道路工程设计原理概述.doc

山东交通学院 道路工程 课程设计院(系)别 土木工程系 专 业 土木工程 班 级 学 号 姓 名 指导教师 胡朋 成 绩 二九年六月目 录一、新建沥青混凝土路面设计21. 交通分析及设计弯沉值的确定2 1.1 轴载分析 2 1.2 路面设计弯沉值的计算 72. 土基回弹模量的确定 83. 结构组合与材料的初选定84. 各层材料抗压模量与劈裂强度的确定85. 设计指标的确定96. 设计资料总结107. 确定石灰煤渣矿渣层厚度 11二、旧路面（沥青混凝土路面）补强设计 15 三、新建水泥混凝土路面设计191. 交通分析192.初拟路面结构223. 路面材料参数确定234. 荷载疲劳应力计算245. 温度疲劳应力计算246. 应力复合25四、相关图纸 26五、心得体会 30六、主要参考资料 31一、 新建沥青混凝土路面设计1、交通分析及设计弯沉值的确定。1.1轴载分析 设计年限内一个车道的累计当量轴次数计算（确定路面等级）。车 型 总重（ KN ） 后轴重（ KN ） 后轴数 辆 / 日 解放 CA10 B 19.4 60.85 1 900黄河 JN150 49 101.6 1 360日野 KB22250.2104.3 1 123太脱拉 138 51.4 80 2 （轴距3）74 东风 KM340 24.667.81 1030黄河 JN362 63127 1 21 日野FC 164 23.9711 3501.1.1 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，各级轴载Pi的作用次数ni，匀应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N。匀应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N。根据公路沥青路面设计规范公式 3.1.2-1 解放CA10 B （次）黄河 JN 150（次）日野 KB 222（次）太脱拉 138由于后轴距3，故=1+1.2（m-1）=2.2（次）东风 KM 340（次）黄河 JN 362 （次）日野FC 164（次）N总=108.30+489.21+187.00+87.86+204.75+77.41+83.32=1237.85（次）1.1.2当进行半刚性基层层底拉应力验算时，各级轴载Pi的作用次数ni，匀应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N。按道路公程2.3.7 得 解放CA10B （次）黄河 JN150（次）日野 KB222（次）太脱拉 138由于后轴距3，故=1+ 2（m-1）=3（次）东风 KM340（次）黄河 JN362 （次）日野FC 164（次）N总=16.95+430.88+181.44+43.92+46.25+151.76+22.67=893.87（次）1.1.3 N 和N汇总得下表： 车 型Pi (kn)ni(辆/日)N （次）（次）C1C2C1C2解放 CA10B前轴19.490016.44.60118.50.03后轴60.8590011103.701116.92 黄河 JN150前轴4936016.4103.47118，522.13后轴101.636011385.7411408.75日野 KB222前轴50.212316.439.28118.59.18后轴104.312311147.7211172.26 太脱拉 138前轴51.47416.426.19118.56.67后轴80742.2161.673137.25东风 KM340前轴24.6103016.414.78118.50.26后轴67.8103011189.971145.99 东风 KM340前轴632116.418.01118.59.64后轴127211159.4011142.12日野FC 164前轴23.935016.44.43118.50.07后轴713501178.891122.60合计-1237.85-893.871.1.4计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次数拟建二级公路，路面的设计年限为12年， 车道系数，见徐家钰和程家驹编著的道路工程第329页表2-3-1 ,取=0.5 。因为在设计年限内交通量年增长率不一样，2017年前是9%，之后是3%。所以计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次数是要分开计算。1.1.4.1 计算路面设计弯沉及验算沥青层层底拉应力时用的设计年限内一个车道上的累计当量轴次数。年增长率为9%时的计算起算年 （次）所以：2010-2016年的轴载次数是年增长率为3%时的计算设计年限起算年2017年的轴载次数 （次）Ns总=2691648.12+2683057.92=5374706.04次 （次）故应属于高级路面。1.1.4.2 计算半刚性基层层底拉应力验算时用到的设计年限内一个车道上的累计当量轴次数。年增长率为9%时的计算起算年 （次）所以：2010-2016年的轴载次数是年增长率为3%时的计算设计年限起算年2017年的轴载次数 （次）Ns总=1943685.44+1937476.07=3881164.51次1.2 路面设计弯沉值的计算按徐家钰和程家驹编著的道路工程第329页的公式进行计算AC ：公路等级系数 二级公路取1.10; AS：面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0:沥青表面处治为1.2；中、低级路面为1.3； Ab基层类型系数，对于半刚性基层为1.0; Ne：设计年限内一个车道上的累计当量轴次数=5374706.04次。2、土基回弹模量的确定按路基土类与干湿类型，确定该路段土基弹性模量。2.1由原始材料可知：路床表面至地下水位的高度H= 2.1 m，土质为粉质轻压粘土，地区所在的自然区为2。查徐家钰和程家驹编著的道路工程第308页表2-2-3得 2.7 m H 2.0 m 得5+0006+300段：土基的干湿类型属中湿类型。2.2由土基的干湿类型，查徐家钰和程家驹编著的道路工程第306表2-2-1得其分界稠度：1.10C0.95 ,内插算出土基的平均稠度C=0.972.3由路基土的平均稠度，查徐家钰和程家驹编著的道路工程第313页2-2-5表得 平均稠度为0.90对应的土基回弹模量E0为25.0Mpa。3、结构组合与材料的初选定 因为设计年限内一个车道上的累计当量轴次数大于400按徐家钰和程家驹编著的道路工程第337页表2-3-7b的路面组合为 - 面层 沥青混凝土 8-10 cm - 基层 二灰稳定集料 20 cm - 底基层 ? -拟订路面组合与厚度为 - 细粒式沥青混凝土 3 cm - 中粒式沥青混凝土 5cm - 水泥稳定碎石 20 cm - 石灰煤渣矿渣 ？ cm - 4、各层材料抗压模量与劈裂强度的确定查徐家钰和程家驹编著的道路工程第342页表2-3-9，得到各种材料的抗压模量和劈裂强度，见下表： 材料数值抗压模量/MPa劈裂强度/MPa2015细粒式密级配沥青混凝土140020001.4中粒式密级配沥青混凝土120018001.0水泥稳定碎石150015000.5石灰煤渣矿渣7507500.235、相关设计指标的确定对于二级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。1） 设计弯沉值= 29.75 cm (0.01 mm)2)各层材料的容许层底拉应力为相关公式见徐家钰和程家驹编著的道路工程第331-332页其中， : 沥青混凝土或半刚性材料在规定温度或龄期（MPa） ：抗拉强度结构系数 ； Aa：沥青混凝土级配类型系数 细、中粒式沥青混凝土为1.0；粗粒式为1.1 ； Ac ：公路等级系数 ，二级公路取1.10； Ne=5374706.04 次（用于沥青混凝土面层的计算） ；=3881164.51次（用于半刚性材料的计算）细粒式、中粒式Ks水泥稳定碎石及石灰煤渣矿渣Ks 带入公式计算其容许拉应力。细粒式沥青混凝土：中粒式沥青混凝土：水泥稳定碎石石灰煤渣矿渣6、设计资料总结： 材料数值厚度/cm20模量/MPa15模量/MPa劈裂强度/MPa容许拉应力/MPa细粒式密级配沥青混凝土3140020001.40.57中粒式密级配沥青混凝土5120018001.00.40水泥稳定碎石20150015000.50.30石灰煤渣矿渣？7507500.230.147、确定石灰煤渣矿渣层厚度 运用HPDS2003公路路面设计程序系统进行计算。计算机计算成果如下： * *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CA10B 19.4 60.85 1 双轮组 1165.53 2 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 466.21 3 日野FC164 23.9 71 1 双轮组 453.26 4 太脱拉138 51.4 80 2 双轮组 3 95.835 东风KM340 24.6 67.8 1 双轮组 1333.88 6 黄河JN362 63 127 1 双轮组 27.2 7 日野KB222 50.2 104.3 1 双轮组 159.29 设计年限 12 车道系数 .5 序号 分段时间(年) 交通量年增长率 1 7 9 2 5 3 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 : 1603 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 5374538 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 : 1158 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 3882542 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 : 29.7 (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 1.4 .57 2 中粒式沥青混凝土 1 .4 3 水泥稳定碎石 .5 .3 4 石灰煤渣矿渣 .23 .14 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 : 29.7 (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) 抗压模量(MPa) 容许应力(MPa) (20) (15) 1 细粒式沥青混凝土 3 1400 2000 .57 2 中粒式沥青混凝土 5 1200 1800 .4 3 水泥稳定碎石 20 1500 1500 .3 4 石灰煤渣矿渣 ? 750 750 .14 5 土基 29 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 29.7 (0.01mm) H( 4 )= 30 cm LS= 31.8 (0.01mm) H( 4 )= 35 cm LS= 28.6 (0.01mm) H( 4 )= 33.3 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 4 )= 33.3 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 33.3 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 33.3 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 33.3cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 33.3 cm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 33.3 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 45 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 5 cm - 水泥稳定碎石 20 cm - 石灰煤渣矿渣 34 cm - 土基竣工验收弯沉值和层底拉应力计算 公 路 等 级 : 二级公路 新建路面的层数 : 4 标 准 轴 载 : BZZ-100 层位 结 构 层 材 料 名 称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MPa) 计算信息 (20) (15) 1 细粒式沥青混凝土 3 1400 2000 计算应力 2 中粒式沥青混凝土 5 1200 1800 计算应力 3 水泥稳定碎石 20 1500 1500 计算应力 4 石灰煤渣矿渣 34 750 750 计算应力 5 土基 25 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= 29.2 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 31.6 (0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 35.6 (0.01mm) 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 78.7 (0.01mm) 土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 454.6 (0.01mm)(根据“基层施工规范”第88页公式) LS= 372.6 (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 )=-.273 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-.118 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )= .092 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= .112 (MPa)通过计算机设计得到确定石灰煤渣矿渣层的厚度为34cm，实际路面结构的实测弯沉值为29.2cm（0.01mm）29.7cm，沥青面层的层底均受压应力，水泥稳定碎石层层底的最大拉应力为0.092Mpa0.30Mpa，石灰煤渣矿渣层层底的拉应力为0.112Mpa0.14Mpa，上述计算结果均满足设计要求。最终验算通过确定采用该路面结构方案。二、旧路（沥青混凝土路面）补强设计运用HPDS2003公路路面设计程序系统进行计算。程序设计结果如下： * *旧路补强设计成果文件汇总* *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CA10B 19.4 60.85 1 双轮组 1165.53 2 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 466.21 3 日野KB222 50.2 104.3 1 双轮组 159.29 4 太脱拉138 51.4 80 2 双轮组 3 95.835 东风KM340 24.6 67.8 1 双轮组 1333.88 6 黄河JN362 63 127 1 双轮组 27.2 7 日野FC164 23.9 71 1 双轮组 453.26 设计年限 12 车道系数 .5 序号 分段时间(年) 交通量年增长率 1 7 9 2 5 3 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 : 1603 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 5374538 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 : 1158 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 3882542 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 : 29.7 (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 1.4 .57 2 中粒式沥青混凝土 1 .4 3 水泥稳定碎石 .5 .3 改建路段原路面当量回弹模量计算 原路面实测弯沉值(0.01mm) 123 120 113 110 136 131 129 115 106 128 99 165 190 143 148 112 144 126 145 89 97 100 105 108 119 97 115 112 111 106 舍去的过大或过小弯沉值为 : L( 13 )= 190 L( 12 )= 165 原路面有效弯沉数 : 28 原路面平均弯沉值 : 117 (0.01mm)原路面弯沉值标准差 : 16 (0.01mm)测定汽车轴载 100 kN改建公路等级 二级公路保证率系数 1.5 原沥青面层厚度 2.5 (cm)季节影响系数 1.2 湿度影响系数 1 温度修正系数 1 原路面计算弯沉值 : 169 (0.01 mm)原路面当量回弹模量 : 97 (MPa) 改建路面补强厚度计算 公 路 等 级 : 二级公路 加铺路面的层数 : 3 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 29.7 (0.01mm) 路面设计层层位 : 3 设计层最小厚度 : 15 (cm)层层位 结 构 层 材 料 名 称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MPa) 容许应力(MPa) (20) (15) 1 细粒式沥青混凝土 3 1400 2000 .57 2 中粒式沥青混凝土 5 1200 1800 .4 3 水泥稳定碎石 ？ 1500 1500 .3 4 改建前原路面 97 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 29.7 (0.01mm) H( 3 )= 20 cm LS= 35.6 (0.01mm) H( 3 )= 25 cm LS= 29.2 (0.01mm) H( 3 )= 24.6 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 3 )= 24.6 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 3 )= 24.6 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 3 )= 24.6 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 3 )= 24.6 cm(仅考虑弯沉) H( 3 )= 24.6 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 45 cm 改建前原路面总厚度 48 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 5 cm - 水泥稳定碎石 30 cm - 改建前原路面 竣工验收弯沉值和层底拉应力计算 公 路 等 级 : 二级公路 加铺路面的层数 : 3 标 准 轴 载 : BZZ-100层位 结 构 层 材 料 名 称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MPa) 计算信息 (20) (15) 1 细粒式沥青混凝土 3 1400 2000 计算应力 2 中粒式沥青混凝土 5 1200 1800 计算应力 3 水泥稳定碎石 30 1500 1500 计算应力 4 改建前原路面 97 计算改建路面各加铺层顶面竣工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 24.6 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 27.2(0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 32 (0.01mm) 计算改建路面各加铺层底面最大拉应力 : 第 1 层底面最大拉应力 ( 1 )=-.272(MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-.11 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )= .154 (MPa)三 、新建水泥混凝土路面设计1、交通分析水泥混凝土结构构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同的轴-轮型和轴载的作用次数，按公式（3.0.4-1）换算为标准轴载的作用次数。 单轴单轮组 双轴双轮组 三轴双轮组 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、双轴-双轮组或三轴-双轮组轴型i级轴载的总重(KN)； n轴型和轴载级位数； Ni各类轴型i级轴载的作用次数； i轴-轮型系数，单轴-双轮组时， i =1；单轴-单轮、双轴-双轮组、三轴-双轮组分别按相应公式计算。解放CA10 B： 黄河JN150：日野KB222：太脱拉138： 前轮为单轴单轮组，故后轴 故东风KM340: 黄河JN362：日野FC164：累计轴载为 ： （次）计算结果汇总如下表：刚性路面标准荷载累计作用一览表 车 型Pi(KN) ni (辆/日) （次）解放 CA10B前轴19.49000.00后轴60.859000.32黄河 JN150前轴493601.66后轴101.6360464.09日野 KB222前轴50.21230.82后轴104.3123241.42太脱拉 138前轴51.4740.72后轴80740.56东风 KM340前轴24.610300.00后轴67.810302.05东风 KM340前轴63214.83后轴12721961.79日野FC 164前轴23.93500.00后轴713501.46合计-1679.541.2计算设计基准期内设计车道的标准荷载累计作用次数。查表3.0.1得二基公路的准期级为20年，安全等级为三级。查表A.2.2得临界荷位的车辆车辆轮迹横向分布系数 取0.39。按公式 （A.2.2）计算得到设计基准期内设计车道的标准荷载累计作用次数Ne。因为在设计年限内交通量年增长率不一样，2017年前是9%，之后是3%。所以计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次数是要分开计算。 1.2.1 年增长率为9%时：起算年2010年 （次）所以2010-2016年的标准轴载累计作用次次数是1.2.2 年增长率为3%时：起算年2017年 Ns2= （次）所以 2017-2028年的标准轴载累计作用次数是： 设计基准期内水泥混凝土面层临界荷位处所承受的标准轴载累计作用次数Ne为： Ne总= 2848623.57+8434103.04=11282726.61 （次） 属于重交通等级。2、初拟路面结构查表3.0.1 得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、总交通等级，查表4.4.6，初拟普通混凝土面层厚度为0.22m。基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5%）0.18m，垫层为石灰煤渣矿渣0.15m。混凝土板的平面尺寸为宽4.5m，长5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。3、路面材料参数确定查表3.0.6，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31000Mpa。查附录F.2，石灰煤渣矿渣垫层回弹模量取750Mpa，水泥稳定粒料基层回弹模量取1300Mpa。按路基土类与干湿类型，用查表法确定该路段土基弹性模量。3.1由原始材料可知：路床表面至地下水位的高度H=1.4+0.8=2.2 m，土质为粉质轻压粘土，地区所在的自然区为2。查徐家钰和程家驹编著的道路工程第308页表2-2-3得 2.7 m H 2.0 m 得5+0006+300段：土基的干湿类型属中湿类型。3.2由土基的干湿类型，查徐家钰和程家驹编著的道路工程第306表2-2-1得其分界稠度：1.10C0.95 ,内插算出土基的平均稠度C=1.003.3由路基土的平均稠度，查徐家钰和程家驹编著的道路工程第313页2-2-5表得 平均稠度为0.90对应的土基回弹模量E0为26.0Mpa。按（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量 (m)普通水泥混凝土面板的相对刚度半径按式（B.1.3-2）4、荷载疲劳应力按式（B.1.3），标准轴载在临界荷位产生的荷载应力计算为：接缝传荷能力的应力折减系数kr=0.87考虑设计基准期内疲劳作用的疲劳应力系数kf=。根据公路等级，由表B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合的因素 kc=1.20，5、温度疲劳应力由表（3.0.8），区最大温度梯度取85/m，板长为5m，l/r=5/0.686=7.29，由图B.2.2可查普通混凝土板厚h=0.22m，Bx=0 .71。按式（B.2.3