路基路面课程设计.docx

路基路面课程设计学校：长安大学兴华学院专业：土木工程-公路与桥梁姓名：学号： 时间：2017.11设计任务书（一）沥青路面设计请你为某新建公路进行沥青路面结构设计。1. 新建公路概况（1） 新建公路的所处地理位置可自选为你熟悉的地区，调查当地地质水文条件，选定设计需要参数；（2） 新建公路等级请结合选定地区公路建设需求设计为高速、一级或二级公路，并根据确定的公路等级，参考表1提供的车型技术参数，拟定初期交通量（XXX辆/日）及交通组成（参照表2），交通量年平均增长率为前5年8%、5年以后6%。（3） 沿线自然地理条件、筑路材料状况通过调查确定。表1 车型技术参数序号汽车型号总重（kN）载重（kN）前轴重（kN）后轴重（kN）后轴数轮组数轴距（cm）出产国1桑塔纳212五十铃423解放CA10B80.2540.004黄河JN150150.6082.605黄河JN162174.50100.006交通SH361280.00150.00表2 车型技术参数车型分类一类车二类车三类车四类车五类车六类车代表车型桑塔纳五十铃解放CA10B黄河JN150黄河JN162交通SH361比重（%）25.5842.3021.049.011.890.182.设计依据 公路沥青路面设计规范（JTG D502006、2017）（恰逢规范改版） 二级自然区划各土组土基回弹模量参考值 路基路面工程，沙爱民主编，2011.013. 设计内容（1）根据自然区划、路基土类型和地下水位高度，确定土基回弹模量值；（2）计算设计年限内一个车道的累积当量轴次和设计弯沉值；（3）根据设计资料，确定合适的面层类型（包括面层材料级配类型）；（4）拟定2 种可能的路面结构组合与厚度方案，确定各结构层材料的计算参数；（5）根据公路沥青路面设计规范验算拟定的路面结构。4. 设计要求（1） 结合设计规范要求、国外的路面结构、国内的路面结构、选定地区常用路面结构组合型式，进行路面结构组合设计，要求拟定至少2种方案，论证方案的可行性，并对2种方案进行经济技术比较（仅考虑初期修建费用），确定最终方案。（2）设计成果包括设计说明书和路面结构图。1.公路概况 1-1自然地理条件 新建二级沥青路面位于陕西省西安市，为双向四车道。建成后会成为连接西安与户县的重要道路，该地区自然区划为 区，位于关中平原中部，南依秦岭，北临渭河，本区属于大陆温带半湿润季风气候区。年降水量528.3716.5毫米，由北向南递增。7月、9月为两个明显降水高峰。地下水位高度为20m左右，对于道路施工基本没有影响。气候冷暖干湿四季分明。冬季寒冷、风小、多雾、少雨雪；春季温暖、干燥、多风、气候多变；夏季炎热多雨，伏旱突出，多雷雨大风；秋季凉爽，气温速降，秋淋明显。年平均气温13.114.3，最冷1月平均气温-1.20.5，最热7月平均气温26.527.0，年极端最低气温-21.2（蓝田1991年12月28日），年极端最高气温43.4（长安1966年6月19日）。沿线水泥、沙石、石灰等材料供应充足。该地区土基类型为低液限粘土，干湿类型为中湿。土基回弹模量调查得知为45Mpa。 1-2交通量及交通组成序号汽车型号总重（kN）载重（kN）前轴重（kN）后轴重（kN）后轴数轮组数轴距（cm）出产国交通量（次/日）1桑塔纳2113.5520.2012-中国7002五十铃4225.5555.1012-中国2503解放CA10B80.2540.0020.2038.2012-中国3804黄河JN150150.6082.6023.7060.2012-中国3005黄河JN162174.50100.0049.00101.6012-中国2006交通SH361280.00150.0050.20107.3012-中国100 2.轴载换算以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时，按下式完成轴载当量换算： 标准轴载的当量轴次（次 /日）； -被换算的车型的各级轴载作用次数（次/d）； -标准轴载（kN）； -被换算车型的各级轴载（kN）； -被换算车型的轴数系数； -被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0.38； -被换算车型的轴载级别车型桑塔纳前轴13.5516.47000.75后轴25.5516.470011.84五十铃前轴25.5516.42504.23后轴55.101125018.70解放CA10B前轴20.2016.43802.31后轴38.20113805.78黄河JN150前轴23.7016.43003.66后轴60.201130032.99黄河JN162前轴49.0016.420057.49后轴101.6011200214.30交通SB361前轴150.0016.41003734.02后轴107.3011100135.87合计 4221.942-1累计标准当量轴次 设计年限内一个车道通过的累计标准当量轴次Ne按照下式计算： -设计年限内一个车道的累计当量轴次（次/车道）； -设计年限（年），二级公路设计年限为12年； -运营第一年双向日平均当量轴次（次/d）； -车道系数（见下表），双向四车道取0.5； -设计年限内交通量的平均增长率（%）；车道系数车道特征车道特征双向单车道1.0双向六车道0.30.4双向两车道0.6 0.7双向八车道0.250.35双向四车道0.40.5车型桑塔纳前轴13.5516.413501.2后轴25.5516.413503.57五十铃前轴25.5516.43505.4后轴55.101135026.19解放CA10B前轴20.2016.47504.37后轴38.201175011.14黄河JN150前轴23.7016.44508.03后轴60.201145048.77黄河JN162前轴49.0016.4450129.34后轴101.6011450469.90交通SH361前轴150.0016.41104107.42后轴107.3011110641.785457.11各级公路沥青路面设计年限公路等级设计年限（年）公路等级设计年限（年）高速公路、一级公路15三级公路8二级公路12四级公路6设计年限累计当量标准轴次为：前5年的累计当量标准轴次： 2-2交通等级分析 路面结构在设计年限内承担交通荷载的繁重程度以及交通等级来划分。我国沥青路面按承担交通荷载的轻重程度划分为轻交通、中等交通、重交通和特重交通四级。路面结构选型、结构组合设计、结构层位的确定、路面材料的选定都应充分考虑沥青路面的交通等级。 由下表可知，本设计路面为中等交通路面。沥青路面交通等级交通等级BZZ-100累计标准轴次 (次/车道)大客车及中型以上的各种货车交通量(辆/d/车道)轻交通 600中等交通600 1500重交通 1500 3000特重交通 30003. 沥青路面组合设计4. 参考本地区部分一、二级公路沥青路面结构形式见下表：序号路段名称里程（km）路面结构厚度（cm）1蓝田至陈家岩二级公路6788AK-16AC-20AC-25二灰稳定碎石二灰稳定土45632202姜眉二级公路莺歌至梅县段49072中粒式沥青混凝土表面处置下封层二灰碎石石灰土5120283沙王至渭河桥接线_细粒式沥青混凝土沥青碎石水泥稳定碎石石灰土（10:90）3415204渭南至华县二级路4580细粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土二灰碎石二灰土3520275泾阳至三原改建9560细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土二灰土石灰土3420216西安至三原一级公路34310细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土沥青碎石混合料二灰碎石二灰土2.53.571830由上表可见本地区二级公路沥青路面的一般结构组成为：细粒式密级配沥青混凝土表面层+中粒式密级配沥青混凝土下面层+水泥稳定碎石或二灰稳定碎石+二灰稳定土。则初步拟定： 方案一：4cm细粒式密级配沥青混凝土表面层+8cm中粒式沥青混凝土+30cm水泥稳定碎石+石灰土基层 方案二：4cm细粒式密级配沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+20cm二灰碎石（8:17:80）+石灰土基层4.路面各层材料参数确定 根据公路沥青路面设计规范和路基路面工程得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。各值均取规范给定中值，该公路自然区划为 区，土基干湿类型为中湿的粘性土。结果如下表：方案一：材料名称厚度（cm）抗压回弹模量（Mpa）劈裂强度(Mpa)2015细粒式密级配沥青混凝土4140020001.4中粒式沥青混凝土8120018001.0水泥稳定碎石20150015000.5石灰土待定5505500.2土基-45-方案二：材料名称厚度（cm）抗压回弹模量（Mpa）劈裂强度(Mpa)2015细粒式密级配沥青混凝土4140020001.4粗粒式沥青混凝土6100012000.8二灰碎石（8:17:80）2015000.7石灰土待定5000.2土基455.设计指标与极限标准 5-1.设计弯沉值和容许拉应力计算路面设计弯沉值由下式计算：式中： -设计弯沉值，0.01mm; - 设计年限内一个车道累计当量轴次，次; - 公路等级系数，二级公路为1.1; - 面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；热拌和冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1; - 路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0通过公路路面设计程序系统Hpds-2011的计算结果得：方案一：路面设计弯沉值 : = 29.4 (0.01mm)方案二：路面设计弯沉值 : = 29.4 (0.01mm)材料的容许拉应力 按下式计算：式中： - 路面结构层材料的容许拉应力，MPa； - 沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度，MPa； - 抗拉强度结构系数。通过公路路面设计程序系统Hpds-2011的计算结果得：方案一：层数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1.40.562中粒式沥青混凝土10.43水泥稳定碎石0.50.284石灰土0.20.09方案二：层数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1.40.562中粒式沥青混凝土10.43粗粒式沥青混凝土0.80.324石灰粉煤灰碎石0.50.285石灰土0.2250.15-2.计算设计层厚度 方案一：按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 29.4 (0.01mm) H( 4 )= 200 mm LS= 29.7 (0.01mm) H( 4 )= 250 mm LS= 27 (0.01mm) H( 4 )= 205 mm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力计算设计层厚度 : H( 4 )= 205 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 205 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 205 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 205 mm ( 4 )= .097 MPa H( 4 )= 255 mm ( 4 )= .085 MPaH( 4 )= 232 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 205 mm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 232 mm(同时考虑弯沉和拉应力)则向上取整得H（4）=240mm方案二：按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 29.4 (0.01mm) H( 5 )= 200 mm LS= 29.6 (0.01mm) H( 5 )= 250 mm LS= 27 (0.01mm) H( 5 )= 203 mm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力计算设计层厚度 : H( 5 )= 203 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 203 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 203 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 203 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 203 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 203 mm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 203 mm(同时考虑弯沉和拉应力)则向上取整得H（5）=210mm5-4验算路面防冻厚度 :最小防冻厚度见下表： 查表可得本地区路面最小防冻厚度为350-400mm，取最大值400 mm。方案一：沥青面层厚度为120mm，路面结构总厚度为560mm。方案二：沥青面层厚度为150mm，路面结构总厚度为540mm。 验算结果表明 ,两方案路面总厚度均满足防冻要求 。6.确定路面结构层确定的两种新建沥青路面设计方案为下表所示：方案一方案二层数结构层类型厚度（mm）结构层类型厚度（mm）1细粒式沥青混凝土40细粒式沥青混凝土302中粒式沥青混凝土80中粒式沥青混凝土503水泥稳定碎石200粗粒式沥青混凝土704石灰土240石灰粉煤灰碎石1805新建路基石灰土2106新建路基7.方案经济技术比较（二）普通水泥混凝土路面设计设计任务书1. 设计资料山西地区拟新建一条一级公路，采用普通混凝土路面，路面宽16m（双向四车道），经交通调查与预测知设计车道使用初期标准轴载日作用次数为2800，交通量年增长率取5.5%。试设计该路面厚度。可参考下列条件进行设计：平面尺寸设计：板长5m，板宽4.5m；接缝设计：纵缝采用设拉杆平缝，横缝采用不设传力杆的假缝；2. 设计依据（1）公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011）（2）路基路面工程，沙爱民主编，2011.013. 设计内容（1）交通分析；（2）拟定路面结构，确定材料参数；（3）计算并验算路面结构（要求必须手算）；（4）绘制路面结构图及水泥混凝土路面平面布置图；（5）编写设计说明书。3. 设计要求（1）采用公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D40-2011）进行设计。（2）要求采用手算方式。（3）设计成果应包括设计说明书、路面结构图和水泥混凝土路面平面布置图。设计说明书：1.自然状况山西地区位于我国公路自然区划的黄土高原干湿过渡区，冬季寒冷干燥, 时空温差悬殊,北部地区土壤封冻时间长, 冻土层厚, 南部地区、特别是川谷地带封冻时间较短、冻土层薄, 部分地区最大冻深可达1.92m（大同、右玉、偏关一带）。 夏季降雨集中,春季较为短促，全省各地年降水量介于358621毫米之间。在地理分布上表现为从东南向西北递减。该省的地下水位的分布差异较大,几块盆地的地下水位大部分在1.07.0米,极个别地方小于1.0米,山区的地下水分布较深,对公路建设几乎没有影响。土基干湿类型地区差异较大。该省土质差异不大, 土壤从南到北粘粒成份逐渐减少, 砂砾成份逐渐增多, 土壤的液限和塑性指数逐渐减少。土组从粉质亚砂土逐渐过渡到亚砂土。2.路面设计路面设计参考公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D40-2011）中混凝土板厚度计算流程表的步骤计算。设计依据： 公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011） 路基路面工程，沙爱民主编，2011.01 数据采用：由于道路具体位置未知，数据采用时均采用数据范围中值。2-1.交通分析新建一级普通混凝土路面设计基准期为30年，安全等级参考教材表15-3为二级，目标可靠度为90%，目标可靠指标为1.28，变异水平等级为低至中，本次设计采用中水平等级。公路自然区划为级，车辆轮迹横向分布系数由下表可知为0.22，交通量增长率已知为5.5%。车辆轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.17-0.22二级及一下公路行车道宽 7m0.34-0.39行车道宽 7m0.54-0.62计算设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数：计算可得：参考下表混凝土路面交通分级可知该路面交通等级为重交通。交通分级交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数大于2000100至20003至100小于32-2初拟路面结构参考：路基路面工程-2011（沙爱民）中： 表15-9水泥混凝土路面最小防冻厚度； 表15-11水泥混凝土面层厚度的参考范围； 表15-13适宜各交通等级的基层类型； 表15-14各类基层厚度的适宜范围；初步拟定路面结构为：面层为240mm普通混凝土，基层为220mm水泥稳定粒料（水泥用量5%），垫层为150mm低剂量无机结合料稳定土.普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m，长5.0m。纵缝采用设拉杆平缝，横缝采用不设传力杆的假缝。2-3 路面材料参数确定按下表，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值。参考路基路面工程-2011（沙爱民）中： 表15-16水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值 表15-17中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围 表15-18垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围 得到相应弯拉弹性模量标准值为31GPa。路基回弹模量取45MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取1500MPa，低剂量无极结合料稳定土垫层回弹模量取600MPa。按公式15-34公式15-39计算基层顶面当量回弹模量如下：上述式中： - 基层顶面的当量回弹模量，MPa； - 路床顶面的回弹模量，MPa； - 基层和底基层或垫层的当量回弹模量，MPa； - 基层和底基层或垫层的回弹模量，MPa； - 基层和底基层或垫层的当量厚度，m； - 基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度，MN m； - 基层和底基层或垫层的厚度，m； - 与 有关的回归系数；2-4荷载疲劳计算标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力按下式计算：普通混凝土面层的相对刚度半径计算：标准轴载在四边自由板理解荷位处产生的荷载应力计算：两式中： - 标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力，MPa； - 混凝土板的相对刚度半径，m； - 混凝土板的厚度，m；- 水泥混凝土的弯拉弹性模量，MPa； - 基层顶面当量回弹模量，MPa；设计基准期内的荷载疲劳应力系数计算： 式中： - 设计基准期内的荷载疲劳应力系数； - 设计基准期内标准轴载累计作用次数； - 与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057；碾压混凝土和贫混凝土=0.065；标准荷载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力计算为： - 标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力，MPa； - 标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力，MPa； - 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时， （刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值）；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时， ；纵缝为设拉杆的企口缝时， ； -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； -考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数；按公路等级查下表确定。综合系数公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路 1.301.251.201.10标准荷载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力计算为：2-5温度疲劳应力综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数 按下式计算：式中: - 混凝土面层板的温度翘曲应力系数； - 面层板的横缝间距，即板长（m）； - 面层板的相对刚度半径（m）；最大温度梯度时混凝土面层板最大温度应力计算： - 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力，MPa； - 混凝土的线膨胀系数，查下表确定为11 。 - 最大温度梯度，查下表确定； - 综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数。温度疲劳应力系数计算：式中： -回归系数，按所在地区的公路自然区划查下表确定。回归系数和 系数公路自然区划0.8280.8550.8410.8710.8370.8341.3231.3551.3231.2871.3281.2700.0410.0410.0580.0710.0380.052温度疲劳应力计算：式中： - 临界荷位处的温度疲劳应力，MPa； - 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力，MPa； - 考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。参考路基路面工程2011（沙爱民）中： 表15-3可靠度设计标准； 表15-5可靠度系数；得出一级公路的安全等级为二级，相对应的变异水平等级采用之前采用的中级，目标可靠度为90%，从而确定可靠度系数取中值 。2-6 水泥混凝土路面结构设计极限状态计算式中： - 可靠度系数； - 行车荷载疲劳应力，MPa； - 温度梯度疲劳应力，MPa； - 水泥混凝土弯拉强度标准值，MPa。所以，所选择水泥混凝土面层厚度（0.24m）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。【】车【】型【】【】【】【】【】【】【】后轴【】25【】.5【】5【】【】1【】6【】.4【】1【】35【】0【】3【】.【】57【】【】五十铃【】前轴【】2【】5.【】55【】【】1【】6【】.4【】3【】5【】0【】5【】.【】4【】【】【】后轴【】【】55【】.【】1【】0【】1【】1【】【】3【】50【】【】26【】.【】19【】【】解放C【】A1【】0B【】【】前【】轴【】【】20【】.【】20【】【】1【】6【】.4【】7【】5【】0【】4【】.3【】7【】【】后【】轴【】3【】8.【】20【】1【】【】1【】【】75【】0【】1【】1.【】1【】4【】黄河J【】N【】1【】50【】前【】轴【】2【】3.【】70【】【】1【】6【】.【】4【】4【】50【】8【】.【】0【】3【】【】后轴【】6【】0.【】20【】【】1【】1【】4【】5【】0【】48【】.【】77【】【】黄河JN【】1【】6【】2【】前【】轴【】4【】9.【】0【】0【】1【】6【】.4【】4【】50【】【】1【】29【】.【】3【】4【】【】后【】轴【】10【】1【】.6【】0【】1【】1【】【】