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1、第第13章章 沥青路面设计算例沥青路面设计算例例例1 甲乙两地之间计划修建一条四车道的一级甲乙两地之间计划修建一条四车道的一级公路，在使用期内交通量的年平均增长率为公路，在使用期内交通量的年平均增长率为10%。该路段处于。该路段处于IV7区，为粉质土，稠度为区，为粉质土，稠度为1.00，沿途有大量碎石集料，并有石灰供给。，沿途有大量碎石集料，并有石灰供给。预测该路竣工后第一年的交通组成如下表所示，预测该路竣工后第一年的交通组成如下表所示，试进行路面结构设计。试进行路面结构设计。轴载换算结果表（弯沉）轴载换算结果表（弯沉）车车 型型Pi（KN）C1C2ni（次（次/日）日）三菱三菱T653B前轴
2、前轴29.316.43009.2后轴后轴48.01130012.3黄河黄河JN163前轴前轴58.616.4400250.4后轴后轴114.011400707.3江淮江淮HF150前轴前轴45.116.440080.2后轴后轴101.511400426.8解放解放SP9200前轴前轴31.316.430012.3后轴后轴78.031300305.4湘江湘江HQP40后轴后轴73.221400205.9东风东风EQ155前轴前轴26.516.44007.9后轴后轴56.72.2140074.62092.3解：解：1)轴载分析轴载分析路面设计以双轮组单轴载路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载
3、。为标准轴载。(1)以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次应力中的累计当量轴次轴载换算轴载换算轴载换算采用如下的计算公式：轴载换算采用如下的计算公式：计算结果计算结果如表如表所示。所示。累计当量轴次累计当量轴次根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年限取限取15年，四车道的车道系数是年，四车道的车道系数是0.40.5，取取0.45。（2）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次轴次轴载换算轴载换算验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算
4、公式为：为：计算结果计算结果如下表如下表所示。所示。轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）车车 型型PiC1C2ni黄河黄河JN163前轴前轴58.6118.5400102.9后轴后轴114.0114001141.0江淮江淮HF150后轴后轴101.511400450.6解放解放SP9200后轴后轴78.031300123.3湘江湘江HQP40后轴后轴73.22140065.9东风东风EQ155后轴后轴56.73140012.81896.5累计当量轴次累计当量轴次参数取值同上，设计年限是参数取值同上，设计年限是15年，车道系年，车道系数取数取0.45。累计
5、当量轴次：累计当量轴次：2)结构组合与材料选取结构组合与材料选取由由Ne=1092万万次次左左右右。根根据据规规范范推推荐荐结结构构，并并考考虑虑到到公公路路沿沿途途有有大大量量碎碎石石且且有有石石灰灰供供应应，路面结构面层采用路面结构面层采用:沥沥 青青 混混 凝凝 土土(15cm=4+5+6)+水水 泥泥 碎碎 石石(取取25cm)+石灰土石灰土(厚度待定厚度待定)+土基。土基。采采用用三三层层式式沥沥青青面面层层，表表面面层层采采用用细细粒粒式式密密级级配配沥沥青青混混凝凝土土(厚厚度度4cm)，中中面面层层采采用用中中粒粒式式密密级级配配沥沥青青混混凝凝土土(厚厚度度5cm)，下下面面
6、层层采采用用粗粗粒式密级配沥青混凝土粒式密级配沥青混凝土(厚度厚度6cm)。3)各层材料的抗压模量与劈裂强度各层材料的抗压模量与劈裂强度抗压模量取抗压模量取20的模量，各值均取规范给定范围的模量，各值均取规范给定范围的中值，得到的中值，得到20的抗压模量：的抗压模量：细粒式密级配沥青混凝土为细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式的为中粒式的为1200MPa，粗粒式的为粗粒式的为1000MPa，水泥碎石为水泥碎石为1500MPa，石灰土石灰土550MPa。各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为为1.4MPa，中粒式的为，中粒式的为1.0MP
7、a，粗粒式的为，粗粒式的为0.8MPa，水泥碎石为，水泥碎石为0.5MPa，石灰土，石灰土0.225MPa。4)土基回弹模量的确定土基回弹模量的确定该路段处于该路段处于IV7区区,为粉质土为粉质土,稠度为稠度为1.00,查查352表表14-9“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值二级自然区划各土组土基回弹模量参考值(MPa)”查得土基回弹模量为查得土基回弹模量为40MPa。5)设计指标的确定设计指标的确定对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。指标，并进行结构层底拉应力验算。(1)设计弯沉值设计弯沉值路面设计弯沉值根据
8、公式计算。该公路为一级路面设计弯沉值根据公式计算。该公路为一级公路，公路等级系数取公路，公路等级系数取1.0，面层是沥青混凝土，面层是沥青混凝土，面层类型系数取面层类型系数取1.0，半刚性基层，底基层基层，半刚性基层，底基层基层类型系数取类型系数取1.0。设计弯沉值为：设计弯沉值为：(2)各层材料的容许层底拉应力各层材料的容许层底拉应力细粒式密级配沥青混凝土细粒式密级配沥青混凝土：中粒式密级配沥青混凝土中粒式密级配沥青混凝土：粗粒式密级配沥青混凝土粗粒式密级配沥青混凝土：水泥碎石：水泥碎石：石灰土：石灰土：6）设计资料总结）设计资料总结设计弯沉值为设计弯沉值为23.47（0.01mm），相关设
9、），相关设计资料汇总计资料汇总如下表如下表。7）确定石灰土层厚度）确定石灰土层厚度设计资料汇总表设计资料汇总表材料名称材料名称h（cm）20模量模量（MPa）15模量模量（MPa）容许拉应力容许拉应力（MPa）劈裂强度劈裂强度（15）细粒式沥细粒式沥青混凝土青混凝土4140020000.44031.4中粒式沥中粒式沥青混凝土青混凝土5120018000.31451.0粗粒式沥粗粒式沥青混凝土青混凝土6100014000.22860.8水泥碎石水泥碎石2515000.24270.5石灰土石灰土？5500.08490.225土基土基40按设计弯沉值按设计弯沉值Ld计算石灰土层厚度：计算石灰土层厚度
10、：（1）计算综合修正系数）计算综合修正系数F：（2）计算理论弯沉系数）计算理论弯沉系数c（3）求计算层厚度）求计算层厚度细粒式沥青砼细粒式沥青砼 h1=4cm E1=1400中粒式沥青砼中粒式沥青砼 h2=5cm E2=1200粗粒式沥青砼粗粒式沥青砼 h3=6cm E3=1000石灰土石灰土 h5=4cm E5=550水泥碎石水泥碎石 h4=4cm E4=1500土基土基 E0=40MPah1=4cm，E1=1400H=？E2=1200En=E0=40 中层厚度计算公式：中层厚度计算公式：查三层体系表面查三层体系表面弯沉系数弯沉系数诺谟图诺谟图P360图（图（14-14）：因为因为 8）验算
11、层底拉应力）验算层底拉应力（1）对细粒式沥青砼层底拉应力验算）对细粒式沥青砼层底拉应力验算换算成当量三层体系换算成当量三层体系h1=4cm，E1=2000h2=5cm，E2=1800h3=6cm，E3=1400h4=25cm，E4=1500h5=28.5cm，E5=550h1=4cm，E1=2000H=？，？，E2=1800E0=40E0求层底最大拉应力求层底最大拉应力（2）求中粒式沥青砼层底拉应力验算）求中粒式沥青砼层底拉应力验算换算成当量三层体系换算成当量三层体系h1 E1h2 E2h3 E3h4 E4h5 E5 E0h=？E2H=？E3 E0求层底最大拉应力求层底最大拉应力(3)对粗粒式
12、沥青砼层底拉应力验算对粗粒式沥青砼层底拉应力验算换算成当量三层体系换算成当量三层体系h1 E1h2 E2h3 E3h4 E4h5 E5 E0h=？E3H=？E4 E0求层底最大拉应力求层底最大拉应力(4)对水泥碎石进行层底拉应力验算对水泥碎石进行层底拉应力验算换算成当量三层体系换算成当量三层体系h1 E1h2 E2h3 E3h4 E4h5 E5 E0h=？E4H=h5 E5 E0计算层底最大拉应力计算层底最大拉应力(5)对石灰土层底进行拉应力验算对石灰土层底进行拉应力验算换算成当量三层体系换算成当量三层体系h1 E1h2 E2h3 E3h4 E4h5 E5 E0h=？E4H=h5 E5 E0计
13、算层底最大拉应力计算层底最大拉应力需要增加多层路面第需要增加多层路面第5层层(设计层设计层)的厚度的厚度,即即增加增加H的厚度的厚度.由于由于h、E0、E1、E2不变不变,设设H增大到增大到34cm.故待设计层厚度为故待设计层厚度为h5=34cm,石灰土厚度增大石灰土厚度增大.当计算体系为弹性三层体系时，理论弯沉的表当计算体系为弹性三层体系时，理论弯沉的表达式为：达式为：上式中理论弯沉系数上式中理论弯沉系数L由弹性由弹性三层三层体系理论计体系理论计算求得。将三层连续体系的电算结果绘成诺谟算求得。将三层连续体系的电算结果绘成诺谟图如图如P360图图14-14所示所示。计算时取泊桑比。计算时取泊桑
14、比1=2=0.25，0=0.35。车轮荷载在路面面层和基层底面产生的弯拉应车轮荷载在路面面层和基层底面产生的弯拉应力，用弹性层状体系理论方法计算。力，用弹性层状体系理论方法计算。计算中需要的理论公式和诺模图计算中需要的理论公式和诺模图1.弯沉等效换算法弯沉等效换算法当采用三层体系计算多层路面的弯沉和结构层当采用三层体系计算多层路面的弯沉和结构层底拉应力时，需将多层路面换算为含有上层、底拉应力时，需将多层路面换算为含有上层、中层和下层半空间体的弹性三层体系。中层和下层半空间体的弹性三层体系。弯沉等弯沉等效时效时中层厚度的换算公式为：中层厚度的换算公式为：2.弯拉应力等效换算法弯拉应力等效换算法根
15、据对电算结果的分析归纳得出计算上层和中根据对电算结果的分析归纳得出计算上层和中层弯拉应力的多层路面换算方法：层弯拉应力的多层路面换算方法：1)计算计算上层上层底面弯拉应力的换算方法底面弯拉应力的换算方法 这里说的上层是换算为三层体系之后的上这里说的上层是换算为三层体系之后的上层，如下图所示。当计算第层，如下图所示。当计算第i层底面的弯拉层底面的弯拉压力时，需将压力时，需将i层以上各层换算为模量层以上各层换算为模量Ei、厚度厚度h的一层即所谓上层，换算公式为：的一层即所谓上层，换算公式为：将将i+1层至层至n-1层换算为模量层换算为模量Ei+1、厚度为、厚度为H的一层即中层，换算公式为：的一层即中层，换算公式为：多层体系弯拉应力换算图示多层体系弯拉应力换算图示h1 E1hi Eihi+1 Ei+1hn-1 En-1Enh EiH Ei+1En 2)计算计算中层中层底面弯拉底面弯拉应力应力此时即为计算路基之此时即为计算路基之上的上的n-1层的弯拉应力，层的弯拉应力，就是中层为就是中层为H=hn-1(见见右图右图)，而上层则为，而上层则为n-2层以上各层换算为模层以上各层换算为模量量En-2的换算厚度，换的换算厚度，换算公式为：算公式为：