1 设计原始资料和依据

该公路处于 II 5 区，路线经过地区属于湿暖带半湿润季风气候区，海洋型和大陆型过渡的气候特征比较明显，气候温暖、四季分明、雨量充沛、冬寒夏热。年内夏、秋季降水相对集中，易出现暴雨造成涝灾，其余季节降水偏少。

气候区内年平均气温13.7 oC，以7、8月份最热，年平均最高气温19.4 oC，年平均最低气温9.1 oC，历年极端最高气温39.9 oC，历年极端最低气温-22.4 oC。历年最大积雪深度20cm，最大冻土深度33 cm，历年平均无霜期163.5天。气候区内年平均降雨量884.0mm，历年最大降雨量1358.0mm，以7~10月降雨相对较为集中。

区域内常年主导风向为东北风，历年平均风速3.3m/s。最大风速16.8m/s。8、9月份受台风影响区内空气湿度较高，年平均相对湿度为70%左右，最小相对湿度65%、最大相对湿度85%。

设计线路经过地段主要由第四系松散沉积层所组成。第四纪沉积层由全新（Q4a1）的低~高液限粘土夹中粗砂及上更新（Q3a1）的低~高液限粘土所组成。由于古河道多次变迁作用，地层厚度分布不均，堆积层厚度上部全新（Q4a1）一般在3~9m局部达10m，地层岩性主要为低~高液限粘土，其CBR为2%~10%；下部上更新统（Q3a1）沉积层厚度一般为10~40m，地层岩性主要为低~高液限粘土，呈中~高压缩性。

1.1.1 路线服务范围交通运输要求和经济技术调查资料

由于此路段处于江地势平缓，沿线以农业为主，该路段经过两条大渠和一条铁路，故该道路的修通对于完善苏北地区贸易交往，改善该地区的投资环境具有深远的意义。另外修建该路所需的路基填料、石灰、碎石等集料在附近地区都非常丰富，并且都能满足技术指标要求。

1.1.2 交通量资料

车型 交通量（辆/日）

小汽车

3500

表1-1 交通量资料 黄河JN-150 跃进NJ-130

900 1100

解CA-10B

1800

太拖拉138

600

1.2 设计依据

本设计AB段高速公路位于徐州市洞山地区，根据沿线地形、地貌、地质、水文、气象等自然条件进行设计，依据的有关规范、规程具体如下：

1) 部颁《公路工程技术标准》（JTG B01－2003）； 2) 部颁《公路路线设计规范》（JTG D20－2006）； 3) 部颁《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）； 4) 部颁《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）； 5) 部颁《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）； 6) 部颁《公路工程质量检验评定标准》(JTGF80-1-2004)； 7) 部颁《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）； 8) 部颁《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）； 9) 部颁《公路排水设计规范》（JTJ018-97）； 10)《京福高速公路绕徐州城西段设计说明书》； 11) 拟建公路的设计原始资料；

12) 拟建公路所处地区的地区地形图。

2 路面结构层厚度设计

2.1.1 土基回弹模量的确定

1

由于本路段无实测条件，故可按查表法预测土基回弹模量值。 1）确定临界高度

本路段土基设计为不利季节处于干燥状态，因为徐州地区为Ⅱ5区，由设计资料知该地区土质为粘性土，查《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)附录F.0.1可确定临界高度H1在2.1m~2.5m之间。

2）土的平均稠度

因本路段属于干燥类型，根据路基的临界高度，由《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中5.1.4-1知路床表面以下80cm深度内平均稠度为Wc≥1.10，本设计取Wc=1.10。

3）确定土基回弹模量

据以上所述查表得该地区的土基回弹模量为E0=52.0Mpa。为保证高填土路基的含水量，设计中取E0为45.0 Mpa。

2.1.2 路面设计参数的确定

1）交通量组成

已知设计年限为20年，设计年限内交通量年平均增长率r=8%，交通量组成见下表：

表4-3-1 交通量组成 跃 进 解 放 黄河 太脱拉 车 类 小汽车 NJ-130 CA-10B JN-150 138 3500 1100 1800 900 600 交通量(辆／日) 2）标准轴载及轴载换算和当量轴次计算 路面设计以双轮组单轴载100KN为标准荷载，标准轴载计算参数如下：

表4-3-2 标准轴载计算参数 标 准 轴 载 BZZ－100 标 准 轴 载 BZZ－100 100 21.30 标准轴载P(KN) 单轮传压面当量圆直径(cm) 0.70 1.5d 轮胎接地压强P(MPa) 两轮中心距(cm) 3）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 （1）轴载换算

以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN的各级荷载（包括车辆的前、后轴）P1的作用次数n1，均按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N。

?P?N??C1C2n1?i??P?i?1K4.35 (4-3-1)

式中： N— 标准轴载的当量轴次，次／日；

n1— 被换算车型的各级轴载作用次数，次／日；

P— 标准轴载，KN；

P1— 被换算车型的各级轴载，KN；

C1— 轴数系数；

C2— 轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。

当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为m；当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数按下式计算。

C1?1?1.2?(m?1) （4-3-2）式中： m—

轴数。

本路段轴载换算如下表所示。

表4-3-3 标准轴载换算（一）

2

车 型 黄 河 JN—150 跃 进 NJ—130 解 放 CA—10B 太脱拉 —138 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 Pi（KN） 101.60 49.00 38.30 15.30 60.85 19.40 80.00 51.40 C1 C2 n1 N1 1.0 1.0 900 964.34 1.0 6.4 900 258.69 1.0 6.4 1100 108.26 1.0 6.4 1100 —— 1.0 1.0 1800 207.40. 1.0 6.4 1800 —— 2.2 1.0 600 500.05 1.0 6.4 600 212.33 小汽车 2251.07 合 计 注：轴载小于25KN的轴载作用不计，因为小起车轴载为25KN，所以在上表中未于列出。（现行规范没有这一条规定，小汽车应该也计算在内）

（2）累计当量轴次计算

由《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)3.1.2-1设计年限内一个车道上的累计当量轴次N1按下式计算。

Ne?[(1??)t?1]?365?N1? （4-3-3）

式中： Ne—设计年限内一个车道上的累计当量轴次，次；

t—设计年限，年；

N1—路面竣工后第一年双向日平均当量轴次，次／日；

?—设计年限内交通量的平均年增长率(%),应根据实际情况调查，预测交通量增长，

经分析确定；

?—车道系数，查《公路沥青路面设计规范》(JTJ014－97)确定车道系数为0.4~0.5,本设计取?=0.45。

设计年限内一个车道上的累计当量轴次Ne为

[(1?0.08)20?1]?365Ne??2251.07?0.45=16919948.48（次）

0.084）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次 当进行半刚性基层层底拉应力验算时，各种车型的前后轴P1的作用次数n1，均按下式转换成标准轴载P的当量作用次数N?。

???P?N???C1C2n1?i? （4-3-4）

?P?i?1式中： C1—轴数系数；

K8??C2—轮组系数，单轮组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09。

当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下式计算。

?C1?1?2?(m?1) （4-3-5）

计算结果如下表。

表4-3-4 标准轴载换算（二）

3

车 型 Pi (KN) ?C1 ?C2 n1 Ni 101.60 1.0 1.0 900 1021.86 黄 河 后轴 49.00 1.0 18.5 900 JN—150 前轴 —— 38.30 1.0 18.5 1100 跃 进 后轴 —— 15.30 1.0 18.5 1100 NJ—130 前轴 —— 60.85 1.0 1.0 1800 33.83 解 放 后轴 19.40 1.0 18.5 1800 CA—10B 前轴 —— 80.0 3.0 1.0 600 301.00 太脱拉 后轴 51.40 1.0 18.5 600 50.80 —138 前轴 1408.48 合 计 注：轴载小于50KN的轴载作用不计。（现行规范没有这一条规定，全部荷载均应该计算在内）

设计年限内一个车道上的累计当量轴次Ne仍按式（4-3-3）进行计算：

?Ne?[(1?0.08)20?1]?365??1408.48?0.45= 1058670（次）

0.082.1.3 路面结构层厚度计算

方案一

路面结构及计算参数见表4-3-5。

表4-3-5 路面结构及计算参数 200C抗压回150C抗压回15o劈裂强厚 度层次 材料名称 (cm) 弹模量(MPa) 弹模量(Mpa) 度(MPa) 细粒式抗滑沥青混1 4 1400 2000 1.4 凝土，AK-13A 中粒式沥青混 2 6 1200 1800 1.0 凝土AC-20Ⅰ 粗粒式沥青混 3 6 1000 1400 0.8 凝土AC-30Ⅱ 4 ? 1500 1500 0.7 二灰碎石 5 20 750 750 0.3 二灰土 6 45 土基 —— —— 1）按容许弯沉计算路面厚度 路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，是根据设计年限内每个车道累计标准当量轴次、公路等级、面层和基层的类型等确定的。

路面设计弯沉值可按下式计算：

ld?600Ne?0.2AcAsAb （4-3-6）

式中： ld—路面设计弯沉值(0.01mm);

Ne—设计年限内一个车道上的累计当量轴次；

Ac—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；

AS—面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；

Ab—路面结构类型系数，半刚性基层、刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥青路

4

面为1.6，若基层由半刚性基层与柔性基层组合而成，通过线性内插确定。

根据上式计算得：

ld?600?16919949?0.2?1.0?1.0?1.0=21.50（0.01mm）

2）结构层材料的容许弯拉应力

高速公路的沥青混凝土面层或半刚性材料基层、底基层，在进行层底拉应力验算时，结构层底面计算点的拉应力?m应小于或等于该层材料的容许弯拉应力?R，即：

?m≤?R （4-3-7）

容许弯拉应力?R按下式列公式计算：

?R??SPKs （4-3-8）

式中： ?R—路面结构层材料的容许弯拉应力(MPa)；

?SP—沥青混凝土或半刚性材料的劈裂强度(MPa)。对沥青混凝土指15℃时的劈裂

强度；对水泥稳定类材料为龄期90d的劈裂强度(MPa)；对二灰稳定类、石灰稳定类的材料为龄期180d的劈裂强度(MPa)；

KS—抗压强度结构系数。

对沥青混凝土面层：

0.22Ks?0.09Ne/Ac (4-3-9)

式中： Aa—沥青混凝土级配类型系数，细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1。

对无机结合稳定集料类：

0.11 KS?0.35Ne/Ac （4-3-10）

对无机结合类稳定细粒土类：

0.11KS?0.45Ne/Ac （4-3-11）

（1）沥青混凝土上面层AK-13A

?SP＝1.4Mpa

KS=0.09×1.0×(16919949)0.22/1.0=3.503

1.4?0.3996MPa

3.503（2）沥青混凝土中面层AC-20Ⅰ ?SP＝1.0Mpa

?R=

KS=0.09×1.0×(16919949)0.22/1.0=3.503

?R=

1.0?0.2855MPa

3.503（3）沥青混凝土下面层AC-30Ⅱ

?SP＝0.8Mpa

KS=0.09×1.1×(16919949)0.22/1.0=3.853

0.8?0.2076MPa

3.853（4）二灰碎石基层

?R =

?SP＝0.7 Mpa

5

KS=0.35×(10586703)0.11/1.0=2.074

?R=

0.7?0.3375MPa

2.074（5）二灰土底基层

?SP＝0.3Mpa

KS=0.45×(10586703)0.11/1.0=2.667 ?R =0.3?0.1125MPa

2.6673）路面厚度计算

路面厚度是根据多层弹性理论、层间接触条件为完全连续体系时，在双圆均布荷载作用下，轮隙中心处实测路表弯沉值ls等于设计弯沉值ld的设计原则进行计算（其力学图式如图4-3-1），即 ls＝ld （4-3-12） δδδδδAh1h2E1E2En-1En=E0rAhn-1图4-3-1 路表弯沉值计算图式 图4-3-1 路表弯沉值计算图式路表弯沉值按下式计算： 2p??c?F （4-3-13） E1hEhhEE...0) ?c?f(1，2...n?1，2，3，???E1E2En?1ls?1000? F?1.63(式中： ls—路面实测弯沉值，0.01mm；

p、?—标准车型的轮胎接地压强(MPa)和当量圆半径，cm；

F—弯沉综合修正系数； ?c—理论弯沉系数；

lsE)0.38?(0)0.36 （4-3-14） 2000?pE0或(En)—土基回弹模量值，MPa；

E1、E2、En?1—各层材料回弹模量值；

h1、h2、hn?1 —各结构层厚度，cm。

计算得：

F?1.63?(21.5045)0.38?()0.36=0.5304

2000?10.650.7由式（4-3-13）得理论弯沉系数：

?c?

lsE121.50?1400??3.806

1000?2p??f1000?2?0.7?10.65?0.53046

这是一个多层体系，计算时可以先将多层体系转换为当量三层体系，求出中间层的厚度H，然后再求出基层厚度，转换图式如下： h1=4cmh2=6cmh3=6cmh4=?cmh5=20cm土基 E1=1400MPaE2=1200MPaE3=1000MPaE4=1500MPaE5=750MPaE0=45MPah1=4cmH=?cm土基 E1=1400MPaE2=1200MPaE0=45MPa 图4-3-2 弯沉三层体系换算图式图4-3-2 弯沉三层体系换算图式 （邓学钧主?1200?0.857查《路基路面工程》?10.65E11400编 张登良主审，人民交通出版社）第360页图14-14得??6.43。

E?0.376，0由h?4（邓学钧主?45?0.0375查《路基路面工程》

?10.65E21200编 张登良主审，人民交通出版社）第360页图14-14得k1?1.24。

由于?c?k1k2?，所以

由h?4?0.376，E2k2?再由h?c??k1=

3.8058=0.477

6.43?1.24??0.376，

E0E2（邓学钧主编 张登?0.0375和k2=0.477查《路基路面工程》

良主审，人民交通出版社）第360页图14-14得H从而，H?6.05?10.65?64.43cm

根据等效路表弯沉的结构层转换公式：

??6.05 ，

H??hi?i?252.4Ei10001500750?6?6?2.4?h4?2.4?20?2.4?64.43得：E2120012001200h4?33.09cm, 取34cm计。

4）验算弯拉应力

（1）上面层底面弯拉应力验算

先转化成三层体系（模量采用15℃时的抗压回弹模量），图示如下： h1=4cmh2=6cmh3=6cmh4=34cmh5=20cm土基 E1=2000MPaE2=1800MPaE3=1400MPaE4=1500MPaE5=750MPaE0=45MPaH=?cm土基 E2=1800MPaE0=45MPah1=4cmE1=2000MPa图4-3-3 AK—13A上面层弯拉应力三层体系换算图 图4-3-3 AK-13A面层弯拉应力三层体系换算图

7

上层厚度为h?4cm。 中层厚度为： 5E10001500600H??hi?0.9i?5?7?0.9?36?0.9?20?0.9?45.864cm

E2120012001200i?2对高速公路的沥青混凝土面层和半刚性基层、低基层进行拉应力的验算时，各层

按连续验算。

验算层低拉应力时根据多层弹性理论，层间接触条件为完全连续体系，以双圆荷载作用下按下式计算层低最大拉应力?m。

?m?p??m （4-3-15）

?m?f(?m应以下式计算：

hEh1h2EE,,......n?1;2,3,......0)???E1E2En?1

?m???m1?m2 （4-3-16）

式中： m1、m2—系数。

验算层低拉应力时，应满足下式要求：

?m??R （4-3-17） 式中： ?R—容许拉应力。

由h???4?410.65?0.376，E2?0.376，E2E1E1?1600?18002000（邓学钧主编 ?0.8查《路基路面工程》

张登良主审，人民交通出版社）第362页图14-18得无具体的?。

由h10.652000E?0.9，0E0E2?45?0.025查表

1800无具体的m1值。

由H??4.306，E2E1?18002000?0.9，

?45?0.025查表无E21800具体的m2值。

说明上面层底面所受拉应力较小，即可认为：??0，从而，?m＜0＜?R=0.3996，满足强度要求。

（1）中面层底面拉应力验算 三层体系转化图示如下： h1=4cmh2=6cmh3=6cmh4=34cmh5=20cm土基 E1=2000MPaE2=1800MPaE3=1400MPaE4=1500MPaE5=750MPaE0=45MPaH=?cm土基 E2=1400MPaE0=45MPah1=?cmE1=1800MPa图4-3-3 AC-20Ⅰ面层弯拉应力三层体系换算图 图4-3-3 AC—20Ⅰ中面层弯拉应力三层体系换算图 上面层厚度：h??hi?4i?12Ei2000?4?4?6?10.107cm E218008

中层厚度： H??hi?0.9i?35Ei1500750?6?34?0.9?20?0.9?50.705cm E314001400同理，查表得??0，从而，?m＜0＜?R=0.2855，满足强度要求。 （2）下面层底面拉应力验算

三层体系转化图示如下： h1=4cmh2=6cmh3=6cmh4=34cmh5=20cm土基 E1=2000MPaE2=1800MPaE3=1400MPaE4=1500MPaE5=750MPaE0=45MPa3h1=?cmH=?cm土基 E1=1400MPaE2=1500MPaE0=45MPa图4-3-4 AC—30Ⅱ下面层弯拉应力三层体系换算 图4-3-4 AC-30Ⅱ底面层弯拉应力三层体系换算图上面层厚度：h? ?hi?4i?1Ei20001800?4?4?6?4?6?10.762cm E314001400750?43.259cm 1500中层厚度：H?34?20?0.9查表得??0，从而，?m＜0＜?R=0.202，满足强度要求。 （3）基层层底拉应力验算 三层体系转化图示如下： h1=4cmh2=6cmh3=6cmh4=34cmh5=20cm土基 上面层厚度： E1=2000MPaE2=1800MPaE3=1400MPaE4=1500MPaE5=750MPaE0=45MPah1=？cmH=20cm土基 E1=1500MPaE2=750MPaE0=45MPa图4-3-5 基层弯拉应力三层体系换算图 图4-3-5 基层弯拉应力三层体系换算图 h??hi?4i?13Ei200018001400?4?4?6?4?6?4?34?50.477cm E3150015001500中层厚度：H=20cm

?50.477?4.739，E2（邓学?750?0.50查《路基路面工程》

?10.65E11500钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第362页图14-18得： ??0.08Mpa；

E0750由h?50.477?45?0.06查表?4.74E2??0.50?10.65E2750E11500由h得m1?1.40；

9

由H??2010.65?1.88，E2E?750?0.50，0?45?0.06查表得E11500E2750m2?1.08；

从而：?m?p???m1?m2?0.7?0.08?1.40?1.08?0.0847??R?0.3375

Mpa,所以基层满足抗弯拉要求。 （4）底基层层底拉应力验算

三层体系转化图示如图4-3-6所示。 h1=4cmh2=6cmh3=6cmh4=34cmh5=20cm土基 E1=2000MPaE2=1800MPaE3=1400MPaE4=1500MPaE5=750MPaE0=45MPah1=？cmH=20cm土基 E1=1500MPaE2=750MPaE0=45MPa 图图4-3-6 底基层弯拉应力三层体系换算图4-3-6 底基层弯拉应力三层体系换算图 上层厚度：h=50.477cm 根据（4）中各参数查《路基路面工程》（邓学钧主编 张登良主审，人民交通出版社）第363页图14-19得??0.42Mpa，n1?1.13，n2?0.23

从而，?m?0.7?0.42?1.13?0.23?0.0764??R?0.1125Mpa， 所以底基层满足抗弯拉要求。

通过计算可知方案一的路面总厚度为4+6+6+1+34+20=71cm。 二）方案二

路面结构及计算参数如下表：

表4-3-5 路面结构及计算参数 层厚度200C抗压回弹模量150C抗压回弹模量材料名称 (cm) (MPa) (Mpa) 次 1 AK-13A 4 1400 2000 2 6 1200 1600 AC-20Ⅰ 3 6 1000 1400 AC-30Ⅱ 4 水稳碎石） ? 1500 1500 5 灰土（10%）20 550 550 6 45 45 土基 —— 计算过程同方案一，各计算参数为： 路面设计弯沉值：ld=21.50（0.01mm） 综合修正系数：F=0.530 理论弯沉系数：?c=3.806

水泥稳定碎石层计算厚度：h4=35.023cm,取36cm。 经验算，该方案面层、基层弯拉应力均满足要求。

综上可知，方案二路面总厚度为：4+6+6+36+20+1=73cm

劈裂强度(MPa) 1.4 1.0 0.8 0.5 0.225 —— 2.1.4 方案比较确定

通过以上分析，方案一和方案二两者的总体厚度相差不大，从技术指标上比较，两种方案均可采用，都能满足技术要求而且厚相差不大。两种结构层面层相同，所以主要从基层、

10

底基层的材料上比较。该地区有大量的粉煤灰，和大量的石灰岩及灰绿岩，也同样有大型的水泥生产厂。所以从材料上看，采用两种方案均可。但是，从价格上比较，粉煤灰和石灰粉是非常廉价的。从施工和设计上考虑该地区在修建高速公路时大多采用二灰结石基层。从经济上考虑，最终确定基层采用方案一（二灰结石层）。底基层采用稳定性较好而且原料丰富的二灰土。

本路段经过的地区在每年的7～10月份降雨相对集中，且年平均降雨量达884.0mm。 综合考虑材料、施工条件及经济等方面因素，最终确定路面类型和结构层组合为道路面层上层选择4cm AK－13A细粒式沥青混凝土抗滑表层，中面层选择6cm AC-20Ⅰ型中粒式沥青混凝土, 下面层选择6cm AC-30Ⅱ粗粒式型沥青混凝土；基层采用34cm二灰碎石；底基层采用20cm二灰土。在基层上设置沥青封层，封层沥青材料采用PC-2，厚度为1cm如图4-3-7所示： 4cm AK－13A细粒式沥青混凝土6cm AC-20Ⅰ型中粒式沥青混凝土6cm AC-30Ⅱ型粗粒式沥青混凝土1cm下封层4cm 二灰碎石基层cm 二灰土底基层图4-3-7 沥青混凝土路面结构层 图4-3-7 沥青混凝土路面结构层

11