.67/1.0 水泥石灰沙砾土： =0.14（mpa）

0.45108771.330.11/1.0 水泥平衡碎石层： =0.21（mpa）0.11 0.35108711.33/1.0 计算机计算过程如图2-2所示：

利用设计程序排序出来满足用户设计弯沉指标建议的水泥石灰沙砾土层厚度为15cm；满足用户层底扎形变建议的水泥石灰沙砾土层厚度为15cm。设计厚度用水泥石灰沙砾土层为15cm，路表排序弯角沉为14.7（0.01mm）。计算机排序过程见到图2-3。 各结构层的验算见表2-6。计算机验算过程见图2-4。 表中2-6结构厚度计算结果 新建路面结构厚度计算

公路等级:一级公路新建路面的层数:5标准轴有载:bzz-100路面设计弯角沉值:22.15(0.01mm)路面设计层层位:4设计层最轻厚度:150(mm)

层位结构层材料名称厚度20℃平均抗压标准差15℃平均抗压标准差容许应力 (mm)模量(mpa)(mpa)模量(mpa)(mpa)(mpa) 1细粒式沥青混凝土401400020000.35 2中粒式沥青混凝土6012000.29 3粗粒式沥青混凝土709000.24 4石灰粉煤灰碎石?15000.14 5石灰土2505500.21 6新建路基36

按设计弯沉值计算设计层厚度: ld=22.15(0.01mm) h(4)=150mmls=2.2(0.01mm) 由于设计层厚度h(4)=hmin时ls h(4)=150mm(仅考虑弯沉) 按允许扎形变排序设计层厚度:

h(4)=150mm(第1层底面拉应力计算满足要求) h(4)=150mm(第2层底面扎形变排序满足要求) h(4)=150mm(第3层底面拉应力计算满足要求) 0160001200015000550

h(4)=150mmσ(4)=.147mpah(4)=200mmσ(4)=.13mpa h(4)=171mm(第4层底面扎形变排序满足要求) h(4)=171mm(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)=171mm(同时考量弯沉和扎形变)求函数路面胸膈厚度: 路面最小防冻厚度500mm

求函数结果表明,路面总厚度满足用户胸膈建议. 2.4.2方案二的结构层厚度计算

该结构为柔性基层与半刚性基层女团，沥青层较薄。沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，根据工程经验，按内插法确认基层类型系数，为1.45，用p390,式14-21[1]排序设计弯角沉值只须： ld=600ne

0.2acasab=600×14593198.67

0.2×1.0×1.0×1.45=32.11（0.01mm）

故设计弯沉值32.11（0.01mm）。

用p392,式14-22[1]、式14-23a[1]、式14-23b[1]计算容许拉应力可得：细粒式沥青混凝土： =0.35（mpa）

0.0914593198.670.22/1.0 中粒式沥青混凝土： =0.29（mpa）0.22 0.0914593198.67/1.0 密级配沥青碎石： =0.21（mpa）

0.0914593198.670.22/1.0 水泥平衡砂砾： =0.23（mpa）

0.35108771.330.11/1.0 计算机计算过程如图2-5所示。

利用设计程序排序出来满足用户设计弯沉指标建议的水泥平衡沙砾层厚度为15cm；满足用户层底扎形变建议的水泥平衡沙砾层厚度为17.5cm。.设计厚度用水泥平衡沙砾层18cm，路表排序弯沉值22.6（0.01mm）。计算机排序过程见到图2-6。

各结构层的验算结果见表2-7。计算机验算过程见图2-7。 表中2-7结构厚度计算结果 2.4.3方案三的结构厚度验算

该结构为比较方案，其结构层为柔性基层，沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，基层类型系数为1.6，用p390,式14-21[1]排序设计弯角沉值只须： ld=600ne

0.2acasab=600×14593198.67

0.2×1.0×1.0×1.6=35.44（0.01mm）

故设计弯沉值35.44（0.01mm）。

用p392,式14-22[1]、式14-23a[1]、式14-23b[1]计算容许拉应力可得：细粒式沥青混凝土：

=0.35（mpa）0.22 0.0914593198.67/1.0 中粒式沥青混凝土： =0.29（mpa）

0.0914593198.670.22/1.0 密级配沥青碎石： =0.21（mpa）0.22 0.0914593198.67/1.0 计算机排序过程见到图2-8。

利用设计程序验算结构是否满足设计弯沉与容许拉应力的要求，验算结果见表2-8。该结构路表计算弯沉为25.90（0.1mm），小于设计弯沉值，符合要求；各结构层的层底拉应力验算结果均满足要求。计算机验算过程见图2-9。 表中2-8结构厚度计算结果 2.4.4验算防冻厚度

因所设计路面结构坐落于公路自然区划ⅳ区——东南湿热区，气温低，热季短，不能发生喜砂和翻浆现象，故不须要展开胸膈厚度求函数。 2.4.5计算机计算过程对比

图2-2方案一计算机软件设计弯沉及允许扎形变排序 图2-4方案一计算机软件计算弯沉及层底拉应力计算 图2-3方案一计算机软件设计层厚度排序

图2-5方案二计算机软件设计弯沉及容许拉应力计算 图2-7方案二计算机软件排序弯沉及层底扎形变排序 图2-6方案二计算机软件设计层厚度计算

图2-8方案三计算机软件设计弯沉及允许扎形变排序 图2-9方案三计算机软件计算弯沉及层底拉应力计算 3新建普通混凝土路面设计及排序 3.1基本资料 3.1.1自然地理条件

新建一级公路地处iv区，为双向四车道，拟采用普通混凝土路面结构进行施工图设计；沿线土质为粉质土，属中湿状态。3.1.2土基回弹模量

设计路段路基处在中湿状态，路基土为粉质土，土基的甜度为1.10，根据室内实验法确认土基回转模量设计值36mpa。3.1.3交通量及其年增长率和设计年限

根据工程可行性研究报告可知该路段所在地区近期交通组成与交通量，见表3-1.预测交通量增长率前十年为8.0%，中十年为7.0%，后十年为6.0%。混凝土路面累计标准轴次按30年计。

表中3-1近期交通共同组成与交通量 3.1.4设计轴载

（1）按p457,式16-1[1]排序可以得： 13.5516

)=9.3×108，n1前=（2.22×103×13.550.43）×10000×(100 n1后=1×10000×( 27.2021

)=9.0×106；100

n2前=（2.22×10×13.60 13.6016

)=9.9×108，）×10000×(100 n2后=1×10000×( 27.2021

)=9.0×106；100 )=8.3×106，100 n3前=（2.22×103×18.9 )=4.3×103100 n4前=（2.22×103×28.2 )=3.0×101；100 )=3.4×103，100 n5前=（2.22×103×37.0 )=5.0×101100 )=2.0×101，100 n6前=（2.22×103×49.8 )=5.0×102；100 )=5.9×100，100 n7前=（2.22×103×26.5 )=1.9×104，100 )]=6.0×107100 n7后=2×[（1.07×10

5×56.7

0.22）×600×( 0.43）×600×(

0.43）×1000×(n6后=1×1000×( 0.43）×4000×(n5后=1×4000×( 0.43）×4000×(n4后=1×4000×( 0.43）×5000×(n3后=1×5000×(

由于公路通行车辆在横断面上原产就是不光滑的，根据统计数据规律，车道数相同，原产概率也不一样，为安全考量，将原产概率分散的车道做为设计车道。因此，上述调查赢得的双向年平均日货车交通量，还应当除以方向系数（通常为0.5）和车道原产系数就

可以获得设计车道在设计基准期初期的年平均日货车交通量。车道原产系数查p458，表中16-2[1]，挑0.9。 n=0.5×0.9×（

ni前+

ni后）=0.5×0.9×555.9=250.155

查p459,表中16-3[1]，挑车道系数η=0.2，按p458,式16-4[1]排序可以得：总计当量轴次： (1

0.06)1×365×250.155×0.2=1443706.442ne1=

总总计当量轴次： ne=1443706.442≈144万

100×104＜144万＜2000×104，属轻交通，总计轴次计算结果见到表中3-2。 表3-2轴载换算与累计轴次 3.2初拟路面结构

由p479，表16-20[1]可知，一级公路对应的变异水平等级为低~中级。根据一级公路，重交通等级和低~中级变异水平等级，查p477，表16-17[1]，初拟普通混凝土面层厚度为0.242m。考虑到排水需求，基层选用多孔隙水泥碎石，厚0.12mm。垫层为0.15m天然砂砾。普通混凝土板的尺寸为宽4.5m，长5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。 3.3路面材料参数确认

按p480，表16-23[1]和p481，表16-25[1]，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0mpa，相应弯拉弹性模量标准值为31gpa。

未知路基回转模量为36mpa。查p482，表中16-27[1]多孔隙水泥碎石基层回转模量挑1500mpa，天然砂砾垫层回转模量挑150mpa。

按p481，式16-53计算基层顶面当量回弹模量如下：ex= h1e1h2e2

15000.1221500.152==676.829mpa22 0.120.15

(h1h2)2e1h1e2h211 dx=++（）1 12124e1h1e2h2

1115000.1231500.153(0.120.15)2

=++（）1 15000.12150 =0.623mn·m

hx=0.623/676.829==0.223（m）a=6.22[1－1.51(b=1-1.44( ex

0.45676.8290.45

0.1512412

))]=6.22×[1－1.51×(]=3.71236e0 ex

0.55676.8290.55

))=1－1.44×(=0.71336e0 ex1/3676.8291/3 )=121.3mpa)=3.712 et=ahxe0(

普通混凝土面层的相对刚度半径按p481，式16-52b排序为r=0.537hec/et=0.537×0.25×331000/121.3=0.851m 3.4荷载疲劳应力

按p481，式16-52a[1]，标准轴有载在临界荷地处差生的荷载形变排序为ps=0.077r0.6h2=0.077×0.8330.60.2422=1.118mpa

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数kr=0.90。考虑荷载基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数kf=nev=（4.074501×106）0.057=2.381。根据公路等级，由p481，表16-24，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc=1.25。

按p481，式16-49[1]，荷载烦躁形变排序为

pr=kckfkrps=0.90×2.381×1.25×1.118=2.995mpa 3.5温度烦躁形变

由p483，表16-28[1]，iv区最大温度梯度取92（℃/m）。板长5m，

l/r=5/0.833=6.00，由p483，图16-14[1]可查普通混凝土板厚0.22m，bx=0.6。按p483，式16-56[1]，最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为

0.2230.71336

(36e0

cechtg 1

105

310000.242

92

bx=0.6=2.07mpa

温度疲劳应力系数kt，按p483，式16-57[1]计算，查p484，表16-29[1]可得，自然区划为iv区，式中a=0.841，b=0.058，c=1.323，kt为 5.02.071.323 [0.841

()

0.058]=0.492.075.0

再由p483，式16-55[1]排序温度烦躁形变为 tr=kt

tm=0.49×2.07=1.01mpa

3.6可靠度系数确认

查p479，表16-20[1]，公路一级的安全等级为二级，相当于二级安全等级的变异水平系数为低~中级，目标可靠度为90%。再查p480，16-22[1]，确定可靠度系数r=1.16。 3.7音速状态方程求函数 按p480，式16-48有

r（pr+tr）=1.16×（3.25+1.01）=4.94mpa≤fr=5.0mpa

因此，所选普通混凝土面层厚度（0.242m）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。故所设计方案可以采用。 3.8计算机软件计算结果对照 图3-1计算机软件计算结果

图3-1计算机软件计算结果（Chinian）

在这次课程设计撰写过程中，我得到了许多人的帮助。

首先我必须非常感谢老师在课程设计上给与我的指导、提供更多给我的积极支持和协助，这就是我能够顺利完成这次课程设计的主要原因，更关键的就是老师帮忙我化解了很多理论上的难题，使我把设计搞得更加健全。在此期间，我不仅教给了许多代莱科学知识，而且也宽广了视野，提升了自己将理论运用于实践中的能力。

其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。 最后，再一次非常感谢所有协助过我的良师益友和同学。

参考文献

[1]邓学钧，《路基路面工程》，人民交通出版社，2021；[2]严家伋，《道路建筑材料》，人民交通出版社，2021；

[3]交通部行业标准，《沥青路面设计规范》jtgd50-2021，人民交通出版社，1997；[4]交通部行业标准，《公路工程技术标准》jtgb01-2021，人民交通出版社，2021；[5]交通部行业标准，《公路沥青路面施工技术规范》jtgf40-2021，人民交通出版社，2021； [6]交通部行业标准，《公路水泥混凝土路面设计规范》jtgd40-2002，人民交通出版社，2021；

[7]交通部行业标准，《公路路基设计规范》jtgd30-2021，人民交通出版社，2021；[8]交通部第二公路勘察设计院主编．路基（第二版）．北京：人民交通出版社，1996。