水泥路面设计计算书

1、第四章 路面设计4.1水泥混凝土路面设计交通组成表车型名称单轴单轮组的个数轴重（KN）单轴双轮组个数轴重（KN）双轴单轮组的个数轴重（KN）三轴单轮组的个数轴重（KN）交通量黄海DD64013217000001561解放CA108119.4160.8500001600黄河JN36015000122000510五十铃EXR181160110012000069 轴载分析水泥混凝土路面结构设计以100KN单轴双轮组荷载为标准轴载。以设计弯沉值为指标及验算面层层底拉力中的累计当量轴次。 轴载换算： 式中 ： 100KN的单轴双轮组标准轴载的作用次数；单轴单轮、单轴双轮组、双轴双轮组或三轴双轮组轴型i级

2、轴载的总重KN； 各类轴型i级轴载的作用次数； 轴型和轴载级位数； 轴轮型系数，单轴双轮组时，=1；单轴单轮时，按式计算；双轴双轮组时，按式；三轴双轮组时，按式计算。轴载换算结果如表所示车型名称黄海DD640前轴32.002.22×103×32.00-0.431561后轴70.00115615.188解放CA108前轴19.402.22×103×19.40-0.431600后轴60.85116000.526黄河JN360前轴50.002.22×103×50.00-0.435103.52×10-0.8后轴220.001.07&

3、#215;10-5×220.00-0.22510501.63五十铃EXR181前轴60.002.22×103×60.00-0.43697.430后轴300.002.24×10-8×100.00-0.226924.157531.508注：轴载小于40KN的轴载作用不计。 计算累计当量轴次根据表设计规范，二级公路的设计基准期为20年，安全等级为二级，轮迹横向分布系数是0.340.39取0.39，gr=0.086，则 其交通量在中，故属重交通等级。 初拟路面结构根据二级公路、重交通等级和低级变异水平等级，查表 初拟两种方案。如下：方案一：普通混凝土面

4、层厚度为22cm，基层采用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚15cm。垫层为15cm天然砂砾材料。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.5m，长5.0m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。方案二：普通混凝土面层厚度为22cm，基层采用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚15cm。垫层为15cm级配碎砾石。普通混凝土板的平面尺寸为宽3. 5m，长5.0m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。 路面计算（方案一）.1路面材料参数确定确定基层顶面当量回弹模量查路基路面工程（第三版）表1626和表1627取土基抗压回弹模量Eo=35MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取E1=1500MPa, 天然砂砾回弹模量

5、取E2=200MPa,取值与设计值一样。按表1623和表1625，混凝土面层设计弯拉强度：fr=5.0MPa，相应弯拉弹性模量为Ec=31×104MPa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， Ex基层和底基层或垫层的当量回弹模量， 基层和底基层或垫层的回弹模量， 基层和底基层或垫层的当量厚度， 基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度， 基层和底基层或垫层的厚度， 与Ex/ E0有关的回归系数 普通混凝土面层的相对刚度半径按式（16-52b）计算为： .2 计算荷载疲劳应力按式（16-52b），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计

6、算为：因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr=0.87。考虑设计基准期内荷应力累计疲劳作用的疲劳应力系数（v与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057；碾压混凝土和贫混凝土，=0.065；钢纤维混凝土，按） 根据公路等级，由表16-24考虑偏载和动载等因素，对路面疲劳损失影响的综合系数Kc=1.20，按式（16-49），荷载疲劳应力计算为 .3 温度疲劳应力 由表16-28，区最大温度梯度取88(m)。板长5m , ,由图16-14可查普通混凝土板厚。按式（16-56）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为： 温度疲劳应力系数Kt，按式（B.

7、2.3）计算为 式中：a、b、c回归系数，按所在地区的公路自然区划查表B.2.3确定。再由式（16-55）计算温度疲劳应力为 查表16-20，二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16-22，确定可靠度系数按式（16-48）因而，所选混凝土面层厚度（0.22m）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。各计算步骤以及公式都参照方案一来计算，得出结果如下： 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 : 1.10 面 层

8、 类 型 : 普通混凝土面层车型名称单轴单轮组的个数轴重（KN）单轴双轮组个数轴重（KN）双轴单轮组的个数轴重（KN）三轴单轮组的个数轴重（KN）交通量黄海DD64013217000001561解放CA108119.4160.8500001600黄河JN36015000122000510五十铃EXR181160110012000069 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 6.8 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 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(

9、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 150 1500 2 天然砂砾 150 200 3 土基 35 基层顶面当量回弹模量 ET= 141.5 MPa HB= 220 r= .713 SPS= 1.3 SPR= 3.2 BX= .7 STM= 2.1 KT= .5 STR= 1.04 SCR= 4.24 GSCR= 4.66 RE=-6.8 % 设计车道使用初期标准轴载日作用次数 : 602 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 : 3437320 路面承受的交通等级 :重交通等级

10、基层顶面当量回弹模量 : 141.5 MPa 混凝土面层设计厚度 : 220 mm 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: - 普通混凝土面层 220 mm - 水泥稳定粒料 150 mm - 天然砂砾 150 mm - 土基 方案二计算.1路面材料参数确定确定基层顶面当量回弹模量查路基路面工程（第三版）表1626和表1627取土基抗压回弹模量Eo=35MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取E1=1500MPa, 级配碎砾石回弹模量取E2=300MPa,取值与设计值一样。按表1623和表1625，混凝土面层设计弯拉强度：fr=5.0MPa，相应弯拉

11、弹性模量为Ec=31×104MPa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， Ex基层和底基层或垫层的当量回弹模量， 基层和底基层或垫层的回弹模量， 基层和底基层或垫层的当量厚度， 基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度， 基层和底基层或垫层的厚度， 与Ex/ E0有关的回归系数 普通混凝土面层的相对刚度半径按式（16-52b）计算为： .2 计算荷载疲劳应力按式（16-52b），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr=0.87。考虑设计基准期内荷应力累计疲劳作用的疲劳应力系数（

12、v与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057；碾压混凝土和贫混凝土，=0.065；钢纤维混凝土，按） 根据公路等级，由表16-24考虑偏载和动载等因素，对路面疲劳损失影响的综合系数Kc=1.20，按式（16-49），荷载疲劳应力计算为 .3 温度疲劳应力 由表16-28，区最大温度梯度取88(m)。板长5m , ,由图16-14可查普通混凝土板厚。按式（16-56）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为： 温度疲劳应力系数Kt，按式（B.2.3）计算为 式中：a、b、c回归系数，按所在地区的公路自然区划查表B.2.3确定。再由式（16-55）计算温度疲劳

13、应力为 查表16-20，二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16-22，确定可靠度系数按式（16-48）所选混凝土面层厚度（0.22m）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。各计算步骤以及公式都参照方案一来计算，得出结果如下： 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 : 1.10 面 层 类 型 : 普通混凝土面层车型名称单轴单轮组的个数轴重（KN）单轴双轮组个数轴重（KN）双轴单轮组的个数轴重（KN）三轴单

14、轮组的个数轴重（KN）交通量黄海DD64013217000001561解放CA108119.4160.8500001600黄河JN36015000122000510五十铃EXR181160110012000069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 6.8 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 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 (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 150 1

15、500 2 级配碎砾石 150 300 3 土基 35 基层顶面当量回弹模量 ET= 151.2 MPaHB= 220 r= .697 SPS= 1.28 SPR= 3.15 BX= .7 STM= 2.11 KT= .5 STR= 1.05 SCR= 4.2 GSCR= 4.62 RE=-7.6 %设计车道使用初期标准轴载日作用次数 : 602 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 : 3437320 路面承受的交通等级 :重交通等级基层顶面当量回弹模量 : 151.2 MPa混凝土面层设计厚度 : 220 mm 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

16、改,最后得到路面结构设计结果如下: - 普通混凝土面层 220 mm - 水泥稳定粒料 150 mm - 级配碎砾石 150 mm - 土基 水泥混凝土路面方案技术经济比较选择以上两种方案的结构层只是大致相同，所设结构层厚度一样，只是在垫层材料上有细微处区别，故技术上基本相似，主要的选择在于垫层材料的可选性，以及该地的地质条件,并要考虑到该地区公路的实际应用年限。该公路自然区划为6区,处于6区的粘性土处于中湿或润湿情况。可根据不同的路面潮湿状态采取措施。由筑路材料 可知：砂、砾石料场沿河分布，运输方便，可利用国道及地方道路运到工地；块片石 沿线块片石料场储量丰富，石场石料主要为青灰色石灰岩、花

17、岗岩，石质坚硬，质量好，储量大，可满足桥涵、防护、排水等工程用石料的需要。沿线各地有数已开采的石料场，石质坚硬，储量丰富。其岩石的磨耗值、压碎值均能满足路面规范的要求，可作为各种路面及各种构造物的筑路材料，沿线路分布密集，运输方便，运距小。而若用级配碎砾石得经过筛选或加工，利用天然砂砾做垫层则可直接利用无需加工或筛选，综合上述内容建议采用第一种方案。4.2 沥青路面设计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

18、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。 式中：以半刚性材料层的拉应力为设计指标时的标准轴载的当量轴次（次/d） 被换算车型轴数系数 被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组委18.5，四轮组为0.09，以拉应力为设计指标时，双轴或多轴的轴数字按下式计算：式中：m轴数当各种车型的不同轴载换算成BZZ-100标准轴载的当量轴次。（1） 当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载均按下式计算：式中：N以设

19、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（KN）Pi被换算车型的各级轴载（KN）C1被换算车型的各级轴数系数C1北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0.38K被换算车型的轴载级别当轴距大于3m时，应单独的一个轴载计算：当轴距小于3m时，双轴或多轴的系数由下式计算C1=1+1.2（m-1）设计年限累计当量标准轴载数 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数Ne按式计算：式中：设计年限内一个车道的累计当量轴次（次/车道） T设计年限（年） N1营运第一年双向日平均当量轴次（次/d） 设

20、计年限内交通量的平均增长率（%）车道系数设计年限按表取： 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分段时间交通量年增长率序号分段时间(年)交通量年增长率（%）1126.8车道系数按表取：公路无分隔时，车道窄宜选高值，车道宽宜选低值。车道特征车道特征双向单车道1.0双向六车道双向两车道双向八车道双向四车道 初拟沥青路面(方案一)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黄海DD64032701双轮组15612解放CA10B19.460.851双

21、轮组16003黄河JN360501102双轮组<35104五十铃EXR181601003双轮组>369计年限 12 车道系数 0.7 序号 分段时间(年) 交通量年增长率 1 5 7.8 2 4 6.9 3 3 5.7 一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量Nh= 2618 ,属重交通等级当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时 :路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 2707 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 1.25604E+07 属重交通等级当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时 :路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 3668 设计年限内一个车道上的累计

22、当量轴次 : 1.701941E+07 属重交通等级路面设计交通等级为重交通等级公路等级 二级公路公路等级系数 1.1 面层类型系数 1 路面结构类型系数 1 路面设计弯沉值 : 25.1 (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1.20.42中粒式沥青混凝土10.343粗粒式沥青混凝土0.80.274水泥稳定碎石0.60.35石灰土稳定砂砾0.50.25 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 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 25.1 (0.01mm) 路面设计层层位 : 4 设计层

23、最小厚度 : 40 (mm)层位结构层材料名称厚度(mm)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40140020001.22中粒式沥青混凝土501200160013粗粒式沥青混凝土6090012000.84水泥稳定碎石?150015000.65石灰土稳定砂砾 200130015000.56土基35 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 25.1 (0.01mm) H( 4 )= 190 mm LS= 26.8 (0.01mm) H( 4 )= 240 mm LS= 23.7 (0.01mm) H( 4 )= 217 mm(仅考虑弯沉) 按容许

24、拉应力计算设计层厚度 : H( 4 )= 217 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 217 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 217 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 217 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 217 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 217 mm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 217 mm(同时考虑弯沉和拉应力) 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 40 mm -

25、 中粒式沥青混凝土 50 mm - 粗粒式沥青混凝土 60 mm - 水泥稳定碎石 220 mm - 石灰土稳定砂砾 200 mm - 新建路基 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 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 层位结构层材料名称厚度(mm)抗压模量(MPa)(20)抗压模量(MPa)(15)计算信息1细粒式沥青混凝土4014002000计算应力2中粒式沥青混凝土5012001600计算应力3粗粒式沥青混凝土609001200计算应力4水泥稳定碎石22015001500计算应力5石灰土稳定砂砾20013001500计算应力6新建路基35

26、计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 24.9 (0.01mm) 第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 27.5 (0.01mm) 第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 31.2 (0.01mm) 第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 35.7 (0.01mm) 第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 101.1 (0.01mm) 路基顶面交工验收弯沉值 LS= 266.2 (0.01mm) 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :(未考虑综合影响系数) 第 1 层底面最大拉应力 ( 1 )=-.208 (MPa) 第 2 层底

27、面最大拉应力 ( 2 )=-.068 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )=-.049 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= .048 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 ( 5 )= .168 (MPa) 初拟沥青路面(方案二)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黄海DD64032701双轮组15612解放CA10B19.460.851双轮组16003黄河JN360501102双轮组<35104五十铃EXR181601003双轮组>369 设计年限 12 车道系数 0.7 序号

28、 分段时间(年) 交通量年增长率 1 5 7.8 2 4 6.9 3 3 5.7 一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量Nh= 2618 ,属重交通等级当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时 :路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 2707 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 1.25604E+07 属重交通等级当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时 :路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 3668 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 1.701941E+07 属重交通等级路面设计交通等级为重交通等级公路等级 二级公路公路等级系数 1.1 面层类型系数 1 路面结构类型

29、系数 1 路面设计弯沉值 : 25.1 (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1.20.42中粒式沥青混凝土10.343粗粒式沥青碎石4水泥稳定碎石0.60.35 级配碎石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 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 25.1 (0.01mm) 路面设计层层位 : 4 设计层最小厚度 : 40 (mm)层位结构层材料名称厚度(mm)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40140020000.42中粒式沥青混

30、凝土50120018000.343粗粒式沥青碎石7090012000.44水泥稳定碎石?150017000.35级配碎石2001502006新建路基35按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 28.6 (0.01mm) H( 4 )= 25 cm LS= 32.8 (0.01mm) H( 4 )= 30 cm LS= 28.5 (0.01mm) H( 4 )= 29.9 cm（仅考虑弯沉） 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 25.1 (0.01mm) H( 4 )= 40 mm LS= 5.2 (0.01mm) 由于设计层厚度 H( 4 )=Hmin时 LS<=LD, 故弯沉计算已

31、满足要求 . H( 4 )= 40 mm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力计算设计层厚度 : H( 4 )= 40 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 40 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 40 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 140 mm ( 4 )= .348 MPa H( 4 )= 190 mm ( 4 )= .288 MPa H( 4 )= 180 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 40 mm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 180 mm(同时考虑弯沉和拉应力) 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 40 mm - 中粒式沥青混凝土 50 mm - 粗粒式沥青碎石 70 mm - 水泥稳定碎石 180 mm - 级配碎石 200 mm - 新建路基交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 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100层位结构层材料名称厚度 (mm)抗压模量(MPa) (20)抗压模量(MPa) (15)计算信息1细粒式沥青混凝土4014002000计算应力2中粒式沥青混凝土5012001800计算应力3粗粒式沥青碎