路基路面工程课程设计湖南工业大学科技学院道桥1001

1目录前言3第一章41.1 设计资料41.2 挡土墙平面布置图41.3 挡土墙横断面布置，拟定断面尺寸51.4 主动土压力计算51.5 挡土墙抗滑稳定性验算71.6 抗倾覆稳定性验算81.7 基底合力及偏心距验算81.8 墙身截面强度验算91.9 挡土墙的伸缩缝与沉降缝设计.101.10 挡土墙的排水设施设计10第二章 路基边坡稳定性分析112.1 第一级台阶验算.11第三章 水泥混凝土路面设计153.1 交通分析.153.2 标准轴载作用次数的换算.163.3 初拟路面结构.183.4 路面材料参数确定.183.5 荷载疲劳应力.193.6 温度疲劳应力.193.7 检验初拟路面结构.20第四章 沥青混凝土路面设计204.1 交通参数分析.204.2 拟定路面结构组合方案.224.3 拟定路面结构层的厚度.224.4 各层材料设计参数确定.234.5 计算设计弯沉值.2324.6 路面结构层厚度计算254.7 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算26参考文献28设计心得283前言作为建筑类院校专业课的一种实践性教学环节，课程设计是教学计划中的一个有机组成部分；是培养我们综合御用所学各门课程的基本理论、基本知识和基本技能，以分析解决实际工程问题能力的重要步骤；是我们巩固并灵活运用所学专业知识的一种比较好的手段；也是锻炼我们理论联系实际能力和提高我们工程设计能力的必经之路。课程设计的目的主要体现在巩固与运用基本概念与基础知识、掌握方法以及培养各种能力等诸多方面。1. 巩固与运用理论教学的基本概念和基础知识。2. 培养学生使用各种规范及查阅手册和资料的能力。3. 培养学生概念设计的能力。4. 熟悉设计步骤与相关的设计内容。5. 学会设计计算方法。6. 培养学生图纸表达能力。7. 培养学生语言表达能力。8. 培养学生分析和解决工程实际问题的能力。路基路面的课程设计是对路基路面工程课堂教学的必要补充和深化，通过设计让学生可以更加切合实际地和灵活地掌握路基路面的基本理论，设计理论体系，加深对路基路面设计方法和设计内容的理解，进而提高和培养学生分析、解决工程实际问题的能力。4第一章 挡土墙设计1.1 设计资料1.1.1 挡土墙墙高 H=10m荷载：计算荷载汽车-20 级，验算荷载挂车-100；1.1.2 墙后填料为粘性土，土的粘聚力 C=28Kpa，容重 ，计算内320/kNm摩擦角 ，填料与墙背间的摩擦角 = /2= ；容 许 承 载 力 为28 14。Kpa3501.1.3 地基为密实碎石土，其容许承载力=400KPa，基地摩阻系数f=0.6，墙身分段长度为 10m；1.1.4 墙体材料 7.5号砂浆砌筑 25号片石，其容重 ，其容许压3/2mkN应力 =600KP，容许剪应力 =100KP，容许拉应力 =60KP。awl1.1.5 墙面与墙背平行，墙背仰斜，仰斜坡度 1:0.25， =14.04，墙底（基底）倾斜度 tan =0.190，倾斜角 =10.76；墙 顶 填 土 高 度 为 ，00a2挡土墙顶宽为 =2m，底 宽 。 1bm25.1.2 挡土墙平面布置图双向四车道一级公路某横断面，为收缩边坡，增强路基的稳定性，拟设一段浆砌片石重力式挡土墙(图 1.1)图 1.151.3 挡土墙横断面布置，拟定断面尺寸具体布置如图 1.2图 1.21.4 主动土压力计算1.4.1. 车辆荷载换算当 时， ；当 时，m2aKPq0.mH10aKPq10所以，当 H=10m时，换算均布土层厚度： 0.52hr1.4.2主动土压力计算（假设破裂面交于荷载中部）（1）破裂角 由 14.02814， ，得： 28.7.9623tan(45)tan(45)3.8m02ch62 220011()-(-)(0)-3.805(1-3.8)45.ccAHahahtan3(.5)1(2.)tan(.)215.BbdH 0tantcotant27.96287.96an27.96.34018BA（ ） （ ）（ ） （ ）4.5验核破裂面位置：堤顶破裂面至墙锺：(H+a)tan =9.18m荷载内缘至墙锺：b+Htan +d+b =3+10 0.25+0.5+0.75=6.75m)(3荷载外缘至墙锺：b+Htan +d+b +b =6.75+7=13.75m2由于破裂面至墙锺的距离大于荷载内缘至墙锺的距离并且小于荷载外缘至墙锺的距离，所以破裂面交于路基荷载中部的假设成立。并且直线形仰斜墙背，且墙背倾角 较小，不会出现第二破裂面。（2）主动土压力系数 K和 1cos()tan)i42.58(42.5tan-14.0).96sn(796)a1a30ttn.t(-)bh2 .50.75tata42t(-14.)d310.9.6hHh32 22 054.71()1()1.021K（3）求主动土压力 及土压力的作用点a7210.196.0505.8kNmaaEHKcos()25.8cos(4.)2.8kNmin0in1014xayE23012()()104.76.549(3.210).3.29mxHhHZK1. 190.)4.tan(tan0bB2.m5.931.2txyZ1.5 挡土墙抗滑稳定性验算u基底摩擦系数，取 0.6主动土压力分项系数，取 1.41Q墙身体积计算： 3011 19.24m)0.21()tan( bHV30212 8.9.5.t5. 321 .6218.9.4V墙身自重计算: ， ，1G42.5kN39.k 2G8.74kN32.0kV1.68.7.21 抗滑稳定系数:81.3y451.2601358CxGEK（ ） （ ）满足要求1.6 抗倾覆稳定性验算要使挡墙抗倾覆满足要求即满足： 10.9()0GQyxyZEZ2.5.9.205.)tan(5.01011 bbHZG36.1)47.(3.t2/3/ 102 mGZZG 2.845.26.87.)(21 045.610.913283yxEK满足要求。1.7 基底合力及偏心距验算1.7.1 作用于基底的合力偏心距 451.26.80.142.905.8329560.7mGyxNZEZ基底合力偏心距 ；0.078.2e2NBeZ1.7.2 地基承载力验算 01 06451.0.60.27()(1)38.544kPa2yGEe PaB 902 06451.20.60.27(1)149.14kPayGEe kPaB 满足要求1.8 墙身截面强度验算为保证墙身具有足够的强度，应根据经验选择 1-2个控制截面进行验算。验算截面一般可选择在距墙身底部二分之一墙高和截面急剧变化处1.8.1 法向应力验算如图 1.3所示，图 1.3选择 1-1截面为验算截面。若作用在此截面以上墙背的主动土压力为 ，墙身1E自重为 ，二者的合力为 ，则可将 分解为 何 。验算截面的法相应力，视偏心1G1R11NT距大小，分别按下式计算。 时 ：6-2e 1111111 BEGZZZByxxy ayeE)6(11minax式中： 截面宽度。B当 时，法向应力重分布：6e1ayBEG）1maxe-2(3)10式中： ， 验算截面的最大，最小法向应力；maxin砌体的容许压应力。 11 B2.54.2.014.9205.83.29e- 0.560.375. 11max65.6.()(1)38.2225y aGEe KPB 11in4.0.-9.60y a 1.8.2 剪应力验算对于重力式挡土墙，一般只进行墙身水平截面的剪应力验算；对折线式和衡重式除验算水平截面外还应验算倾斜截面。水平截面剪应力为： 1xBEAT式中： 受剪面积， =1A;B砌体容许剪应力。 1x205.89.4710TEKPaaAB满足要求。1.9 挡土墙的伸缩缝与沉降缝设计 把伸缩缝和沉降缝结合在一起，统成为变形缝，沿墙长每 10米设置变形缝，变形缝全高设置，其宽度取 0.02米，缝内沿墙内、外、顶三边填塞沥青木板，塞入深度为 0.2米。1.10 挡土墙的排水设施设计在墙身上沿墙高和墙长设置泄水孔，其为 15cm 20cm的方孔，具有向墙外倾斜的坡度，间距取为 2.5m，泄水孔的进水侧设反滤层，厚度为 0.4m，在最下排泄水孔的底部设置隔水层，由于处于自然区域 处，泄水量较大，在5排水层底部加设纵向渗沟，配合排水层把水排出墙外。11第二章 路基边坡稳定性分析2.1 第一级台阶验算顶宽 18m，高 10.5m。路堤填料为粘性土，粘聚力 C=28KPa，内摩擦角 =28（tan=0.532） 。土的容重取 =20KN/m3。设计荷载为汽一 20 级，由于高度为大于 8m，所以设一级台阶，边坡坡度为 1:1.5，第二级坡度为 1:1.75。2.1.1 按比例绘制路基横断面图。车辆荷载的换算在进行路堤稳定性验算时，将车辆荷载按最不利情况排列，并换算成相当的土层厚度。汽一 20级荷载换算成土柱高：由路基路面工程有， ； 0NQhBL式中：N并列车辆数，双向六车道 N=4；L 标准车辆轴载为 12.8m；Q一辆重车的重力（标准车辆荷载为 550KN） ；路基填料的重度为 20KN/m3；B荷载横向分布宽度，路基宽 18m。0450.182.NhmL2.1.2 采用 4.5H 法确定圆心辅助线，具体如下：由坡脚 E向下引竖线，在竖线上截取高度 得mhH15.00F 点。自 F 向右引水平线，在水平线上截取 ，得 M 点。49.154连接边坡坡脚 E和顶点 S，求得 SE的斜度 ，据此查粘土边坡表:0i得 。由 E 点作与 SE 成 角的直线，再由 S 点作与水平线成 角的35,26112直线，两条直线交于点 I。连接 I 和 M 两点得到圆心辅助线。2.1.3 绘出三条不同位置的滑动曲线（都过坡脚）：一条过路基中线；一条过路基边缘；一条过距左边缘 1/4路基宽度处。122.1.4 通过平面几何关系找出三条滑动曲线各自的圆心。2.1.5 将土基分段，每段如图宽 1m，最后一段可能略小一点。2.1.6 计算滑动曲线每一份段中点与圆心竖线之间的偏角 ，iRXiisn并计算分段面积和以路堤纵向长度 1m计算出各段的重力 ，进而将 分化为iQi两个分力：a)在滑动曲线法线方向分力 ；b)在滑动曲线切线方向iiiNcos力 。 iiiQTsn图 2.1计算结果列表如下：曲线 路堤稳定性计算表（半径 R=12.06m）1编号 i cosi sini Ai Qi Ni Ti1 -601 0.99 -0.10 3.59 71.82 71.42 -7.532 550 0.99 0.10 9.62 192.42 191.42 19.563 1734 0.95 0.30 13.77 275.36 262.2 83.114 3023 0.86 0.51 15.75 315.04 271.77 159.345 4523 0.70 0.71 11.70 234.08 164.41 166.62136 5848 0.52 0.86 1.64 32.8 16.99 28.06总和 56.08 1121.52 978.54 449.16图 2.2曲线 路堤稳定性计算表（半径 R=11.9m）2编号 i cosi sini Ai Qi Ni Ti1 -935 0.99 -0.17 4.13 74.34 73.6 -12.642 856 0.99 0.15 10.35 186.3 184.44 27.953 2034 0.94 0.35 15.87 285.66 268.52 99.984 3343 0.84 0.55 17.87 321.66 270.19 176.915 4923 0.65 0.76 13.67 246.06 159.94 187.016 6140 0.48 0.88 3.45 62.1 29.8 26.22总和 65.34 1176.12 986.49 505.4314图 2.3曲线 路堤稳定性计算表（半径 R=11.7m）3编号 i cosi sini Ai Qi Ni Ti1 -1046 0.98 -0.18 5.11 91.98 90.14 -16.562 1054 0.98 0.18 11.56 208.08 203.92 37.453 2204 0.93 0.38 16.67 300.06 279.06 114.024 3525 0.82 0.58 18.56 334.08 273.95 193.775 5132 0.63 0.78 14.34 258.12 162.62 201.336 6345 0.45 0.89 4.96 89.28 40.18 79.46总和 71.2 1281.6 1049.87 609.47由上表可得： 曲线： ，KNnii54.9781KNTni16.491曲线： ，nii.61ni3.501曲线： ，KNnii87.0491 KNTni47.6912.1.7 计算滑动曲线圆弧长153602RL曲线： m72.1.84.111 曲线： RL6.930.23602曲线： m4.17.8513 2.1.8 计算稳定系数niiiTcLNfK1曲线：110.67598.4217586niiifcLT曲线：1120.7598.4219383niiifNcLKT曲线：1130.67549.8217.496niiifcLT由此可见，第三条曲线为极限滑动面，其稳定性系数大于 1.5，满足规定的要求。第三章 水泥混凝土路面设计3.1 交通分析3.1.1 可靠度设计标准及变异系数范围、可靠度系数的选用 16公路技术等级 一级公路安全等级 二级设计基准期（a） 30目标可靠度（%） 90目标可靠指标 1.28变异水平等级 低-中可靠度系数 1.163.2 标准轴载作用次数的换算计算设计使用年限内的标准轴载累计作用次数 eN轴载换算的计算公式为： 1610nisipN轴载换算结果表车辆 （KNiP）轴型 轴-轮型系数 i（次/in日）前轴 17 单轴单轮 30.42.1ip2700江淮AL6600 后轴 26.5单轴双轮 1 2700三湘 前轴 20.5 单轴单轮 30.42.ip80017CK6640 后轴 37.5 单轴双轮 1 800前轴 36.6 单轴单轮 30.42.ip1530鞍山AK6980H 后轴72.3 单轴双轮 1 1530前轴 13.55 单轴单轮 30.42.ip1700北京 BJ130后轴 27.2 单轴双轮 1 1700前轴 28.7 单轴单轮 30.42.ip610解放 CA50后轴 68.2 单轴双轮 1 610前轴 23.7 单轴单轮 30.42.1ip850东风 EQ140后轴 69.2单轴双轮 1 850前轴 49 单轴单轮 30.42.ip850黄河 JN150后轴 101.6 单轴双轮 1 850前轴 50.2 单轴单轮 30.42.ip600日野 KB222后轴 104.3 单轴双轮 1 600五十铃 前轴 60 单轴单轮 30.42.ip5818EXR181L 后轴 100 三轴双轮 -0.2812.4iP58按规范查表得：交通等级为重，水泥混凝土路面的设计基准期为 30年，安全等级为二级，临界荷载处的车轮轮迹横向分布系数 =0.22。交通年增长率为0.089 。设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为 次630 103.9 2.98.651130651 tseN属于重交通等级普通混凝土设计弯拉强度 （ ）rfMPa5.0钢纤维混凝土设计弯拉强度（ ）rfa6.03.3 初拟路面结构查表得相应于安全等级二级的变异水平为中级。查表得初拟普通混凝土面层厚度为 0.26m；基层采用水泥稳定粒料，厚 0.18m；垫层为 0.15m低剂量无机结合料稳定土，普通混凝土板的平面尺寸为宽 ，长 。3.75m纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。3.4 路面材料参数确定查表可知，取普通混凝土的弯拉强度标准值为 5.0MPa,相应弯拉弹性模量标准值为 31Gpa，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。计算基层顶面当量回弹模量如下： 2 221230.1860.513xhEMPa19 12311212 13340.850.86.5 2.5730.860.xhEDEh MNm 113.7.2xxDhmE0.45 0.4536.2.6.293xa 0.50.511.4.4723xbE130.7920.26bxtxEah MPa普通混凝土面层相对刚度半径 mEhrtcg 80.150/32.57.0 /537. 3.5 荷载疲劳应力标准荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算为: MPahrps 96.02.8.0.7 07. -62-6. 因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数 =0.87。考虑设计rk基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 。5.213960.7vefN根据公路等级，由表可知，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数 。25.1ck荷载疲劳应力计算为： 6MPa7.29.051.2780pscfrpk3.6 温度疲劳应力由表可知，IV 区最大温度梯度取 92 /m，板长C5m， ，由表可查得普通混凝土板厚 0.26m，温度应力系数25.680/rl200.65。xB最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力： a4.265.029.31025- MPBhTEaxgctm 温度疲劳应力系数 可按下式计算确定：tk543.0.8-)54.2.81(0-)( 3bfafkcrtmtrt式中：a、b 和 c回归系数，按所在地区的公路自然区划查表 16-29确定，自然区划为 IV区，式中 a=0.841，b=0.058，c=1.323。临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算确定： MPaktmtr 3.1425.03.7 检验初拟路面结构由表可得一级公路的安全等级为二级，目标可靠度为 90，相应的变异水平等级为低-中，再由表可得可靠度系数 =1.23。r水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，其表达式采用下式计算：rptrf普通混凝土面层为， MPafrtrpr 5938.4)1(2.763.1)( 因而，拟定的面层厚度为 0.26m的普通混凝土路面，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。第四章 沥青混凝土路面设计4.1 交通参数分析路面设计以双轮组单轴载 100KN为标准轴载当以设计弯沉为指标及21验算沥青层层底拉应力时各级轴载换算采用 ，计算结kiipnCN135.42果如下表。轴载换算结果汇总表（以弯沉为标准时） 车型 KNPi 1C21/日次in)/(/135.42日次 PnCi前轴 17 1 6.4 2700 7.76江淮AL6600 后轴 26.5 1 1 2700 8.37前轴 20.5 1 6.4 800 5.19三湘CK6640 后轴 37.5 1 1 800 11.22前轴 36.6 1 6.4 530 42.82鞍山AK6980H 后轴 72.3 1 1 530 129.28前轴 13.55 1 6.4 1700 1.82北京BJ130 后轴 27.2 1 1 1700 5.9前轴 28.7 1 6.4 610 17.11解放CA50 后轴 68.2 1 1 610 115.42东风EQ140前轴 23.7 1 6.4 850 10.3722后轴 69.2 1 1 850 171.35前轴 49 1 6.4 850 244.32黄河JN150 后轴 101.6 1 1 850 910.77前轴 50.2 1 6.4 600 191.6日野KB222 后轴 104.3 1 1 600 720.59前轴 60 1 6.4 58 40.23五十铃EXR181L 后轴 100 3.4 1 58 197.2ki iPnCN135.412/合 计 ：2831.32一级公路沥青路面的设计年限为 15年，双向四车道的车道系数 0.45，交通年平均增长率为 8.9%，则设计使用期累计当量轴次为：次135470.0283089.651136515 NNte4.2 拟定路面结构组合方案经计算，路基设计使用年限内一个车道上累计标准轴载次为 次510473.左右，查表可得路面为高级路面，面层宜选择沥青混凝土，又由于该路为一级公路，所承受交通量较重，因此采用三层式结构，土基回弹模量 。MPa0E4.3 拟定路面结构层的厚度23表面层采用 4cm厚细粒式密集配沥青混凝土，中面层采用 5cm厚中式密集配沥青混凝土，下层采用 6cm粗粒式密集配沥青混凝土，基层和底基层分别采用刚度较高，水稳定性好的石灰稳定碎石基层（厚 20m）和石灰稳定土底基层（厚度待计算确定） 。4.4 各层材料设计参数确定土基及路面材料的回弹模量及各强度值列于下表中抗压回弹模（MPa）材料名称 20 C15劈裂强度（MPa）细粒试沥青混泥土 1400 2000 1.4中粒试沥青混泥土 1200 1800 1粗粒试沥青混泥土 1000 1400 0.8两灰碎石 1500 0.65石灰土 550 0.225土基 35 4.5 计算设计弯沉值一级公路，取 ，面层为沥青混凝土，取 ，半刚性基层、底0.1cA0.1sA24基层总厚度大于 20cm，按内插法确定基层类型系数为 。0.1bA设计弯沉：）（ 0.1m248 0.1.)1035.47(6062.52. bscedANL计算各层材料的容许层底拉应力 spRK/细粒式密集配沥青混凝土面层： 3.401/1354709./09. 2.2.0 ceas ANKMPa/spRK中粒式密集配沥青混凝土： 3.401/135470.9/09. 2.2.0 ceas ANKMP34/1/spR粗粒式密集配沥青混凝土： 3.6701/13547.09/09. 2.2.0a ces ANKMPa6/8/spRK水泥石灰稳定碎石： 2.13Pa0/13547.0/35.01.1.0 cesANK.2./6/spRK石灰稳定土： 2.74MPa01/13547.0/35.0.1.0 cesANK25082MPa74/52.0/spRK设计参数汇总表 材料名称厚度（cm）20抗压模量（MPa）15抗压模量（MPa）容许拉应力(MPa)细粒式沥青混凝土 4 1400 2000 0.42中粒式沥青混凝土 5 1200 1800 0.30粗粒式沥青混凝土 6 1000 1400 0.22二灰碎石 20 1500 0.31石灰土 23 550 0.082土基 - 35 -4.6 路面结构层厚度的计算4.6.1 理论弯沉系数的确定 c102dCLEPF式中： 当量圆半径；F 弯沉综合修正系数， 。0.380.36.63dEp因此： F=1.6317.69/2000/10.650.38(30/0.70) 0.36=0.43 26=17.691400/(200010.650.70.43)=3.86102dCLEPF4.6.2 确定设计层厚度采用三层体系表面弯沉系数，由诺莫图算设计层厚度。h/=4/10.65=0.376 E2/E1=1200/1400=0.857；由三层体系弯沉系数诺莫图查得： =6.22。h/=4/10.65=0.376 =35/1200=0.029；20/由三层体系弯沉系数诺莫图查得 K1=1.440。又因为 K2= /( K1）=3.86/（6.221.44）=0.431，由上查表得：H/=6.7，H= c10.656.7=71.36。由 可知：12.423nkkEHh，因为 H=71.36cm，可知2.42.42.44050769.21110hh4=21.95cm，故取 h4=22cm。4.7 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算4.7.1 沥青混凝土面层层底拉应力验算_ _ h1=4cm E1=2000MPa h=21.5cm E1=1200Mpa h2=5cm E2=1800MPa h3=6cm E3=1200MPa H=47.63cm E2=3600MPah4=20cm E4=3600MPa h5=23cm E5=2400MPa E0 =35 MPa E0=35MPa ；120180