路基路面工程课程设计说明书

汽车与交通学院 课程设计说明书 课 程 名 称: 路基路面工程课程设计 课 程 代 码: 题 目: 年级/专业/班: 学 生 姓 名: 学 号: 开 始 时 间: 年 5 5 月 1616 日 完 成 时 间: 年 5 5 月 2727 日 课程设计成绩： 学习态度及平 时成绩（30） 技术水平与实际 能力（20） 创新 （5） 说明书（计算书、图纸、分 析报告）撰写质量（45） 总 分 （100） 指导教师签名： 年 月 日 目 录 . . 摘摘 要要.- 2 - 1.基本设计资料分析基本设计资料分析.- 3 - 2.沥青路面设计沥青路面设计.- 4 - 2.1 轴载分析.- 4 - 2.2 沥青路面结构.- 8 - 2.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度.- 8 - 2.4 设计指标的确定.- 8 - 2.5 路面结构层厚度的计算.- 10 - 2.6 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算.- 11 - 3.水泥混凝土路面设计水泥混凝土路面设计.- 14 - 3.1 轴载分析.- 14 - 3.2 初拟路面结构.- 16 - 3.3 路面材料确定.- 16 - 3.4 载荷疲劳应力.- 17 - 3.5 温度应力计算.- 18 - 3.6 防冻厚度检验和接缝设计.- 21 - 4.沥青和水泥路面设计示意图沥青和水泥路面设计示意图.- 22 - 结结 论论.- 23 - 致致 谢谢.- 24 - 参考文献参考文献.- 25 - . . 摘 要 本设计首先对所给资料进行交通分析，并利用轴载换算公式分别计算出沥青 和水泥路面的累计当量轴次，然后根据所选材料的性能以及查阅规范先对沥青路面 的设计弯沉值以及容许弯拉应力进行求解，并进一步得出沥青层的厚度并算出实际 弯沉值与实际弯拉应力从而与规范所定值相比较，从而判定设计是否符合要求。最 后，验算冰冻层厚度。收费站采用水泥路面设计，设计步骤同上，最终需要验算综 合疲劳应力和最大综合应力是否小于混凝土弯拉应力。 关键词：关键词： 沥青路面 混泥土路面 设计 . . 1.基本设计资料分析 道路按一级公路进行设计，年交通量增长率按 6.5%，车道系数 =0.5，公路自 然区划 II2区，路面宽度为 B=24.5m，行车道为四车道 27.5m，路基处于中湿路段， 采用水泥混凝土路面和沥青混凝土路面两种设计方案。路基土为粉质中液限土，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。 表 1-1：交通组成及交通量表 车型名称日交通量 奔驰 LPK709 354 五十铃 NPR595G 538 切贝尔 D350 533 太脱拉 138S 390 长征 CZ361 693 延安 SX161 508 会客 HK6670 308 贵州 GZ661A 624 宇通 ZK6820G 518 解放 SP9134B 189 湘江 HQP40 78 从设计资料可以看得出，本设计路段的交通体，车型多样，且交通量各有不同。路 面设计时需要将车辆作用在路面上的车轮荷载换算为标准的当量轴次，从而计算出沥青 路面和水泥路面设计时的累计当量轴次，进而判断出此路段处于何种交通状态，以便进 一步进行合理的厚度设计，使路面的设计弯沉值、弯拉应力等指标符合规范要求。本次 设计资料设计路段为一级公路，年交通量增长率按 6.5%，II2东北中部山前平原中冻区。 . . 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 2 确定。 表 2-1： 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）15d 1当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时，各级轴载（包括车 轮的前、后轴）的作用次数应按下式换算成标准轴载作用次数。 = = 1 1 2 ( ) 4.35 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（） ； PkN 各种被换算车型的轴载（） ； i P kN 轮组系数，单轮组为 6.4,双轮组为 1.0,四轴组为 0.38； 2 轴数系数。 1 被换算车型的轴载级别。 K 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，按双轴 或多轴进行计算按下面公式计算： 1 1 1.21Cm 式中：m轴数。 表 2-2： 轴载换算结果 . . 车型 （） i PkN 1 C 2 C （次/ i n 日） 12( ) 4.35 前轴 22.0011354 0.49 奔驰 LPK709 后轴 44.0011354 9.95 前轴 23.5011538 0.99五十铃 NPR595G 后轴 44.0011538 15.13 前轴 24.0011433 0.87 切贝尔 D350 后轴 48.0011433 17.78 前轴 45.4011390 12.57 太脱拉 138S 后轴 290.002.21390 11064.27 前轴 47.6011693 27.44 长征 CZ361 后轴 290.702.21693 20334.25 前轴 54.6411508 36.65 延安 SX161 后轴 291.252.21508 15303.12 前轴 19.0011308 0.22 会客 HK6670 后轴 39.0011308 5.12 前轴 41.4011624 13.46 贵州 GZ661A 后轴 45.2011624 19.73 前轴 30.0011518 2.75 宇通 ZK6820G 后轴 55.0011518 38.45 前轴 24.8011189 0.44 解放 SP9134B 后轴 72.6011189 46.94 前轴 23.101178 0.13 湘江 HQP40 后轴 73.201178 20.08 46970.82 则其设计年限内一个车道上的累计量轴次： = (1 + ) 1 365 1 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，沥青材料为 t=15 年； 设计端竣工后一年双向日平均当量轴次； 1 设计年限内的交通量平均增长率，由材料知 =0.065 车道系数，由材料知 =0.5。 则： = (1 + ) 1 365 1 = (1 + 0.065)15 1 365 0.065 46970.82 0.5 = 2.07 108 次 利用公路路面设计程序系统可对上述计算的一个车道上的累计量轴次进行验算，实际 计算和软件计算一致，检验通过。 2以半刚性材料层的层底拉应力为指标的轴载换算方法为：各级轴载（包括车轮的 前、后轴）的作用次数应按下式换算成标准轴载作用次数。 ， = = 1 , 1 , 2( ) 8 式中： 以弯拉应力为指标的标准轴载的当量轴次（次/日） ； ， 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日） ； 标准轴载（） ； PkN 各种被换算车型的轴载（） ； kN 轴数系数； , 1 轮组系数，双轮组为 1.0，单轮组为 18.5，四轮组为 0.09。 , 2 当轴间距离大于 3m 时，按单独的一个轴载计算此时轴数为；当轴间距离小于 m = 1 3m 时，按双轴或多轴进行计算，轴数系数为： , 1 = 1 + 2 （ 1) 根据上述公式，可得轴载换算结果： 表 2-3： 轴载换算结果 车型 （） i PkN 1 C 2 C （次/ i n 日） 12( ) 8 . . 前轴 22.00113540.00 奔驰 LPK709 后轴 44.00113540.50 前轴 23.50115380.01 五十铃 NPR595G 后轴 44.00115380.76 前轴 24.00114330.00 切贝尔 D350 后轴 48.00114331.22 前轴 45.40113900.70 太脱拉 138S 后轴 290.0031390128933.54 前轴 47.60116931.83 长征 CZ361 后轴 290.7031693243754.56 前轴 54.64115084.04 延安 SX161 后轴 291.2531508187537.41 前轴 19.00113080.00 会客 HK6670 后轴 39.00113080.16 前轴 41.40116240.54 贵州 GZ661A 后轴 45.20116241.09 前轴 30.00115180.03 宇通 ZK6820G 后轴 55.00115184.34 前轴 24.80111890.00 解放 SP9134B 后轴 72.601118914.59 前轴 23.1011780.00 湘江 HQP40 后轴 73.2011786.43 ， 560261.74 则其设计年限内一个车道上的累计量轴次为： = (1 + ) 1 365 1 = (1 + 0.065)15 1 365 0.065 560261.74 0.5 = 2.47 1010 次 利用公路路面设计程序系统可对上述计算的一个车道上的累计量轴次进行验算， 实际计算和软件计算一致，检验通过。 . . 综上可分别得出如下表所示的 2 种轴载换算次数，如下表所示： 表 2-4 轴载换算次数 相应指标累计当量轴次（次） 弯沉值与应力2.07 108 半刚性基层2.47 1010 2.2 沥青路面结构 根据公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)并考虑公路沿途有砂石、碎石、石 灰、粉煤灰供应，基层采用水泥稳定碎石（厚度待定） ，底层采用二灰土（300） ，采 mm 用三层式沥青混凝土面层，表层采用细粒式密级配沥青混凝土（40） ，中面层采用中 mm 粒式密级配沥青混凝土（60） ，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（100） 。 mmmm 2.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度 土基回弹模量的确定可根据查表法查得。各结构层材料的抗压模量及劈裂强度已参照规 范给出的推荐值确定。 表 2-5：结构组合参数 抗压回弹模量层 次 材料名 厚度 (cm) 15C 模量20C 模量 强度劈裂 （Mpa） 细粒式沥青混凝 土 4200014001.4 中粒式沥青混凝 土 6180012001.0 粗粒式沥青混凝 土 10140010000.8 水泥稳定碎石待定 150015000.6 水泥粉煤灰碎石 35150015000.4 土基 3030 . . 2.4 设计指标的确定 1设计弯沉值 d l 公路为一级公路，则公路等级系数取 1.0；面层是沥青混凝土，则面层类型的系 数取 1.0；路面结构为半刚性基层沥青路面，则路面结构类型系数取 1.0。 = 600 0.2 式中： 设计弯沉值 设计年限内的累计当量年标准轴载作用次数 公路等级系数，一级公路为 1.0 面层类型系数，沥青混凝土面层为 1.0 基层类型系数，半刚性基层为 1.0，柔性基层沥青路面为 1.6，若基层由半 刚性基层与柔性基层组合而成，通过线性内插确定。 所以 = 600 0.2 = 600 (2.07 108) 0.2 1.0 1.0 1.0 = 13.03 (2) 各层材料按容许层底拉应力，按下列公式计算： = 式中 ： 路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa） ； 路面结构材料的容许拉应力，即该材料能承受设计年限次加载的疲劳 弯拉应力（Mpa） ； 抗拉强度结构系数。 对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数： = 0.090.22 = 0.09 (2.07 108)0.22 1.0 = 6.07 对无机结合料稳定集料类的抗拉强度结构系数： . . = 0.350.11 = 0.35 (2.07 108)0.11 1.0 = 2.87 对无机结合料稳定细土类的抗拉强度结构系数： = 0.450.11 = 0.45 (2.07 108)0.11 1.0 = 3.69 表 2-6： 结构层容许弯拉应力 材料名称 （Mpa） （Mpa） 细粒沥青混凝土 1.46.070.23 中粒沥青混凝土 1.06.070.16 粗粒沥青混凝土 0.86.070.13 水泥稳定碎石 0.62.870.17 水泥粉煤灰碎石 0.43.690.11 2.5 路面结构层厚度的计算 1理论弯沉系数的确定 = 10002 1 = 1 2000 = ( 1 , 2 , 1 ; 2 1, 3 2, 0 1) 式中： 当量圆半径； F 弯沉综合修正系数， = 1.63( 2000) 0.38(0 )0.36 令,则 F=1.63*13.07/(2000*10.65)0.38（30/0.70) 0.36=0.38 = =13.071400/(200010.650.700.38)=3.23 = 1 2000 2确定设计层厚度 采用三层体系表面弯沉系数，由诺谟图算设计层厚度。 h/=4/10.65=0.376 E2/E1=1200/1400=0.857； . . 由三层体系弯沉系数诺谟图查得：=6.22。 h/=4/10.65=0.376 =30/1200=0.025； 20/ E E 由三层体系弯沉系数诺谟图查得 K1=1.460。 又因为，由上查图 2= 1 = 3.01/(6.22 1.460) = 0.33 0 2 = 0.025 = 0.376 5（诺谟图）得：H/=7.8，H= 10.657.8=83。 图 2-1：相关诺莫图 由可知： 1 2.4 2 3 2 n k k k E Hhh E = 6 + 102.4 1000 1200 + 42.4 1500 1200 + 352.4 1500 1200 = 52.75 + 1.14 因为 H=83cm，可知 h4=27.5cm，故取 h4=28cm。 如图所示： _ _ h1=4cm E1=2000MPa h=4cm E1=2000Mpa h2=6cm E2=1600MPa h3=10cm E3=1200MPa H=？cm E2=1800MPa h4=28cm E4=3600MPa . . h5=35cm E5=2400MPa E0 =30 MPa E0=30MPa 图 2-2： 各层层厚与回弹模量 2.6 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算 1沥青混凝土面层层底拉应力验算（模量采用 15C 时的抗压回弹模量） _ _ h1=4cm E1=2000MPa h=22.5cm E1=1400Mpa h2=6cm E2=1800MPa h3=10cm E3=1200MPa H=50.3cm E2=1000MPa h4=28cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =30 MPa E0=30MPa 图 2-3： 各层层厚与回弹模量 = = 1 = 4 2000 1200 + 6 1800 1200 + 10 1200 1200 = 22.5 = = + 1 0.9 + 1 = 280.9 3600 3600 + 350.9 2400 3600 = 50.3 =2.11， 22.5 10.65 2 1 3600 3 1200 E E 查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图，知，故，所以满0 = 0.28 足要求。 2水泥稳定碎石层层底拉应力验算 _ _ h1=4cm E1=2000MPa h=40.99 cm E1=3600Mpa . . h2=6cm E2=1800MPa h3=10cm E3=1200MPa H=35cm E2=2400MPa h4=28cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =30 MPa E0=30MPa 图 2-4： 各层层厚与回弹模量 h=cm ， =35cm 1 i k k k i E h E 40.99 1 1 9 . 0 1 n iK i K k E E hH 由 H/=35/10.65=3.286385, =30/2400=0.0125,查表得=0.05Mpa 20/ E E H/=3.286385, E2/E1=2400/3600=0.67,查表得 n1=2.1 H/=3.286385, h/=40.99/10.65=3.8488,查表得 n2=0.62 故半刚性基层底面最大拉应力，由公式 m=P n1n2得 m=0.70.052.10.62=0.046Mpa=5.0 4.54.04.0 温度疲劳应力系数求得后，可运用温度疲劳应力计算公式： = , 计算得 = ,= 0.3 0.93 = 0.279 最后，进行设计状态的验证。一级公路的目标可靠度为 90%。则查表 4-8 可得可靠 度系数。 = 1.25 表 3-8:可靠度系数 目标可靠度（%） 变异水平等级 95908580 低 1.20-1.331.09-1.161.04-1.08- 中 1.33-1.501.16-1.231.08-1.131.04-1.07 高 -1.23-1.331.13-1.181.07-1.11 所验极限状态如下： ,满足要求。 (+ )= 1.23 (1.93 + 0.279)= 2.71 = 4.5 (,+ ,)= 1.23 (2.22 + 0.93)= 3.87 = 4.5 ? 尽管上述已满足要求，但疲劳极限状态的综合疲劳应力为 2.71，与材料的弯拉 强度标准值相差较大，所以结构厚度需要进一步进行优化。将面层厚度减小为 230mm,通 过上述各公式，再计算： ，满足要求。 (+ )= 1.23 (2.90 + 0.56)= 4.26 = 4.5 (,+ ,)= 1.23 (2.15 + 1.25)= 4.2 = 4.5 ? 通过此次的计算可知计算值和材料弯拉强度相差很小，满足要求。利用公路路面设计程 序系统可对上述计算的各结构层再进行相应的验算。 . . 3.6 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 （JTG D40-2011）知，路面防冻厚度为 0.50m， 而设计路面总厚度为 0.60m，由于 0.500.6，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，这段路为极 重交通，缝中设拉杆，拉杆长 0.5m，直径 22mm，每隔 40cm 设置一个。 横向胀缝：缝隙宽 20mm，缝隙上部 5cm 深度内浇填缝料拉杆的半段固定在混凝 土内，另一半涂以沥青，套上长约 10cm 的塑料套筒，筒底与杆端之间留有 3cm 空隙，用木屑与弹性材料填充。 横向缩缝：缩缝采用假缝，缝隙宽 5mm，深度为 5cm. 施工缝：施工缝采用平头缝或企口缝的构造形式，缝上深 5cm，宽为 5mm 的沟 槽，内浇填缝料。 横缝的布置：缩缝间距一般为 5m，混凝土路面设置胀缝。 纵缝的设置：在平行于混凝土路面行车方向设置纵缝，缝间距 3.75cm，设置为 假缝带拉杆形式，缝的上部留有 5cm 的缝隙，内浇注填缝料，缝与横缝一般做 成垂直正交，使混凝土具有 90的角隅。 . . 4.沥青和水泥路面设计示意图 由以上设计可得出如