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沥青路面的结构设计

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目录

1．设计资料 ……………………………………………………………………… 1 2．累计标准轴载作用次数计算 ………………………………………………… 1 3．确定路面结构方案与设计参数 ……………………………………………… 2 4．方案一设计弯沉计算 ………………………………………………………… 2 5．方案一水泥石灰砂砾土层厚度计算 ………………………………………… 2 6．方案一弯拉应力验算 ………………………………………………………… 3 7．方案一剪应力验算 …………………………………………………………… 5 8．方案一防冻层厚度验算 ……………………………………………………… 6 9．方案二设计弯沉计算 ………………………………………………………… 6 10．方案二水泥稳定砂砾层厚度计算…………………………………………… 6

11．方案二弯拉应力验算………………………………………………………… 7 12．方案二剪应力验算…………………………………………………………… 8 13．方案二防冻层厚度验算……………………………………………………… 9 14．设计结论……………………………………………………………………… 10 附图：《标准横断面图》、《路面结构图》

1．设计资料

某新建高速公路地处II2区，双向四车道，沿线土质为中液限粘性土，填方路基高1.8m ，地下水位距路床2.4m ；属中湿状态，年降雨量620mm/年，最高气温35℃，多年最大道路冻深为175cm ，平均冻结指数882℃，最大冻结指数1225℃。

根据工程可行性报告研究，路段所在地近期交通量调查资料如表1，交通平均增长率前五年8%，之后五年7%，最后五年5%，沥青路面使用期15年，试确定路面结构。

近期交通组成与交通量 表1

2．累计标准轴载作用次数计算

由相关资料查得：

汽车车型相关参数表

标准轴载计算参数表

2.1每天BZZ —100作用的当量轴次

由上面两个表，可以按公式计算出每天BZZ —100作用的当量轴次（轴重小于25KN 可不计入）：

k

①沥青层拉应力指标： N =∑c 1c 2n p i 4. 3i (

i =1p

) 5

n i ——各级轴载作用次数； p ——标准轴载；

p i ——被换算车型的各级轴载；

c 1——轴数系数，c 1=1+1.2(m -1) ，m 为轴数；c 2——轮组系数，双轮组取为

1； k

②半刚性基层拉应力指标： N =∑C ' P i 1C ' 2(

i =1P ) 8 s

C ' 1——轴数系数，C ' 1=1+2(m -1)

C ' 2——轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09

2.2计算15年累计当量轴次

按照交通量增长规律，将15年的交通量累加，即可得到15年累计当量轴次：

15

N e =∑(N i ⨯365)

i =1得出弯沉及沥青层拉应力指标求出的累积交通轴次2104万次；半刚性基层拉应力指标求出的累积交通轴次2706万次。

3．确定路面结构方案与设计参数

根据上述计算结果，拟定方案：

方案一： 方案二：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm 细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=6cm 中粒式沥青混凝土 h 2=8cm 粗粒式沥青混凝土 h 3=8cm 密集配沥青碎石 h 3=15cm 水泥稳定碎石 h 4=25cm 水泥稳定砂砾 h 4 水泥石灰砂砾土层 h 5 级配砂砾垫层 h 5=18cm

路面材料参数表

下面，对方案一和方案二分开计算。

4．方案一设计弯沉计算

由书上公式：

l d =600N -0.2e A c A s A b

查表得：A c ——公路等级系数，取1.0

A s ——路面类型系数，取1.0

A b ——路面结构类型系数，取1.0 故，l d =600N -0.2

e

A c A s A b =600⨯(2104⨯10

4)

-0.2

⨯1⨯1⨯1=20.58(0.01mm )

5．方案一水泥石灰砂砾土层厚度计算

5.1综合修正系数计算

由l s =l d ，代入书上公式，求得综合修正系数：

F =1.63(l s ) 0.38(E 0) 0.3620.5840

2000δp =1.63⨯(2000⨯10.65) 0.38⨯(0.7

) 0.36=0.500

5.2求理论弯沉系数

由课本公式（12-15）：

l p δ

s =

2E αc F 1

求得：

αl s E 120.58⨯10-3⨯1991c =2p δF =2⨯0.7⨯10.65⨯0.5

=5.496

5.3计算水泥石灰砂砾土层厚度h 5

将该多层体系换算为当量三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=6cm E 1y =1991MPa h 1=4c m 粗粒式沥青混凝土 h 3=8cm E 2y =1425MPa 水泥稳定碎石 h 4=25cm

H

水泥石灰砂砾土层 h 5 土基 E 0=40MPa

土基

由

h 1

1425

δ

=0.376；

E 2y E =

E 401y

1991

=0.716； 0E =

=0.0281 2y 1425查课本图12-10得：α=7.5，K 1=1.52，可得：

K 2=

αc αK =5.496=0.482 17.5⨯1.52

查课本图12-10得

H

δ

=5.70，故H =5.7⨯10.65=60.71(cm )

由： H=h 2+h 3h 4h 5得： H= 6+6.84+34.97+h 5⨯1.05=60.71(cm ) 故h 5=12.29(cm ) ，取为13cm 。

6．方案一弯拉应力验算

6.1容许弯拉应力计算

根据公式（12-34）：

σsp

R =

σK

s

σsp ——沥青混凝土或半刚性基层的劈裂强度；

K s ——抗拉强度的结构系数；

对沥青混凝土层的抗拉强度系数，K 0.22s =0.09N e /A c ；

对于半刚性基层稳定集料类的抗拉强度系数，K 0.11s =0.35N e /A c ； 对于半刚性基层稳定土类的抗拉强度系数，K s =0.45N 0.11e /A c

6.2各层材料层底弯拉应力验算

①细粒式沥青混凝土层底弯拉应力 换算成三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=6cm E 1y =2680MPa h =4c m 粗粒式沥青混凝土 h 3=8cm E 2y =2175MPa 水泥稳定碎石 h 4=25cm

H 水泥石灰砂砾土层 h 5=13cm 土基 E 0=40MPa

由

h

δ

=0.376，

E 2y E =0.81，

E 0

1y

E =0.018，查图12-18得，σ'

承受弯曲压应力，自然满足要求。 ②中粒式沥青混凝土层底弯拉应力 换算成三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=6cm E 1y =2175MPa H 1 粗粒式沥青混凝土 h 3=8cm E 2y =1320MPa 水泥稳定碎石 h 4=25cm H 2 水泥石灰砂砾土层 h 5=13cm 土基 E 0=40MPa

H 1=h 2+h 1=6+4=10.21cm ， 由

H 1

δ

=0.96E 2y E =0.61，

查图12-18得，σ'

自然满足要求。

③粗粒式沥青混凝土层底弯拉应力

换算成三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=6cm E 1y =1320MPa H 1 粗粒式沥青混凝土 h 3=8cm E 2y =3188MPa 水泥稳定碎石 h 4=25cm H 2 水泥石灰砂砾土层 h 5=13cm 土基 E 0=40MPa

H 1=h 3+h 2h 1=8+64=19.57cm

由

H 1

E 2y δ

=1.84，

E =2.4，查图12-18得，σ'

1y

自然满足要求。

④水泥稳定碎石层底弯拉应力 换算成三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=6cm E 1y =3188MPa H 1 粗粒式沥青混凝土 h 3=8cm E 2y =1591MPa 水泥稳定碎石 h 4=25cm

H 2=13cm 水泥石灰砂砾土层 h 5=13cm 土基 E 0=40MPa

土基

3

H 1=h 4+∑h i 40.70cm

i =1由

H 1

2y δ

=3.82，

E E =0.50，查图12-18得，σ' =0.11

1y

由

H 2

δ

=1.22，

E 0

E =0.025，查图12-18得，m 1=1.64，m 2=1.28 2y

故该层层底弯拉应力：

σm =p σ' m 1m 2=0.7⨯0.11⨯1.64⨯1.28=0.162

故该层层底弯拉应力满足要求。 ⑤水泥石灰砂砾土层底弯拉应力

换算成三层体系，同④中一样。 由

H 1

δ

=3.82，

E 2y E =0.50，查图12-19得，σ' =0.692

1y

由

H 2

δ

=1.22，

E 0

E =0.025，查图12-19得，n 1=1.13 2y

计算出n m

22=

σp σ' n =0.247，查图12-19得，H 1

δ=1.6

故H 2=1.6δ=17.00cm >13cm ，故取H 2=17.00cm

7．方案一剪应力验算

将多层结构换算为，以细粒式沥青混凝土围计算层，以土基为基层的当量三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=6cm E v 1=750MPa h =4c m 粗粒式沥青混凝土 h 3=8cm E 2=1425MPa 水泥稳定碎石 h 4=25cm H 水泥石灰砂砾土层 h 5=17cm 土基 E 0=40MPa

土基

计算剪应力时，面层为计算层，应采用高温时的参数，其余各层采用抗压回弹模量。

7.1计算当量三层体系表面的剪应力及主压应力

5

H =h 2+∑h i ⨯=62.46cm

i =1

由

h

E 2

δ

=0.376，

H

δ

=5.86，

E =0.8，E 0=0.067，查图12-21、12—22得： v 1E v 2

σ'(0.3)

=1.127，ρ1=1.020，ρ2=0.980 τ'm

(0.3)=0.420，γ1=0.898，γ2=1.108 τm (0.3)=p τ'm

(0.3)γ1γ2=0.7⨯0.42⨯0.898⨯1.108=0.29MPa σ1(0.3)=p σ'(0.3)

ρ1ρ2=0.7⨯1.127⨯1.02⨯0.98=0.79MPa

①停车场、交叉口等缓慢制动处（f =0.2时） τm (0.2)=τm (0.3)+1.3(f -0.3) p =0.29+1.3⨯(0.2-0.3) ⨯0.7=0.20MPa σ1(0.2)=σ1(0.3)+0.46(f -0.3) p =0.79-0.46⨯0.1⨯0.7=0.76MPa

②紧急制动时（f =0.5）：

τm (0.5)=τm (0.3)+1.3(f -0.3) p =0.29+1.3⨯(0.5-0.3) ⨯0.7=0.47MPa

σ1(0.5)=σ1(0.3)+0.46(f -0.3) p =0.79+0.46⨯0.2⨯0.7=0.85MPa

7.2计算破坏面上可能发生的剪应力

①f =0.2时，τα(0.2)=τm (0.2)cos ϕ=0.2⨯cos37 =0.16MPa

②f =0.5时，τ α(0.5)=τm (0.5)cos ϕ=0.76⨯cos37=0.61MPa

7.3计算路表轮沿处容许剪应力

①f =0.2时：

σ2(0.2)=σ1(0.2)-τm (0.2)(1+sin ϕ) =0.76-0.2⨯(1+sin37 ) =0.44MPa τ=c +σtan ϕ=0.3+0.44⨯tan37 =0.63

K 0.33

v (0.2)=N

0.15e

⨯

α

=(21040000)

0.15

⨯0.33/1.1=3.67（此处α=1.1由书上表查得），

故：

ττ

0.63

R =

K =

3.67

=0.167MPa >τα(0.2)=0.16MPa v

τR -τ

ατ=0.167-0.16

0.167

=4.2%

②f =0.5时：

σ2(0.5)=σ1(0.5)-τm (0.5)(1+sin ϕ) =0.85-0.47⨯(1+sin37 ) =0.10MPa τ=2c +σtan ϕ=0.6+0.10⨯tan37 =0.63MPa

K v (0.5)=

1.2

α

=1.09

故：

τ0.68

R =

τ

K =

v

1.09

=0.62MPa >τα(0.5)=0.61MPa τ

R -τατ=0.62-0.61

=1.6%

可满足抗剪要求。

8. 方案一防冻层厚度验算

由于路基处中湿状态，多年道路最大冻深175cm ，基层为稳定土类，查表12-2

得，最小防冻厚度为45-55cm 。该方案路面厚度60cm ，满足防冻厚度要求。

9．方案二设计弯沉计算

由书上公式：

l -0.2d =600N e A c A s A b

查表得：A c ——公路等级系数，取1.0

A s ——路面类型系数，取1.0

A b ——路面结构类型系数，取1.0 故，l 0.2

d =600N -e

A c A s A b =600⨯(2104⨯10

4)

-0.2

⨯1⨯1⨯1=20.58(0.01mm )

10．方案二水泥稳定砂砾层厚度计算

10.1综合修正系数计算

由l s =l d ，代入书上公式，求得综合修正系数：

F =1.63(

l s 2000δ) 0.38(E 0p ) 0.36=1.63⨯(20.582000⨯10.65) 0.38⨯(40

0.7

) 0.36=0.500 10.2计算理论弯沉系数

由课本公式（12-15）：

l p δ

s =

2E αc F 1

求得：

αl s E 120.58⨯10-3⨯1991

c =2p δF =2⨯0.7⨯10.65⨯0.5

=5.496

10.3计算水泥稳定砂砾层厚度

将该多层体系换算为当量三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=8cm E 1y =1991MPa h 1=4c m 密集配沥青碎石 h 3=15cm E 2y =1425MPa 水泥稳定砂砾 h 4

H 级配砂砾垫层 h 5=18cm 土基 E 0=40MPa

土基 由

h 1

E 2y δ

=0.376；

E =

1425

11991

=0.716； E 040E =

=0.0281 y

2y 1425查课本图12-10得：α=7.5，K 1=1.52，可得：

K αc 5.496

2=

αK =7.5⨯1.52

=0.482 1查课本图12-10得

H

δ

=5.70，故H =5.7⨯10.65=60.71(cm )

由： H=h 2+h 3h 4h 5得： H= 8+14.20+h 4⨯1.08+8.72=60.71(cm ) , 故h 4=27.69(cm ) ，取为28cm 。

11．方案二弯拉应力验算

11.1容许弯拉应力计算

根据公式（12-34）：

σσsp

R =

K

s

σsp ——沥青混凝土或半刚性基层的劈裂强度；

K s ——抗拉强度的结构系数；

对沥青混凝土层的抗拉强度系数，K 0.22s =0.09N e /A c ；

对于半刚性基层稳定集料类的抗拉强度系数，K 0.11s =0.35N e /A c ； 对于半刚性基层稳定土类的抗拉强度系数，K 0.11s =0.45N e /A c

11.2各层材料层底弯拉应力验算

①细粒式沥青混凝土层底弯拉应力 换算成三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=8cm E 1y =2680MPa h =4c m 密集配沥青碎石 h 3=15cm E 2y =2175MPa 水泥稳定砂砾 h 4

H 级配砂砾垫层 h 5=18cm 土基 E 0=40MPa

土基 由

h

2y E 0

δ

=0.376，

E E =0.81，

1y

E =0.018，查图12-18得，σ'

承受弯曲压应力，自然满足要求。 ②中粒式沥青混凝土层底弯拉应力

换算成三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=8cm E 1y =2175MPa H 1 密集配沥青碎石 h 3=15cm E 2y =1715MPa 水泥稳定砂砾 h 4 H 2 级配砂砾垫层 h 5=18cm 土基 E 0=40MPa

土基

H 1=h 2+h 1=8+4=12.21cm ，

由

H 1

E 2y δ

=1.15E =0.79，

查图12-18得，σ'

自然满足要求。

③密集配沥青碎石层底弯拉应力 换算成三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=8cm E 1y =1715MPa H 1 密集配沥青碎石 h 3=15cm E 2y =1700MPa 水泥稳定砂砾 h 4 H 2 级配砂砾垫层 h 5=18cm 土基 E 0=40MPa

土基

2

H 1=h 3+∑h i =27.96cm ；H 2=h 4+h 5⨯=30.14cm

i =1由

H 1

2y H 2

δ

=2.63，

E E =0.99，

1y

δ

=2.83，

E E =0.024，在图12-18上查不到对应的2y

m 2，认为层底弯拉应力自然满足要求。 ④水泥稳定砂砾层底弯拉应力

换算成三层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=8cm E 1y =1700MPa H 1 密集配沥青碎石 h 3=15cm E 2y =250MPa 水泥稳定砂砾 h 4 H 2 级配砂砾垫层 h 5=18cm 土基 E 0=40MPa

土基

3

H 1=h 4+∑h i =56.02cm ，H 2=18cm

i =1由

H 1

2y δ

=5.26，

E E =0.15，查图12-18得，σ' =0.15

1y

由

H 2

δ

=1.69，

E 0

E =0.16，查图12-18得，m 1=1.05，m 2=1.04 2y

故该层层底弯拉应力：

σm =p σ' m 1m 2=0.7⨯0.15⨯1.05⨯1.04=0.115

故该层层底弯拉应力满足要求。

12．方案二剪应力验算

将多层结构换算为，以细粒式沥青混凝土围计算层，以土基为基层的当量三

层体系，如下图：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm

中粒式沥青混凝土 h 2=8cm E v 1=750MPa h =4c m 密集配沥青碎石 h 3=15cm E 2y =1425MPa 水泥稳定砂砾 h 4

H 级配砂砾垫层 h 5=18cm 土基 E 0=40MPa

土基

计算剪应力时，面层为计算层，应采用高温时的参数，其余各层采用抗压回弹模量。

12.1计算当量三层体系表面的剪应力及主压应力

5

H =h 2+∑h i ⨯=63.06cm

i =1

由

h

H

E 2

δ

=0.376，

δ

=5.92，

E =0.8，E 0=0.067，查图12-21、12—22，得： v 1E v 2

σ'(0.3)

=1.127，ρ1=1.020，ρ2=0.980 τ'm

(0.3)=0.420，γ1=0.898，γ2=1.108 τm (0.3)=p τ'm

(0.3)γ1γ2=0.7⨯0.42⨯0.898⨯1.108=0.29MPa σ1(0.3)=p σ'(0.3)

ρ1ρ2=0.7⨯1.127⨯1.02⨯0.98=0.79MPa ①停车场、交叉口等缓慢制动处（f =0.2时）

τm (0.2)=τm (0.3)+1.3(f -0.3) p =0.29+1.3⨯(0.2-0.3) ⨯0.7=0.20MPa σ1(0.2)=σ1(0.3)+0.46(f -0.3) p =0.79-0.46⨯0.1⨯0.7=0.76MPa

②紧急制动时（f =0.5）：

τm (0.5)=τm (0.3)+1.3(f -0.3) p =0.29+1.3⨯(0.5-0.3) ⨯0.7=0.47MPa

σ1(0.5)=σ1(0.3)+0.46(f -0.3) p =0.79+0.46⨯0.2⨯0.7=0.85MPa

12.2计算破坏面上可能发生的剪应力

①f =0.2时，τ α(0.2)=τm (0.2)cos ϕ=0.2⨯cos37=0.16MPa

②f =0.5时，τα(0.5)=τm (0.5)cos ϕ=0.76⨯cos37 =0.61MPa

12.3计算路表轮沿处容许剪应力

①f =0.2时：

σ2(0.2)=σ1(0.2)-τm (0.2)(1+sin ϕ) =0.76-0.2⨯(1+sin37 ) =0.44MPa τ=c +σtan ϕ=0.3+0.44⨯tan37 =0.63

K 0.15v (0.2)=N e ⨯

0.33

α

=(21040000)0.15⨯0.33/1.1=3.67（此处α=1.1由书上表查得），

故：

τR =

τ

K v

=

0.63

=0.167MPa >τα(0.2)=0.16MPa 3.67

14. 方案二防冻层厚度验算

由于路基处中湿状态，多年道路最大冻深175cm ，基层为砂石类，查表12-2τR -τα0.167-0.16

==4.2%

R 可满足抗剪要求。 得，最小防冻厚度为50-60cm 。该方案路面厚度73cm ，满足防冻厚度要求。

②f =0.5时：

σ 2(0.5)=σ1(0.5)-τm (0.5)(1+sin ϕ) =0.85-0.47⨯(1+sin37 ) =0.10MPa τ=2c +σtan ϕ=0.6+0.10⨯tan37 =0.63MPa

K v (0.5)=

1.2

=1.09

α

故：

τ0.68

R =

τ

K =

1.09

=0.62MPa >τα(0.5)=0.61MPa v

τR -τατ=0.62-0.61

0.62

=1.6%

13．设计结论

前面对方案一和方案二，进行了层底弯拉应力验算和抗剪能力验算，最终确

定方案一中水泥石灰砂砾土层厚度为17cm ，方案二中水泥稳定砂砾层厚度为 28cm 。多层体系结构图绘制如下：

方案一： 方案二：

细粒式沥青混凝土 h 1=4cm 细粒式沥青混凝土 h 1=4cm 中粒式沥青混凝土 h 2=6cm 中粒式沥青混凝土 h 2=8cm 粗粒式沥青混凝土 h 3=8cm 密集配沥青碎石 h 3=15cm 水泥稳定碎石 h 4=25cm 水泥稳定砂砾 h 4=28cm 水泥石灰砂砾土层h 5=17cm 级配砂砾垫层 h 5=18cm

华中科技大学 道桥专业 路基路面工程课程设计 沥青路面结构设计

结语

通过这次沥青路面课程设计，让我更加深刻地理解了沥青路面设计的原理和步骤，让我能够将学过的东西应用于实际，让我受益匪浅。这次课程设计更增加了我对路基路面的兴趣，让我在今后的学习中动力更足。

这次课程设计的完成离不开几位老师的耐心指导，在此再次谢谢资建民老师、何漓江老师和孙玲老师对我的帮助，今后我会更加努力学习有关路基路面的知识，不辜负老师们的一片苦心。

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