路基路面工程课程设计1.docx
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路基路面工程课程设计1.docx
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路基路面工程课程设计1
《路基路面工程》课程设计指导书
Ⅰ、设计目的
《路基路面工程》是高等学校土木工程领域中公路工程、城市道路工程、桥梁隧道工程、机场工程等专业的重要必修课。
课程涉及内容宽泛并与工程实践联系密切,拥有必定的地区特点。
本课程是一门理论与实践并重、工程性较强的课程,讲解本课程除了系统的讲堂教课之外,应配合组织实地参观、实物鉴识、课程设计及施工实习等协助教学环节,以提升学生的感性认识和系统的接受能力。
路基路面课程设计是学生在学习完《路基路面工程》课程后的、教学计划中的一个重要环节,是学生在此后做好毕业设计的前提条件。
课程设计的主要目的是:
1.使学生巩固已学专业知识,系统地了解和掌握本专业工作的程
序和内容,并进一步学会综合运用所学到的理论知识。
2.通过查阅相关资料,提高学生查阅科技文件、专业技术资料和编写设计文件的能力。
3.进一步培养学生设计、绘图和运算等基本技能。
使学生能独立解决与本专业有关的一些问题。
路基路面课程设计的内容很多,主要包含:
一般路基设计、特殊
路段路基设计、路基防备及支挡结构设计、路基排水设计和路面设计等。
根据教学条件和时间限制,主要安排路面设计,以培养学生的设计能力。
Ⅱ、设计原始资料
某地域拟新建一条汽车专用二级公路,经检查得,沿线所在地域
的地质资料为:
0~1.2m为普通粘土(Ⅱ级),1.2m以下为次坚石(Ⅴ级);
地下水均匀埋深2.5m;多年平均最大冻深2.0m;该路路基平均填土高度1.5m;近期交通量以下表所示。
交通量年均匀增加率为5%~10%(自己制定),沿线各种材料供给充分,施工工期为一年,试设计该路路面。
要求按柔性路面(使用年限15年)或刚性路面(使用年限
25年)进行设计。
交通量表(仅作参考,自己制定)
车型
黄河
跃进
解放
东风
上海
日野
小汽车
JN150
NJ130
CA10B
EQ140
SH130
KF300D
辆/日
500~800
300~900
650~900
800~1400
400~800
300~600
800~1200
III、设计内容及步骤
路面设计的主要内容包括:
原材料的选择、混合料配合比设计
和设计参数的测试与确立,路面类型、路面结构层组合与厚度计算,以及路面结构的方案比选等。
下面分别介绍沥青路面和水泥混凝土路面的设计步骤。
一、沥青路面的设计步骤:
1)依据设计任务书的要求及交通量的大小,确定路面等级和面层类型,计算设计年限内一个车道的累计当量轴次Ne和设计弯沉值ld。
k
435
Pi
轴载换算公式:
N1
C1C2ni
P
i
1
1
t
1
365
累计当量轴次:
Ne
N1
设计弯沉值:
l
d
600N
e
02AAA
b
cs
2)进行路段区分,依据各路段所处自然区划、路基土类型与干
湿类型,确立各路段土基回弹模量值E0。
3)依据已有经验和规范推荐的路面结构,制定几种可能的路面结构组合与厚度方案,确立各结构层材料的设计参数。
4)依据设计弯沉值计算路面厚度,验算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。
若不满足要求,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,提升资料极限抗拉强度,再从头计算。
各层资料的容许层底拉应力:
RSP/KS
式中:
SP为各层资料的劈裂强度;
KS为抗拉强度系数,关于沥青混凝土面层:
KS=0.09Aa·Ne0.22/Ac
对无机联合料稳固集料类:
KS=0.35Ne0.11/Ac
对无机联合料稳固细粒土类:
KS=0.45Ne0.11/Ac
5)关于季节性冰冻地区的高级和次高级路面,尚应验算防冻厚
度是否满足要求。
6)为了防备高温季节道路交错口、泊车场等汽车常常启动、制动地方沥青面层产生推挤和拥包等破坏现象,尚应验算沥青面层资料的剪应力能否知足要求。
7)进行技术经济比较,确定采用的路面结构方案。
二、水泥混凝土路面的设计步骤:
1)进行交通量分析,计算设计年限内一个车道的标准轴载累计作用次数Ne。
n
Pi
16
轴载换算公式:
NS
iNi100
i1
1
t
1
365
标准轴载累计作用次数:
Ne
NS
2)依据道路的交通繁重程度,结合当地环境条件和资料供应状况,进行路面结构层组合设计。
它包括:
土基、垫层、基层和面层的结构组合设计,各层的路面结构种类、弹性模量和厚度。
3)依据设计标准的要求,确定满足设计年限内使用要求所需的
混凝土面层的厚度。
4)依据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力作出板的平面尺寸设计,确定接缝的地点,设计接缝的结构,并采纳有效举措提升接缝的传荷能力。
5)路肩设计。
高速公路和二级公路中间带和路肩路缘带的结构应与行车道的混凝土路面相同,并与行车道部分的混凝土面板浇筑成整体。
路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混合料面层,其基(垫)层结构应知足行车道路面结构和排水的要求。
一般公路的混凝土路面应设置路缘石或加固路肩,路肩加固可采用沥青混合料或其它材料。
6)一般混凝土路面的钢筋配筋率设计。
当混凝土路面板较长或交通量较大时、地基有不均匀沉降或板的形状不规则时,可沿板的自由边缘加设补强钢筋,在角隅处加设发针形钢筋或钢筋网,以阻止可能出现的裂痕。
IV、设计要求
1.设计任务下达后,即应着手进行设计资料的采集及调查分析工作。
2.应充散发挥独立工作的能力和研究精神,要发扬理论联系实际的学
风,培养剖析问题和解决问题的能力。
在设计阶段,除参照已学教材外,还应进一步查阅有关规范、文件和其他书籍,扩大知识面,培育综合运用专业知识解决工程实际问题的能力。
3.文字说明要求简短扼要,能说明问题。
图纸规格和表达图式应采纳规定或习用符号。
4.恪守纪律,团结友爱,每天准时到设计室,设计室要保持肃静和洁净。
5.在课程设计结束后,准时上交结构设计图及设计说明书一本。
水泥混凝土路面设计
一、交通剖析
1、轴载剖析
路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载。
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
轴载换算采纳以下计算公式:
n
Ns
iNiPi/10016
i1
计算结果以下表
表1
车型
Pi(KN)
αi
Ni(辆/日)
标准轴载作用次数Ns
黄河JN150
前轴
49.00
1
800
0.0
后轴
101.60
1
800
1031.3
解放CA10B
后轴
60.85
1
800
92.2
江淮HF150
后轴
101.5
1
400
507.6
n
/10016
Ns
iNiPi
1631.1
i1
(2)累计当量轴次
依据设计任务书,使用年限为25年,查公路水泥混凝土路面设计规范二级
公路车轮轮迹横向散布系数η取0.39。
使用期内的交通量均匀增加率为γ=8%。
累计当量轴次:
Ns[
(1)t
1]365
1631.1[(10.08)201]365
0.391.0610
7
次
Ne
0.08
属重交通等级。
二、初拟路面结构
初拟一般混凝土面层厚度为25cm,取一般混凝土面层的弯拉强度标准值为
fcm5.0MPa相应弯拉弹性模量标准值为Ec30103MPa。
基层采纳水泥稳固粒料(水泥用量5%),厚18cm。
垫层为15cm低剂量无机混淆料稳固土,
一般混凝土板的平面尺寸为宽4.5m,长5.0m.纵缝为设拉杆平缝,平缝为设传力
杆的假缝。
三.路面资料参数确立
查表取一般混凝土弯拉强度标准值为5.0Mpa,相应弯拉弹性模量标准值为
31Gpa。
路基回弹模量取30Mpa,低剂量无机混淆料稳固土垫层回弹模量取
600Mpa,水泥稳固粒料基层回弹模量取1400Mpa。
计算基层顶面当量回弹模量:
Ex
h12E1
h22E2
13000.182
600
0.152
1013MPa
h12
h22
0.182
0.152
E1h13
E2h23
h1
h2
1
1
1300
0.183
Dx
1
12
12
4
E1h1
E2h2
12
600
0.153
0.18
2
1
1
1
0.15
2.57MNm
12
4
1300
0.18
600
0.15
hx
3
12Dx/Ex
3
12
2.57/1013
0.312m
Ex
0.45
1013
0.45
a
6.221
1.51
6.22
1
1.51
4.293
E0
30
Ex
0.55
1013
0.55
b
1
1.44
1
0.792
E0
1.44
30
1/3
1/3
Et
ahxbE0
Ex
4.293
0.3120.792
30
1013
165MPa
E0
30
一般混凝土面层的相对
刚度半径计算为
r
0.537h3
Ec/Et
0.537
0.22
331000/1650.677m
四、荷载疲惫应力
标准轴载在临界荷界处产生的荷载应力计算为
ps0.077r0.6h2
0.0770.6770.6
0.252
0.975MPa
因纵缝为设拉杆平缝,接缝传荷能力的应力折减系数Kr0.87。
考虑设计基准期内荷载应力累计疲惫作用的疲惫应力系数
KfNen
(1.06107)0.057
2.51
考虑偏载和动载等要素对路面疲惫破坏影响的综合系数Kc1.20
荷载疲惫应力计算为
prKrKfKcps0.872.511.200.9752.56MPa
五、温度疲惫应力
最大温度梯度标准值Tg
公路自然区划
Ⅱ,Ⅴ
Ⅲ
Ⅳ,Ⅵ
Ⅶ
最大温度梯度
83~88
90~
95
86~92
93~98
(C/m)
由上标知,Ⅱ区最大温度梯度取88(C/m),板长5m,l/r=5/0.677=7.39,查得普
通混凝土板厚h=0.25m,Bx=0.71。
最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算
为tm
cEchTgBx
1105
310000.25880.712.42MPa
2
2
温度疲劳应力系数Kt,经计算查表可得,自然区划为Ⅱ区,式中
a=0.828,b=0.014,c=1.323,Kt为
fm
c
5.0
1.323
a
tm
b
2.42
Kt
fr
0.828
0.0410.648
tm
2.13
5.0
温度疲惫应力为
trKttm0.6482.421.57MPa
查表得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同等级为中
级,目标靠谱度为85%,依据查得的目标靠谱度和变异水同等级,查表确立靠谱
度系数r1.13
rprtr1.132.621.574.73MPafr5.0MPa
所以所选混凝土面层厚度25cm能够蒙受设计基准期内荷载应力和温度应力的综
合疲惫作用。
五、路肩设计
高速公路和一级公路中间带和路肩路缘带的结构应与行车道的混凝土路面同样,本公路为二级公路,故采用与行车道相同的混凝土路面,并与行车道部分的混凝土面板浇筑成整体,具体平面布置见混凝土路面设计结构图。
六、配筋设计
混凝土板纵横向自由边边沿下的基础,如可能产生较大变形时,可沿板边沿加设计补强钢筋、角隅处加设发针形钢筋,或钢筋网。
边沿补强钢筋、发针形钢筋、钢筋网布置见附图。
沥青路面设计
一.轴载剖析
路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载。
1.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轴载换算:
计算结果以下表所示:
轴载换算结果表(弯沉)
4.35
Pi
车型
Pi(KN)
C1
C2
(辆/日)
C1C2ni
P
(辆/日)
黄河
前轴
49.0
1
1
300
13.5
JN150
后轴
101.6
1
1
300
321.5
日野
前轴
40.75
1
1
450
9.0
KF300D
后轴
79.0
1
2.2
450
355.1
解放CA10B
后轴
60.85
1
1
800
92.2
尼桑
前轴
49.85
1
1
400
19.3
CK201
后轴
100.0
1
1
400
400
l
Pi
4.35
1210.6
N
i1
C1C2niP
注:
轴载小于25KN的轴载作用不计。
累计当量轴次
依据公路沥青路面设计规范,二公路沥青路面的设计年限取
12四车道的车道
系数η为0.4-0.5,取0.46
交通量均匀增加率为7%。
累计当量轴次:
Ne[
(1)t
1]365N1
[(10.07)121]3651210.60.46
3636001次
0.07
2.验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次
(1)轴载换算
验算半刚性基层层底拉应力,采纳以下计算公式:
k
C1'C2'ni(Pi)8
N'
i1
P
轴载换算结果表(半刚性基层层底拉应力)
表2
C1'C2'ni(Pi)8
P
车型
Pi(KN)
'
'
i(辆/日)
C1
C2
n
(辆/日)
黄河JN150
后轴
101.60
1
1
300
321.5
解放CA10B
后轴
60.85
1
1
800
92.2
尼桑CK201
后轴
100.00
1
1
400
400
日野KF300D
后轴
2×79.00
3
1
450
355.1
k
C1'C2'ni(pi)8
N'
1168.8
i1
p
注:
轴载小于50KN的轴载作用不计。
(2)累计当量轴次
[(1
)t
1]365
[(10.07)121]365
次
Ne
N1
1168.80.463510456
0.07
二.确立路面等级和面层种类
依据设计任务书的要求及交通量设计年限内累计标准轴次Ne=3636001次,由公路沥青路面设计规范表“路面种类的选择”二级公路路面等级为高级路面,面层种类为沥青混凝土。
三.路段的区分及土基回弹模量确实定
该路段处于东北地域П2区,为一般粘性土,路基临界高度H=2.5+1.5=4m>H1
=2.7m,故路基为干燥种类,查公路沥青路面设计规范表“土基干湿状态的稠度建议值”查得路基土处于干燥状态稠度ωc≥1.10,取1.15,查公路沥青路面设计规范表“二级自然区划各土组土基回弹模量参照值(MPa)”查得土基回弹模量E0
为31.5MPa。
3)结构组合与资料选用
由1)步的计算获得设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为3000万次左右〉1200万次。
依据公路沥青路面设计规范介绍结构,并考虑到公路沿途各样
资料供给充分,路面结构面层采纳沥青混凝土(17㎝),基层采纳水泥稳固集料
(30㎝),底基层采纳石灰土(厚度待定)。
公路沥青路面设计规范规定高速公路、二级公路的面层由二层至三层构成。
查
公路沥青路面设计规范的第四节沥青路面的沥青路面的4.2高级路面中的表“沥青混淆料种类的选择(方孔筛)”,采纳三层式沥青面层,表面层采纳细粒式密级配沥青混凝土(厚度4㎝),中面层采纳中粒式密级配沥青混凝土(厚度5㎝),下边层采纳粗粒式密级配沥青混凝土(厚度8㎝)。
各层沥青混淆料矿料级配及沥青用量范围(查公路沥青路面设计规范附录B“各样沥青面层的级配、资料规格及用量表”)结果列表以下:
经过以下筛孔(方孔筛,㎜)的质量百分率(
%)
沥
青
级配类
31.
26.
19
16
13
9.
4.
2.
1.
0.
0.
0.
0.0
用
量
型
37
.5
5
5
.0
.0
.2
5
75
36
18
6
3
15
75
(%)
粗
AC-
90
80
70
65
60
50
45
40
30
20
15
10
5
5
100
粒
30?
中
AC-
100
90
80
70
65
55
45
30
25
15
10
5
5
粒20?
本工程沥表均采纳道路石油沥青,沥混淆料的配合比设计应按马歇尔试验进行,因为没有实验条件,配合比设计在此不做,这里只把一些技术指标列于下表。
试验项目
沥青混淆料种类
高速公路、一级公路
击实次数(次)
沥青混凝土
两面各75
稳固度(KN)
?
型沥青混凝土
80
流值(0.1㎜)
?
型沥青混凝土
30
缝隙率(%)
?
型沥青混凝土
5
沥青饱和度(%)
?
型沥青混凝土
80
四.各层资料的抗压模量与劈裂
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