天津城市建设学院路基路面课程设计

天津城市建设学院课程设计任务书2023—2023学年第1学期土木工程系土木工程道桥方向专业09级课程名称：路基与路面工程设计题目：公路挡土墙与高级路面设计完成期限：自2023年1月9日至2023年1月13日设计依据、要求及主要内容〔可另加附页〕：依据设计任务书与公路工程设计相关标准，进行公路路基挡土墙设计、新建沥青路面设计、改建沥青路面设计和新建水泥混凝土路面设计。学生应在课程设计教室独立完成设计，保证出勤，学会查阅和使用标准、文献，掌握挡土墙、路面设计的根本方法以及设计说明书和工程图纸的根本格式。设计结束后，提交设计说明书一份，挡土墙设计图、路面设计图各一张〔3号图〕，并在规定时间参加辩论。设计资料见附页。指导教师：董鹏周燕教研室主任：李美东批准日期：20道路工程课程设计任务书〔附页〕一、挡土墙设计：设计资料：1.浆砌片石重力式路堤墙，墙身高4－6米，墙上填土高2－3米，填土边坡1:1.5，墙背仰斜，坡度1：0.15－1：0.35，墙身分段长度2.公路等级二级，车辆荷载等级为公路－II级，挡土墙荷载效应组合采用荷载组合I、II。3.墙背填土容重γ＝18kN／m3，计算内摩擦角Φ＝35°,填土与墙背间的内摩擦角δ＝Φ/2。4.地基为砂类土，容许承载力f＝350kPa，基底摩擦系数μ＝0.40。5.墙身材料2.5号砂浆砌25号片石，砌体容重23kN／m3，砌体容许压应力[σa]=600kPa，容许剪应力[τ]＝50kPa，容许弯拉应力[σwl]＝80kPa。根据设计资料进行挡土墙设计。二、路面设计：某国道天津段按一级公路标准修建，并将于2023年底通车，设计道路横断面为双向四车道。根据可行性研究报告提供的2023年的交通组成情况如下表：车型黄河JN-l50解放CA10B东风EQ140日野KB222太脱拉l38交通SH141辆/日682878625256114716经论证分析，该公路自2023年至通车后2023年交通量增长率8.42％，其后将以4.0％增长。旧路改建路段现有路面结构为2.5cm沥青外表处治，25cm石灰土，在不利季节由BZZ—60实测弯沉值(1／100)如下：61.868.369.165.758.866.677.844.331.338.945.329.127.530.731.954.379.677.268.992.383.491.689.783.6路基土回弹模量为E0＝35MPa。根据以上资料完成：1.新建与改建沥青路面结构设计计算；结构方案及结构设计图。2.新建水泥混凝土路面结构设计计算；结构设计及结构构造图绘制。三、设计成果：设计结束后，提交设计说明书一份，挡土墙设计图、路面设计图各一张〔3号图〕第一局部挡土墙设计一．设计资料：1.浆砌片石重力式路堤墙，墙身高4－6米，墙上填土高2－3米，填土边坡1:1.5，墙背仰斜，坡度1：0.15－1：0.35，墙身分段长度2.公路等级二级，车辆荷载等级为公路－II级，挡土墙荷载效应组合采用荷载组合I、II。3.墙背填土容重γ＝18kN／m3，计算内摩擦角Φ＝35°,填土与墙背间的内摩擦角δ＝Φ/2。4.地基为砂类土，容许承载力f＝350kPa，基底摩擦系数μ＝0.40。5.墙身材料2.5号砂浆砌25号片石，砌体容重23kN／m3，砌体容许压应力[σa]=600kPa，容许剪应力[τ]＝50kPa，容许弯拉应力[σwl]＝80KPa。根据设计资料进行挡土墙设计。路堤墙计算图式路堤墙计算图式二．设计参数：(1)设计挡土墙高度H=5.0m；(2)墙上填土高度a=3.0m；(3)填土边坡坡度为1:1.5；(4)墙背仰斜坡度1:0.28；(5)墙背填土计算内摩擦角Φ＝35°；(6)填土与墙背间的摩擦角填土与墙背间的内摩擦角δ＝Φ/2=17°30’(7)路肩宽取0.5m；(8)墙背与竖直平面夹角：三．车辆荷载换算：1．试算不计车辆荷载作用时破裂破裂棱体宽度B0；(1)假定破裂面交于荷载内；不计车辆荷载作用；计算棱体参数A0、B0：=(3+5+0)(3+5)=32=15那么：根据值计算不计车辆荷载作用时破裂棱体宽度值B：由于路肩宽度d=0.5m<B=2.8496m，所以可以确定破裂面交与荷载内侧。(2)验证破裂面是否交与荷载内侧坡顶破裂面距墙踵：(H+)tan=(5+3)tan()=8.7496m;荷载内边缘距墙踵：-Htan+b+d=-5tan(-)+4.5+0.5=6.40m;荷载外边缘距墙踵：-Htan+b+d+=6.5+5.5=11.90m;因为6.40m<8.7496m<11.90m,因此可知破裂面交与荷载内侧，故假设成立。2．布载，换算土层厚度查阅《公路工程技术标准(JTG+B01-2003)》可知：公路-=2\*ROMANII级根本相当于汽车-20级车辆荷载。车辆荷载布置图可知道：汽车-20级时，L0=3.0+1.4+7.0+1.4=12.8m.那么挡土墙的计算长度：L=L0+(H+2)tan =12.8+(5+2)tan =19.15m19.15m>15.00m,挡土墙的计算长度取值15.00m.车辆荷载布置图(公路-=2\*ROMANII级)：车辆荷载布置图车辆荷载布置图由于在不加荷载时破裂棱体宽度B=1.02m，路肩宽d=0.5m，所以可以知道车辆荷载有一半进入了破裂棱体范围，所以∑Q=.换算土层厚度：四．考虑车辆荷载时作用时的土压力计算1．计入求算破裂棱体的宽度(1)计算棱体参数A0、B0：那么考虑车辆荷载后的破裂棱体宽度值为：(2)计算主动土压力及其作用位置主动土压力系数：主动土压力：E=作用位置：五．设计挡土墙截面1．初拟强顶宽度b2.抗滑稳定性验算假设b=1.70m每米墙体自重为：w=，符合抗滑稳定性要求。此时：3.抗倾覆稳定性验算>1.5符合抗倾覆稳定性要求。4.地基承载力验算作用于基底的合力偏心距：==-0.1199由于e=-0.1199是负值，那么上式Zn应该改为：(b-ZN)即此时<=0.2917当e<时，压应力计算公式为:在墙身截面强度验算中主动土压力计算时取墙身截面的一半计算：在墙身截面强度验算中主动土压力计算时取墙身截面的一半计算：=14.50KPa=117.53Kpa<f=350Kpa符合地基承载力要求。5.墙身截面强度验算(1)抗压强度验算：由于Nj=223.4951KPa<=251.3351KPa,所以强身截面满足抗压强度要求。(2)抗剪强度验算57.97KPa；=0.45；其中W==0.4817；那么，抗剪强度符合要求。综合步骤(1)(2)可见墙身截面强度符合要求。综上，各项指标验证完毕且均符合技术标准要求。第二局部高级路面设计设计资料：某国道天津段按一级公路标准修建，并将于2023年底通车，设计道路横断面为双向四车道。根据可行性研究报告提供的2023年的交通组成情况如下表：车型黄河JN-l50解放CA10B东风EQ140日野KB222太脱拉l38交通SH141辆/日682878625256114716经论证分析，该公路自2023年至通车后2023年交通量增长率8.42％，其后将以4.0％增长。旧路改建路段现有路面结构为2.5cm沥青外表处治，25cm石灰土，在不利季节由BZZ—60实测弯沉值(1／100)如下：61.868.369.165.758.866.677.844.331.338.945.329.127.530.731.954.379.677.268.992.383.491.689.783.6路基土回弹模量为E0＝35MPa。根据以上资料完成：1.新建与改建沥青路面结构设计计算；结构方案及结构设计图。2.新建水泥混凝土路面结构设计计算；结构设计及结构构造图绘制第一章新建沥青路面结构设计(1)轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算：序号车辆名称前轴重〔kN〕后轴重(kN)后轴数后轴轮组数后轴距(m)交通量1黄河JN15049101.61双轮组8022解放CA10B19.460.851双轮组10323东风EQ14023.769.21双轮组7354日野KB22250.2104.31双轮组3015太脱拉13851.4802双轮组<31346交通SH14125.5555.11双轮组842设计年限15车道系数0.45序号分段时间(年)交通量年增长率148.42％2114％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:2065设计年限内一个车道上累计当量轴次:7600793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:1549设计年限内一个车道上累计当量轴次:5701515公路等级一级公路公路等级系数1面层类型系数1基层类型系数1路面设计弯沉值:25.2(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1.40.482中粒式沥青混凝土10.343粗粒式沥青混凝土0.80.254石灰粉煤灰碎石0.60.315石灰土0.250.1(2)新建路面结构厚度计算:公路等级:一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: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3140020000.482中粒式沥青混凝土4120016000.343粗粒式沥青混凝土690012000.254石灰粉煤灰碎石?150015000.315石灰土255505500.16土基--35----按设计弯沉值计算设计层厚度:LD=25.1(0.01mm)H(4)=25cmLS=26.5(0.01mmH(4)=30cmLS=23.5(0.01mmH(4)=27.2cm(仅考虑弯沉)按容许拉应力验算设计层厚度:H(4)=27.2cm(第1层底面拉应力验算满足要求)H(4)=27.2cm(第2层底面拉应力验算满足要求)H(4)=27.2cm(第3层底面拉应力验算满足要求)H(4)=27.2cm(第4层底面拉应力验算满足要求)H(4)=27.2cm(第5层底面拉应力验算满足要求)路面设计层厚度:H(4)=27.2cm(仅考虑弯沉)H(4)=27.2cm(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3cm---------------------------------------中粒式沥青混凝土4cm---------------------------------------粗粒式沥青混凝土6cm---------------------------------------石灰粉煤灰碎石25cm---------------------------------------石灰土25cm---------------------------------------土基(2)竣工验收弯沉值和层底拉应力计算：公路等级:一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(cm)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314002000计算应力2中粒式沥青混凝土412001600计算应力3粗粒式沥青混凝土69001200计算应力4石灰粉煤灰碎石2515001500计算应力5石灰土25550550不算应力6土基--35----〔4〕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=26.5(0.01mm)第2层路面顶面竣工验收弯沉值LS=28.6(0.01mm)第3层路面顶面竣工验收弯沉值LS=31.6(0.01mm)第4层路面顶面竣工验收弯沉值LS=36(0.01mm)第5层路面顶面竣工验收弯沉值LS=113.1(0.01mm)土基顶面竣工验收弯沉值LS=331.5(0.01mm)(根据“基层施工标准〞第88页公式)LS=266.2(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σ(1)=-0.26(MPa)第2层底面最大拉应力σ(2)=-0.115(MPa)第3层底面最大拉应力σ(3)=-0.06(MPa)第4层底面最大拉应力σ(4)=0.128(MPa)第5层底面最大拉应力σ(5)=.079(MPa)第二章改建沥青路面结构设计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黄河JN15049101.61双轮组8022解放CA10B19.460.851双轮组10323东风EQ14023.769.21双轮组7354日野KB22250.2104.31双轮组3015太脱拉13851.4802双轮组<31346交通SH14125.5555.11双轮组842设计年限15车道系数0.4序号分段时间(年)交通量年增长率148.42％2114％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:2065设计年限内一个车道上累计当量轴次:7600793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:1549设计年限内一个车道上累计当量轴次:5701515公路等级：一级公路公路等级系数1面层类型系数1基层类型系数1路面设计弯沉值:25.2(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1.40.482中粒式沥青混凝土1.00.343粗粒式沥青混凝土0.80.254石灰粉煤灰碎石0.60.315石灰土0.250.1〔2〕改建路段原路面当量回弹模量计算原路面换算弯沉值(0.01mm)：9610710810292104121694961714543485085124120107144130143140130原路面有效弯沉数:24原路面平均弯沉值:95(0.01mm)原路面弯沉值标准差:34(0.01mm)测定汽车轴载:60kN改建公路等级:一级公路保证率系数:1.5原沥青面层厚度:2.5(cm)测定时路表温度与测定前5d日平均气温的平均值之和:55(℃)原路面基层类型:粒料类或沥青稳定类基层季节影响系数1.2湿度影响系数1温度修正系数.97原路面计算弯沉值:175(0.01mm)原路面当量回弹模量:93.7(MPa)〔3〕改建路面补强厚度计算：公路等级:一级公路加铺路面的层数:4标准轴载:BZZ-100路面设计弯沉值:25.2(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4140020000.482中粒式沥青混凝土5120018000.343粗粒式沥青混凝土5100012000.254石灰粉煤灰碎石?150015000.315石灰土155505500.16改建前原路面93.7----按设计弯沉值计算设计层厚度:LD=25.2(0.01mm)H(4)=15cmLS=26.3(0.01mm)H(4)=20cmLS=22.7(0.01mm)H(4)=15cm(仅考虑弯沉)按容许拉应力验算设计层厚度:H(4)=16.5cmH(4)=16.5cmH(4)=16.5cmH(4)=16.5cm路面设计层厚度:H(4)=16.5cmH(4)=16.5cm(4)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为：---------------------------------------细粒式沥青混凝土4cm---------------------------------------中粒式沥青混凝土5---------------------------------------粗粒式沥青混凝土5---------------------------------------石灰粉煤灰碎石17---------------------------------------石灰土15cm---------------------------------------改建前原路面〔5〕竣工验收弯沉值和层底拉应力计算公路等级:一级公路加铺路面的层数: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℃计算信息1细粒式沥青混凝土414002000计算应力2中粒式沥青混凝土512001800计算应力3粗粒式沥青混凝土510001200计算应力4石灰粉煤灰碎石1715001500计算应力5石灰土15550550计算应力6改建前原路面--93.7----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=24.7(0.01mm)第2层路面顶面竣工验收弯沉值LS=28.0(0.01mm)第3层路面顶面竣工验收弯沉值LS=33.1(0.01mm)第4层路面顶面竣工验收弯沉值LS=38.9(0.01mm)第5层路面顶面竣工验收弯沉值LS=97.7(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σ(1)=-0.229(MPa)第2层底面最大拉应力σ(2)=-0.045(MPa)第3层底面最大拉应力σ(3)=0.032(MPa)第4层底面最大拉应力σ(4)=0.164(MPa)第5层底面最大拉应力σ(5)=0.039(MPa)第三章新建水泥混凝土路面结构设计一．交通分析由表12-9【P249】，一级公路的设计基准期为30年，平安等级为二级，由表12-13【P251】临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.22，由题知该公路自2023年至通车后2023年交通量增长率8.42％，其后将以4.0％增长。标准轴载作用次数计算：单轴双轮组，单轴单轮组双轴双轮组序号汽车型号前轴重〔kN〕后轴重〔kN〕后轴数轮组数日平均交通量〔辆/日〕1黄河JN15049101.61双6822解放CA10B19.460.851双8783东风EQ14023.769.21双6254日野KB22250.2104.31双2565太脱拉13851.41602双1146交通SH14125.5555.11双716路面特征系数为16，标准轴载为100，轴—轮型系数及周载换算结果如下：车型轴重/KN轮轴系数平均日交通量轴载换算2023日标准轴载作用次数黄河JN16249416.466820.00503.14101.616821.2891879.19解放CA10B19.4620.298780.00000.0060.8518780.00040.31东风EQ14023.7569.136250.00000.0069.216250.00281.73日野KB22250.2412.152560.00671.72104.312561.9613502.10太脱拉13851.4407.981140.00971.101603.50E-061140.00650.74交通SH14125.55551.037160.00000.0055.117160.00070.05合计1390因设计年平均日交通量分三段计算，那么使用初期设计车道的日标标准轴载作用次数：2023年初，次2023年末，次2023年末，次标准轴载累计作用次数η=0.20【P251】2023年初~2023年初：次2023年末~2041年末：次累计标准轴作用次数次，查表得出该路段属于重交通。二．初拟路面结构由表12-9，相应于平安等级二级的变异水平等级为中级。根据一级公路、重交通