沥青路面课程设计

南 通 大 学

路基路面课程设计任务书

题目               黑龙江某公路路面结构设计             

学  生  姓  名      吴垚                       

学  院          建筑工程学院                  

专  业          土木工程                      

班  级          土木101                       

学  号          **********                     

起  讫  日  期      2013.12.29~3014.1.3          

指导教师   盛晓军      职称   中职        

发任务书日期     2013   年  12  月  28  日

课题的内容和要求：

一、课题内容

根据给定设计资料完成路面结构组合设计。

二、课题要求

1、依据设计资料，按照相应的规范完成2种以上路面结构设计方案，并进行比选。

2、熟练应用路面设计软件，完成设计说明书。

三、设计资料

本公路是黑龙江省公路网化建设中的重要组成部分，地处平原重冻区，公路自然区划属Ⅱ2区，自然地理环境比较复杂，地形、地质、水文、气候等约束条件多，冻胀、翻浆等公路病害频发。本设计路段为微丘地形，所经地区的地表多为较厚的腐殖土或落叶覆盖层，其保温性良好，下层0.5—4.0米多为风化沙砾、碎石土和砾石土，4.0米以下为风化岩石路线位于东经126º21′30″— 126º20′29″，北纬46º21′28″—46º26′16″之间。沿线所处自然区划为Ⅱ2区。气候：①年平均气温3.5ºC ②降雨量400mm～600mm ③冬季主导风向为西北风 ④年平均风速3.5m/s ⑤最大冻深1.2m。水文情况：地表排水一般，地下水位埋深大于3m。沿线公路主要病害：冻胀、翻浆。

据调查，2011年7月的交通量与车辆组成如下：

车型	小汽车	CA30A	东风EQ140	太脱拉130S
辆/日	2500	400	200	300
车型	日野KB222	吉尔130	CA15	扶桑FV102N
辆/日	300	400	200	100

交通量年平均增长率为6.5%。

拟建成年月：2013年7月；

本路段设计使用年限为20年。

1基本资料的确定

1.1确定公路等级

1）计算2011年7月的折算交通量

其中折算系数查《公路工程技术指标》(JTG B01 2003)，表2.0.2各汽车代表车型与车辆折算系数。

计算结果如下表：

表1 折算交通量

车型序号	车型名称	折算系数	交通量（辆/日）	折算后交通量（辆/日）
1	小汽车	1	2500	2500
2	CA30A	1.5	400	600
3	东风EQ140	1.5	200	300
4	太脱拉130S	2	300	600
5	日野KB222	2	300	600
6	吉尔130	1.5	400	600
7	CA15	1.5	200	300
8	扶桑FV102N	3	100	300
总计				5800

有上表可知，2011年7月的月平均日交通量为5800辆/日，近似代替2011年的年平均日交通量。

2）计算设计交通量

其中：AADT — 设计交通量（pcu/d）；

 — 起始年平均日交通量（pcu/d）；

  — 年平均增长率（%）；

 — 预测年限

故2033年的设计交通量为：

3）确定公路等级

根据《公路工程技术标准》(JTG B01 2003)，将公路根据功能和适应的交通量分为五个等级。

1．高速公路为专供汽车分向分车道行驶并应全部控制出入的多车道公路，四车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量25000~55000 辆；六车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量45000~80000 辆；八车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量60000~100000 辆。

2．一级公路为供汽车分向分车道行驶并可根据需要控制出入的多车道公路，四车道一级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量15000~30000 辆；六车道

一级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量25000~55000 辆。

3．二级公路为供汽车行驶的双车道公路，双车道二级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量5000~15000 辆。

4．三级公路为主要供汽车行驶的双车道公路，双车道三级公路应能适应将各种车辆折合成小客车的年平均日交通量2000~6000 辆。

5．四级公路为主要供汽车行驶的双车道或单车道公路，双车道四级公路应能适应将各种车辆折合成小客车的年平均日交通量2000 辆以下；单车道四级公路应能适应将各种车辆折合成小客车的年平均日交通量400 辆以下。

由设计交通量和道路的重要性可初步选定道路等级为高速公路，四车道。

1.2拟定路基宽度和设计速度及其他资料

1）拟定设计速度为：100km/h；

2）根据《公路工程技术标准》(JTG B01 2003) 表3.0.11双向四车道，路基宽度为：26m；

3）道路设计使用年限为20年；

4）拟采用沥青路面结构，设计年限为15年；

5）沿线土质为粉质土；

6）土基回弹模量的确定

因无实测条件，由查表法预测土基回弹模量：

（1）确定临界高度

查《路基路面工程》邓学均，表14-6路基临界高度参考值，公路自然区划属Ⅱ2区得:=3.4m，= 2.6m，= 1.9m。地下水位埋深大于3m，所以填方路段的路基处于干燥状态，挖方路段的路基处于中湿状态。

（2）确定平均稠度

查《路基路面工程》邓学均，表14-7土基干湿状态的稠度建议值，得：填方路段的平均稠度为1.05，挖方路段的平均稠度为1。

（3）确定土基回弹模量

查《路基路面工程》邓学均，表14-9二级自然区划各土组土基回弹模量参考值（MPa），得：填方路段的土基回弹模量为31.5Mpa，挖方路段的土基回弹模量为30.5Mpa。

2轴载计算

2.1代表轴载

资料中车辆轴载如下表：

表2 车辆轴载表

车型序号	车型名称	前轴重	后轴重	后轴数	后轴轮组数	后轴距
1	小汽车	——	——	1	2	0
2	CA30A	29.50	36.75	2	2	2
3	东风EQ140	23.70	69.20	1	2	0
4	太脱拉130S	50.60	88.90	2	2	2
5	日野KB222	50.20	104.30	1	2	0
6	吉尔130	25.75	59.50	1	2	0
7	CA15	20.97	70.38	1	2	0
8	扶桑FV102N	54.00	100.00	2	2	2

2.2轴载换算

我国沥青路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载，表示为BZZ-100。标准轴载的计算参数按表3确定。

表3 标准轴载计算参数

标准轴载名称	BZZ-100	标准轴载名称	BZZ-100
标准轴载P（KN）	100	单轮当量圆直径d（mm）	21.30
轮胎接地压强P（Mpa）	0.70	两轮中心距（cm）	1．5d

轴载换算以设计弯沉值和沥青层层底拉力为设计标准或者以半刚性材料层的拉力为设计标准。

2.2.1以设计弯沉值和沥青层层底拉力为设计标准

式中： — 相当于标准轴载100KN的作用次数（次/d）；

  — 各级轴载的作用次数（次/d）；

      — 各种被换算车型的轴载（KN）；

      —标准轴载（KN）

— 轴数系数；

      — 轮组系数，单轮组 = 6.4；双轮组 = 1.0；四轮组 = 0.38;

       K—被换算车型的轴载级别。

注：当轴间距大于3m时，按单独的一个轴计算，此时轴系数为1；当轴间距小于3m时，双轴或者多轴按=1 + 1.2（m – 1）计算，m为轴数。

表4  轴载换算结果表（弯沉）

车型		(KN)			(次/d)	（次/d）
CA30A	前轴	29.50	1.0	6.4	400	13
	后轴	36.75	2.2	1.0	400	11
东风EQ140	后轴	69.20	1.0	1.0	200	40
太脱拉130S	前轴	50.60	1.0	6.4	300	99
	后轴	88.90	2.2	1.0	300	396
日野KB222	前轴	50.20	1.0	6.4	300	96
	后轴	104.30	1.0	1.0	300	360
吉尔130	前轴	25.75	1.0	6.4	400	7
	后轴	59.50	1.0	1.0	400	42
CA15	后轴	70.38	1.0	1.0	200	43
扶桑FV102N	前轴	54.00	1.0	6.4	100	44
	后轴	100.00	2.2	1.0	100	220
						1371
轴载小于25KN的轴载作用不计

2.2.2以半刚性材料层的拉力为设计标准

式中：—以半刚性材料层的拉力为设计指标时的标准轴载的当量轴次（次/d）；

— 轴数系数；

— 轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。

其余符号含义参照上式。

对于轴间距小于3m的双轴及多轴的轴数系数按下式计算：

 = 1 + 2（m – 1）

式中：m — 轴数。

表5轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）

车型		(KN)			(次/d)	（次/d）
东风EQ140	后轴	69.20	1.0	1.0	200	11
太脱拉130S	前轴	50.60	1.0	18.5	300	24
	后轴	88.90	3.0	1.0	300	351
日野KB222	前轴	50.20	1.0	18.5	300	22
	后轴	104.30	1.0	1.0	300	420
吉尔130	后轴	59.50	1.0	1.0	400	6
CA15	后轴	70.38	1.0	1.0	200	12
扶桑FV102N	前轴	54.00	1.0	18.5	100	13
	后轴	100.00	3.0	1.0	100	300
						1160
轴载小于50KN的轴载作用不计

2.2.3设计年限累计当量标准轴载数

设计年限内一个车道通过的累积当量标准轴载次数按下式计算：

式中： — 设计年限内一个车道通过的累积标准当量轴次（次/车道）；

       — 设计年限（年）；

       — 路面运营第一年双向日平均当量轴次（次/d）；

      — 设计年限内交通量平均增长率（%）；

—车道系数，双向四车道高速公路取0.45。

=61438次

=5619305次

根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)P14表3.1.8交通分级可确定轴载等级为：中等交通。

3 初拟路面结构

3.1路面结构

根据本地区的路用材料，结合已有工作经验与典型构造，拟定以下两个方案。根据结构层的最小施工厚度、材料、水文、交通量以及施工机具的功能因素，初步确定路面结构组合及厚度如下：

方案一：4cm细粒式密级配沥青混凝土+5cm中粒式密级配沥青混凝土+8cm粗粒式密级配沥青混凝土+22cm密级配沥青碎石+？级配碎石，以级配碎石为设计层。

方案二6cm细粒式密级配沥青混凝土+10cm中粒式密级配沥青混凝土+12cm粗粒式密级配沥青混凝土+？cm水泥稳定碎石+20cm石灰土，以水泥稳定碎石为设计层。

3.2路面材料配合比设计与设计参数的确定

3.2.1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，技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）相关规定。

3.2.2路面材料抗压回弹模量的确定

（1）沥青混合料抗压回弹模量的确定

表6沥青材料抗压回弹模量测定与参数取值

材料名称	20℃抗压回弹模量（MPa）			15℃抗压回弹模量（MPa）
AC-13	1400	0	1400	2000	0	2000	2000
AC-20	1200	0	1200	1800	0	1800	1800
AC-25	1000	0	1000	1200	0	1200	1200
ATB-25	1200	0	1200	1400	0	1400	1400

（2）半刚性材料及其他材料抗压回弹模量的确定

根据邓学钧编著的《路基路面工程》表14-14和相关计算拟定材料抗压回弹模量  （表7）：

表7半刚性材料及其他材料抗压回弹模量测定与参数取值

材料名称	抗压模量/Mpa
水泥稳定碎石	1500	0	1500	1500
石灰土	550	0	550	550
级配碎石	350	0	350	350

（3）路面材料劈裂强度确定

根据邓学钧编著的《路基路面工程》表14-13和表14-14确定材料劈裂强度（表8）：

表8路面材料劈裂强度

材料名称	AC-13	AC-20	AC-25	ATB-25、35	水泥稳定碎石	石灰土
劈裂强度	1.4	1．0	0.8	0.8	0.5	0.225

4验算拟定方案，并确定各方案的最终设计结果

1.根据我国《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）规定路面设计弯沉值 由下式计算：

式中：—设计弯沉值，0.01mm；

—设计年限内一个车道累计当量轴次，次；

—公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；

—面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌沥青碎石、冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1；

—路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0；柔性路面为1.6。

2.计算设计方案弯层值：

方案一为柔性路面，

（1）填方路段  土基回弹模量为31.5Mpa，设计层为级配碎石底基层。利用公路沥青路面设计软件HPDS2006，得到满足设计弯沉指标要求和各层底拉应力要求的级配碎石底基层厚度为8cm。

层位	结构层材料名称	厚度 （mm）	容许拉应力（MPa）
1	AC-13	40	0.49
2	AC-20	50	0.35
3	AC-25	80	0.28
4	ATB-25	220	0.28
5	级配碎石	80	0

验算路面防冻厚度：根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）表5.2.4规定，路面最小防冻厚度450~500mm。

验算结果表明 ,路填方段路面总厚度为470mm面总厚度满足防冻要求。

通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下:

----------------------------------------

细粒式沥青混凝土         40 mm

----------------------------------------

中粒式沥青混凝土         50 mm

----------------------------------------

粗粒式沥青混凝土         80 mm

----------------------------------------

密级配沥青碎石           220 mm

----------------------------------------

级配碎石                 80 mm

----------------------------------------

新建路基

其中密级配沥青碎石层做为上、下基层。上基层为80mm厚ATB-25，下基层为140mm厚 ATB-35。

（2）挖方路段  土基回弹模量为30.5Mpa，设计层为级配碎石底基层。利用公路沥青路面设计软件HPDS2006，得到满足设计弯沉指标要求和各层底拉应力要求的级配碎石底基层厚度为8cm。

层位	结构层材料名称	厚度 （mm）	容许拉应力（MPa）
1	AC-13	40	0.49
2	AC-20	50	0.35
3	AC-25	80	0.28
4	ATB-25	220	0.28
5	级配碎石	80	0

验算路面防冻厚度：根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）表5.2.4规定，路面最小防冻厚度450~500mm。

验算结果表明 ,路填方段路面总厚度为470mm面总厚度满足防冻要求。

通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下:

----------------------------------------

细粒式沥青混凝土         40 mm

----------------------------------------

中粒式沥青混凝土         50 mm

----------------------------------------

粗粒式沥青混凝土         80 mm

----------------------------------------

密级配沥青碎石           220 mm

----------------------------------------

级配碎石                 80 mm

----------------------------------------

新建路基

其中密级配沥青碎石层做为上、下基层。上基层为80mm厚ATB-25，下基层为140mm厚 ATB-35。

方案二为半刚性基层沥青路面， 

（1）填方路段  土基回弹模量为31.5Mpa，以水泥稳定碎石为设计层。利用公路沥青路面设计软件HPDS2006，得到满足设计弯沉指标要求和各层底拉应力要求的水泥稳定碎石层厚度为15.0cm。

层位	结构层材料名称	厚度 （mm）	容许应拉力（Mpa）
1	AC-13	60	0.49
2	AC-20	100	0.35
3	AC-25	120	0.28
4	水泥稳定碎石	150	0.26
5	石灰土	200	0.09

验算路面防冻厚度：根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）表5.2.4规定，路面最小防冻厚度450~500mm。

验算结果表明 ,路填方段路面总厚度为630mm面总厚度满足防冻要求。

通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下:

----------------------------------------

细粒式沥青混凝土         60 mm

----------------------------------------

中粒式沥青混凝土         100 mm

----------------------------------------

级配沥青碎石             120 mm

----------------------------------------

水泥稳定碎石             150 mm

----------------------------------------

石灰土                  200 mm

----------------------------------------

新建路基

（2）挖方路段  土基回弹模量为30.5Mpa，以水泥稳定碎石为设计层。利用公路沥青路面设计软件HPDS2006，得到满足设计弯沉指标要求和各层底拉应力要求的水泥稳定碎石层厚度为15.0cm。

层位	结构层材料名称	厚度 （mm）	容许应拉力（Mpa）
1	AC-13	60	0.49
2	AC-20	100	0.35
3	AC-25	120	0.28
4	水泥稳定碎石	150	0.26
5	石灰土	200	0.09

验算路面防冻厚度：根据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）表5.2.4规定，路面最小防冻厚度450~500mm。

验算结果表明 ,路填方段路面总厚度为630mm面总厚度满足防冻要求。

通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下:

----------------------------------------

细粒式沥青混凝土         60 mm

----------------------------------------

中粒式沥青混凝土         100 mm

----------------------------------------

级配沥青碎石             120 mm

----------------------------------------

水泥稳定碎石             150 mm

----------------------------------------

石灰土                  200 mm

----------------------------------------

新建路基

水泥稳定碎石层做基层的最小施工厚度150mm，满足施工要求。

5方案总结

通过以弯层值和沥青层的层底拉力和半刚性材料的底层拉力为设计标准换算车辆行车荷载，并且计算设计年限内一个车道通过的累积当量标准轴载次数来确定设计沥青路面交通等级，得出此道路为中等交通。

通过采用全寿命周期成本分析方法，并结合设计、施工、养护、投资等综合因素，确定方案二为最终采用的结构方案。

致  谢

通过设计制作这次路基路面课工程课程设计，基本上了解了沥青路面的设计过程与步骤，知道了设计过程中的重点和难点，从构思到整个方案完成，遇到了不少的问题和困难，但是这些问题和困难都在同学和老师共同讨论中得到解决，并且提出相应的应对方案。在整个过程中，非常感谢盛晓军老师指导我们顺利地完成课程设计，他对我们的指导和帮助，远远超过了一个老师的职责范围，他不厌其烦的帮我们修改和完善课程设计。在此，我想真诚地对盛老师说一句：盛老师你辛苦了！

由于我的水平有限，所写内容难免有不足之处，恳请各位老师、学友批评和指正。参考文献

[1]  交通部．JTG D50-2006 《公路沥青路面设计规范》．北京：人民交通出版社，2006

[2]  邓学钧 《路基路面工程》．北京：人民交通出版社，2000

[3]  沙爱民 《路基路面工程》．北京：高等教育出版社，2011