【《某高速公路工程的路面设计计算过程案例》4800字】

某高速公路工程的路面设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u11314某高速公路工程的路面设计计算过程案例 160031.1沥青路面设计 1326651.1.1路面设计资料 2183271.2轴载交通量分析 3132381.3方案一沥青路面 448021.3.1计算材料参数 4318301.3.2路面结构验算 563011.4方案二沥青路面设计 8125921.5水泥混凝土路面设计 9301981.5.1混凝土路面的相关特性： 10143611.5.2水泥路面轴载换算 10195841.6方案一水泥路面设计 1167291.6.1初步设计路面结构 11321591.6.2计算地基的回弹模量 12257231.6.3路基荷载应力 12226551.6.4温度应力 13125681.6.5设计极限状态验证 14158851.7方案二水泥路面设计 14299181.7.1综合回弹模量计算 1544891.7.2荷载应力计算 15106571.7.3温度应力设计 16170911.7.4结构极限状态校核 1741081.8路面接缝 171.1沥青路面设计就是大众口中的“黑色路面”，由于沥青材料的投入使用，使得矿料间的粘聚力得到了增强，更进一步提升了路面混合料的整体强度以及稳定性，一定程度上延长了路面使用寿命。和传统水泥混凝土路面相比较，沥青路面更加平坦，没有明显接缝，整体美观，行车体验感良好；同时在施工修筑方面也具有较大优势，让沥青路面在当下路面建设中被大量使用。沥青路面还具有以下优点：①承力性能良好，拥有足够的力学强度②有较强的弹塑性变形能力，能抵抗局部应变③沥青路面会增加与车辆轮胎之间的的摩擦力，出行更加安全④沥青路面能有效降低行驶噪音，同时沥青路面不易藏灰，自然地避免了行车扬灰⑤施工周期短，养护过程简单。1.1.1路面设计资料此设计高速公路面层采用沥青混凝土路面，高速公路设计使用年限为15年；目标可靠指标为1.65；年平均日交通量为2790（辆/日）；设计标准轴载是双轮组单轴载100KN，表示为BZZ-100；经过实际考察得出设计路段的交通量年增长率为7.5%；设计路段经过区域为非冻土区域；经测量计算得出交通荷载等级为中；设计高速沿线多为黏性土、亚黏土和砂土。1.2轴载交通量分析交通量统计计算见下表表1.1交通量组成查阅公路路面沥青设计相关规范，得出标准轴载计算参数如下：表1.2标准轴载计算参数本设计高速公路查证沥青路面相应设计规范后，交通量组成中整体式货车比例占35%，求出车道系数为0.45，方向系数为0.55；半挂式货车比例占55%，故根据公路分类标准取TTC1。计算当量设计轴载累计作用次数如下：(1)轴载换算有公式=2790×0.55×0.45×0.99=690(2)再根据平均轴次区计算累计作用次数Ne。Ne==65779101.3方案一沥青路面本设计高速公路中的沥青路面方案一是按照规范进行分层设计，方案一选定的结构组合方式及分布情况见下表：表1.3路面结构1.3.1计算材料参数(1)路基顶面的回弹模量查阅《公路路基设计规范》得出，在处于在标准状态下的黏土质路基回弹模量应该取75MPa，湿度调整系数经查阅规范取得0.8。考虑干湿和冻融循环作用影响取得折减系数为0.8，求得经过湿度调整得出路基顶面回弹模量为48MPa，以上数值均满足设计规范。(2)级配碎石底基层模量在进行相关实验测试的基础上，得到级配碎石底基层模量为400MPa。(3)基层模量和压弯强度进行相关实验测试后，得出水泥稳定碎石这种材料的弹性模量为24000MPa，乘以结构层调整系数，得出实际水泥稳定碎石基层模量为8000MPa，实验得出的弯拉强度为1.5MPa。(4)沥青面层模量根据相关实验以及测试得出，200C、10Hz时，细粒式沥青混凝土表面层模量11000MPa，计算出的中粒式的模量则是10000MPa，粗粒式面层模量是10000MPa。(5)泊松比三个沥青面层泊松比均为0.25，水泥稳定碎石基层取0.25，级配碎石底基层取0.35，路基土层取0.4。1.3.2路面结构验算(1)温度调整系数的计算本设计高速公路处于非冻土地区；在规范中查出对应的沥青混合料层容许永久变形量为15mm；设计高速目标可靠指数为1.65；设计基层为160mm的水泥稳定碎石，计算现场综合修正系数如下：=14=-1.012MPa式中——无机结合料稳定粒料的参数；对于沥青结合料类基层路面，可以简化成当量沥青面层、当量基层和路基来进行计算，由公式：式中：是当量层厚度（mm）以及模量（MPa），以上为沥青面层计算，还可进行基层计算。再进行路面结构温度调整系数的计算，公式如下：又知：①面层与设计基层当量模量相比的结果；②面层和设计基层当量厚度的比值水泥稳定碎石基层疲劳开裂：综合算得=1.661。(2)水泥稳定碎石层疲劳开裂验算查阅相关规范得出疲劳试验回归参数=13.24，b=12.52；由于无机结合料稳定类材料具有一定的半刚性特征，所以计算底部开裂时要注意拉应力。在对比路面结构破坏形式和疲劳开裂结果后得出现场综合修正系数，所求开裂验算计算如下：=7.303956108轴次=50487533，所以满足设计规范。(3)沥青面层永久变形量验算考虑在沥青混合料层永久变形换算来的当量设计轴载累计作用次数，这样才能得到永久变形量计算，我国相关规范规定沥青结构里面需要进行分层的苦情永久变形量计算。以下变形量计算是在600C、亚强0.7MPa、加载次数为2520次的标准条件下进行的。先计算等效温度如下：=24.70C按照相关沥青路面设计规范，将沥青面层分为5个分层；对每个分层进行计算如下：求得沥青面层分层永久变形量如下表：表1.4车辙实验永久变形量分层位置Ra1Ra2Ra3Ra4Ra5Ra变形量(mm)0.81.473.072.362.229.92根据《公路沥青路面设计规范》，计算得到的沥青面层永久变形总量Ra<20mm即能满足设计要求。(4)路基压应变验算路基顶面竖向压应变可以用来检测粒料类基层沥青路面和沥青结合粒料类基层沥青路面的设计标准，建立路基顶面竖向压应变计算式如下：=1.25×=112.98(5)沥青混合料层低温冻裂系数验算沥青路面由于气温过低容易出现路面开裂现象，需要进行一定程度上的防冻处理和设计改变，用相应指数预估计算公式如下：CI=1.95=1.95×10-3×120lg2-0.075×(-2+0.07×150)lg120+0.15=-1.1式中：CI——沥青混合料层计算低温冻裂系数；T——沥青路面冻裂预设温度值(0C)，取为最近十年平均最低气温；St——处于规范实验温度下时测出的沥青混合料层特定条件下的相应蠕变指数(MPa)；ha——沥青面层的厚度(mm)；b——路基类型参数，本设计取黏土b为2。1.4方案二沥青路面设计本高速设计中设计两组类型的沥青路面，以便于以后的路面比选工作。第二种沥青路面的结构设计组合如下：表1.5路面逐层设计本方案设计高速目标可靠指数为1.65；设计基层为180mm的石灰土稳定碎石，计算现场综合修正系数如下：=14=0.329MPa再进行路面结构温度调整系数的计算，以及路面结构验算。公式如下：；综合算得=3.291。由于所选路面基层为半刚性特征材料，需要进行疲劳开裂验算，按相关规范计算得出现场综合修正系数kc等于0.329。详细计算如下：=1.6747971010轴次计算出的Nf2>Ne，Ne取值为50487533，则疲劳开裂验算满足规范要求。本设计沥青面层分为五个分层，查阅相关规范，分别计算荷载作用下的变形量。设计沥青面层分层结果如下表有以上公式分别计算出的分层变形量为：第一分层沥青面层产生的变形量为：0.45mm第二分层沥青面层产生的变形量为：0.61mm第三分层沥青面层产生的变形量为：1.86mm第四分层沥青面层产生的变形量为：1.58mm第五分层沥青面层产生的变形量为：2.99mm沥青面层产生的永久变形量为：7.49mm总变形量Ra<20mm，则所设计沥青面层变形量验算满足规范。对整体路面产生的竖向应力进行压应变验算=1.25×=100.21计算出的竖向压应变小于容许压应变数值，故满足规范。设计所在地区10年平均最低气温为-20C，在标准实验条件下的蠕动劲度取120MPa，由上计算路面开裂指数如下：CI=1.95=1.95×10-3×120lg2-0.075×(-2+0.07×150)lg120+0.15=-1路面沥青防裂指数值满足规范要求。1.5水泥混凝土路面设计水泥混凝土路面，在面层设计下还需要设有基层、垫层以及路基，俗称刚性路面。混凝土路面的面层主要材料就是混凝土，对混凝土路面面层而言，需要更加追求面层的耐磨性、面层的力学强度以及面层的平整度。1.5.1混凝土路面的相关特性：(1)刚度大，承载力强，在部分地址良好区域还可以直接将混凝土路面铺设在土基上；(2)耐久性和耐高温性能好，使得水泥混凝土炉可以在降水量过大、过水区域、持续高温天气等条件下正常施工；(3)抗弯拉强度高、疲劳寿命长，刚性路面设计使用时长普遍高于其他类型路面，在一定程度上节省了施工经济投入；(4)路面色度低、色差小、隔热性好，水泥混凝土路面多为白色，更能反射阳光，分散热量，同时也有利于夜间行车；除去以上优点，水泥混凝土也具有相应的缺点；(1)平整度较低，驾驶体验感不好，刚性路面模量很高，同时设置了很多接缝，影响了整体舒适性；(2)维修困难，水泥混凝土自身强度高，即使断裂破损，硬度还是很大，很大程度上增加了维修难度；(3)白色混凝土路面更容易反射光和热，容易被晃着眼睛引起驾驶疲劳。1.5.2水泥路面轴载换算在水泥混凝土路面设计中，设计标准轴载为100KN单轴双轮组荷载，后续进行以弯拉应力为指标的混凝土路面轴载换算。表1.6各种类车辆对应交通量以及轴重(1)以车辆类型为标准进行换算，上式，Ns——100KN设计轴载在一天时间内的作用次数；Ps——设计标准轴载的重量，取100KN。换算结果统计如下表：表1.7对应轴载换算即为Ns=371.9。(2)计算使用时长内的累计作用轴次==2859996.45387查规范得出设计车道的交通量为重交通等级类；1.6方案一水泥路面设计1.6.1初步设计路面结构本设计高速公路属于重交通荷载类，公路变异等级为低，在查阅相关规范后得出水泥混凝土面层厚度要在280mm~240mm之间。设计高速公路路面材料选为普通混凝土，下面的基层选择水泥稳定粒料类，最下部底基层则是级配碎石材料。具体结构设计如下：普通水泥混凝土260mm31000MPa水泥稳定碎石160mm2000MPa级配碎石150mm200MPa1.6.2计算地基的回弹模量运用相关规范数值进行回弹计算：以上公式包括：E0——路基上部综合回弹模量(MPa)；——回归系数，与路面层厚度有关；Et——地基上部当量回弹模量(MPa);hx——路面层的总体厚度(m)；Ex——粒料层的当量回弹模量(MPa)。其中：hx=150+160=0.26×(-1.1711)+0.86=0.31m=0.56Et==125MPa1.6.3路基荷载应力计算面板弯曲强度Dc、基层板弯曲强度Db，混凝土面板相对刚性半径r如下式：上述公式中：ps——设计标准轴载(KN)；Et——地基上部当量回弹模量(MPa)；Ne——设计使用时长中的轴载作用次数。=41.29MN·mDb==0.71MN·mr==0.841m=1.47×10-3×0.8410.7×0.26-2×1000.94=1.546MPa=1.569MPa=28599960.075高速公路综合系数kc取1.15，取0.057，接缝折减系数kr为1。再由算好的修正系数去计算荷载疲劳应力和最大荷载应力：=0.87×2.496×1.15×1.546=4.15MPa=0.87×0.15×1.569=1.8MPa1.6.4温度应力本设计面层最大温度梯度是880C/m，混凝土面层板长度为5m，路面面层的相对刚度半径计算得0.841m。粗集料的石灰岩取膨胀系数为7，三个回归系数查得at、bt、ct分别为0.843、1.323、0.058。弯拉强度ft取5MPa。计算如下;t=L/3rCL=1-=5÷(3×0.841)=0.865=1.98BL=1.77=0.482=1.97MPaKt==0.48=0.48×1.97=0.95MPa计算出设计高速温度疲劳应力为0.95MPa。1.6.5设计极限状态验证本设计高速公路变异水平等级为中，查得可靠度系数为1.4，计算面层综合疲劳应力如下：=1.4×(4.15+0.95)=1.4×(1.8+1.97)=4.61MPa≦fr=4.12MPa≦fr1.7方案二水泥路面设计初设路面参数包括：可靠度系数为1.4，变异水平等级为中级，路面面层采用普通混凝土材料，设计轴载为100KN标准轴载，承受最大轴载101.6KN。路面设计使用寿命为30年，按规范计算出来的面板弯拉强度为5MPa，所属交通荷载为重交通类型。路面结构设计如下：普通混凝土240mm31000MPa稳定碎石210mm2000MPa级配碎石210mm250MPa1.7.1综合回弹模量计算其中的分式计算：hx=121+210=0.42m=0.26×(-0.8675)+0.86=0.63Et==120MPa1.7.2荷载应力计算带入数据计算，=36.53MN·mDb==1.61MN·mr==0.826m=1.47×10-3×0.8260.7×0.21-2×1000.94=1.615MPa=2.365MPa=28599960.075=0.87×2.496×1.15×1.615=3.19MPa=0.87×0.15×2.365=2.16MPa1.7.3温度应力设计计算如下;t=L/3r=5÷(3×0.826)=2.02CL=1-=0.799BL=1.77