路基路面》课程设计说明书-某高速公路的路面结构计算与路基设计.doc

郑州大学水利与环境学院路基路面课程设计说明书 指导教师： 张 天 航 专 业：道路桥梁与渡河工程 班 级： 08级2班 姓 名： 李 威 明 学 号： 20080460214 完成时间： 2011年1月15日 目 录第一章 设计资料 第一节 设计题目第二节 设计资料第二章 路基设计部分 第一节 路基设计第二节 路基路面排水设计第三章 公路路面结构设计算第一节 设计行车荷载计算第二节 半刚性基层沥青路面设计 3.2.1回弹模量为30MPa时路面设计 3.2.2回弹模量为60MPa时路面设计 13第三节组合式基层沥青路面 16 3.3.1回弹模量为30MPa时路面设计 16 3.3.2回弹模量为30MPa时路面设计 19第四节沥青路面方案技术经济比较选择 21第四章 参考资料21第一章 设计资料一、设计题目：某高速公路的路面结构计算与路基设计二、设计资料：1、设计任务书要求河南某公路设计等级为高速公路，设计基准年为2010年，设计使用年限为15年，拟比选采用沥青路面结构或水泥混凝土路面，需进行路面结构设计。2、气象资料该公路处于5区，属于温暖带大陆性季风气候，气候温和，四季分明。年气温平均在1414.5，一月份气温最低，月平均气温为-0.20.4，七月份气温27左右，历史最高气温为40.5，历史最低气温为-17，年平均降雨量为525.4毫米658.4毫米，雨水多集中在69月份，约占全年降雨量50%以上。平均初霜日在11月上旬，终霜日在次年3月中下旬，年均无霜日为220天266天。地面最大冻土深度位20厘米，夏季多东南风，冬季多西北风，年平均风速在3.0米/秒左右。3、地质资料与筑路材料路线位于平原微丘区，调查及勘探中发现，该地区属第四系上更新统（Q3al+pl），岩性为黄土状粘土，主要分布于低山丘陵区，坡地前和山前冲积、倾斜平原表层，具有大空隙，垂直裂隙发育，厚度变化大，承载能力低，该层具轻微湿陷性。应注意发生不均匀沉陷的可能。其它未发现有影响工程稳定的不良工程地质现象。当地沿线碎石产量丰富，石料质量良好，可考虑用水泥稳定石屑作基层，路段所处的土基强弱悬殊，其计算回弹模量E0有两个代表值分别为30 和60MPa。沿线有多个石灰厂，产量大质量好。另外，附近发电厂粉煤灰储量极为丰富，可用于本项目建设，本项目所在地域较缺乏砂砾。4、交通资料根据工程可行性研究报告得知近期交通组成与交通量如表一所示，交通量年增长率如表二所示，不同车型的交通量参数见课本。 近期交通组成与交通量 表一车型交通量（辆/日）车型交通量（辆/日）三菱FR415500江淮HF150625五十铃NPR595G525东风SP9135B600江淮HF140A525五十铃EXR181L600东风KM340625交通量年增长率 表二 期限增长率（）期限增长率（）201120158.0202120255.5201620206.55、设计标准高速公路全线按六车道高速公路标准设计行车道、路缘带、中间带、硬路肩和土路肩。路基宽度35.0米，双向三行车道233.75米，中间分隔带宽3.0米，左侧路缘带0.75米，右侧硬路肩总宽3.25米，土路肩宽0.75米。计算行车速度100Km/h，全线全封闭全立交。要求根据以上设计资料，首先确定路面的类型，然后至少两个方案进行比选，沥青路面计算确定路面的各层厚度，并验算层底弯拉应力指标，路面材料的设计参数详见教材和相关规范及设计手册。本着因地制宜，就地取材的原则，选择合理的路基横断面型式和边坡坡度，并采取有效地防护措施，确保路基的强度和稳定。本次设计最小填土高度为1.50m，填土高度平均为2.50米，。路基横断面布置，包括一般填方，半填半挖，全挖和陡坡路堤断面，路基的设计参数详见教材和相关规范及设计手册。考虑路基和路面的排水问题，因未提供地形图，所以不进行排水的系统设计，但要设计路基边沟、排水沟和截水沟；路面采用中央分隔带排水和拦水带。第二章路基设计部分一、路基设计1、路基横断面布置由横断面设计（查公路工程技术标准（JTGB012003）部分可知，路基宽度为35m，其中路面跨度为233.75=22.5m，中间带宽度为3.00m，其中中央分隔带宽度为1.5m，路缘带宽度为0.752=1.5m，硬路肩宽度为3.252=6.5m，土路肩宽度为0.752=1.5m。；路面横坡为2%，土路肩横坡为4%，计算车速100Km/h2、路基最小填土高度 由前面纵断面设计可知，本段公路路基最小填土高度为1.5m3、路基边坡查路堤边坡坡度表可得，填料为砂类及粘性土时，边坡的最大高度全部高度为20m,上部高度8m，下部高度12m。边坡坡度上部高度1：1.5，下部高度1：1.75。由横断面设计可知（查公路路基设计规范（JTJ0132004）本公路路基边坡由于路基填土高度均小于8m，且路提边坡采用1：1.5的坡度，路堑边坡采用1：05的坡度。护坡道为1.0m，且由于该段公路非高填土，故不需要进行边坡稳定性验算。4、路基压实标准路基压实采用重型压实标准，压实度应符合公路工程技术标准（JTG B012003）表4.0.4的要求 填挖类别路床顶面以下深度（m）路基压实度（高速公路、一级公路）零填即挖方00.3000.8096填方00.800.801.50.50969493 由于路线地处平原微丘区，该地区属于第四系，岩性为黄土状粘土，主要分布于低山丘陵区，坡前和山前冲击、倾斜平原表层，具有大空隙，垂直裂缝发育，厚度变化大，承载能力低，该层具轻微湿陷性。应注意发生不均匀沉陷的可能。5、公路用地宽度、根据路基布置形式，填土高度及边坡形式计算路基用地范围，规范要求的公路用地宽度界限为公路路堤两侧排水沟外边缘以外不小于1m范围内的土地；在有条件的地段，高速公路、一级公路不小于3m，此处设置为3m。6、路基填料当地沿线碎石产量丰富，石料质量良好。可考虑用水泥稳定石屑作基层，路段所处的土基强弱悬殊，其计算回弹模量E0有两个代表值分别为30和60MPa。沿线有多个石灰厂，产量大质量好。另外，附件发电厂粉煤灰储量极为丰富，可用于本项目建设，本项目所在地域较缺乏砂砾。高速公路、一级公路路基填料最小强度和填料最大粒径应符合表3.3.1.4的规定，砂类土填筑。路基填料最小强度和最大粒径要求 项目分类路面底面以下深度（m）填料最小度（CBR）（%）填料最大粒径（m）高速公路填方路基上路床030810下路床3080510上路堤80150415下路堤150以下315零填及路堑路床030810注：当路床填料CBR值达到表列要求时，可采取掺石灰或其它稳定材料处理粗粒土（填石）填料的最大粒径，不应超过压实层厚度的2/3二、路基路面排水设计1、路基排水设计路基地表排水可采用边沟、截水沟、排水沟、跃水井和急流槽等，各类地段排水沟应高出设计水位0.2m以上。一般路基排水：边沟采用梯形，梯形边沟内测边坡为1：1.01：1.5，梯形底宽和深度为0.40.6。排水沟采用梯形，距路基坡脚要大于2m。陡坡路堤排水:和一般路基排水相同。全挖路基排水：边沟采用梯形，内测边坡1：1.01：1.5。梯形低宽和深度0.40.6。在边坡坡顶设截水沟，采用梯形1：1.01：1.5。沟宽0.5m,沟深0.5m。长度200500m。排水沟采用梯形，距路基坡脚要大于2m。2、路面排水 路面排水采用集中排水方式，路面雨雪水流随拦水带汇集，每3040米在路基一侧设置水簸箕将路面积水引至路侧排水沟。超高路段路面排水在中央分隔带设置排水沟，弯道外侧的半幅路面水汇入排水沟，通过跌水井和横向排水管道将路面积水沟内的水引入路侧排水沟。3、中央分隔带排水 中央分隔带用5cm厚水泥混凝土密封表面做成与路面相同的横坡，将水引入路侧排水沟。第三章 公路路面结构设计计算一、设计行车荷载计算 交通组成表序号车 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1三菱FR41530511双轮组5002五十铃NPR595G23.5441双轮组5253江淮HF140A18.941.81双轮组5254东风KM34024.667.81双轮组6255江淮HF15045.1101.51双轮组6256东风SP9135B20.172.62双轮组36007五十铃EXR181L601003双轮组3600设计年限 15 车道系数 0.4轴载分析路面设计以双轴组单轴载100KN作为标准轴载以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次。a).轴载换算轴载换算采用如下的计算公式： 式中： N 标准轴载当量轴次，次/日 被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日 P标准轴载，KN 被换算车辆的各级轴载，KN K被换算车辆的类型数 轴载系数，m是轴数。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，应考虑轴数系数。 ：轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1，四轮组为0.38。序号分段时间(年)交通量年增长率（%）2011201558.02016202056.52021202555.5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 : 3513 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 1.286938E+07 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 : 2835 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 1.038562E+07初拟路面采用两种路面结构 （1）、半刚性基层沥青路面 （2）、组合式基层沥青路面二、半刚性基层沥青路面设计公路等级 高速公路公路等级系数 1 面层类型系数 1 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 22.7 (0.01mm)层位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1.40.422中粒式沥青混凝土1.00.303粗粒式沥青混凝土0.80.224水泥稳定石屑 0.60.235石灰碎石土0.250.091、当E0=30Mp时新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 22.7 (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细粒式沥青混凝土3140020000.422中粒式沥青混凝土4120016000.303粗粒式沥青混凝土690012000.224水泥稳定石屑?150015000.235石灰碎石土255505500.096土基按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 22.7(0.01mm) H( 4 )= 30 cm LS= 25.1 (0.01mm) H( 4 )= 35 cm LS= 22.5 (0.01mm) H( 4 )= 34.6cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 4 )= 34.6 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 34.6cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求)H( 4 )= 34.6cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 34.6 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 34.6 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 34.6 cm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 34.6 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以及设计人员对路面厚度进一步的修改,通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改,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 - 水泥稳定石屑 35 cm - 石灰碎石土 25 cm - 土基竣工验收弯沉值和层底拉应力计算公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MPa) (20)抗压模量(MPa) (15)1细粒式沥青混凝土3140020002中粒式沥青混凝土4120016003粗粒式沥青混凝土690012004水泥稳定石屑35150015005石灰碎石土255505506土基30计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 :第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 22.7 (0.01mm)第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 24.2 (0.01mm)第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 26.3 (0.01mm)第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 29.2 (0.01mm) 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 123.5 (0.01mm)土基顶面竣工验收弯沉值 LS=383.1 (0.01mm) (根据“基层施工规范”第88页公式) LS= 310.5(0.01mm) (根据“测试规程”第56页公式)计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :第 1 层底面最大拉应力 ( 1 )=-0. 231 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-0. 101 (MPa)第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )= -0.059 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= 0.104 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 ( 5 )= 0.062 (MPa)2、 当时新建路面结构厚度计算公 路 等 级 : 高速公路新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100路面设计弯沉值 : 22.7 (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细粒式沥青混凝土3140020000.422中粒式沥青混凝土4120016000.303粗粒式沥青混凝土690012000.224水泥稳定石屑?150015000.235石灰碎石土255505500.096土基60按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 22.7 (0.01mm) H( 4 )= 20cm LS= 24 (0.01mm) H( 4 )= 25 cm LS= 21.2 (0.01mm) H( 4 )= 22.3 cm(仅考虑弯沉)按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 4 )= 22.3 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 22.3 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求)H( 5 )= 22.3 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求)H( 5 )= 22.3 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求)H( 5 )= 22.3 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 22.3 cm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 22.3cm(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以及设计人员对路面厚度进一步的修改, 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 - 水泥稳定石屑 23 cm - 石灰碎石土 25 cm - 土基竣工验收弯沉值和层底拉应力计算公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MPa) (20)抗压模量(MPa) (15)1细粒式沥青混凝土3140020002中粒式沥青混凝土4120016003粗粒式沥青混凝土690012004水泥稳定石屑23150015005石灰碎石土255505506土基60计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 :第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 22.3 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 23.9 (0.01mm)第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 26.4 (0.01mm) 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 30.2 (0.01mm) 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 82.8 (0.01mm)土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 200 (0.01mm) (根据“基层施工规范”第88页公式) LS= 155.3 (0.01mm) (根据“测试规程”第56页公式)计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :第 1 层底面最大拉应力 ( 1 )=-0. 246 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-0. 104 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )= -0.053 (MPa)第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= 0.122 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 ( 5 )= 0.069 (MPa)三、组合式基层沥青路面 公路等级 高速公路 公路等级系数 1 面层类型系数 1 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 22.7 (0.01mm)层位结构层材料名称劈裂强度(MPa)(MPa)容许拉应力1细粒式沥青混凝土1.40.412中粒式沥青混凝土10.293粗粒式沥青混凝土0.80.214石灰粉煤灰土0.60.225石灰土0.250.91、当E0=30Mps时新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 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细粒式沥青混凝土3140020000.42 2中粒式沥青混凝土4120016000.30 3粗粒式沥青混凝土690012000.22 4石灰粉煤灰土?150015000.23 5石灰土255505500.09 6土基30 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 22.7 (0.01mm) 路面设计层层位 : 4 设计层最小厚度 : 15 (cm) 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 22.7 (0.01mm) H( 4 )= 30 cm LS= 25.1 (0.01mm) H( 4 )= 35 cm LS= 22.5 (0.01mm)H( 4 )= 34.6 cm(仅考虑弯沉)按容许拉应力验算设计层厚度 :H( 4 )= 34.6 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求)H( 4 )= 34.6 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 34.6 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求)H( 4 )= 34.6 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求)H( 4 )= 34.6 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求)路面设计层厚度 : H( 4 )= 34.6 cm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 34.6 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以及设计人员对路面厚度进一步的修改, 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 - 石灰粉煤灰土 35 cm - 石灰土 25 cm - 土基 竣工验收弯沉值和层底拉应力计 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MPa) (20)抗压模量(MPa) (15) 1细粒式沥青混凝土314002000 2中粒式沥青混凝土412001600 3粗粒式沥青混凝土69001200 4石灰粉煤灰土3515001500 5石灰土25550550 6土基30计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 22.5 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 24 (0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 26 (0.01mm) 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 28.9 (0.01mm) 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 123.5 (0.01mm)土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 383.1 (0.01mm)(根据“基层施工规范”第88页公式) LS= 310.5 (0.01mm)(根据“测试规程”第56页公式) 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 : 第 1 层底面最大拉应力 ( 1 )=-0.230 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-0.101 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )=-0.058 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= 0.103 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 ( 5 )= 0.061 (MPa)2、当E0=60Mp时新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 22.7 (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细粒式沥青混凝土3140020000.42 2中粒式沥青混凝土4120016000.30 3粗粒式沥青混凝土690012000.22 4石灰粉煤灰土?150015000.23 5石灰土255505500.09 6土基60按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 22.7 (0.01mm) H( 4 )= 20 cm LS= 24 (0.01mm) H( 4 )= 25 cm LS= 21.2 (0.01mm) H( 4 )= 22.3 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 4 )= 22.3 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 22.3 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 22.3 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求)H( 4 )= 22.3 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 22.3 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 22.3 cm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 22.3 cm(同时考虑