课程设计--路基路面工程

路基路面工程课程设计驻马店市（2）某一级公路桩号 K23+152-K23+178系 院： 建筑工程学院 学生姓名：姚增峰 学 号：0937110245 专 业：土木工程 年 级：09 级 完成日期：2011.12.21 指导教师：王 明 路基路面工程课程设计任务书一、驻马店市（2）某一级公路在桩号 K23+152K23+178 段。设计资料： 1、路基：填土为密实粘性土，容许承载力 =250KPa，f=0.40。 2、墙后填料：粘土，=23，=17.64 KN/m，C=18.72KPa。 3、挡土墙墙身材料：5 号砂浆砌片石，a=22.3KN/m，= /2，=2450 KMpa。 4、设计荷载：汽车 -20 级，挂车 -100。 5、路基宽度自拟 ，边坡坡度自拟。6、路槽地面距地下水位 1.3m,地面地下水位为 0.9m。二 路状调查资料：1 交通调查 在不利季节调查的双向四车道平均日交通量： 序号 车 型 总重（ KN 后轴重（ 后轴数 辆 / 日） KN ）1 解放 CA-10 B80.25 60.0 1 9002 黄河 JN-150 150.60 101.6 1 3603 日野 KB-211 147.55 100 1 1234 太脱拉 138 211.40 160 2 1745 东风 EQ-140 90.0 69.3 1 10306 黄河 JN362 190.0 127 1 1217 跃进 230 48.5 33.3 1 1350预计未来使用期内，交通量年平均增长率为 4-6% ， 。 2 材料调查 沿线可采集各种砂、石料；附近有矿渣、炉渣可利用；水泥、石灰、沥青等材料当地可供应。 三 要求1所有参加课程设计的同学共分六组，每组排列序号；以上交通量是第 6号同学的基准交通量。其他同学，序号每增加或者减收1，相应的每种交通量增加或者减少值为 5。2交通年增长率自己拟定。3每个学生设计 3个路面结构方案比选，选出各项指标最优者。（1） 构层结类型 厚度 20抗压模 15抗压 劈裂强 备注(cm) 量（Mpa） 模量（Mpa）度（Mpa）中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土沥青碎石二灰稳定碎石石灰土（812%）路基 E0（2）构层结类型厚度(cm)20抗压模量（Mpa）15抗压模量（Mpa）劈裂强度（Mpa）备注中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土沥青碎石二灰稳定碎石水泥土路基 E0（3）构层结类型厚度(cm)20抗压模量（Mpa）15抗压模量（Mpa）劈裂强度（Mpa）备注细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土水泥稳定砂粒石灰土（812%）级配碎砾石路基 E0（4）构层结类型厚度(cm)20抗压模量（Mpa）15抗压模量（Mpa）劈裂强度（Mpa）备注细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土水泥稳定碎石水泥土路基 E0（5）构层结类型厚度(cm)20抗压模量（Mpa）15抗压模量（Mpa）劈裂强度（Mpa）备注细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土水泥稳定碎石二灰土路基 E0（6）构层结类型厚度(cm)20抗压模量（Mpa）15抗压模量（Mpa）劈裂强度（Mpa）备注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水泥稳定碎石石灰土（812%）路基 E0以上路面类型所涉及的各个参数，每个人自己拟定，第一组选（1） ，第二组选（2） ，以下类推。沥青混凝土 c=0.20.3Mpa,内摩擦角为 2035。四 设计内容及步骤：（一）沥青混凝土路面1交通量计算;2 设计弯沉值;3 确定路面结构组合，选择计算层，确定已知各个结构层适宜厚度;4 确定土基回弹模量;5 确定路面格结构层的抗压强度、劈裂强度;6 根据弯沉值，计算未知结构层厚度;7根据确定的各个结构层，进行结构层的换算;8 进行各个结构层的弯拉应力计算与验算;9 进行结构层的剪应力验算;10 各项设计参数都验算合格，进行设计参数汇总，确定设计方案。（二）水泥混凝土路面1确定路面结构组合;2 混凝土面板厚度设计（交通量分析计算；路面结构材料模量确定；荷载疲劳应力计算；温度疲劳应力计算；面板厚度确定） ；3 面板尺寸和接缝的设计；4 路肩设计；5 普通混凝土路面配筋设计；6 各项设计参数都验算合格，进行设计参数汇总，确定设计方案。（三）图纸1用 CAD画出沥青混凝土路面结构、水泥混凝土路面结构以及二者衔接处的结构图，要求比例合适，尺寸标注正确五 要求1设计必须按时按要求完成；2每位同学独立完成，不得抄袭雷同；3遵守纪律，准时参加辅导课；六 推荐参考资料 1 路基路面工程教材； 2 公路路基设计规范 （ JTG D30-2004 ）人民交通出版社， 2004. 北京 3 公路沥青路面设计规范 JTJ 014-97), 人民交通出版社，1997. 北京 4 公路路基设计手册 ，人民交通出版社， 1996. 北京 5 公路水泥混凝土路面设计规范 （ JTJ D40-2003 ）人民交通出版社 2003. 北京。 6 公路设计手册 - 路面人民交通出版社， 1999 北京。 1 基本设计资料在不利季节调查的双向四车道平均日交通量： 序号车 型总重（ KN ）后轴重（ KN ）后轴数 辆 / 日1 解放 CA-10 B80.25 60.0 1 9002 黄河 JN-150 150.60 101.6 1 3603 日野 KB-211 147.55 100 1 1234 太脱拉 138 211.40 160 2 1745 东风 EQ-140 90.0 69.3 1 10306 黄河 JN362 190.0 127 1 1217 跃进 230 48.5 33.3 1 1350该路段为一级公路，沥青混凝土路面设计年限 15年，水泥混凝土路面设计基准期为 30年，交通量年平均增长 5%，车道系数 =0.45，该路段处于中国公路自然区划 IV2区，路面宽度设计为 B=18m，行车道为四车道 27.5m。查表知，此公路处于中湿路段，路基土为粉质中液限土，潮湿路段 E0=19Mpa，中湿路段E0=29Mpa，干燥路段 E0=30Mpa，沿线有砂石，且有碎石、石灰、粉煤灰供应。2 沥青混凝土路面设计 2.1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。1当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时，凡前、后轴轴载大于 25kN的各级轴载 的作用次数 均换算成标准iPin轴载 的当量作用次数 。PN35.421)(pnCiiKi式中： 以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载N的当量次数； 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日） ； 标准轴载（ ） ；PkN 各种被换算车型的轴载（ ） ；iPkNC2 轮组系数，单轮组为 6.4,双轮组为 1.0,四轴组为 0.38；C1 轴数系数。当轴间距离大于 3m时，按单独的一个轴载计算；当间距离小于 3m时，双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算： 1+1.2(m-1),m轴数。 被换算车辆的类型数。K轴载换算结果车型（iPkN）1C2（次 /in日）4.3512()ipCn前轴 20.25 1 6.4 895 解放 CA10B后轴 60 1 1 895 97.0前轴 49.0 1 6.4 355 102.0黄河 JN150后轴 101.6 1 1 355 380.4前轴 47.55 1 6.4 118 29.8日野 KB-211后轴 100 1 1 118 118.0前轴 51.4 1 6.4 169 59.8太脱拉 138后轴 160 2.2 1 169 2872.3前轴 20.7 1 6.4 1025 -东风 EQ-140后轴 69.3 1 1 1025 207.9前轴 63.0 1 6.4 116 99.5黄河 JN362后轴 127 1 1 116 328.1跃进 230 前轴 15.2 1 6.4 1345 -后轴 33.3 1 1 1345 11.3N 4306.1则其设计年限内一个车道上的累计量轴次 ：eN15262020 次2验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次时，凡轴载大于 50KN的各级轴载 的作用次数 均按下式换算成标准轴载 的当iPinP量作用次数 。N821 )(pnCiiKi式中： 以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载N的当量次数； 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日） ；in 标准轴载（ ） ；PkN 各种被换算车型的轴载（ ） ；i k轴数系数；1C轮组系数，双轮组为 1.0，单轮组为 18.5，四轮组为20.09；轴载换算结果车型（iPkN）1C2（次/日）in 812()ipCn解放 CA10B 前轴 20.25 1 18.5 895 后轴 60.0 1 1 895 15.0前轴 49.0 1 18.5 355 黄河 JN150后轴 101.6 1 1 355 403.1前轴 47.55 1 18.5 118 日野 KB-211后轴 100 1 1 118 118前轴 51.4 1 18.5 169 15.2太拖拉 138后轴 160 3 1 169 21775.5前轴 20.7 1 18.5 1025 东风 EQ-140后轴 69.3 1 1 1025 54.5前轴 63.0 1 18.5 116 53.3黄河 JN362后轴 12.7 1 1 116 -N 22434.6则其设计年限内一个车道上的累计量轴次 为：eN79514483 次2.2 结构组合与材料选取根据公路沥青路面设计规范 ，并考虑公路沿途有砂石、碎石、石灰、粉煤灰供应，路面结构层采用沥青混凝土（190 ） ，基层采m用水泥稳定碎石（300 ） ，底层采用二灰土（厚度待定） ，采用三m层式沥青混凝土面层，表层采用细粒式密级配沥青混凝土（40 ） ，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（60 ） ，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（90 ） 。2.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度该路属于 区，路基填土为密实粘性土，路槽底距地下水位高度为 1.3m，由表 1-6路基临界高度参考值，知此高度介于之间，属于中湿路基；由表 1-4路基干湿类型和表 1-5各自然区划土基干湿分界稠度知，路基平均稠度介于 之间，取 =1.0，查表 12-8二级自然区划各土组土基回弹模量参考值知， =27.0MPa.查表 12-12沥青混合料设计参数参考值和表 12-13基层材料设计参数得，按设计弯沉计算厚度时采用 20抗压模量，验算面层弯拉应力时采用 15抗压模量为计算值。各结构层材料的抗压模量及劈裂强度值如下图所示：结构组合参数抗压回弹模量层次材料名厚度(cm)15C模量20C模量劈裂强度（Mpa）细粒式沥青混凝土4 2000 1400 1.4中粒式沥青混凝土6 1800 1200 1.0粗粒式沥青混凝土9 1400 1000 0.8水泥稳定碎石30 1500 1500 0.5 二灰土 待定 750 750 0.25 土基 30 30 2.4 设计指标的确定1设计弯沉值 dl公路为一级，则公路等级系数 取 1.0；面层是沥青混凝土，cA则面层类型的系数 取 1.0；路面结构为半刚性基层沥青路面，则sA路面结构类型系数 取 1.0。b0.26decsblN式中： 设计弯沉值dl 设计年限内的累计当量年标准轴载作用次数eN 公路等级系数，一级公路为 1.0cA 面层类型系数，沥青混凝土面层为 1.0s 基层类型系数，半刚性基层为 1.0b所以 mAIdbsce 95.2101)0526.1(06072.2. 2各层材料按容许层底拉应力 ，按下列公式计算：Rsk式中 ： 路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa） ；R 路面结构材料的容许拉应力，即该材料能承受设计年s限 次加载的疲劳弯拉应力（Mpa） ；eN 抗拉强度结构系数。sk细粒式密级配沥青混凝土：=0.09 =0.091.0 /1.0=3.42skAcNe/2.0=1.4/3.42=0.409MPaRs中粒式密级配沥青混凝土：=0.09 =0.091.0 /1.0=3.42skAcNe/2.0=1.0/3.42=0.292MPaRs粗粒式密级配沥青混凝土：=0.09 =0.091.1 /1.0=3.77skAcNe/2.0=0.8/3.77=0.212MPaRs水泥碎石：=0.35 =0.35 /1.0=2.59skAcNe/1.0=0.5/2.59=0.193MPaRs二灰土：=0.45 =0.45 /1.0=3.33skAcNe/1.0=0.25/3.33=0.075MPaRs设计参数汇总表抗压回弹模量层次材料名厚度(cm)15C模量20C模量容许拉应力（Mpa）细粒式沥青混凝土4 2000 1400 0.409中粒式沥青混凝土6 1800 1200 0.292粗粒式沥青混凝土9 1400 1000 0.212 水泥稳定碎 30 1500 1500 0.193石 二灰土 待定 750 750 0.075 土基 30 30 2.4 路面结构层厚度的计算各层体系弯沉等效换算公式H=标准轴载 BZZ100，轮胎接地压强 p=0.7MPa，当量圆半径10.65cm因为：得到：查图得： 6.2由表面弯沉系数： ,得 0.22查图得：当 0.22时=9.4得：所以取石灰层的厚度为 65cm。2.5验算各层层底拉应力1）计算方法：、对多层路面体系进行等效换算求第 i层的层底拉应力，则：上层：41ikkiEHh下层： 0.9211nkkii、计算由公式： 或 求各层层底拉应力12pm12pn式中： p轮胎接地压强 p=0.7MPa；、 、 、 、 由查“三层连续体系上（中）层底面1m21n2拉应力系数图”得到；2）计算、多层路面体系进行等效换算等效三层体系多层体系 每一层底弯拉应力每二层底弯拉应力每三层底弯拉应力每四层底弯拉应力每五层底弯拉应力层位i iEMPaihcmiMPaicmiEMPaihcmiMPaihcmiEMPaihcmiMPaihcm11400414004212006120010.16310009100019.634150030120090.35 1000103.29 150060.09150047.74150047.745 75065750 65 750656 30 30 30 30 30 30、计算各层层底的弯拉应力第一层底部弯拉应力：查图得： ， ，01m20所以：第一层底部弯拉应力 （符合）120pm第二层底部弯拉应力：查图得： ， ，01m20所以：第二层底部弯拉应力 （符合）120pm第三层底部弯拉应力：查图得： ， ，01m20所以：第三层底部弯拉应力 （符合）120pm第四层底部弯拉应力：查表得： =0.42=0.70.0851.460.42=0.036MPa7m二级及二级以下公路行车道宽7m0.340.390.540.62=9329960次3651)(tseN3.2 初拟路面结构因为交通量 100104932.99610 4200010 4次，故可知交通属于重交通。由以上可知相应于安全等级为二级的变异水平等级为中级，根据一级公路、重交通等级和中级变异水平等级。查规范知：初拟普通混凝土面层厚为 250mm；基层选用水泥稳定粒料，厚度为 220mm；垫层为 150mm的低剂量无机结合稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽 3.75m；长为 5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。3.3 确定材料参数1）计算方法：新建公路的基层顶面当量回弹模量值： 130()bxtEah212x32112112()()4xEhhDEh3/xxD0.456.21.()a0.5.()xEb式中： 路床顶面的回弹模量(MPa),查表 16-26的参考值；0E基层和底基层或垫层的当量回弹模量(MPa)；x、 基层和底基层或垫层的回弹模量（MPa） ，查表 16-27的12参考值；基层和底基层或垫层的当量厚度（m） ；xh基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度（ ） ；D MNmA基层和底基层或垫层的厚度；12、a、b与 有关的回归系数。0xE砼板的相对刚度半径（m） ； 3.57ctrhE式中：h砼板的厚度（m） ；水泥砼的弯拉弹性模量（MPa） ，cE2）计算：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 31Gpa；路基回弹模量为 30Mpa；低剂量无机结合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。计算基层顶面当量回弹模量如下：32112112()()4xEhhDEh33 10.60.5.05()30.26.51.2MNm A33/12./78.24xxhDEm0.45 0.4516.2.()6.()363xa0.50.5781.4()1.()9xbE130.79130 8().462()40bxtah MPa普通砼面层的相对刚度半径：330.570.57.2104.812ctrhEm3.4、荷载疲劳应力1）计算方法标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算 prfcpsK式中： 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平rK缝： ，纵缝为不设拉杆的平缝或自由边界：0.87.92r，纵缝为设拉杆的企口缝： ；1 0.76.84rK考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数；c考虑设基准期内标准轴载荷载应力累计疲劳作用的疲劳fK应力系数，按下式计算： vfeKN式中： 设计基准期内标准轴载累计作用次数；eN与混合料有关的指数，普通砼取 0.057；v标准轴载 在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力pssP（MPa） ，按下式计算： 0.627psrh式中： 砼板的相对半径（m） ；r砼板的厚度（m） ；h2）计算标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为0.620.627.78151.087psrhMPa 因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数 。0.87rK考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数=vfeKN根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏的影响的综合系数 1.25cK综合系数 kc公路等级 高速公路 一级公路 二级公路 三、四级公路kc 1.30 1.25 1.20 1.10荷载疲劳应力计算为=0.872.4961.251.087=2.951MPaprfcpsK3.5、温度疲劳应力1）计算方法在临界荷位处的温度疲劳应力按下式