路基路面工程课程设计.docx

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路基路面工程课程设计

课程名称：

路面工程

设计题目：

路面设计

院系：

土木工程

专业：

年级：

2010级

姓名：

学号：

指导教师：

成绩指导教师（签章）

2012年12月8日

西南交通大学峨眉校区

第1章任务书和指导书

1.1设计任务书

拟从昆明到攀枝花修建一条二级公路，所在地区的自然区划属V4区，采用沥青混凝土路面。

已知资料如下：

预计竣工后第一年双向平均日交通量如表1。

经过调查，预期交通量平均年增长率为r（见表1和表2）。

沥青路面设计中，车道系数η选用0.45。

路基土质为粉质土，在春季不利季节调查得知地下水位离地面1.0m，路基填土高度1.5m。

任务：

可行性研究阶段，设计沥青路面和水泥混凝土路面各2种方案。

　　　表1第一年双向平均日交通量

车型

前轴重

（kN）

前轴数

前轴

轮组数

后轴重

（kN）

后轴数

后轴

轮组数

后轴

轴距

交通量

（辆/日）

黄河QD352

49.8

1

单

95.8

1

双

-

Q1

交通SH-141

23.0

1

单

2×82.5

2

双

2.6m

Q2

东风EQ144

25.70

1

单

2×90.1

2

双

3.1m

Q3

罗曼SQ9251

50.0

1

单

3×111.3

3

双

2.4m

Q4

表2交通量以及年平均增长率

学号末尾2位数k

Q1

Q2

Q3

Q4

r（%）

00-33

450-k

440-k

380-k

80-k

5.2+0.01k

34-66

400-k

380-k

400-k

10+k

5.9-0.01k

67-99

300+k

320+k

350+k

k

6-0.01k

1.2设计指导书

设计按照我国现行的《公路沥青路面设计规范》JTGD50－2006和《公路水泥混凝土路面设计规范》JTGD40－2002进行。

1.2.1沥青路面设计的步骤

⑴根据设计要求，按弯沉或弯拉指标分别计算设计年限内一个车道的累计标准当量轴次，确定设计交通量与交通等级，拟定面层、基层类型，并计算设计弯沉值或容许拉应力。

⑵按路基土类与干湿类型及路基横断面形式，将路基划分为若干路段，确定各个路段土基回弹模量设计值。

（采用临界高度法）

⑶参考本地区的经验拟定几种可行的路面结构组合与厚度方案，根据工程选用的材料进行配合比试验，测定各结构层材料的抗压回弹模量、劈裂强度等，确定各结构层的材料设计参数。

⑷根据拉应力设计指标采用多层弹性体系理论设计程序计算或验算路面厚度。

高速公路、一级公路、二级公路路面结构，以弯沉和沥青混凝土面层和半刚性基层材料的基层、底基层的拉应力为设计指标。

三级公路和四级公路路面结构，以弯沉为设计指标。

如不满足要求，或调整路面结构层厚度，或变更路面结构组合，或调整材料配合比，选用极限抗拉强度高的材料，再重新计算，直到满足要求为止。

⑸对于季节性冰冻地区冰冻区各级公路的中湿、潮湿路段，应迸行防冻厚度验算是否符合要求。

⑹进行技术经济比较，确定路面结构方案。

1.2.2普通混凝土路面设计的步骤

（1）收集并分析交通参数

收集日交通量和轴载组成数据，确定方向系数和车道系数，进行标准轴载换算，计算设计车道标准轴载日作用次数；由此确定道路的交通分级，选定设计年限、交通量年平均增长率和轮迹横向分布系数，计算使用年限内标准轴载的累计作用次数。

（2）初拟路面结构

初选路面结构层次、类型和材料组成；拟定各层的厚度、面层板平面尺寸和接缝构造。

（3）确定材料参数

进行材料试验或查表确定混凝土的设计弯拉强度和弹性模量，基层、垫层和路基的回弹模量，从而确定基层顶面的当量回弹模量。

（4）计算荷载疲劳应力

由应力计算图或公式得到标准轴载作用下板边缘中部的最大荷载应力；按接缝类型选定接缝传荷系数，按标准轴载累计作用次数计算得

到疲劳应力系数；按公路等级选定综合系数；综合上述计算结果可得到荷载疲劳应力。

（5）计算温度疲劳应力

由所在地公路自然区划选择最大温度梯度；按路面结构和板平面尺寸计算最大温度梯度时的温度翘曲应力；按自然区划和σtm/fr确定温度应力累计疲劳作用系数；由此计算确定温度疲劳应力。

（6）检验初拟路面结构

当荷载疲劳应力同温度疲劳应力之和与可靠度系数的乘积小于且接近于混凝土弯拉强度标准值时，则初选厚度可作为混凝土板的计算厚度。

否则，应改选混凝土板厚度，拟定新的结构，重新计算，直到满足要求为止。

第2章沥青路面设计

表1.预算交通量组成

车型

前轴重

（kN）

前轴数

前轴

轮组数

后轴重

（kN）

后轴数

后轴

轮组数

后轴

轴距

交通量

（辆/日）

黄河QD352

49.8

1

单

95.8

1

双

-

337

交通SH-141

23.0

1

单

2×82.5

2

双

2.6m

317

东风EQ144

25.70

1

单

2×90.1

2

双

3.1m

337

罗曼SQ9251

50.0

1

单

3×111.3

3

双

2.4m

73

表2.轴载换算结果汇总表（以弯沉为标准时）

车型

黄河QD352

前轴

49.8

1

6.4

337

104

后轴

95.8

1

1

337

279.6

交通SH-141

前轴

23

1

6.4

317

3.4

后轴

82.5

2.2

1

317

302

东风

EQ144

前轴

25.7

1

6.4

337

5.8

后轴

90.1

2

1

337

428

罗曼

SQ9251

前轴

50

1

6.4

73

23

后轴

111.3

3.4

1

73

395.4

合计

1541.2

根据已知二级公路设计年限为12年和车载系数

，

=5.27％则累计当量轴次为：

=4092841次

表3.轴载换算结果汇总表（半刚性层底拉应力验算）

车型

黄河QD352

前轴

49.8

1

18.5

337

23,6

后轴

95.8

1

1

337

239.1

交通SH-141

前轴

23

1

18.5

317

0.05

后轴

82.5

3

1

317

204.1

东风

EQ144

前轴

25.7

1

18.5

337

0.1

后轴

90.1

2

1

337

292.7

罗曼

SQ9251

前轴

50

1

18.5

73

5.3

后轴

111.3

5

1

73

859.5

合计

1624.45

=4313921次

2）路面结构组合设计

经计算，路面设计使用年限内一车道上累计标准轴次为400

次左右，以面层宜选用沥青混凝土，又由于该路面等级为二级，所承受交通较轻，因采用三层式结构，面层表层采用细粒式密级配沥青混凝土厚3cm，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土厚4cm，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土厚3cm，基层选用二灰砂砾，地基层采用二灰土，各层数据如下，

材料名称

厚度/cm

弯沉抗压模量/Mpa

拉应力抗压模量/Mpa

劈裂强度/MPa

细粒式沥青混凝土

3

1400

2000

0.8

中粒式沥青混凝土

4

1200

1800

0.65

粗粒式沥青混凝土

3

1000

1400

0.225

二灰砂砾

20

1400

3600

0.7

二灰土

—

600

900

0.25

3）土基回弹模量的确定

该路处于V4区，路槽底距地下水位高度平均为1.5+1=2.5m

属于干燥路基，平均稠度取0.9，查表得回弹模量

4）设计指标的确定

1.设计弯沉

一级公路，取

，面层为沥青混凝土，取

半刚性材料厚度大于20cm，取

2各验算层材料容许拉应力

细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

二灰砾碎

石灰土

5）设面各设计参数汇总

表4.经计算路面设计弯沉值为26.85（0.01mm）,路计参数如表

材料名称

厚度/cm

弯沉抗压模量/Mpa

拉应力抗压模量/Mpa

劈裂强度/MPa

容许拉应力∕MPa

细粒式沥青混凝土

4

1400

2000

0.8

0.51

中粒式沥青混凝土

5

1200

1800

0.65

0.365

粗粒式沥青混凝土

8

1000

1400

0.225

0.292

二灰砂砾

20

1500

3600

0.65

0.335

石灰土

—

550

1500

0.225

0.09

旧路检测轴载及其对应弯沉轴重（KN）弯沉（0.01mm）

1项目类型参数项目类型新建项目

2设计弯沉（0.01mm）已知

3验算内容验算方式弯拉应力验算

4弯沉参数设置设计弯沉（0.01mm）26.85

5交通参数设置公路等级一级公路

6路面等级高级路面

7土基模量参数土基模量（MPa）27

8泊松比.35

9结构组合（基层&垫层）层号1

10是否控制层位否

11材料类型沥青混凝土类

12材料名称细粒式密级配沥青混凝土

1315度材料模量（MPa）2000

1420度材料模量（MPa）1400

15材料厚度（cm）4

16泊松比.25

17容许弯拉应力（MPa）.51

18层号2

19是否控制层位否

20材料类型沥青混凝土类

21材料名称中粒式密级配沥青混凝土

2215度材料模量（MPa）1800

2320度材料模量（MPa）1200

24材料厚度（cm）5

25泊松比.25

26容许弯拉应力（MPa）.365

27层号3

28是否控制层位否

29材料类型沥青混凝土类

30材料名称粗粒式密级配沥青混凝土

3115度材料模量（MPa）1400

3220度材料模量（MPa）1000

33材料厚度（cm）8

34泊松比.25

35容许弯拉应力（MPa）.292

36层号4

37是否控制层位否

38材料类型沥青混凝土类

39材料名称1erhui

4015度材料模量（MPa）3600

4120度材料模量（MPa）1500

42材料厚度（cm）20

43泊松比.25

44容许弯拉应力（MPa）.335

45层号5

46是否控制层位是

47材料类型沥青混凝土类

48材料名称erhui

4915度材料模量（MPa）1500

5020度材料模量（MPa）550

51最小材料厚度（cm）10

52最大材料厚度（cm）80

53泊松比.25

54容许弯拉应力（MPa）.09

55计算结果—————————————————————————————

56路面设计弯沉值（0.01mm）26.85

57路面结构的实测弯沉值（0.01mm）23.0207

58路面第1层厚度（cm）4

59路面第2层厚度（cm）5

60路面第3层厚度（cm）8

61路面第4层厚度（cm）20

62路面第5层厚度（cm）42.80005

63设计控制层厚度（cm）42.80005

64第1结构层顶面施工控制弯沉（0.01mm）23.0207

65实际路面结构第1层底最大拉应力（MPa）0

66第2结构层顶面施工控制弯沉（0.01mm）23.51199

67实际路面结构第2层底最大拉应力（MPa）0

68第3结构层顶面施工控制弯沉（0.01mm）24.0587

69实际路面结构第3层底最大拉应力（MPa）0

70第4结构层顶面施工控制弯沉（0.01mm）25.44343

71实际路面结构第4层底最大拉应力（MPa）.0833477

72第5结构层顶面施工控制弯沉（0.01mm）30.5233

73实际路面结构第5层底最大拉应力（MPa）8.963625E-02

74土基层顶面施工控制弯沉（0.01mm）345.0174

6）计算石灰土层厚度

沥青路面设计专用程序，在采用输入设计完成以及以上设计参数后，计算石灰土底基层厚42.8cm,此时路面结构路表实际弯沉值为23.02（0.01mm）,沥青面层的层底为压应力，二灰碎石基层底面的最大拉应力为0.083MPa，石灰土底基层底面最大拉应力为0.089MPa,均小于容许应力，因此路面厚度满足设计要求。

第3章普通水泥混凝土路面设计

（1）设计资料

设计荷载Ps=100KN,查规范可知二级公路的设计基准期为20年，最重轴载Pm=111.3kn年增长率r=5.21%，安全等级为二级。

车型

轴位

每根轴重

交通量

设计轴载的作用次数

总次数

黄河QD352

前轴

49.8

337

0.0048

后轴

95.8

337

169.620

交通SH-141

前轴

23

317

0.00000002

后轴

82.5

317

14.599

东风

EQ144

前轴

25.7

337

后轴

90.1

337

63.566

罗曼

SQ9251

前轴

50

73

0.0011

后轴

111.3

73

404.805

652.6

由二级公路，宽9m查表可知临界荷载位处的车辆轮迹横向分布系数取0.39.

标准荷载累积作用次数为

由规范表3-0-7可以得到为重交通荷载等级

（二）初拟定路面结构

由规范表4-3，初拟定混凝土板厚24cm，基层选用水泥稳定砂砾，厚20cm，E1=400MPa。

垫层为天然砂砾，厚18cm，E2=150Mpa。

板平面尺寸选为4.5m×3.5cm，纵缝为设拉杆的平缝，横缝为不设传力杆的缩缝（假缝）。

路肩面层与行车道面层等厚并设拉杆相连。

（三）板和地基模量值的确定

按表14-7，取混凝土的设计弯拉强度为5.0Mpa，弯拉弹性模量EC=30Gpa,泊松比为0.15.查附录E表E.0.3-2,粗集料为花岗岩的混凝土线膨胀系数

查表E.1,取低液限粉土路基回弹模量100mpa，取地下水位1m时的湿度系数为0.80，由此得到路床顶综合回弹模量为100×0.80=80Mpa。

水泥稳定性砂砾基层的弹性模量取2000MPa，泊松比为0.20，天然砂砾回弹模量取250MPa，泊松比0.35。

计算板底地基综合回弹模量如下：

板底地基综合回弹模量取125MPa。

混凝土面层的弯曲刚度

、半刚性基层板的弯曲刚度

、路面结构总相对刚度半径

为

（4）荷载应力

标准轴载和极限荷载在临界位处产生的荷载应力为：

计算面层荷载疲劳应力，计算面层最大荷载应力，

其中：

应力折减系数

综合系数

；疲劳系数

（五）、温度应力

由表3.0.10，最大温度梯度取85℃/m,计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数

.

计算面层最大温度应力;

根据所在环境为V4区查表得

计算温度疲劳应力：

（6）结构界限状态校核

二级安全等级，低变异系数水平条件下，可靠度系数

校核路面结构极限状态是否满足条件;

拟定的有计算厚度0.24m的普通混凝土面层和厚度0.2m的水泥稳定基层组满足要求，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，以及最重荷载在最大温度梯度时的一次作用。

去混凝土面层设计厚度为0.246m。

参考文献

[1]《路基路面工程》，邓学钧.人民交通出版社出版，2005，第二版

[2]《公路沥青路面设计规范》（JTJD50-2006），中交公路规划设计院.人民交通出版社，2006

[3]《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJD40-2002），中交公路规划设计院.人民交通出版社，2002