公路路基路面设计书.doc

公路路基路面设计方案一.设计资料公路自然区划II1拟建一双车道二级公路,该地区为粘性土,稠度为1.0,山岭重丘区.沿线的工程地质及水文地质良好。山体附近有多处采石厂，砂石材料丰富,其他材料均需外购。拟设计道路路基宽度10米，路面宽度7.5米，路肩宽度1.25米，其中硬路肩宽度0.75米，土路肩宽度0.5米。所经地区多处为粘性土。根据最新路网规划,预测使用初期年平均日交通量见下表,年平增长为5%。表一 预测竣工后第一年的交通组成车型解放CA10B东风EQ-140日野KB222黄河JN-150小汽车辆/d1630141070601455二、混凝土路面设计2.1交通分析查规范，二级公路的设计基准期为20年，安全等级为三级。水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴-轮型和轴载的作用次数，按式（3 .0 4-1）换算为标准轴载的作用次数。 （3.0.4-1） (3.0.4-2 )或 (3.0.4-3 )或 (3.0.4-4 )式中：Ns100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；Pi单轴-单轮、单轴-双轮组或三轴-双轮组轴型级轴载的总重（KN）；轴型和轴载级位数；各类轴型级轴载的作用次数；轴-轮型系数，单轴-双轮组时，=1；单轴-单轮时，按式（3.0.4-2）计算；双轴-双轮组时，按式（3.0.4-3）计算;三轴-双轮组时,按式(3.0.4-4)计算。由已知资料计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数见下表：车型轴重 i交通组成当量轴次解放CA-10B前轴19.40620.294916300.5759后轴60.851东风EQ-140前轴23.70569.129614103.8988后轴69.201日野KB222前轴50.20412.145370137.7618后轴104.301黄河JN-150前轴49.00416.45566077.3482后轴101.601小汽车前轴-556.2114550.0000后轴-1合计219.5847由表二可知，二级公路的设计基准期为20年，安全等级为三级。由表三可知,临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.38。取交通量年平均增长率为5。按下式计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为：式中： Ne标准轴载累计作用次数； T 设计基准期；gr 交通量年平均增长率； 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按表三选用由表四查得，属重交通等级。表二 可靠度设计准公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路安全等级一级二级三级四级设计基准期（a）30302020目标可靠度（）95908580目标可靠指标1.641.281.040.84变异水平等级低低中中中高表三 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0.170.22二级及二级以下公路行车道宽7m0.34O39行车道宽7mO540.62注：车道或行车道宽或者交通量较大时，取高值；反之，取低值。表 四 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Ne（104）2000100200031003表五 水泥混凝土面层厚度的参考范围交通等级特重重公路等级高速一级二级高速一级二级变异水平等级低中低中低中低中面层厚度（mm）260250240270240260230250220交通等级中等轻公路等级二级三、四级三、四级三、四级变异水平等级高中高中高中面层厚度（mm）2402102302002202002302202.2初拟路面结构由表二可知，相应于安全等级三级的变异水平等级为中级。根据二级公路、重交通等级和中级变异水平等级，查表五初拟普通混凝土面层厚度为O.24m。基层选用水泥稳定粒料(水泥用量5)，厚0.19m。垫层为0.16m石灰粉煤灰土。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m，长4.5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆假缝。 1) 纵向接缝的布设应路面宽度和施工铺筑宽度而定： 一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝，构造如图一所示；n 一次铺筑宽度大于4.5m时，应设置纵向缩缝，构造如图二所示。2) 每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处，构造如图三所示。3) 横向缩缝可等间距或变间距布置，采用假缝形式,因本设计为重等交通公路，所以采用设传力杆的假缝，构造如图四所示。 2.3路面材料参数确定按表六，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。表六 混凝土弯拉强度标准值交通等级特重重中等轻水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa）5.05.04.54.0钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）6.06.05.55.0表七 中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围(MPa)土 组公路自然区划土质砂26424050395035605060粘质土25453040254530453045粉质土22463254305027433045查表七，路基回弹模量取30MPa。查表八，石灰粉煤灰土垫层回弹模量取800MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取1600MPa。按下式计算基层顶面当量回弹模量如下： 式中： Et 基层顶面的当量回弹模量(MPa)；E0路床顶面的回弹模量(MPa)；Ex基层和底基层或垫层当量回弹模量(MPa)； E1、E2基层和底基层或垫层的回弹模量(MPa)；hx基层和底基层或垫层的当量厚度(m)； Dx基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度(MN-m)；h1、h2基层和底基层或垫层的厚度(m)； a、b与ExE0有关的回归系数。普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算如下：式中： r 混凝土板的相对刚度半径(m)；H 混凝土板的厚度(m)；E c水泥混凝土的弯拉弹性模量(MPa)； Et 基层顶面当量回弹模量(MPa) 表八 垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围材料类型回弹模量(胁)材料类型回弹模量(m)中、粗砂80100石灰粉煤灰稳定粒料13001700天然砂砾150200水泥稳定粒料13001700未筛分碎石180220沥青碎石(粗粒式，20)600800级配碎砾石(垫层)200250沥青混凝土(粗粒式，20)8001200级配碎砾石(基层)250350沥青混凝土(中粒式，20)10001400石灰土200700多孔隙水泥碎石(水泥剂量9.511)13001700石灰粉煤灰土600900多孔隙沥青碎石(20，沥青含量2.53.5)60080024荷载疲劳应力按下式，标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为式中： ps标准轴载PS在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力(MPa)；r 混凝土板的相对刚度半径(m)，按式(B.1.3-2)计算；h 混凝土板的厚度(m)；因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数kr=O.87。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。根据公路等级，由表九，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc=1.20。表九 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kc1.301.251.201.10按式下式，荷载疲劳应力计算为式中：pr标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力(MPa)； ps标准轴载PS在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力(MPa)；k r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，kr =O.87O.92(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，kr =1.O；纵缝为设拉杆的企口缝时，kr=0.76O.84；kf 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； kc考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查表八确定。25温度疲劳应力由表十，区最大温度梯度取88(m)。板长4.5m， =4.50.7031=6.4，由图B2.2.可查普通混凝土板厚h=0.24m，Bx=O.63。表十 最大温度梯度标准值Tg公路自然区划、最大温度梯度(/m)8883909586929398注：海拔高时，取高值；湿度大时，取低值。最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为式中： tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)； c 混凝土的线膨胀系数(1)，通常可取为110-5；Tg 最大温度梯度，查表九取用；Bx 综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，可按r和h查用图B.2.2确定； 板长，即横缝间距(m)。温度疲劳应力系数kt，按式(B23)计算为式中：a、b和c回归系数，按所在地区的公路自然区划查表十一确定表十一 回归系数a、b和c系 数公路自然区划IIIIIVV11A0.8280.8550.8410.8710.8370.834B0.0410.0410.0580.0710.0380.052C1.3231.3551.3231.2871.3821.270再由下式计算温度疲劳应力为式中：tr 临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)；tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)；kt 考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。查表二，二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表十二，确定可靠度系数=1.13。表十二 可靠度系数变异水平等级目标可靠度（）95908580低1.201.331.091.161.041.08中1.331.501.161.231.081.131.041.07高1.231.331.131.181.071.11注：变异系数在表3 .0 .2所示的变化范围的下限时，可靠度系数取低值；上限时取高值。按下式：因而，所选普通混凝土面层厚度(O.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。26验算水泥混凝土路面设计水泥混凝土路面设计 设 计 内 容 : 新建单层水泥混凝土路面设计 公 路 等 级 : 二级公路 变异水平的等级 : 中 级 可 靠 度 系 数 : 1.13 面 层 类 型 : 普通混凝土面层序号路面行驶车辆名称单轴单轮组的个数轴载总重(kN)单轴双轮组的个数轴载总重(kN)双轴双轮组的个数轴载总重(kN)三轴双轮组的个数轴载总重(kN)交通量1单后轴货车119.4160.85000016302单后轴货车123.7169.2000014103单后轴货车150.21104.30000704单后轴货车1491101.60000605单后轴货车12012000001455行驶方向分配系数 1 车道分配系数 1 轮迹横向分布系数 .39 交通量年平均增长率 5 混凝土弯拉强度 5 MPa 混凝土弯拉模量 31000 MPa混凝土面层板长度 4.5 m 地区公路自然区划 面层最大温度梯度 88 /m 接缝应力折减系数 .87 基(垫)层类型-新建公路土基上修筑的基(垫)层层位基（垫）层材料名称厚度(mm)回弹模量(MPa)1水泥稳定粒料19013002石灰粉煤灰土1608003土基30基层顶面当量回弹模量 ET= 182.9 MPaHB= 240 r= .714 SPS= 1.09 SPR= 2.51 BX= .63 STM= 2.07 KT= .52 STR= 1.08 SCR= 3.59 GSCR= 4.06 RE=-18.8 %设计车道使用初期标准轴载日作用次数 : 220 路面的设计基准期 : 20 年设计基准期内标准轴载累计作用次数 : 1035526 路面承受的交通等级 :重交通等级基层顶面当量回弹模量 : 182.9 MPa混凝土面层设计厚度 : 240 mm通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下: - 普通混凝土面层 240 mm - 水泥稳定粒料 190 mm - 石灰粉煤灰土 160 mm - 土基三、沥青路面设计1初拟路面结构组合根据交通状况，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：中粒式沥青混凝土 4cm粗粒式沥青混凝土 6cm二灰稳定砂砾 20cm二灰土 ？2交通分析根据表十三可知，二级公路沥青路面的设计年限为12年。表十三 各级公路的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（1）当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载均应按如下公式换算成标准轴载P的当量作用次数N。准轴载的当量轴次N： =196.1345+301.438+106.422+81.5352=685.5297（次/d）式中：N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轴次（次/d）： Ni被换算车型的各级轴载作用次数（次/d）； P标准轴载； Pi被换算车型的各级轴载（KN）； C1被换算车型的轴数系数； C2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； K被换算车型的轴载级别。 当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数下面公式计算： C1=1+1.2（m-1）式中：m 轴数。列表如下：车型轴重C1C21交通组成当量轴次解放CA-10B前轴19.4016.40.00510.12301630196.1345后轴60.85110.1152东风EQ-140前轴23.7016.40.01220.12031410301.4380后轴69.20110.2061日野KB222前轴50.2016.40.31931.520370106.4220后轴104.30111.2010黄河JN-150前轴49.0016.40.28741.35896081.5352后轴101.60111.0715小汽车前轴-16.40.00000.000014550.0000后轴-110.0000 合计 685.5297计年限内一个车道的累计当量标准轴次Ne，按下式计算： （次/车道）式中：Ne设计年限内一个车道上的累计当量轴次（次/车道）； t 设计年限（年）； 路面竣工后第一年双向日平均标准轴载的 当量轴次（次/日）；车道系数，参照规范表3.0.4-1，无分隔带的双车道0.60.7； 设计年限内交通量年平均增长率。（2）当以半刚性材料层的拉应力为指标时，各级轴载均应按如下公式换算成标准轴载P的当量作用次数N。标准轴载的当量轴次N：=280.6474（次/日）式中：N 准轴载的当量轴次（次/日）；ni设计第一年被换算车型的 各级轴载作用次数（次/日）；Pi被换算车型的各级轴载（KN）；C1轴数系数， 式中m轴数； C2轮组系数，单轴组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09。列表计算如下：车型轴重C1C21交通组成当量轴次解放CA-10B前轴19.40118.50.00000.0188163030.6993后轴60.85110.0188东风EQ-140前轴23.70118.50.00020.0528141074.8793后轴69.20110.0526日野KB222前轴50.20118.50.07461.475170103.2558后轴104.30111.4005黄河JN-150前轴49.00118.50.06151.19696071.8130后轴101.60111.1354小汽车前轴-118.50.00000.000014550.0000后轴-110.0000合计280.6474计年限内一个车道的累计当量标准轴次Ne，按下式计算：（次/车道）式中：Ne设计年限内一个车道上的累计当量轴次（次/车道）； t 设计年限（年）； 路面竣工后第一年双向日平均标准轴载的 当量轴次（次/日）； 设计年限内交通量的平均增长率（5%）； 车道系数，参照规范表十四，无分隔带的双车道0.7表十四 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0.60.7双向八车道0.250.35双向四车道0.40.5 3路面设计弯沉值路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据。路面设计弯沉值应根据公路等级、在设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按下式计算确定：（0.01mm）式中：路面设计弯沉值；Ne 设计年限内一个车道上的累计当量轴次；Ac公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；As面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌下惯或贯入式路面为1.1；沥青表面处治为1.2；中、低级路面为1.3；Ab基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度大于或等于20cm时为1.0；若面层与半刚性基层结构时可取1.0；柔性基层、底基层为1.6，当柔性基层厚度大于15cm、底基层为半刚性下卧层时可取1.6.。表十五 基层、底基层材料设计参数材料名称配合比或规格要求抗压模量E（MPa）弯沉计算用抗压模量E（MPa）拉应力计算用劈裂强度（MPa）水泥砂粒4611001500300042000.40.6水泥碎石4613001700300042000.40.6二灰砂粒7:13:8011001500300042000.60.8二灰碎石8:17:8013001700300042000.50.8石灰水泥粉煤灰砂粒6:3:16:7512001600270037000.40.55水泥粉煤灰碎石4:16:8013001700240030000.40.55石灰土碎石粒料607001100160024000.30.4碎石灰土粒料4050600900120018000.250.35水泥石灰砂粒土4:3:25:688001200150022000.30.4二灰土10:30:60600900200028000.20.3石灰土812400700120018000.20.25石灰土处理路基47200350级配碎石基层连续级配型300350基层骨架密实型300500底基层、垫层200250表十六 沥青混合材料设计参数材料名称抗压模量E（MPa）劈裂强度15（MPa）备注2015细粒式沥青混凝土密集配12001600180022001.21.6AC-10,AC-13开级配7001000100014000.61.0OGFC沥青马蹄脂碎石12001600160020001.41.9SMA中粒式沥青混凝土10001400160020000.81.2AC-16,AC-20密集配粗粒式沥青混凝土8001200100014000.60.8AC-25沥青碎石基层密集配10001400120016000.61.0ATB-25,ATB-35半开级配600800AM-25,AM-40沥青贯入式400600查表十五，表十六，得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取20的模量，各值均取规范给定的中值如下表：材料名称抗压模量E（MPa）劈裂强度15（MPa）备注20 15 中粒式沥青混凝土130019001.1AC-16,AC-20密集配粗粒式沥青混凝土110013000.8AC-25材料名称配合比或规格要求抗压模量E（MPa）劈裂强度15（MPa）弯沉计算用拉应力计算用二灰稳定砂砾8:17:80140039000.70二灰土10:30:6080025000.25 土基回弹模量的确定：该地区属于道路1区，为粘性土，稠度为1.0，山岭重丘区，查表 二级自然区划各土组土基回弹模量参考值（MPa），查得土基回弹模量为25Mpa。4各层材料的容许层底拉应力 中粒式沥青混凝土： 密集配粗粒式沥青混凝土：二灰稳定砂砾: 二灰土: 设计弯沉值为34.4mm，以二灰土为设计层。相关设计资料汇总如下表：材料名称h(cm)20抗压模量E（MPa）容许拉应力（MPa）中粒式密集配沥青混凝土（AC-16）413000.5135密集配粗粒式沥青混凝土611000.3734二灰稳定砂砾2014001.4754二灰土？8000.13185. 验算沥青路面设计*新建路面设计成果文件汇总*轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算序号车型名称前轴重(kN)后轴重(kN)后轴数后轴轮组数后轴距(m)交通量1解放CA10B19.460.851双轮组016302东风EQ14023.769.21双轮组014103日野KB22250.2104.31双轮组0704黄河JN15049101.61双轮组060设计年限 12 车道系数 0.7 交通量平均年增长率 5 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时 :路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 686 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 2789843 当进行半刚性基层层底拉应力验算时 :路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 280 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 1138711 公路等级 二级公路公路等级系数 1.1 面层类型系数 1 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 33.9 (0.01mm)层位结构层材料名称劈裂强度(MPa)容许拉应力(MPa)1中粒式沥青混凝土1.10.512粗粒式沥青混凝土0.80.343石灰粉煤灰砂砾0.70.474石灰粉煤灰土0.250.13新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 二级公路 新建路面的层数 : 4 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 33.9 (0.01mm) 路面设计层层位 : 4 设计层最小厚度 : 15 (cm)层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MPa) (20)抗压模量(MPa) (15)容许应力(MPa)1中粒式沥青混凝土3140020000.512粗粒式沥青混凝土4120016000.343石灰粉煤灰砂砾690012000.474石灰粉煤灰土56150015000.135土基25按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 33.9 (0.01mm) H( 4 )= 35 cm LS= 35.5 (0.01mm) H( 4 )= 40 cm LS= 30.8 (0.01mm) H( 4 )= 36.7 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 4 )= 36.7 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 36.7 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 36.7 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 51.7 cm ( 4 )= .145 MPa H( 4 )= 56.7 cm ( 4 )= .127 MPa H( 4 )= 5