路基路面工程课程设计新建沥青混凝土路面设计.docx
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路基路面工程课程设计新建沥青混凝土路面设计
山东交通学院
路基路面工程课程设计
院(系)别 xxxxxxxxxx
专业 xxxxxxxxxxxxxx
班级xxxxxxx
学号 xxxxxxxxx
姓名 xxx
指导教师 xxxx
成绩
二○○九年六月
一.新建沥青混凝土路面设计
1、交通分析及设计弯沉值的确定。
1.1轴载分析
设计年限内一个车道的累计当量轴次数计算(确定路面等级)。
车型
前轴重
后轴重
后轴数
后轴组轮数
后轴距
交通量
黄河JN150
49
101.6
1
双轮组
620
日野KB222
50.2
104.3
1
双轮组
110
太脱拉138
5104
80
2
双轮组
<3
69
东风EQ140
23.7
69.2
1
双轮组
400
跃进NJ131
20.2
38.2
1
双轮组
600
三湘CK6560
13
25.6
1
双轮组
1058
金陵JL6121S
48.3
50.2
2
双轮组
>3
280
交通调查资料为2013年,设计年限起算年为2015年,交通量年平均增长率为7%
1.1.1当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时,各级轴载Pi的作用次数ni,匀应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N。
匀应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N。
根据《公路沥青路面设计规范》公式3.1.2-1
N为交通调查年的日交通量
所以设计起算年的日交通量为
N1=N(1+γ)2
=1297×(1+7%)2
=1485(次/日)
计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次数
拟建高速公路,路面的设计年限为15年,车道系数η,见万德臣编著的《路基路面工程》第354页表16.2.3,取η=0.5。
所以2015年——2030年的轴载次数是
1级轴载Pi的作用次数ni,匀应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N
1.1.2当进行半刚性基层层底拉应力验算时,各按《道路公程》2.3.7得
N为交通调查年的日交通量
所以设计起算年的日交通量为
N2=N(1+γ)2
=1157×(1+7%)2
=1325(次/日)
所以2015年——2030年的轴载次数是
1.2路面设计弯沉值的计算
根据万德臣编著的《路基路面工程》364页的路面设计弯沉值公式(16.6.3公式)计算。
该公路为一级公路,公路等级系数取1.0,面层是沥青混凝土,面层类型系数取1.0,半刚性基层、底基层总厚度大于20cm,基层类型系数取1.0.
ld=600Ne-0.2AcAsAb
=600×6810279-0.2×1×1×1
=25.79(0.01mm)
AC:
公路等级系数高速公路去1.0;
AS:
面层类型系数,沥青混凝土面层为1.0:
沥青表面处治为1.2;中、低级路面为1.3;
Ab基层类型系数,对于半刚性基层为1.0;
Ne:
设计年限内一个车道上的累计当量轴次数6810279次。
2、土基回弹模量的确定
按路基土类与干湿类型,确定该路段土基弹性模量。
2.1由原始材料可知:
路床表面至地下水位的高度H=2.2m,土地区所在的自然区为Ⅱ2,地段地质组为泥质砂岩,夹石英砂岩,上覆亚黏土。
查万德臣编著的《路基路面工程》第19页表2.2.4得2.7m〉H〉2.0m,土基的干湿类型属中湿类型。
查表2.2.2得土的稠度约为1.05。
由表16.6.2“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值为28.0MP
3.结构组合与材料的初选定
因为设计年限内一个车道上的累计当量轴次数约为700万次左右,路面结构面层采用沥青混凝土(15cm),基层采用二灰稳定集料(?
),底基层采用石灰土(25cm)
---------------------------------------
面层沥青混凝土15cm
-----------------------------------------
基层二灰稳定集料?
-----------------------------------------
底基层石灰土25cm
-----------------------------------------
拟订路面组合与厚度为
----------------------------------------
细粒式沥青混凝土4cm
-----------------------------------------------
中粒式沥青混凝土5cm
-----------------------------------------------
粗粒式沥青混凝土6cm
----------------------------------------------
石灰粉煤灰碎石?
---------------------------------------------
石灰土25cm
-----------------------------------------
4、各层材料抗压模量与劈裂强度的确定
查万德臣编著的《路基路面工程》第342页表16.6.5,得到各种材料的抗压模量和劈裂强度,见下表:
材料
名称
沥青针入度/(0.1mm)
抗压模量/MPa
劈裂强度/MPa
20℃
15℃
细粒式密级配沥青混凝土
≤90
1400
2000
1.4
中粒式密级配沥青混凝土
≤90
1200
1800
1.0
粗粒式密级配沥青混凝土
≤90
1000
1400
0.8
石灰粉煤灰碎石
——
1500
1500
0.65
石灰土
——
550
550
0.23
5.相关设计指标的确定
对于二级公路,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。
1)设计弯沉值
=25.79(0.01mm)
2)各层材料的容许层底拉应力为
相关公式见万德臣编著的《路基路面工程》第371页
其中,
:
沥青混凝土或半刚性材料在规定温度或龄期(MPa)
:
抗拉强度结构系数;Aa:
沥青混凝土级配类型系数细、中粒式沥青混凝土为1.0;粗粒式为1.1;Ac:
公路等级系数,二级公路取1.10;Ne=6810279次(用于沥青混凝土面层的计算);
=
次(用于半刚性材料的计算)
细粒式、中粒式密集配沥青混凝土Ks
粗粒式密集配沥青混凝土Ks
石灰粉煤灰碎石Ks
石灰土Ks
带入公式计算其容许拉应力。
细粒式沥青混凝土:
中粒式沥青混凝土:
粗粒式沥青混凝土:
石灰粉煤灰碎石
石灰土
6、设计资料总结:
材料
数值
厚度/cm
20℃模量/MPa
15℃模量/MPa
劈裂强度/MPa
容许拉应力/MPa
细粒式密级配沥青混凝土
4
1400
2000
1.4
0.49
中粒式密级配沥青混凝土
5
1200
1800
1.0
0.39
粗粒式密级配沥青混凝土
6
1000
1400
0.8
0.25
石灰粉煤灰碎石
?
1500
1500
0.65
0.33
石灰土
25
550
550
0.23
0.09
7、确定石灰粉煤灰碎石层厚度
运用HPDS2003公路路面设计程序系统进行计算。
计算机计算成果如下
**************************
*新建路面设计成果文件汇总*
**************************
轴轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算
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
1黄河JN15049101.61双轮组710
2东风EQ14023.769.21双轮组458
3跃进NJ13120.238.21双轮组687
4日野KB22250.2104.31双轮组126
5太脱拉13851.4802双轮组<379
6三湘CK65601325.61双轮组1211
7金陵JL6121S48.350.22双轮组>3321
设计年限15车道系数.5交通量平均年增长率7%
当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时:
路面竣工后第一年日平均当量轴次:
1486
设计年限内一个车道上累计当量轴次:
6814865
当进行半刚性基层层底拉应力验算时:
路面竣工后第一年日平均当量轴次:
1127
设计年限内一个车道上累计当量轴次:
5168475
公路等级高速公路
公路等级系数1面层类型系数1基层类型系数1
路面设计弯沉值:
25.8(0.01mm)
层位结构层材料名称劈裂强度(MPa)容许拉应力(MPa)
1细粒式沥青混凝土1.4.49
2中粒式沥青混凝土1.35
3粗粒式沥青混凝土.8.25
4石灰粉煤灰碎石.65.34
5石灰土.23.09
新建路面结构厚度计算
公路等级:
高速公路
新建路面的层数:
5
标准轴载:
BZZ-100
路面设计弯沉值:
25.79(0.01mm)
路面设计层层位:
4
设计层最小厚度:
15(cm)
层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MPa)抗压模量(MPa)容许应力(MPa)
(20℃)(15℃)
1细粒式沥青混凝土414002000.49
2中粒式沥青混凝土512001800.39
3粗粒式沥青混凝土610001400.25
4石灰粉煤灰碎石?
15001500.33
5石灰土25550550.09
6土基36
按设计弯沉值计算设计层厚度:
LD=25.79(0.01mm)
H(4)=20cmLS=28(0.01mm)
H(4)=25cmLS=24.8(0.01mm)
H(4)=23.5cm(仅考虑弯沉)
按容许拉应力验算设计层厚度:
H(4)=23.5cm(第1层底面拉应力验算满足要求)
H(4)=23.5cm(第2层底面拉应力验算满足要求)
H(4)=23.5cm(第3层底面拉应力验算满足要求)
H(4)=23.5cm(第4层底面拉应力验算满足要求)
H(4)=23.5cm(第5层底面拉应力验算满足要求)
路面设计层厚度:
H(4)=23.5cm(仅考虑弯沉)
H(4)=23.5cm(同时考虑弯沉和拉应力)
验算路面防冻厚度:
路面最小防冻厚度50cm
验算结果表明,路面总厚度满足防冻要求.
通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改,
最后得到路面结构设计结果如下:
----------------------------------------
细粒式沥青混凝土4cm
-----------------------------------------------
中粒式沥青混凝土5cm
-----------------------------------------------
粗粒式沥青混凝土6cm
----------------------------------------------
石灰粉煤灰碎石24cm
---------------------------------------------
石灰土25cm
-----------------------------------------
竣工验收弯沉值和层底拉应力计算
公路等级:
高速公路
新建路面的层数:
5
标准轴载:
BZZ-100
层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MPa)抗压模量(MPa)计算信息
(20℃)(15℃)
1细粒式沥青混凝土414002000计算应力
2中粒式沥青混凝土512001800计算应力
3粗粒式沥青混凝土610001400计算应力
4石灰粉煤灰碎石2415001500计算应力
5石灰土25550550计算应力
6土基36
计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值:
第1层路面顶面竣工验收弯沉值LS=25.4(0.01mm)
第2层路面顶面竣工验收弯沉值LS=28.1(0.01mm)
第3层路面顶面竣工验收弯沉值LS=31.8(0.01mm)
第4层路面顶面竣工验收弯沉值LS=36.7(0.01mm)
第5层路面顶面竣工验收弯沉值LS=111.3(0.01mm)
土基顶面竣工验收弯沉值LS=322.9(0.01mm)(根据“基层施工规范”第88页公式)
LS=258.8(0.01mm)(根据“测试规程”第56页公式)
计算新建路面各结构层底面最大拉应力:
第1层底面最大拉应力σ
(1)=-.219(MPa)
第2层底面最大拉应力σ
(2)=-.082(MPa)
第3层底面最大拉应力σ(3)=-.035(MPa)
第4层底面最大拉应力σ(4)=.124(MPa)
第5层底面最大拉应力σ(5)=.074(MPa)
通过计算机设计得到确定石灰煤渣矿渣层的厚度为24cm,实际路面结构的实测弯沉值为25.4cm(0.01mm)〈25.8cm,沥青面层的层底均受压应力,石灰粉煤灰碎石底面的最大拉应力为0.124Mpa<0.33Mpa,石灰土层层底的拉应力为0.074Mpa<0.09Mpa,上述计算结果均满足设计要求。
最终验算通过确定采用该路面结构方案。
二、新建水泥混凝土路面设计
1.交通分析
由万德臣编著的《路基路面工程》417页表18.3.2,二级公路的设计基准期为20年,安全等级为三级。
由418页表18.3.4,临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.39。
交通量的年增长率为9%,按式(18.3.5)计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为
Ne=
Ne=
=16029284(次)
属于重交通
2.初拟路面结构
由万德臣编著的《路基路面工程》417页表18.3.2,相应于安全等级的变异水平等级为中级。
根据二级公路、重交通等级和中级变异等级,根据表18.3.5,初拟普通混凝土面层厚度为0.22m。
基层选用水泥稳定粒料(水泥用量5%),厚0.18m。
垫层为0.15m石灰粉煤灰稳定土。
普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m,长5.0m。
纵缝为设拉杆平缝,横缝为设传力杆的假缝。
3.路面材料参数的确定
按万德臣编著的《路基路面工程》420页表18.3.6,取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa,相应弯拉弹性模量标准值为30GPa
路基回弹模量取30MPa。
低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取600MPa,水泥稳定粒料基层回弹模量取1300MPa。
按万德臣编著的《路基路面工程》419页(式18.3.6)计算基层顶面当量回弹模量如下:
Ex=
=
MPa
=1013MPa
Dx=
=
MN·m
=0.57MN·m
hx=
=
m
=0.312m
MPa
普通水泥混凝土面板的相对刚度半径按式(18.3.20)
m
4、荷载疲劳应力
按式(18.3.19),标准轴载在临界荷位产生的荷载应力计算为:
MPa
接缝传荷能力的应力折减系数kr=0.87考虑设计基准期内疲劳作用的疲劳应力系数kf=
。
根据公路等级,由表18.3.10,考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合的因素kc=1.20,
MPa
5、温度疲劳应力
由表(18.3.11),Ⅲ区最大温度梯度取95℃/m,板长为5m,l/r=5/0.699=7.15,由图18.3.2可查普通混凝土板厚h=0.22m,Bx=0.66。
按式(18.3.21),最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力:
Mpa
温度疲劳应力系数
,查表(18.3.12)得自然区Ⅲ区的回归系数a=0.855、b=0.041、c=1.355按式(18.3.23)计算为:
再由式(18.3.22)计算温度疲劳应力为:
(Mpa)
6、应力复核
查表18.3.2,二级公路的安全等级为三级,相应于三级安全等级的变异水平等级为中级,目标可靠度为85%,再据查得的目标可靠度和变异水平等级,查表18.3.13,确定可靠度系数γr=1.08。
按式(3.0.3)
因而,所选混凝土面层厚度(0.22m)可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。
说明:
若非特别指出,该设计过程中所用到的公式和表格都来之《公路水泥混凝土路面设计范》(JTGD40-2002)
三、旧路(沥青混凝土路面)改建设计
轴轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算
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
1黄河JN15049101.61双轮组520
2交通SH14125.5555.11双轮组1200
3太脱拉13851.4802双轮组<3360
4东风EQ14023.769.21双轮组220
设计年限12车道系数0.5交通量平均年增长率10%
当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时:
路面竣工后第一年日平均当量轴次:
1291
设计年限内一个车道上累计当量轴次:
5038298
当进行半刚性基层层底拉应力验算时:
路面竣工后第一年日平均当量轴次:
858
设计年限内一个车道上累计当量轴次:
3348458
公路等级二级公路
公路等级系数1.1面层类型系数1基层类型系数1
路面设计弯沉值:
30.1(0.01mm)
层位结构层材料名称劈裂强度(MPa)容许拉应力(MPa)
1中粒式沥青混凝土10.41
2粗粒式沥青混凝土0.80.3
3水泥稳定碎石0.50.3
改建路段原路面当量回弹模量计算
原路面实测弯沉值(0.01mm)
15811016015413897811377556
9583150139136591418214577
14414614969897893736079
146978985679656788990
10169908070
原路面有效弯沉数:
45
原路面平均弯沉值:
101(0.01mm)
原路面弯沉值标准差:
33(0.01mm)
测定汽车轴载100kN
改建公路等级二级公路
保证率系数1.5
原沥青面层厚度10(cm)
测定时路表温度与测定前5d日平均气温的平均值之和85(℃)
原路面基层类型:
粒料类或沥青稳定类基层
季节影响系数1.2湿度影响系数1温度修正系数.75
原路面计算弯沉值:
135(0.01mm)
原路面当量回弹模量:
121.5(MPa)
改建路面补强厚度计算
公路等级:
二级公路
加铺路面的层数:
3
标准轴载:
BZZ-100
路面设计弯沉值:
30.1(0.01mm)
路面设计层层位:
3
设计层最小厚度:
15(cm)
层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MPa)抗压模量(MPa)容许应力(MPa)
(20℃)(15℃)
1中粒式沥青混凝土412001800.41
2粗粒式沥青混凝土610001400.3
3水泥稳定碎石?
15001500.3
4改建前原路面40
按设计弯沉值计算设计层厚度:
LD=30.1(0.01mm)
H(3)=35cmLS=31.1(0.01mm)
H(3)=40cmLS=26.9(0.01mm)
H(3)=36.2cm(仅考虑弯沉)
按容许拉应力验算设计层厚度:
H(3)=36.2cm(第1层底面拉应力验算满足要求)
H(3)=36.2cm(第2层底面拉应力验算满足要求)
H(3)=36.2cm(第3层底面拉应力验算满足要求)
路面设计层厚度:
H(3)=36.2cm(仅考虑弯沉)
H(3)=36.2cm(同时考虑弯沉和拉应力)
通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改,最后得到路面结构设计结果如下:
---------------------------------------
中粒式沥青混凝土4cm
---------------------------------------
粗粒式沥青混凝土6cm
---------------------------------------
水泥稳定碎石36cm
---------------------------------------
改建前原路面
竣工验收弯沉值和层底拉应力计算
公路等级:
二级公路
加铺路面的层数:
3
标准轴载:
BZZ-100
层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MPa)抗压模量(MPa)计算信息
(20℃)(15℃)
1中粒式沥青混凝土412001800计算应力
2粗粒式沥青混凝土610001400计算应力
3水泥稳定碎石3615001500计算应力
4改建前原路面40
计算改建路面各加铺层顶面竣工验收弯沉值:
第1层路面顶
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- 路基 路面 工程 课程设计 新建 沥青 混凝土 设计