沥青、混泥土路面课程设计.doc

路基路面课程设计湘潭大学课程名称： 路基路面工程 学 院： 土木工程与力学学院专 业： 土 木 工 程 学 号： 2012800118 年 级： 2012级 学生姓名： 陈龙 指导教师： 王志超 目录1 基本设计资料12 沥青路面设计12.1轴载分析12.2 结构组合与材料选取42.3 计算设计弯沉和结构强度系数K42.4 确定设计参数52.5 计算确定容许弯拉应力62.6 计算路表弯沉和底层拉应力62.7 厚度计算62.8 防冻层厚度检验92.9 方案技术经济比较93 水泥混凝土路面设计103.1 交通量分析103.3 初拟路面结构113.3 确定材料参数123.4计算地基综合回弹模量123.5 计算荷载疲劳应力133.5.1设计轴载下的荷载应力计算133.5.1设计轴载下的荷载应力计算133.6 计算温度疲劳应力143.7设计方案优化153.8防冻厚度检验和接缝设计153.9 结构设计图15参考文献16151 基本设计资料该路段设计年限15年，交通量年平均增长6.11%，车道系数=0.45，该路段处于中国公路自然区划IV5区，路面宽度为B=24.5m，行车道为四车道27.5m，此公路设有一个收费站，且处于中湿路段，设计任务书要求收费站采用水泥混凝土路面，其他路段采用沥青混凝土路面。路基土为粉质中砂性土，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。车型双向交通量小客车SH-130912大客车SH-141173跃进牌NJ-130647东风牌EQ-140344黄河JN-150420日野 KB22286太脱拉13894表1-1交通组成及交通量表注：上表为双向交通量调查结果（学号末位是1的同学，用第一组、以此类推，其中，平均年增长率6.xx，“xx”代表学号的倒数第三位、第二位数字。陈龙，学号为“2012800118”的同学，就选用第八组数据，年平均增长率取“6.11”）。2 沥青路面设计 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。标准轴载的计算参数按表3-1确定。表3-1 标准轴载计算参数标准轴载名称BZZ-100标准轴载名称BZZ-100标准轴载P（KN）100单轮当量圆直径d（mm）21.30轮胎接地压强P（Mpa）0.70两轮中心距（cm）15d1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轴载的当量作用次数。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（）； 各种被换算车型的轴载（）； C1 轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轴组为0.38； C2 轴数系数。 被换算车型的轴载级别。当轴间距离大于3m时，按单独的一个轴载计算；当轴间距离小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算：式中：m轴数。表2-2 轴载换算结果车型（）（次/日）小客车SH-130前轴13.55119120.36后轴27.20119121.53大客车SH-141前轴23.00111730.46后轴63.501117312.94跃进牌NJ-130前轴15.30116470.18后轴 38.3116479.95东风牌EQ-140前轴23.7113440.66后轴69.21134469.35黄河牌JN-150前轴49.001142018.86后轴101.611420450.03日野KB222前轴50.2011864.29后轴104.301186103.28太脱拉138前轴51.4011945.20后轴280.0012.2941597.62N2274.7则其设计年限内一个车道上的累计量轴次： 式中 设计年限内一个车道的累计当量次数； t 设计年限，由材料知，t=20年； 设计端竣工后一年双向日平均当量轴次； 设计年限内的交通量平均增长率，由材料知，=0.087； 车道系数，由材料知=0.5。则：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量作用次数。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（）； 各种被换算车型的轴载（）； 轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。 轴数系数；车型（）（次/日）小客车SH-130前轴13.55119120.00后轴27.20119120.01大客车SH-141前轴23.00111730.00后轴63.50111731.47跃进牌NJ-130前轴15.30116470.00后轴 38.3116470.30东风牌EQ-140前轴23.7113440.00后轴69.21134418.09黄河牌JN-150前轴49.00114201.40后轴101.611420476.87日野KB222前轴50.2011860.35后轴104.301186120.44太脱拉138前轴51.4011940.46后轴280.0012.2948881.99N9501.38表2-3 轴载换算结果则其设计年限内一个车道上的累计量轴次为： 次。2.2 结构组合与材料选取 初拟采用两种路面结构 根据交通状况，结构层的最小施工厚度等因素综合考虑，初拟各结构层厚度如下： 一方案:细粒式沥青混凝土 3cm中粒式沥青混凝土 5cm粗粒式沥青混凝土 7cm二灰碎石 20cm二灰土 ?以二灰土为设计层二方案:细粒式沥青混凝土 4cm 中粒式沥青混凝土 6cm 水泥稳定碎石 ?级配碎石 20cm 以水泥稳定碎石为设计层2.3 计算设计弯沉和结构强度系数K （用于沥青层） （用于二灰碎石和水泥碎石） （用于二灰土）取Ac=1.0,面层为沥青混凝土,As=1.0,半刚性基层,底基层总厚度大于20cm,Ab=1.0 计算结果如下：Ld=600*8769584-0.2*1.0*1.0*1.0=24.5(0.01mm)(方案一)Ld=600*36630320-0.2*1.0*1.0*1.0=18.4(0.01mm)(方案二)细粒式沥青混凝土 K1=0.09*1.0*87695840.22/1.0=3.03中粒式沥青混凝土 K1=0.09*1.0*87695840.22/1.0=3.03粗粒式沥青混凝土 K1=0.09*1.1*87695840.22/1.0=3.33水泥碎石,二灰碎石:K2=0.35*366303230.11/1.0=2.38石灰土: K2=0.45*366303230.11/1.0=3.062.4 确定设计参数资料给出: E 0=120MPa 泊松比为0.35按试验规程规定的方法试验确定20的沥青混合料和其他结构层材料的抗压回弹模量E1。15沥青混合料和其他结构层材料的弯拉回弹模量值E1，以及沥青混合料15弯拉强度和半刚性材料的弯拉强度值sp，列于下表：材料名称沥青针入度抗压模量（）劈裂强度备注细粒沥青混凝土140020001.21.6,取1.4中粒沥青混凝土120018000.81.2,取1.0粗粒沥青混凝土100014000.61.0取0.8水泥稳定碎石15000.40.6,取0.556（配合比或规格要求）二灰土7500.20.3,取0.210：30：60（配合比或规格要求）二灰碎石15000.50.8取0.67：13：80（配合比或规格要求）级配碎石250符合级配要求,做底基层用2.5 计算确定容许弯拉应力 材料名称细粒沥青混凝土1.43.030.46中粒沥青混凝土1.03.030.33粗粒沥青混凝土0.83.330.26水泥稳定碎石0.52.380.21二灰土0.23.060.08二灰碎石0.62.380.302.6 计算路表弯沉和底层拉应力通过计算机程序计算，输入各项参数可得到计算结果，两个设计方案中的设计层厚度未定，先假设初始厚度，若计算不满足不等式，再调整厚度，直至满足为止。 2.7 厚度计算方案一厚度计算新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 一级公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 24.5 (0.01mm) 路面设计层层位 : 5 设计层最小厚度 : 100 (mm)层位 结构层材料名称 厚度 20平均抗压 标准差 15平均抗压 标准差 容许应力 (mm) 模量(MPa) (MPa) 模量(MPa) (MPa) (MPa)1 细粒式沥青混凝土 30 1400 0 2000 0 0.8 2 中粒式沥青混凝土 50 1200 0 1600 0 0.73 粗粒式沥青混凝土 70 1000 0 1200 0 0.6 4 石灰粉煤灰碎石 200 1500 0 1500 0 0.14 5 石灰土 ? 750 0 550 0 0.08 6 新建路基 120 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 24.5 (0.01mm) H( 5 )= 100 mm LS= 21 (0.01mm) 由于设计层厚度 H( 5 )=Hmin时 LS7m0.340.390.540.62行车道宽7m =1219447.092次。3.2可靠度设计标准及变异系数范围、可靠度系数的选用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1.163.3 初拟路面结构 因为交通量100104280.041042000104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，变异水平等级为低级，根据一级公路、重交通等级和低级变异水平等级。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，厚为200mm；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4.5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。3.3 确定材料参数普通混凝土设计弯拉强度（）5.0钢纤维混凝土设计弯拉强度（）6.0故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120Mpa；低剂量无机结合稳定土垫层回弹模量去600Mpa；水泥稳定粒料基层回弹模量取1300Mpa。3.4计算地基综合回弹模量基层顶面当量的回弹模量值计算如下： = = =0.328m = =0.56 =354.75MPa3.5 计算荷载疲劳应力3.5.1设计轴载下的荷载应力计算根据一级公路、重交通，由路基路面工程查得初拟普通混凝土面层厚度为0.25m。由下列公式求得： 普通混凝土面层的相对刚度半径为： 式中 混凝土板的相对刚度半径（m）； h 混凝土板的厚度（m）； Ec 水泥混凝土的弯沉弹性模量（Mpa）； p 标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）； kr 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设杆拉的平缝，kr=0.87 0.92，纵缝为不设杆拉的平缝或自由边界kr=1.0，纵缝为设杆拉的企口缝，kr=0.76 0.84，； kc 考虑偏载和动载因素对路面疲劳损坏影响综合系数，按公路等级查下表3-3；表3-3 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kc1.151.101.051.00（1）标准轴载Ps在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力（Mpa）。 ， 根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综和系数,（2）荷载疲劳应力为：=2.490.871.11.549=3.69MPa 3.5.1设计轴载下的荷载应力计算（1）pr 最重轴载Ps在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力（Mpa）（2）最重荷载产生的最大荷载应力3.6 计算温度疲劳应力3.6.1 面层板最大应力由路基路面工程知，区最大温度梯度取88/m。板长4.5m，L/r=4.5/0.850=5.29；已知混凝土板厚0.25m，Bx=0.397。 则可知最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力： 式中： c 混凝土的温度线膨胀系数 ； Tg 最大温度梯度，Tg=88c/m； Bx 综合温度翘区应力和内应力的温度应力系数； tm 最大温度梯度时土板的温度翘取应力（Mpa）。 3.6.2 面层板温度疲劳应力 温度疲劳系数 ，式中a，b和c为回归系数，按所在地区公路自然区划查下表 3-4。表3-4 回归系数a，b和c系数公路自然区a0.8280.8550.8410.8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821.270 则温度疲劳应力： 综合，一级公路的安全等级为二级，相应于二级的安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为90。再根据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数。，故满足要求。 3.7设计方案优化与基层混凝土弯拉强度的相对误差（）14.81/5=3.8%结构厚度进一步优化的空间不大，取计算值为250mm。根据规范加6mm磨耗层，并按10mm取整，故最后设计值为260mm。 3.8防冻厚度检验和接缝设计1防冻厚度检验由公路水泥混凝土路面设计规范知，路面防冻厚度为0.5m，而设计路面总厚度为0.61m，由于0.50.61，故满足设计要求。2接缝设计 为避免由温度产生的应力破坏，所以，在混凝土板中设置横缝与纵缝