【《白新高速公路路基路面综合设计》14000字】

挡土墙设计6.1挡土墙类型的选取原则本设计路线长度范围内土质情况大多以亚粘性土为主，综合考虑经济指标和地质条件、水文条件及边坡坡率后，选用仰斜式路堤挡土墙在填方高度大于8m的地方进行设计。设计应注意以下事项：（1）确保地基承载力满足要求；（2）挡土墙的设计结果要满足抗滑稳定性验算，抗倾覆稳定性验算及基底应力及合力偏心距验算；（3）挡土墙的填土高度设置不应超过3m,挡土墙埋深深度不小1m。（4）墙外应设置截水沟，确保边坡稳定。6.2设计资料（1）采用仰斜式路堤挡土墙进行设计，基本参数和构造图见表6.1和图6.1。表6.1仰斜式路堤挡土墙设计参数墙面高度(m)6土路基宽度(m)0.75填料重容（KN/m3）18路基宽度（m）7.5挡土墙分段长度（m）10砌体容重(KN/m3)20填土高度（m）3墙面坡度1:0.25内摩擦角(°)30墙面宽度(m)2填土坡度1:1.5外摩擦角(°)17.5墙趾高度(m)0.2墙背坡度1:0.15基底摩擦系数0.35墙趾宽度(m)0.2基地内倾坡度0.2:1基底容许承载力(KPa)300图6.12、计算结果：（1）计算仰斜式路堤挡土墙的破裂角设破裂面在荷载中部范围，则有：挡墙的总高度：H=7.155m挡墙的基地水平总宽度：B=4.773m56.031°因为Ψ<90°，取正。此情况下需要考虑路基顶面交通荷载等效主柱作用，墙高7.155米，按墙高确定附加荷载强度。按照线性内插查表6.2可知q取13.75（kN/m2）。表6.2附加荷载强度墙高H(m)q(kPa)墙高H(m)q(kPa)≤2.020.0≥10.010.0注：H=2.0～10.0m时，q由线性内插法确定则h0=q/γ=13.75/18=0.8(m)破裂角计算公式如下：则θ=arctgθ=36.418°（2）校验破裂面是否交于荷载长度范围内：破裂面至墙踵的水平距离：(H+a)tgθ=7.491m荷载左侧至墙踵的水平距离：b-Htgα+d=4.177m荷载右侧至墙踵的水平距离：b-Htgα+d+b0=11.677m所以假设正确，破裂面交于荷载长度范围内。（3）求主动土压力系数K和K1（4）求主动土压力及作用点位置（5）基地倾斜，土压力对墙趾的力臂（6）抗滑稳定性检算挡土墙体积V=22.333m3挡土墙自重G=446.66kN因为kc≥1.3，则抗滑稳定性检算通过。（7）抗倾覆稳定性检算=3.95因为k0≥1.5，则抗倾覆稳定性检算通过。（8）基底应力检算B=4.773m=2.207m=.18m因为e≤B/6=148.039kPa=93.451kPa因为σmax<σ0=300kPa，则基地应力检算通过。故本次设计满足要求。7路基设计7.1路基横断面布置本路线设计地段地处湖南平原区，全线按平原微丘区高速公路修建。路基全宽长度是24.5米，中央分隔带宽度是2米。土路肩、硬路肩和路缘带都是左右对称布局的，长度分别是2.5米、0.75m和0.5m。行车道采用双向四车道。路基断面总布局如下图6.1所示图7.1公路路基宽度示意图7.2路基概念和构造所谓路基是指沿着固有的路线方向所修筑的一条承载路面的基础。标准路基是指各环境要素良好的情况下，控制填方高度和挖方深度在一定高度范围内的路基，这个高度范围一般不低于1.5米或者不高于18m。常见的路基按断面形式有三种类型，分别是路堤、路堑及填挖结合。7.3路基填筑与压实路基的填挖，需要做好施工排水措施，保证施工场地的干燥。在进行路基施工前，要充分保证土的含水性，土质路基的施工作业面不能过大，保证随挖随运，能够快速有效的填筑压实成型，从而确保土的性质满足承载力的要求。土质类型路堤的填筑方案按填土顺序有分层平铺和竖向填筑两种施工方案，分层平铺一般是常用方案，竖向填筑是指沿路中心线逐步向前深填，适用于深挖地段。本次设计的填挖高度大多都是不高于5m,所以适合分层平铺，在必要情况下可以进行竖向填筑。路基压实是因为路基施工后破坏了土体的天然状态，导致其结构松散，为使路基满足足够的强度和稳定性，必须予以压实。压实步骤主要是压实机具的选择与操作和路基压实标准；压实密度K规定,见图7.2。图7.2各等级路基压实度要求7.3.1路基填筑施工路基填筑施工必须根据国家的规范进行实施，大致为以下流程和要求：（1）填筑材料需要经过检验合格才能进场，充分了解材料的各项技术指标；（2）施工体量较大的区域采用合适的机械进行；（3）石方施工前期准备有以下几项；①测量放线护桩；②清除地面杂物；③填筑基面准备；④填料检验合格；⑤工艺试验合格；⑥施工机具准备；⑦操作人员技术交底;⑧运输便道修筑完成。（4）填料装运、定位卸料填石路堤应选用硬度均匀、不易风化的材料，同时保证填料粒径满足要求，分层填料粒径需控制在分层厚度的三分之二左右，必须经检验合格才能进行填料装运。7.4路基边坡稳定性验算因为本次设计中存在最大挖方高度16.62m,应该进行路基边坡稳定性验算，为了避免边坡失稳，已经进行了挖台阶处理，台阶分为三层，原来边坡坡率为1:0.5，现在分为6米以下的边坡取为1:0.5，6~12m的边坡坡率取为1:0.75及高于12m的边坡坡率取为1:1，现在采用直线法进行验算：7.4.1基本参数该挖方边坡坡率为1:0.5，内摩擦角ψ为30°，c=30kPa,γ=18kN/m3,H=16.62m。则cota=0.5,边坡角=arctan2=63°26′，csc=1.118,f=tan30°=0.5774，。=(2×0.2+0.5774)×0.5+2×0.3943×1.118=1.37Kmin>1.20,所以边坡稳定性满足要求。8路面设计8.1沥青混凝土路面设计沥青路面是用沥青材料为基础与黏结矿料相结合来修筑面层与各类基层所组成的路面。这种路面的质量和耐久性都得到很大改善。目前沥青路面是我国公路的主要的路面结构形式。沥青路面具有的良好性能：足够的强度，足够的平整，使行车安全又舒适；弹性的变形能力和塑性的变形能力均都良好，能承受应变；与汽车轮胎的附着力好，保证行车安全；具有良好的减振性，是汽车高速行驶时，平稳而噪音小；清扫方便、安全，不扬尘；方便维修及防护。8.1.1设计资料本次设计的高速公路，设计年限为15年，自然区划为Ⅳ-5区。大型客车和货车双向年平均日初始年交通量为2930辆/日。根据实地考察预测设计使用年限内，交通量年平均增长率为6%。设计路线所在地区为亚热带季风性湿润气候，近10年年最低气温平均值取-5℃。8.1.2轴载分析表8.1交通组成及交通量表（双向）车型（辆/昼夜）（轴重/kN）前轴后轴小客车170011.523中客车SH13060016.533大客车CA5013028.768.2小货车BJ130140013.5527.2中货CAD50100028.768.2中货EQ1408023.769.2大货车J6拖挂车五十铃10060300参考相关规范可以设计的双轮组单轴载100kN为我国路面设计标准轴载。经计算求出整体式比例为85%，半挂式比例为15%。参照《公路沥青路面设计规范》车道系数取0.45，方向系数取0.55。根据交通量表中各类车型所占比例得到公路TTC标准取TTC5。有了车辆类别分布系数后，可以使用HPDS2017软件进行沥青路面设计确定路面的荷载等级为中等交通荷载等级。当量设计轴载累计作用次数N1按下式计算:N1=(8.1)根据N1、设计使用年限等，按下式计算设计车道上的当量设计轴载累计作用次数Ne。Ne=(8.2)计算结果求得N1=725辆，Ne=6159404轴次。8.1.3沥青路面柔性基层设计参考规范按高速公路等级标准，根据计算求得交通荷载等级为中等交通荷载等级，并参照设计路线所在地势平坦。本设计初步确定的各结构组合和厚度如下表8.2所示：表8.2路面结构组合和各层厚度结构层类型材料种类材料厚度面层AC-104cmAC-206cmAC-2512cm基层级配碎石32cm底基层级配碎石18cm（1）路基顶面回弹模量根据设计路段主要以粘性土为主，查阅规范可以得到本次设计的路基标准回弹模量取80MPa湿度调整系数ks参考表D.0.1取0.75，考虑干湿与冻融循环作用的影响取折减系数kη为0.90，路基顶面回弹模量经折减后计算求得54Mpa，大于50MPa,可以满足规范的（2）设计层数的各基本参数参考相关规范经过试验测定和干湿度调整后，底基层回弹模量为300MPa级配碎石，基层回弹模量为400MPa，详细内容见表8.3。表8.3结构层模量及泊松比结构层材料类型厚度弹性模量泊松比面层AC-104cm8000MPa0.25AC-206cm10000MPa0.25AC-2512cm9000MPa0.25基层级配碎石32cm400MPa0.35底基层级配碎石18cm300MPa0.35（3）路面结构验算根据规范查得高速公路目标可靠性指标为1.65。查阅设计路线地段的天气资料，可以得到设计路段处于非冻土地区，调整系数kaQUOTEka取1。温度调整系数KT1的确定：(8.3)(8.4)：AE=0.76(8.5)Ah=1.14(8.6)BE=0.14ln(8.7)Bh=0.23ln(8.8)经计算求出KT1=1.45。（4）沥青混合料层疲劳开裂验算根据沥青混合料的柔性特征，疲劳开裂验算公式如下：(8.9)(8.10)经计算求出Nf1=1.803189E+07轴次，Ne=1.799989×107轴次。Ne<Nf1，由此可见，沥青混合料层疲劳开裂验算满足要求。（5）路基顶面竖向压力应变验算路基顶面容许竖向压应变的计算模式，见下式：(8.11)由kT3=1.338，Ne4=1.55883E+07轴次,=1.65，设计层高度hb=320mm可求出=248×10-6,路基顶面竖向压应变ε=168×10-6,ε<故路基顶面竖向压应变验算已满足设计要求。（6）沥青面层低温开裂指数验算季节性冻土地区沥青路面低温开裂是公路的常见病害之一，根据参考加拿大Hass模型，建立了路面低温开裂指数预估模型，见下式：(8.12)根据气候条件，所在地区低温设计温度为-5℃，路基填料为砂土，路基类型参数b=2,劲度模量为120MPa,根据计算结果求出CI=-1.4条，根据本次公路设计等级为高速公路设计且属于非冻区，可以得出低温开裂指数要求不大于3。因此沥青面层低温开裂指数满足规范要求。（7）沥青混合料层永久变形量验算根据标准条件下的车辙试验，得到各层沥青混合料的车辙试验永久变形量，按下式计算：(8.13)(8.14)kRi,综合修正系数，按下式计算：kRi=(8.15)d1=(8.16)d2=(8.17)Tpef,=Tς+0.016ha(8.18)计算结果得到各分层沥青混合料永久变形量为：1.17mm,1.98mm,2.28mm,1.57mm,0.89mm,1.22mm,0.07mm。沥青混合料层永久变形量为9.18mm小于10mm。沥青混合料料层永久变形量满足规范要求。沥青面层还应该满足动稳定度要求，相关计算公式如下所示：(8.19)式中：DS——沥青混合料动稳定度（次／mm）。经计算：表面层、中面层、底面层的沥青材料动稳定度的要求分别为2412次/mm、1842次/mm、1203次/mm。8.1.4沥青路面半刚性基层设计方案1结构层模量及泊松比如下表8.4：表8.4材料类型厚度（cm）弹性模量泊松比AC-133.0120000.25AC-204.0100000.25AC-257.0100000.25水泥稳定碎石3280000.25级配碎石184000.35路面结构验算：温度调整系数和等效温度可以求出KT2=1.76。无机结合料稳定层疲劳开裂验算根据我国《公路沥青路面设计规范》（JTGD50）见下式： (8.20)(8.21)无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命应大于设计使用年限内设计车道的当量设计轴载累计作用次数。求得Nf2=1.793014×109轴次；NZB2为6.20573×108轴次；NZB2<Nf2,所以无机结合料稳定层的疲劳开裂验算满足设计要求。（3）沥青面层低温开裂指数验算见式7.12，由T=-5℃，St=120MPa,ha=175mm,b=2,求得CI:CI=1.95×10-3×120×lg2-0.075(-5+0.07×175)lg120+0.15=-0.9条，根据低温开裂指数要求，得知CI不大于3，故沥青面层气温开裂指数验算满足设计要求。（4）沥青混合料层永久变形量验算在试验温度为60℃，压强为0.7MPa,加载次数为2520次时，可得到三种沥青混合料车辙试验变形深度R0i,见下表8.5。表8.5沥青混合料R0i取值（mm）材料类型车辙试验总变形深度R0AC-132.5AC-204.5AC-255.0根据基准等效温度Tς=23.4℃和沥青混合料层厚度ha=175mm,由式7.19，计算得到等效温度为26.1℃。根据要求对沥青层进行分层，用式7.13计算出各分层永久变形量，累加得到沥青混合料层总永久变形量为11.83mm,这里选用的基层设计是水泥稳定碎石属于无机结合料稳定类，因此永久变形量不应低于15mm,由此可以看出永久变形量满足要求。此外沥青混合料还应该满足动稳定度要求，相关公式见式8.19。经计算：上面层、中面层、下面层的动稳定度要求分别为2412次/mm,1011次/mm,865次/mm。8.2水泥混凝土路面水泥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。根据当地环境条件和设计指标要求本次高速公路设计选用水泥混凝土路面进行设计。8.3水泥混凝土路面的设计计算计算的第一步必须确定好交通量，路面的设计必须满足目前以及未来预测的增长交通量，设计公路交通量的年平均增长率为6%，各类车型交通量参数如下图8.2所示:图8.2各类车辆交通量资料以及车辆轴载8.3.1轴载分析我国路面设计以双轮组单轴载100kN为规范规定标准。（1）轴载换算的公式如下：（8.22）公式式中：—100kN的单轴—双轮组标准轴载的作用次数；——各类轴型i级轴载的作用次数；——-轴型和轴载级位数；——标准轴载。轴载换算结果如下图8.3所示：图8.3（2）当量设计轴载累计作用次数参照水泥混凝土路面设计规范查得高速公路的各项技术指标要求，高速公路目标可靠度为95%，安全等级为一级，轮迹横向分布系数为0.20，目标可靠指标为1.65，设计基准期为30年，根据测量所得货车交通量年平均增长率为6%。=386.32×[（1.06）30-1]×365/0.06×0.2=2229548轴次/车道计算得其交通量在中为重型交通类。8.3.2水泥混凝土路面结构设计8.3.2.1方案一（1）拟定路面结构组合查阅相关规范，根据荷载等级为重荷载交通等级，本高速公路设计初步拟定普通混凝土材料作为面层，厚度为26cm，弹性模量为33GP。基层选用弹性模量为240MPa,厚度为12cm的级配碎石。采用弹性模量为1400MPa,厚度为20cm的水泥稳定碎石作为底基层。方案一现设定长5.0m宽4m为混凝土板的尺寸，接缝应力折减系数kr取值0.87。粗骨料混凝土的线膨胀系数，泊松比取0.15，水泥混凝土弯拉强度取5.5MPa。(2)地基顶面当量回弹模量计算（8.23）（8.24）（8.25）ɑ=0.86+0.26lnhx（8.26）式中：E0——路床顶面的综合回弹模量(MPa);Et——地基顶面当量回弹模量（MPa);——地基内除路基以外各层的总厚度(m);Ei、hi——第i层结构层的回弹模量（MPa）和厚度（m）;Ex——粒料层的回弹模量（MPa）经计算求得Et=515MPa。（3）计算荷载疲劳应力（8.27）（8.28）其中：应力折减系数=0.87（规范B.2.1）;综合系数=1..15（规范中表B.2.1）；疲劳应力系数kf（规范中公式B.2.3-1）。=2.30=0.87×1.15×2.30×1.091=2.51(MPa)（4）最大荷载应力计算最重轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力：=1.47×10-3r0.70=1.47×10-3×0.5540.70×0.26-2×101.60.94=1.107(MPa)最重轴载在临界荷位产生的最大荷载应力：=0.87×1.15×1.107=1.11（MPa）（5）最大温度应力计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL式中：CL——设计的混凝土面层板的温度翘曲应力系数；L——板长（m）;r——设计的面层板的相对刚度半径（m）。计算可以求出CL=1.085,BL=0.61。最大温度应力式中：——混凝土的线膨胀系数，这里取值为1.1×10-5/℃；Tg——最大温度梯度。可以计算出。（6）计算温度疲劳应力计算温度疲劳应力系数==0.54=0.54×2.59=1.4(MPa)查阅相关规范高速公路目标可靠度95%，安全等级为一级，高速公路变异水平为低级。再根据相关资料，查阅相关规范可以确定高速公路可靠度系数取1.23。（7）设计极限状态的验证本设计高速公路低等变异水平的可靠度系数取1.23。初步拟定的方案面层为普通混凝土厚度26cm，基层为厚度12cm的级配碎石，垫层为厚度20cm的水泥稳定碎石组成的路面能满足结构在极限状态的要求。8.3.2.2方案二（1）初拟路面结构组合本高速公路方案二设计初步拟定普通混凝土材料作为面层，厚度为26cm，基层选用弹性模量为240MPa,厚度为12cm级配碎石。采用弹性模量为200MPa,厚度为12cm的级配碎石作为底基层。混凝土板的尺寸取5×4米。混凝土弯拉强度取5.5MPa,混凝土弹性模量取33000MPa，泊松比取0.15。线膨胀系数为1.1×10-5/℃。（2）计算基层顶面当量回弹模量由于基层材料为级配碎石属于粒料类材料，因此选择弹性地基上的单层板模型。计算求出Et=205MPa（3）荷载应力计算板的弯曲刚度：=49.45（K=MN·m）面板的相对刚度半径：=0.753荷载应力：=1.352(MPa)确定三个修正系数kr、kc、kf因采取混凝土路肩，应力折减系数取0.87，查规范可知kc取1.15，kf经计算求得kf=2.30（4）计算荷载疲劳应力=0.87×1.15×2.30×1.352=3.11（MPa）（5）最大荷载应力计算=1.47×10-3×0.7530.70×0.26-2×101.60.94=1.373（MPa）=0.87×1.15×1.373=1.37（MPa）（6）温度应力计算面层板的最大温度应力面层板的温度翘曲应力系数计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数Ⅳ区最大温度梯度范围为86～92℃/m,取值90℃/m,则最大温度应力面层板温度疲劳应力自然区Ⅳ区，计算温度疲劳应力：==0.48×2.2=1.06（MPa）（8）设计极限状态验证本设计高速公路低等变异水平的可靠度系数取1.23。综上所述，以上拟定的厚度可以满足设计基准期内的各技术指标的设计要求。8.3.3水泥砼接缝设计一、水泥砼路面的接缝类型水泥混凝土施工时为了保护混凝土板的完整，需要进行接缝，常用的接缝类型有纵缝和横缝。在纵缝中又可以分为纵向缩缝和纵向施工缝，横缝可分为横向缩缝、横向胀缝和横向施工缝。二、接缝设计如下纵缝

纵缝按构造分为纵向施工缝和纵向缩缝。一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝。纵缝必须与行车方向平行，纵缝一般采用设拉杆的平缝形式，上部应锯切槽口，深度取40mm,宽度取5mm,槽内应灌塞填缝料。一次铺筑宽度大于4.5m时，应设置纵向缩缝。纵向缩缝采用设拉杆假缝形式，锯切的槽口深度应该大于施工缝的槽口深度，考虑到本混泥土路面设计采用粒料类基层，故槽口深度取90mm。拉杆采用长度为80cm的Φ16螺纹钢筋，设在板厚中央，间距为80cm。拉杆到自由边或未设拉杆纵缝的距离为3m，支模时应严格掌握纵缝的顺直度。传力杆应该设在板厚中央，采用Ⅰ级光圆钢筋ф32，长度L=40cm，最大间距30cm。（2）缩缝横向缩缝可等间距或变间距布置，考虑到水泥混凝土路面设计为重荷载的高速公路，故采用设传力杆的假缝，传力杆的设置确保接缝的传递荷载的能力，并且还能对路面的平整的起到保障作用。（3）胀缝采用宽取25mm,缝内设置填缝板和可滑动的传力杆。传力杆的尺寸采用Ⅰ级光圆钢筋ф32，长度L=40cm，最大间距30cm，传力杆一半以上涂上沥青，将无沥青侧传力杆焊接在钢筋支架上，涂沥青侧传力杆绑扎在钢筋支架上，并用钢纤锚固，确保传力杆精准定位。

（4）横向工作缝

每日施工结束或浇筑过程中因临时原因中断浇筑时，必须设置横向工作缝。其位置宜设在胀缝或缩缝处，设在胀缝处的工作缝，其构造与胀缝相同；设