新建沥青路面结构层厚度计算7425.pdf

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1、 1 新建沥青路面结构层厚度计算 1.设计资料 湖北省某新建高速公路，双向四车道，拟采用沥青路面结构。沿线土质为黏性土，地下水位距路床顶面 1.4 m，沿线有水泥及碎石供应。根据计划安排，该项目于 2010 年建成通车。经交通调查预测，2010 年平均日交通量见案例表 1；交通量年增长率：20102014 年为 8%，20152019 年为 7%，20202024 年为5%。案例表 1 通车第一年（2010 年）交通组成与交通量 车型分类 代表车型 交通量/（辆/天）单后轴货车 黄河 JN163 760 东风 EQ140 520 双后轴货车 东风 EQ240 460 单后轴客车 武汉 WH64

2、4A 790 武汉 WH644B 870 拖挂车 交通 SH-141 220 2.设计步骤 1）交通量计算及交通等级的确定（1）车辆参数及交通量计算，见案例表 2。案例表 2 通车第一年（2010 年）交通组成车辆参数与交通量 序号 车型名称 前轴重/kN 后轴重/kN 后轴数 后轴轮组数 后轴距/m 交通量/（辆/天）1 黄河 JN163 58.6 114 1 双轮组 760 2 东风 EQ140 23.7 69.2 1 双轮组 520 3 东风 EQ240 25.5 25.9 2 双轮组 3 220 注：表中的车辆参数来自于 HPDS2011 程序；后轴重为单轴重。（2）计算累计当量轴次

3、Ne。当量轴次 N1。a.当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，通车第一年（2010 年）双向日平均当量轴次 N1的计算。按式（1-7）进行前轴、后轴当量轴次的换算，计算过程见案例表 3。案例表 3 第一年（2010 年）双向日平均当量轴次 N1的计算 汽车车型 前轴当量轴次换算 后轴当量轴次换算 日交通量/（辆/天）前轴重/kN 轴数系数C1 轮组系数C2 当量轴次/（次/天）后轴重/kN 后轴数 后轴轮组数 后轴距/m 轴数系数C1 轮组系数C2 当量轴次/（次/天）黄河 JN163 58.6 1 6.4 476 114 1 2 1 1 1 344 760 东风 EQ140 23.7

4、1 6.4 6 69.2 1 2 1 1 105 520 东风 EQ240 25.5 1 6.4 8 25.9 2 2 3 2 1 61 220 合计 555 1 780 2 N1（次/天）2 335 N1=前轴当量轴次+后轴当量轴次=555+1 780=2 335（次/天）注：本表以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标。计算当量轴次时应注意如下几点。前轴均为单轴单轮。当后轴距大于 3 m 时，按单独轴载计算，即 C1=轴数。例如，案例表 3 中交通 SH-141的后轴轴数系数 C1=2。当后轴距小于 3 m 时，按式（1-3）计算 C1。例如，案例表 3 中东风 EQ240 的后轴轴数系数 C

5、1=2.2。b.当以半刚性材料层拉应力为设计指标时，通车第一年（2010 年）双向日平均当量轴次N1的计算。按式（1-4）进行前轴、后轴当量轴次的换算，计算过程见案例表 4。要注意式（1-9）与式（1-7）中指数的区别，并注意案例表 3 与案例表 4 中 C1、C2取值的区别。案例表 4 第一年（2010 年）双向日平均当量轴次 N1的计算 汽车车型 前轴当量轴次换算 后轴当量轴次换算 日交通量/（辆/天）前轴重/kN 轴数系数C1 轮组系数C2 当量轴次/（次/天）后轴重/kN 后轴数 后轴轮组数 后轴距/m 轴数系数C1 轮组系数C2 当量轴次/（次/天）黄河 JN163 58.6 1 1

6、8.5 196 114 1 2 1 1 2168 760 东风 EQ140 23.7 1 18.5 0 69.2 1 2 1 1 27 520 东风 EQ240 25.5 1 18.5 0 25.9 2 2 3 2 1 12 220 合计 198 2 266 N1（次/天）2 464 N1=前轴当量轴次+后轴当量轴次=198+2 266=2 464（次/天）注：本表以半刚性材料层拉应力为设计指标。累计当量轴次 Ne。按式（1-11）计算设计年限内一个车道的累计当量轴次 Ne。该公式为等比数列求和公式，其中，365N1 是首项，（1+）是公比。365 是指一年的天数，365N1将日作用次数换算为

7、年作用次数；是车道系数，将双向交通换算为设计车道上（即最不利车道）的作用次数。设计年限 t：查表 1-8，高速公路设计年限 t=15 年。车道系数：查表 1-9，取车道系数=0.4。a.当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，设计年限内一个车道的累计当量轴次Ne的计算见案例表 5。案例表 5 设计年限内一个车道的累计当量轴次 Ne的计算 各特征年双向日平均当量轴次 Ni/（次/天）通车第 n 年 1 5 6 10 11 15 分段交通量增长率/%8 7 5 Ni/（次/天）2 335 3 177 3 399 4 455 4 678 5 686 车道系数 0.4 查表 1-9 累计当量轴次 N

8、e/（次/车道）分段计算 20102014 年 20152019 年 20202024 年 1 999 983 2 853 827 3 773 940 合计 8 627 750 注：本表以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标。3 b.当以半刚性材料层拉应力为设计指标时，设计年限内一个车道的累计当量轴次 Ne的计算见案例表 6。案例表 6 设计年限内一个车道的累计当量轴次 Ne的计算 各特征年双向日平均当量轴次 Ni/（次/天）通车第 n 年 1 5 6 10 11 15 分段交通量增长率/%8 7 5 Ni/（次/天）2 464 3 352 3 587 4 702 4 937 6 001 车道系

9、数 0.4 查表 1-9 累计当量轴次 Ne/（次/车道）分段计算 20102014 年 20152019 年 20202024 年 2 110 474 3 011 674 3 982 886 合计 9 105 034 注：本表以半刚性材料层拉应力为设计指标。交通等级。当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，案例表 5 中计算得出的累计当量轴次 Ne=8 627 750 次/车道，查表 1-10，得出交通等级为中等交通。当以半刚性材料层拉应力为设计指标时，案例表 6 中计算得出的累计当量轴次Ne=9 105 034 次/车道，查表 1-10，交通等级为中等交通。取最高的交通等级为设计交通等级

10、，所以本项目的交通等级为中等交通。2）结构组合设计（1）路基与垫层。路基。a.路基干湿类型。本项目自然区划属 IV3区（长江中游平原中湿区），沿线土质为黏性土，查公路沥青路面设计规范（JTG D502006）F.0.1，可得出路床面至地下水位临界高度为 H1=1.51.7 m，H2=1.11.2 m，H3=0.80.9 m。查案例 1 的设计资料，地下水位距路床顶面 H0=1.4 m。查公路沥青路面设计规范表 5.1.4-2，由 H2H0H1得出，路基为中湿状态。b.路基回弹模量。公路沥青路面设计规范 5.1.1 条规定，路基回弹模量值应大于 30 MPa，重交通、特重交通路基回弹模量值应大于

11、 40 MPa。通过室内试验法，确定路基回弹模量为 40 MPa，满足公路沥青路面设计规范5.1.1条的规定。垫层。因路基处于中湿状态，按公路沥青路面设计规范4.2.5 条规定，不需设置垫层。（2）各结构层的材料、厚度、回弹模量。初拟路面结构。根据预测交通量、道路等级对路面结构强度的要求，结合当地气象、水文、地质、筑路材料供应等情况，参考国内外高等级公路设计、使用经验及当地已建和在建的高速公路施工经验，进行路面结构组合设计，见案例表 7。按表 1-12、表 1-13 检查各结构层的厚度是否合理。案例表 7 沥青路面结构方案 层 位 结构层材料名称 厚度/cm 备 注 1 细粒式沥青混凝土 4

12、AC-13C 2 中粒式沥青混凝土 6 AC-20 3 粗粒式沥青混凝土 7 AC-25 4 水泥稳定碎石？基层 5 级配碎石 20 底基层 注：沥青路面的基层为承重层，底基层为次承重层，设计层可选用承重层或次承重层。本案例以基层为设计层，设计层的厚度用“？”表示，设计层的最小厚度查表 1-13，当验算结果不满足规范要求时，程序会将设计层厚度加厚，直到验算满足规范要求为止。4 路面各结构层的回弹模量、劈裂强度。在设计高速公路施工图时，采用实测设计参数，回弹模量、劈裂强度见案例表 8。案例表 8 路面各结构层材料的回弹模量、劈裂强度 层位 结构层材料名称 厚度/mm 20 15 劈裂强度/MPa

13、 平均抗压模量/MPa 标准差/MPa 平均抗压模量/MPa 标准差/MPa 1 细粒式沥青混凝土 40 1 452 125 2 157 317 1.2 2 中粒式沥青混凝土 60 1 225 104 1 870 175 1.0 3 粗粒式沥青混凝土 70 978 50 1 276 85 0.8 4 水泥稳定碎石?1 630 254 1 630 254 0.6 5 级配碎石 200 240 12 240 12 注：以路表弯沉值为设计或验算指标时，设计参数采用 20 抗压回弹模量；以沥青层或半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时，设计参数采用 15 抗压回弹模量。3）沥青路面厚度设计（1）设计弯

14、沉值。设计弯沉值的计算见式（1-2），计算过程见案例表 9。案例表 9 设计弯沉值计算 c 设计弯沉值 ld（0.01 mm）设计年限内一个车道累计当量轴次 Ne/（次/车道）公路等级系数 Ac 面层类型系数 As 路面结构类型系数Ab ld=600Ne-0.2AcAsAb 由案例表 5 计算得出 24.6 8 627 750 1 1 1（2）层底容许拉应力。层底容许拉应力的计算见式（1-3），计算过程见案例表 10。案例表 10 各结构层容许拉应力计算 层位 结构层材料名称 劈裂强度s/MPa 抗拉强度结构系数 Ks的计算 容许拉应力R/MPa 实测 抗拉强度结构系数 Ks的计算公式 Ks

15、设计年限内一个车道累计当量轴次 Ne/（次/车道）公路等级系数 Ac 见式（1-3）1 细粒式沥青混凝土 1.2 Ks=0.09Ne0.22/Ac 3.0 8 627 750 见案例表 5 1.0 0.40 2 中粒式沥青混凝土 1.0 3.0 8 627 750 见案例表 5 1.0 0.33 3 粗粒式沥青混凝土 0.8 3.0 8 627 750 见案例表 5 1.0 0.27 4 水泥稳定 碎石 0.6 Ks=0.35Ne0.11/Ac 2.0 9 105 034 见案例表 6 1.0 0.30 5 级配碎石 （3）沥青路面厚度设计。用 HPDS2011 软件进行计算，以路表弯沉值作为

16、路面整体强度的控制指标反算设计层厚度，并进行沥青混凝土路面面层和整体性材料基层的弯拉应力验算。当设计层的厚度取 36 cm 时，路表计算弯沉值 ls=24.5（0.01 mm），设计弯沉值 ld=24.6（0.01 mm），路表计算弯沉值小于设计弯沉值，满足要求。当设计层的厚度取 36 cm 时，验算各层层底拉应力 m，见案例表 11，层底拉应力 m小于容许拉应力 R，满足要求。案例表 11 各结构层拉应力计算 层位 结构层材料名称 厚度/mm 20 15 劈裂强度/MPa 容许拉应力R/MPa 层底面最大拉应力 m/MPa 平均抗压模量/MPa 标准差/MPa 平均抗压模量/MPa 标准差/

17、MPa 1 细粒式沥青混凝土 40 1 452 125 2 157 317 1.2 0.40-0.230 2 中粒式沥青混凝土 60 1 225 104 1 870 175 1.0 0.33 0.066 3 粗粒式沥青混凝土 70 978 50 1 276 85 0.8 0.27 0.027 5 4 水泥稳定碎石 360 1 630 254 1 630 254 0.6 0.30 0.167 5 级配碎石 200 240 12 240 12 注：拉应力为负，表示受压。4）HPDS2011 程序操作过程演示（1）启动程序 HPDS2011 的“公路沥青路面设计与验算”。启动程序 HPDS2011，

18、然后选择“路面设计与计算”“沥青路面设计与计算”“公路沥青路面设计与验算”命令，如案例图 1 所示。案例图 1 启动程序 HPDS2011 的“公路沥青路面设计与验算”（2）交通量计算及交通等级确定。按案例图 2 所示对话框，输入设计参数：公路等级、车道系数、设计年限、增长率分段数、车辆类型数。案例图 2 输入设计参数 输入交通量年增长率分段数据。单击案例图 2 中的“各分段时间、增长率输入”按钮，然后在弹出的对话框中输入如案例图 3 中所示的数据。案例图 3 输入交通量年增长率分段数据 输入沥青路面车辆与交通量参数。单击案例图 2 中的“车辆及交通参数输入”按钮，在弹出的对话框中输入如案例图

19、 4 中所示的数据（选择车型名称、输入交通量）。案例图 4 输入沥青路面车辆与交通量参数 注意：单击“车型名称”栏的相应地方，可选择车型、车型代码、前轴重、后轴重、后轴轮组数、后轴数、后轴距可由程序自动生成，不必填写。累计当量轴次及交通等级的计算。单击案例图 2 中的“累计当量轴次及交通等级的计算、确定和输出”按钮，结果如案例图 5 所示。6 案例图 5 交通量计算及交通等级确定计算结果（3）选择路面设计类型、路面设计内容，如案例图 6 所示。案例图 6 选择路面设计类型、路面设计内容（4）路面设计参数输入。路面设计参数输入如案例图 7、案例图 8、案例图 9 和案例图10 所示。案例图 7

20、路面设计参数输入（一）注：本案例中的第 4 层是设计层，请按规范规定的最小厚度或适宜厚度输入水泥稳定碎石的厚度，程序将反算设计层的厚度（本表中 359 mm 为程序反算的厚度）。案例图 8 路面设计参数输入（二）案例图 9 路面设计参数输入（三）案例图 10 路面设计参数输入（四）（5）计算及存盘。如案例图 11 所示，单击程序界面最下一行的“计算”按钮，进行设计成果文本文件的存盘，文件名后缀为.txt。单击程序界面最下一行的“数据存盘”按钮，进行程序源文件的存盘，文件名后缀为.dat。在设计过程中，为了防止程序异常退出（如停电）而丢失已输入的数据，应在设计过程中随时存盘，以便在程序异常退出后仍能调用前面已输入并存盘了的数据，如案例图 12 所示。案例图 11 计算及存盘 案例图 12 原有数据文件输入