大连理工大学网络教育学院

本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题    目：吉林某一级公路路面结构与材料设计

学习中心：                    

                层    次：     专科起点本科      

专    业：     土木工程(道桥方向)

年    级：        年  季        

学    号：                  

学    生：                      

指导教师：                    

完成日期：   2022年8月10日    

内容摘要

随着国民经济和交通运输事业的迅速发展，运输车辆中大型货运车辆的比重不断增加，运输经营者对自身经济利益的片面追求以及路面在使用过程中，承受着行车荷载和环境因素的双重作用，公路的使用寿命特别是路面的使用寿命在不断降低。不同路面结构的设计组合对公路的使用寿命以及路面的使用寿命存在着差异。

本文根据使用要求及气候、水文、土质等自然条件，密切结合当地实践经验。在满足交通量和使用要求的前提下，应遵循因地制宜、合理取材、方便施工、利于养护、节约投资的原则，进行路面设计方案的技术经济比较，选择技术较先进、经济合理、安全可靠、有利于机械化的路面结构方案。

关键词：一级公路；柔性路面；道路结构

目  录

内容摘要·· I

引  言·· 1

1  设计资料·· 2

1.1  交通量资料·· 2

1.2  地理资料·· 2

1.3  地质资料·· 2

1.4  水文资料·· 2

2  路面结构和材料选择·· 3

2.1  路面的结构组成·· 3

2.2  交通分析·· 3

2.3  轴载分析·· 4

2.4  结构组合和材料选取·· 5

3  路面结构设计·· 6

3.1  设计指标的确定·· 6

3.2  沥青混合料配合比设计·· 6

3.3  基层厚度计算·· 6

3.4  路面结构验算·· 6

4  沥青路面设计结果·· 7

  结  论·· 8

  参考文献·· 9

引  言

沥青路面结构是我国公路建设过程 中所采用的主要路面结构形式，具有平整、坚实无接缝、行车舒适、噪音低等良好使用性能；在施工养护方面具有适宜于机械化施工、施工进度快、养护方便等优点。截止2005 年我国通车的公路路面中，约80％以上的路面采用了沥青路面结构。

目前，沥青路面的使用寿命普遍较短。在使 用过程 中，道路上活荷载的不断增加，对沥青路面的质量提出了更高的要求。沥青路面在使用过程 中会随着车辆荷载的重复作用而出现许多问题，如车辙 ，疲劳开裂等，这些问题会进一步加快路面的破损速度，使得路面使用年限不能满足设计要求 。产生这些 问 题 的原因是多方面的 ，如施工质量控制不当、材料质量不高以及重载车辆过多等均可导致沥青路面出现早期破坏。此外路面结构设计不完善的问题也在一定程度上存在   本文针对沥青路面使用中存在的问题 ，研究沥青路面结构设计方法，以为沥青路面结构设计提供一定的技术参考。

路面的结构性能随行车荷载的反复作用及环境条件的变化而逐渐变坏，甚至丧失工作能力。所以，路面设计的具体目标是控制或限制路面结构性能在预定的使用年限内不断恶化到某一程度。如何选择和安排结构层次，使组合成的路基路面结构体系既能承受行车荷载和环境因素的作用，又能充分发挥各层次的最大效能，而且经济合理，是路面结构设计的重要组成部分。

路面结构层的组合设计，是按行车荷载和环境因素对不同层位的要求，结合各类结构层本身的性能，进行合理安排。

路基路面是一个整体结构，各结构层有各自的特性和作用，并相互制约和影响。结构组合不合理，厚度再大也无济于事。根据多年的实践及理论分析，结构组合应遵循下列原则：

1、路线、路基和路面要作总体设计；

2、因地制宜、合理选材；

3、方便施工、便于养护；

4、分期修建、逐步提高；

5、注意与排水设计相结合。

我国现行柔性路面设计方法，以双圆竖直均布荷载作用下的弹性层状体系理论为基础，以路表弯沉值作为路面整体刚度的控制指标。对高等级道路的沥青混凝土面层和半刚性基层材料基层和底基层，还应验算其层底拉应力。

沥青混凝料随着材料科学的不断发展，其用途也越来越广泛，已到了跨行业、跨学科、互相渗透的非常广泛的领域。混合料配合比设计牵涉到几个方面的内容：一要保证摊铺后的强度和所要求的其他性能和耐久性；二要满足施工工艺易于操作而又不遗留隐患的工作性；三是在符合上述两项要求下选用合适的材料和计算各种材料用量；四是对上述设计的结果进行试配、调整，使之达到工程的要求；五是达到上述要求的同时，设法降低成本。近年来，沥青路面在公路面中占居主导地位。沥青路面具有行车舒适、噪音低、维修方便、可以回收利用等优点，在我国公路中占了极大比重，其中高速公路几乎全部是沥青路面，而在欧洲沥青路面占据公路总量比例的90%，在美国则高达96%。然而沥青路面在行车荷载、温度应力以及阳光、雨雪等不利条件作用下会发生车辙、疲劳、裂缝、坑槽、松散等破坏，大大影响了路面的使用性能。随着我国国民经济的迅速发展，公路交通量越来越大，轴载迅速增长，车速不断提高，沥青路面发生的质量问题也越来越多，有的前修后坏，有的使用周期达不到设计年限。这给沥青路面的使用品质提出了愈来愈高的要求，而影响沥青面层使用性能的重要因素是混合料的级配组成，因而如何提高路面使用性能成为公路工作者关注的焦点。

1  设计资料与原则

1.1  交通量资料

设计年限内交通量的平均年增长率为7%，路面竣工后第一年日交通量如下：

桑塔纳2000：2300辆；

江淮a16600：200辆；

黄海dd680：420辆；

北京bj30：200辆；

Ep140：580辆；

黄河jn63：800辆；

东风sp9250：310辆。

交通量调整系数0.95；车道系数：四车道0.45，设计年限15年。

1.2  地理资料

吉林某公路电子地形图，比例1：1000。

1.3  地质资料

一般填方路段地质剖面为：第四纪堆积物的粉质中塑性粘土(厚2m)，中塑性粘土及高塑性粘土(厚5m)，地下水位在地面以下1.5m。

一般挖方路段地质为：路表土(塑性粘土深2m)，风化砂(深5m)，以下为砂岩。

1.4  水文资料

参考吉林水文资料。

1.5  设计原则

路面结构设计包括原材料的选择、混合料配合比设计和设计参数的测试与确定，路面结构层组合与厚度计算，以及路面结构的方案的比选等内容。其中路面结构层组合与厚度计算是设计的重点，是影响路面使用寿命的重要因素。

1、提高面层的厚度

根据以前的室内疲劳方程和力学程序，无沦沥青的结构层多厚，结构都必然会产生疲劳开裂，车辙。而最新的理论发现，当沥青层厚度超过一定厚度时，良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。当标准轴次超过一定次数后，沥青厚度无需增加。自上而下的温度疲劳、开裂、车辙、表面磨耗、沥青老化都努力限制在磨耗层内，防止出现中层以下的结构性损坏。表面层的损坏只需要通过预防性养护得以补救。

2、采用高刚度、高强度的基层和底基层

基层是沥青类路面的主要承重层，主要采用沥青稳定类材料如大粒径沥青混合料、乳化沥青稳定碎石、泡沫沥青稳定粒料以及旧沥青路面再生材料，其性能影响整个路面的使用品质和寿命。基层强度不足，很多病害便由基层引起，维修时必须从基层甚至是底基层处治，翻修较困难；若设计中保证中面层以下直至基层，能长期保持良好状态，当出现路面病害时仅需表面磨耗层维修更新即可。基层和底基层采用强度较大的材料，可以利用基层的强度及刚度来确保路面承受车辆荷载作用而不产生过大变形。半刚性基层沥青路面已经成为我国高等级公路沥青路面的主要结构类型。长期实践表明，半刚性基层具有耐久性好、整体强度高，板体性好等许多优点。

3、合理处治路基，提高路基的强度

沥青路面对土基的强度要求较高。国内多数道路是高填路基，都是在原地面填筑而成，其强度与材料本身和压实有很大关系，这就给路面使用中产生较大的弯沉埋下隐患。对比国外的道路发现，国外的高速公路通常填挖较小，很少出现高路堤，因而其本身强度也比较高。针对我国的多山地形，高填路段又不可避免，那么，路基设计就应结合土质特点，进行合理的处治。

2  路面结构和材料选择

路面结构是直接为行车服务的结构，不仅受各类汽车荷载的作用，且直接暴露在自然环境中，经受各种自然因素的作用。其高程造价站公路造价的很大部分，最大时可达50%以上。沥青路面是用沥青材料结合料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构，属于柔性路面。沥青作为结合料增强了矿料之间的结合力，提高了混合料的强度和稳定性，使路面的使用质量和耐久性得到提高，具有表面平整、行车舒适、振动小、噪音低、施工期短、维护简便等特点。

路面结构设计就是拟定路面结构方案和选定建筑材料，运用规范建议的理论和方法对结构进行力学计算。

2.1  路面的结构组成

沥青路面结构可由面层、基层、底基层、垫层组成。

面层直接承受车轮荷载反复作用和自然因素影响的结构层，可由一到三层组成。它应具有足够的抗变形、抗水损坏、抗疲劳的性能。表面层应根据使用要求设置抗滑耐磨、密实稳定的沥青层：中面层、下面层应根据公路等级、沥青层厚度、气候条件等适当的沥青结构层。

基层是设置在面层之下，并与面层一起将车轮荷载的反复作用传布到底基层、垫层、土基，起主要承重作用的层次。基层材料的强度指标应有较高的要求。

底基层是设置在基层以下，并与面层、基层一起承受车轮荷载反复作用，起次要承重作用，一般对底基层材料的强度指标要求略比基层材料低。

垫层是设置在底基层与土基之间的结构层，其排水、隔水、防冻和防污作用。

2.2  影响路面的结构因素

2.2.1 面层厚度

面层直接同车轮和大气相接触，它承受行车荷载(竖直力、水平力和冲击力)的直接作用，同时还受到降雨的侵蚀和气温变化的不利影响，对路面的使用品质有较大影响。作用在路面上的行车荷载，通常包括垂直力和水平力。路面在垂直力作用下，内部产生的应力和应变随深度向下而递减。水平力作用产生的应力、应变，随深度递减的速率更快。路面表面还同时承受车轮的磨耗作用，因此，要求路面面层具有足够的强度和抗变形能力，在其下各层的强度和抗变形能力可自上而下逐渐减小。这样，在进行路面结构组合时，各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律安排，以使各结构层材料的效能得到充分发挥。按照这种原则组合路面时，结构层的层数愈多愈能体现强度和刚度沿深度递减的规律。但就施工工艺、材料规格和强度形成原理而言，层数又不宜过多，也就是不能使结构层的厚度过小。适宜的结构层厚度需结合材料供应、施工工艺并按该表的规定确定，从强度要求和造价考虑，宜自上而下由薄到厚。

路面设计时，沥青面层厚度与公路等级、交通量及组成、沥青品种和质量有关，设计时应根据公路等级、交通量大小、重车所占的比例、选用沥青质量等因素，综合考虑确定沥青层厚度。基层、底基层厚度应根据交通量大、材料力学性能和扩散应力的效果，发挥压实机具的功能以及有利于施工等因素选择各结构层的厚度。

2.2.2 基层类型

基层主要承受由面层传递下来的车辆竖向荷载，并把它扩散到垫层或土基中，具有足够强度和刚度的基层是高水平行驶质量的必要保证。简单地说基层有两大类：半刚性基层和碎砾石基层。两种类型基层的作用机理存在着本质上的差异，而同一类基层不同材料间性能相似。因此，根据路面的基层类型将路面分为半刚性和碎砾石两类。如何保证沥青路面的水稳性，是路面结构层选择与组合需要解决的重要问题。在潮湿和某些中湿路段上修筑沥青路面时，由于沥青层不透气，使路基和基层中水分蒸发的通路被割断，因而向基层积聚。如果基层材料中含土量多（如泥结碎石、级配碎石），尤其是土的塑性指数较大时，遇水变软，强度和刚度急剧下降，结果导致路面开裂破坏。所以沥青路面的基层一般应选择水稳性好的材料，在潮湿路段及中湿路段尤应如此。在季节性冰冻地区，当冻深较大，路基土为易冻胀土时，常常产生冻胀和翻浆。在这种路段上，路面结构中应设置防止冻胀和翻浆的垫层。路面总厚度的确定，除满足强度要求外，还应满足防冻厚度的要求，以避免在路基内出现较厚的聚冰带，防止产生导致路面开裂的不均匀冻胀。

在冰冻地区和气候干燥地区，无机结合料稳定土或粒料的基层常常产生收缩裂缝。如果沥青面层直接铺筑其上，会导致面层出现反射裂缝，为此可在其间加设一层粒料或优质沥青材料，或者适当加厚面层。

2.2.3 结构强度

一定的结构强度是路面具有良好行驶质量的必要保证，结构强度足够的路面可以有效地抵抗多种因素的不良影响，进而延缓行驶质量的衰变进程；结构强度不足时，路面结构的抵抗能力降低，荷载和温度等因素综合作用产生的应力对路面使用性能影响加剧，公路使用寿命减小速率加快。

2.3  轴载分析

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标准轴载计算参数如表2-1。

表2-1 标准轴载计算参数

1、 以设计弯沉值为设计指标时累计车辆轴次

当以设计弯沉值为设计指标及沥青层层底拉应力验算时，凡是轴载大于25KN的各级轴载（包括车辆的前后轴）Pi的作用次数ni,均应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N：

N－标准轴载的当量轴次。

ni－被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）。

P－标准轴载p=100KN。

C1－轮组系数，双轮组为1，单轮组为6.4，四轮组为0.38。

C2－轴数系数，当轴间距大于3m时，接单独的一个轴载计算，此时轴数系数为1，车轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数应按下式计算，C1=1+1.2（m-1），m­—轴数。见表2-2。

表2-2 轴载计算结果表

累计车辆轴次:

式中：

Ne－设计年限内一个车道的累计当最轴次〔次/车道);

t－设计年限(年);

N－营运第一年双向日平均当最轴次(次/d) ;

γ－设计年限内交通量的平均年增长率(%);

η－车道系数。见《公路沥青路面设计规范》（JTJ .D50-2006）。双向两车道时取为0.6。

=

=1172147.652次/车道

2、当进行半刚性基层层底拉应力验算时累计车辆轴次

当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡是轴载大于50KN的各级轴载（包括车辆前，后轴），Pi的作用次数ni应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数。

式中:

C1＇－轮组系数，单轴组为18.5，双轴组为1.0，四轴组为0.09。

C2＇－轴数系数，当轴间距大于3m时，按单独的一个轴载计算,则C1＇=1，当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算C1＇=1+2（m-1）m—轴数。

表3-4 轴载计算结果表

=

=611620.4537次/车道

2.4  结构组合和材料选取

由上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次在<150万次，属于低交通。根据规范推荐结构，考虑到公路沿途有砂石、碎石、石灰、粉煤灰供应，路面结构面层采用4cm中粒式沥青混凝土+7cm粗粒式沥青混凝土；基层作为设计层采用水泥稳定碎石；底基层用20cm石灰土碎石。

3  路面结构设计

3.1  设计指标的确定

在路面结构设计中，存在着大量的不确定因素（交通量调查得准确性，公路所经区域得地质气候条件等），这些因素导致了设计结果在某种程度上的不确定性，是造成路面结构提前破坏的重要原因及提前结束了公路的使用寿命。为了使设计结果更科学合理，有必要在设计中对路面结构设计原理及制约因数进行分析讨论，将不确定因素作为随机变量参与到设计中去。将路面设计方法由确定型向概率型转化。沥青路面结构设计一般是多指标的，我国现行《柔性路面设计规范》规定，以路表容许弯沉值作为整体强度的设计控制指标。对高速公路、一级公路的沥青混凝土面层和整体性材料基层应进行弯拉应力的验算。路面使用性能有功能性能和结构性能之分，而功能性能又包含行驶质量和安全性两方面的内容。路面使用性能的预测是路面设计、路面管理、路面养护以及行车费用评估等工作的前提和基础。故在路面结构的设计中，以弹性层状体系理论为指导的前提下应考虑不确定因素的影响。

1、以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算

设计弯沉值：

2、各层材料的容许层底拉应力：

3.1.1 设计弯沉值

公路等级为二级，根据《公路沥青路面设计规范》（JTG .D50-2006）可知公路等级系数取A_c=1.1，沥青混凝土面层A_s=1.0，基层类型为半刚性基层则A_b=1.0。

l_d=600N_e^-0.2A_cA_sA_b

式中：

l_d－设计弯沉值(0.01mm)；

N_e－从设计年限内一个车道累计当量轴次(次/阵道)；

A_c－公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1；

A_s－面层类型系数。沥青混凝土面层为1.0；热拌和冷拌沥青碎石、沥青贯入式路面(含上拌下贯式路面)、沥育表面处治为1.1。

A_b－路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6。

则l_d=600N_e^-0.2A_cA_sA_b=600×（1172147.652）^-0.2×1.1×1×1=40.34（0.01mm）

3.1.2 各层材料容许拉应力

式中：

σ_R－路面结构层材料的容许拉应力((MPa);

σ_s－沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度(MPa);

K_s－抗拉强度结构系数。

(1) 中粒式密级配沥青混凝土

K_s=0.09N_e^0.22/A_c=0.09×1172147.652^0.22/1.1=1.77;=1.0/1.77=0.56MPa

(2) 粗粒式密级配沥青混凝土

K_s=0.09N_e^0.22/A_c =0.09×1172147.652^0.22/1.1=1.77;=0.8/2.56=0.45MPa

(3) 水泥碎石

K_s=0.35×N_e^＇0.11/A_c=0.35×1172147.652^0.11/1.1=1.48

=0.5/1.48=0.34MPa

(4) 石灰土碎石

K_s=0.35×N_e^＇0.11/Ac=0.35×1172147.652^0.11/1.1=1.48

=0.3/1.48=0.20MPa

3.2  沥青混合料配合比设计

沥青混合料配合比设计包括：试验室配合比设计、生产配合比设计和试拌试铺配合比调整等三个阶段。本设计主要介绍试验室配合比设计。

试验室配合比设计分矿质混合料组成设计和沥青最佳用量确定两部分：矿质混合料的配合比设计按以下步骤进行：

（1）确定沥青混合料类型

沥青混合料类型根据道路等级、路面类型、所处的结构层位选定。

（2）确定矿料的最大粒径              

各国对沥青混合料的最大粒径（D）同路面结构层最小厚度的关系均有规定，除前苏联规定矿料最大粒径分别为面层厚度的0.6倍与底基层厚度的0.7倍外，一般均规定为0.5借以下。我国研究表明：随h／D增大，耐疲劳性提高，但车辙量增大。相反h／D减小／车辙量也减小，但耐久性降低，特别是在h/D≤2时，疲劳