路基路面设计.doc

班级：桥梁工程20092组号：2班2组组长：付艺伟组员：徐春林 付艺伟 张俊振 龚浦辉 计清亮 赖俊瑜 闫儒 程闻博 艾菊敏 陈鹏 李桥 指导老师：陈宇亮 时间：2012年6月10日目录一设计说明11工程概况 12设计资料 13设计内容 14.设计依据和标准1二沥青路面设计1 1.轴载分析 2 2.初拟路面结构 4 3路面材料配合比设计和设计参数的确定 5 4.验算拟定方案7 1）验算方案一 7 2）验算方案二9 7) 验算方案三11 5.方案对比12三水泥路面设计13 1.交通分析 13 2.初拟路面结构及其计算与验算 161）.方案一 16a.计算基层顶面当量回弹模量16 b.计算混凝土板的荷载疲劳应力17 c. 计算混凝土板的温度疲劳应力17 d.验算防冻厚度 18 2).方案二 19 a.计算基层顶面当量回弹模量 19 b.计算混凝土板的荷载疲劳应力 20 c. 计算混凝土板的温度疲劳应力 20 d.验算防冻厚度 21 3).方案三 22a.计算基层顶面当量回弹模量 23 b.计算混凝土板的荷载疲劳应力 23 c. 计算混凝土板的温度疲劳应力 24 d.验算防冻厚度 243.接缝设计 241) .纵向接缝 252). 横向接缝 254.方案对比26四沥青路面和水泥路面对比 27五小组成员心得体会 29一、设计说明1、工程概况拟设计道路路线位于平原微丘区，公路自然区划为II1区。地震烈度为六级。设计标高243.50m，地下水位1.5m。2、设计资料2.1 土质 所经地区多处为粉性土。2.2 交通根据最新路网规划，预测使用初期2011年年平均日交通量见下表，年平均增长率为6.5%。车型解放CA10B黄河JN150日野KF300D斯柯达706R依士兹TD50交通SH141长征XD980小汽车辆/d56081046039045038072026003、设计内容分别设计水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的结构层次，并算出结构层厚度，水泥混凝土路面还需进行接缝设计。主要包括以下内容：1）、详细的设计计算书（1） 沥青混凝土路面：、确定结构方案； 、确定设计参数；、计算待求层厚度； 、弯拉应力计算。（2） 水泥混凝土路面、确定结构方案； 、确定设计参数； 、初拟混凝土板尺寸； 、应力计算； 、接缝设计。2）、设计图（1） 路面结构图（2） 相应的计算图（3） 水泥混凝土路接缝构造图4、设计依据及标准1 公路路基设计规范（JTGD30-2004)2 公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）3 公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D40-2002）4 公路水泥混凝土路面施工技术规范（JTG F30-2003）2、 沥青路面设计1、轴载分析1）路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载。当以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力为设计指标时，轴载换算采用如下的计算公式：式中：标准轴载的当量轴次，（次/日）；被换算车辆的各级轴载作用次数，（次/日）；标准轴载，（kN）;被换算车辆的各级轴载，（kN），轴载小于25kN的轴载作用不计；轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。轴数系数，当轴间距大于3m时，按单独的一个轴计算，当轴间距小于3m时，双轴或多轴时按下式计算轴数。当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时，采用如下公式：式中：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。当轴间距大于3m时，按单独的一个轴计算，当轴间距小于3m时，双轴或多轴时按下式计算轴数。设计年限累计当量标准轴载数公式：=式中：设计年限内一个车道沿一个方向通过的累计标准当量轴次；设计年限（年）；路面营运第一年双向日平均当量轴次（次/日）；设计年限内交通平均增长率（%）；与车道数有关的车辆横分布系数，简称车道系数；2）计算：轴载换算结果表（弯沉）车型（）（次/日）解放CA10B前轴11560后轴60.851156064.52黄河JN150前轴49.001181036.37后轴101.6011810867.91日野KF300D前轴40.75114609.26后轴7912.2460362.96斯柯达706R前轴50.001139019.12后轴90.0011390246.62依士兹TD50前轴42.201145010.55后轴80.0011450170.47交通SH141前轴25.25113800.95后轴55.101138028.43长征XD980前轴37.10112703.62后轴72.6512.2270147.97小汽车前轴112600后轴1126002403注：轴载小于25的轴载作用不计；累计当量轴次：根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年限取15年，四车道的车道系数是0.40.5，取0.40。=8484024次轴载换算结果表（半刚性材料结构层的层底拉应力）车型（）（次/日）解放CA10B前轴11560后轴60.851156010.53黄河JN150前轴49.00118102.70后轴101.6011810919.68日野KF300D前轴40.75114600.35后轴79.0012.2460153.54斯柯达706R前轴50.00113901.52后轴90.0011390167.88依士兹TD50前轴42.20114500.45后轴80.001145075.50交通SH141前轴25.25113800.006后轴55.10113803.23长征XD980前轴37.10112700.097后轴72.6512.227046.10小汽车前轴112600后轴1126001544注：轴载小于25KN的轴载作用不计.累计当量轴次：根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年限取15年，四车道的车道系数是0.40.5，取0.45。=5451242次2、初拟路面结构结合已有工程经验与经典构造，拟定了三个结构方案，根据结构层的最小施工厚度、材料、水文、交通量以及施工机具的功能因素，初步确定路面结构组合与各厚度如下：方案一：3cm细粒式沥青混凝土+4cm中粒式沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+20cm水泥稳定碎石基层+35cm水泥石灰沙砾土层，以水泥石灰沙砾土为设计层。方案二：3cm中粒式沥青混凝土+4cm粗粒式沥青混凝土+6cm级配碎石+20cm水泥粉煤灰碎石+24cm水泥稳定碎石。方案三：3cm细粒式沥青混凝土+4cm中粒式沥青混凝土+6cm中粒式沥青碎石+20粗粒式沥青碎石+17cm级配碎石，以级配碎石为设计层。3、路面材料配合比设计和设计参数的确定1材料的确定刚性材料、柔性材料取自沿线料场集合料沥青选自A级90号，技术指标符合公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）相关规定。2路面材料抗压回弹模量的确定2.1沥青材料抗压回弹模量的确定根据路基路面表14-15等拟定20和15的抗压回弹模量，见表2-1沥青材料抗压回弹模量测定与参数取值 表2-1材料名称20抗压回弹模量（Mpa）15抗压回弹模量（Mpa）方差方差细粒式沥青混凝土1400201998200034413122688中粒式沥青混凝土1200105990160018712261974粗粒式沥青混凝土9005579012006010801320密集配沥青碎石124811610161715156140320272.2半刚性极其他材料抗压回弹模量的确定根据路基路面表14-16和相关计算拟定材料抗压回弹模量，见表2-2 半刚性材料及其他材料抗压回弹模量测定与参数取值 表2-2材料名称抗压模量（Mpa）方差水泥稳定碎石318878216244752水泥石灰沙砾土159125010912091水泥稳定沙砾261723421483086级配碎石400级配沙砾2503材料劈裂强度的测定根据路基路面表14-15和表14-16确定材料劈裂强度，见表3-1 路面材料劈裂强度 表3-1材料名称细粒式沥青混凝土细粒式沥青混凝土细粒式沥青混凝土水泥稳定碎石水泥稳定沙砾水泥石灰沙砾土劈裂强度1.21.00.80.60.50.44、验算拟定方案 1计算各方案的弯沉值路面的弯沉值由下式求出 式中：设计弯沉值（mm） 设计年限内一个车道累计当量标准轴载通过次数 公路等级系数，高速公路、一级公路取1.0，二级公路为1.1，三四级公路为1.2 面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌沥青碎石、冷拌沥青碎石、上拌下贯或灌入式路面、理清处治为1.1 路面结构系数，刚性基层、半刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6，若基层由柔性材料和半刚性材料组合而成，则位于两者之间，通过线性内插决定。计算各方案弯沉值：方案一：为半刚性基层，路面系数取1.0，通过计算得24.7mm方案二：为柔性基层，路面系数取1.2，通过计算得到29.6mm方案三：为半刚性和柔性材料组合基层，路面系数取1.6，通过计算39.5mm 归总见表4-1 各方案弯沉值 表4-1方案方案一方案二方案三24.7mm29.6mm39.5mm 2设计方案验算 2.1验算方案一 结构厚度计算结果序号结构层材料名称20抗压模量（Mpa）15抗压模量（Mpa）劈裂强度（Mpa）厚度（cm）容许拉应力（Mpa）均值标准差均值标准差1细粒式沥青混凝土140019920003391.230.402中粒式沥青混凝土120010216001861.040.333粗粒式沥青混凝土900541200590.860.244水泥稳定碎石150078015007800.6200.315水泥石灰沙砾土5502505502500.4350.166土基380- 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 24.7 (0.01mm) H( 5 )= 30 cm LS= 26.5 (0.01mm) H( 5 )= 35 cm LS= 24.4 (0.01mm) H( 5 )= 34.3 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 5 )= 34.3 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 34.3 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 34.3 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 34.3 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 34.3 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 34.3 cm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 34.3 cm(同时考虑弯沉和拉应力) 验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 50 cm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 . 通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下: - 细粒式沥青混凝土 3 cm - 中粒式沥青混凝土 4 cm - 粗粒式沥青混凝土 6 cm - 水泥稳定碎石 20 cm - 水泥石灰砂砾土 35 cm - 土基 方案一 沥青路面结构图2.2验算方案二 结构厚度计算结果.序号结构层材料名称20抗压模量（Mpa）15抗压模量（Mpa）劈裂强度（Mpa）厚度（cm）容许拉应力（Mpa）均值标准差均值标准差1中粒式沥青混凝土140010220001861.230.402粗粒式沥青混凝土1200541600590.840.243级配碎石9000-6-4水泥粉煤灰碎石150012015001200.6200.315水泥稳定碎石5507805507800.4240.216土基380-按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 29.6 (0.01mm) H( 5 )= 20 cm LS= 32 (0.01mm) H( 5 )= 25 cm LS= 29 (0.01mm) H( 5 )= 24 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 5 )= 24 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 24 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 24 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 24 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 24 cm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 24 cm(同时考虑弯沉和拉应力) 验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 50 cm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 . 通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下: - 中粒式沥青混凝土 3 cm - 粗粒式沥青混凝土 4 cm - 级配碎石 6 cm - 水泥粉煤灰碎石 20 cm - 水泥稳定碎石 24 cm - 土基 方案二 沥青路面结构 2.3验算方案三 结构厚度计算结果 序号结构层材料名称20抗压模量（Mpa）15抗压模量（Mpa）劈裂强度（Mpa）厚度（cm）容许拉应力（Mpa）均值标准差均值标准差1细粒式沥青混凝土140020120003441.230.402中粒式沥青混凝土120010516001871.040.333中粒式沥青碎石9001161200156-6-4粗粒式沥青碎石150055150060-20-5级配碎石5500-17-6土基380-按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 39.5 (0.01mm) H( 5 )= 15 cm LS= 35.5 (0.01mm) 由于设计层厚度 H( 5 )=Hmin时 LS=LD, 故弯沉计算已满足要求 . H( 5 )= 15 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 5 )= 15 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 15 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 15 cm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 15 cm(同时考虑弯沉和拉应力) 验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 50 cm 验算结果表明 ,路面总厚度比路面最小防冻厚度小 2 cm , 程序将自动在上述刚设计的路面最下层厚度中予以补足 . 通过对设计层厚度取整和将路面防冻厚度不足部分增补到路面 最下层, 最后得到路面结构设计结果如下: - 细粒式沥青混凝土 3 cm - 中粒式沥青混凝土 4 cm - 中粒式沥青碎石 6 cm - 粗粒式沥青碎石 20 cm - 级配碎石 17 cm - 土基 方案三 沥青路面结构5、方案对比 从经济方面考虑，可选取厚度最小的方案三，但是方案三弯沉值（39.5mm）最大，刚度较小，影响使用寿命，而且沥青层厚，经济投入更大；通过比较方案一和方案二，两方案沥青层厚度相同，虽然方案一比方案二厚度大，但是弯沉值小。又因为方案一中垫层材料较厚，水稳定性和隔温性好，具有改善土基温度和湿度状况的功能，保证了基层和面层的强度、刚度和稳定性不受土基的影响。，从长远应用方面考虑，方案一最合适。3、 水泥混凝土路面设计1、交通分析1）计算方法：水泥砼路面结构设计以100单轴双轮组荷载为标准轴载。不同轴轮型和轴载的作用次数，按下式换算为标准轴载的作用次数。式中：100的单轴双轮组标准轴载的通行次数； 各类轴轮型；及轴载的总重（）； 轴型和轴载的通行次数； 各类轴轮型i级轴载的通行次数； 轴轮型系数。 单轴双轮组： 单轴单轮组： 双轴双轮组： 三轴双轮组： 标准轴载累计当量作用次数 式中：标准轴载累计当量作用次数； r设计基准期（年） 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，查表16-3；本设计为一级公路，取。1） 计算:标准轴载换算表车型（）（次/日）解放CA10B前轴1560后轴60.8515600.19黄河JN150前轴49.0018100后轴101.6018101044.20日野KF300D前轴40.7514600后轴79.003.5110-64600斯柯达706R前轴50.0013900后轴90.00139072.27依士兹TD50前轴42.2014500后轴80.00145012.67交通SH141前轴25.2513800后轴55.1013800.03长征XD980前轴37.1012700后轴72.653.5810-62700小汽车前轴12600后轴126001129.36由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)可得一级公路的设计基准期为30年，具体数值见表3.1.1：表3.1.1可靠度设计指标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则设计基准期内路面所承受的标准轴载累计作用次数为Ni，则有： (2-5)其中，t =30，n1=1129.36，=6.5% 。则有 。由于路面设计依据的交通量是设计车道上的交通量，所以，应对道路交通量乘以方向不均匀系数及车道不均匀系数。方向不均匀系数取0.5，车道不均匀系数取1.0。则有设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数Ns为：Ns=Ni0.51.0=356051360.51.0=17802568 。车道横断面上各点所受的轴载作用次数，仅为通过该车道断面的轴载作用次数的一部分。水泥混凝土路面的临界疲劳荷位为纵缝边缘中部，该处的轮迹横向分布系数，按实际测定结果参照表3.1.2所示。表3.1.2 车辆轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速、一级公路、收费站0.170.22二级及二级以下公路行车道宽大于7m0.340.39行车道宽小于或等于7m0.540.62本公路为一级公路双向六车道，取=0.2 。则，设计基准期内面层临界荷位出得标准轴载累积作用次数Ne。Ne=Ns=178025680.2=3560514。 (2-6)水泥混凝土路面所承受的交通轴载作用，按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为4级，分级范围如表3.1.3所示。表3.1.3 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由表3.1.3 可知，本道路交通属于重交通。2、初拟路面结构及其计算与验算(温度疲劳应力、荷载疲劳应力等)方案一：- 普通混凝土面层 220 mm - 水泥稳定粒料 250 mm - 级配碎砾石 200 mm -土基 方案一 水泥混凝土路面结构图 基层顶面当量回弹模量：当量弯曲刚度：当量厚度：回归系数：基层顶面当量回弹模量：普通水泥混凝土面层的相对刚度半径：标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力：接缝传荷折减系数，疲劳应力系数，综合系数。荷载疲劳应力：区最大温度梯度，取板长L=5m，,又混凝土板厚，根据图12-12可查得，温度应力系数。于是得最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：温度疲劳应力系数：，式中，回归系数（表12-21区）代入数值得温度疲劳应力：可靠度系数，在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极限状态时，需满足，代入数值：可见，能够满足荷载应力和温度应力的综合疲劳作用要求。验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 400 mm新建基(垫)层总厚度 450 mm验算结果表明, 路面总厚度满足路面防冻要求 .方案二：- 普通混凝土面层 220 mm - 水泥稳定粒料 180 mm - 石灰粉煤灰土 180 mm -多孔隙水泥碎石 130 mm -土基 基层顶面当量回弹模量：当量弯曲刚度：当量厚度：回归系数：基层顶面当量回弹模量：普通水泥混凝土面层的相对刚度半径：标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力：接缝传荷折减系数，疲劳应力系数，综合系数。荷载疲劳应力：区最大温度梯度，取板长L=5m，,又混凝土板厚，根据图12-12可查得，温度应力系数。于是得最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：温度疲劳应力系数：，式中，回归系数（表12-21区）代入数值得温度疲劳应力：可靠度系数，在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极限状态时，需满足，代入数值：可见，能够满足荷载应力和温度应力的综合疲劳作用要求。验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 400 mm新建基(垫)层总厚度 490 mm验算结果表明, 路面总厚度满足路面防冻要求 .方案三：- 普通混凝土面层 220 mm - 贫混凝土 120 mm - 多孔隙沥青碎石 100 mm -石灰粉煤灰稳定粒料 150 mm -天然砂砾 100 mm -土基 方案三 水泥混凝土路面结构图基层顶面当量回弹模量：当量弯曲刚度：当量厚度：回归系数：基层顶面当量回弹模量：普通水泥混凝土面层的相对刚度半径：标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力：接缝传荷折减系数，疲劳应力系数，综合系数。荷载疲劳应力：区最大温度梯度，取板长L=5m，,又混凝土板厚，根据图12-12可查得，温度应力系数。于是得最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：温度疲劳应力系数：，式中，回归系数（表12-21区）代入数值得温度疲劳应力：可靠度系数，在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极限状态时，需满足，代入数值：可见，能够满足荷载应力和温度应力的综合疲劳作用要求。验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 400 mm新建基(垫)层总厚度 470 mm验算结果表明, 路面总厚度满足路面防冻要求 .3、接缝设计混凝土路面板由于温度或湿度变化、硬化时的收缩等原因，会出现胀缩合翘曲。设置接缝，可减小混凝土板因变形受到约束而产生的内应力，并满足施工的需要。3.1纵向接缝纵缝设在划分车道线的位置，由于一次铺筑宽度小于路面宽度，设置纵向施工缝。纵缝与路线中缝平行。纵向施工缝采用平缝加拉杆形式，上部锯切槽口，深度为55mm，宽度为5mm，槽内灌塞填缝料，构造如图3.1所示。填缝料拉杆图3.1 纵向施工缝构造图拉杆采用螺纹钢筋，设在板厚中央，并对拉杆中部100mm范围内进行防锈处理。拉杆的直径、长度和间距，参照表2.18选用。施工布设时，拉杆间距按横向接缝的实际位置予以调整。表2.18 拉杆直径、长度和间距（mm）面层厚度（mm）到自由边或未设拉杆纵缝的距离（m）3.003.503.754.506.007.5200250147009001470080014700700147006001470050014700400260300168009001680080016800700168006001680050016800400由于设计混凝土面层厚度为220mm，一车道宽度即到自由边距离为3.75m。选用直径16螺纹钢筋，长度700mm，间距700mm。3.2横向接缝横缝垂直于纵缝，有缩缝、胀缝和施工缝三种。由于设置胀缝不仅给施工带来不便，而且也容易出现碎裂、唧泥和错台等病害。因此本设计主要采用缩缝和施工缝两种接缝形式。每日施工结束或因临时原因中断施工时，设置横向施工缝，其位置选在缩缝处。采用传力杆的平缝形式，其构造如图3.2所示。h/4传力杆防锈涂料填缝料图3.2 横向施工缝构造图横向缩缝等间距布置，采用假缝形式。由于特重交通，采用设传力杆假缝形式。横向缩缝顶部锯切槽口，深度为面层厚度的1/4，宽度为5mm，槽内填塞填缝料。高速公路的横向缩缝槽口增设深20m