路基路面工程课程设计说明书.doc

金堂大道路面设计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 月 16 日完 成 时 间: 年 5 月 27 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 要- 2 -1.基本设计资料分析- 3 -2.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- 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- 22 -结 论- 23 -致 谢- 24 -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： 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LPK709354五十铃NPR595G538切贝尔D350533太脱拉138S390长征CZ361693延安SX161508会客HK6670308贵州GZ661A624宇通ZK6820G518解放SP9134B189湘江HQP4078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）15d1 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）Pi的作用次数ni应按下式换算成标准轴载作用次数。Ns=i=1KC1*C2*ni*PiP4.35式中：Ns 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； ni 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）； 标准轴载（）； 各种被换算车型的轴载（）； C2 轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轴组为0.38； C1 轴数系数。 被换算车型的轴载级别。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：式中：m轴数。表2-2： 轴载换算结果车型（）（次/日）C1C2niPiP4.35奔驰LPK709前轴22.00113540.49后轴44.00113549.95五十铃NPR595G前轴23.50115380.99后轴44.001153815.13切贝尔D350前轴24.00114330.87后轴48.001143317.78太脱拉138S前轴45.401139012.57后轴290.002.2139011064.27长征CZ361前轴47.601169327.44后轴290.702.2169320334.25延安SX161前轴54.641150836.65后轴291.252.2150815303.12会客HK6670前轴19.00113080.22后轴39.00113085.12贵州GZ661A前轴41.401162413.46后轴45.201162419.73宇通ZK6820G前轴30.00115182.75后轴55.001151838.45解放SP9134B前轴24.80111890.44后轴72.601118946.94湘江HQP40前轴23.1011780.13后轴73.20117820.08Ns46970.82则其设计年限内一个车道上的累计量轴次Ne：Ne=1+t-1*365*N1* 式中 Ne 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；N1 设计端竣工后一年双向日平均当量轴次； 设计年限内的交通量平均增长率，由材料知=0.065畏 车道系数，由材料知畏=0.5。则：Ne=1+t-1*365*N1*=1+0.06515-1*3650.065*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Ne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）Pi的作用次数ni应按下式换算成标准轴载作用次数。Ns，=i=1kC1,C2,niPiP8式中：Ns， 以弯拉应力为指标的标准轴载的当量轴次（次/日）； ni 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）； 标准轴载（）； Pi 各种被换算车型的轴载（）； C1,轴数系数； C2,轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。当轴间距离大于3m时，按单独的一个轴载计算此时轴数为m=1；当轴间距离小于3m时，按双轴或多轴进行计算，轴数系数为：C1,=1+2*（m-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（）（次/日）C1C2niPiP8奔驰LPK709前轴22.00113540.00后轴44.00113540.50五十铃NPR595G前轴23.50115380.01后轴44.00115380.76切贝尔D350前轴24.00114330.00后轴48.00114331.22太脱拉138S前轴45.40113900.70后轴290.0031390128933.54长征CZ361前轴47.60116931.83后轴290.7031693243754.56延安SX161前轴54.64115084.04后轴291.2531508187537.41会客HK6670前轴19.00113080.00后轴39.00113080.16贵州GZ661A前轴41.40116240.54后轴45.20116241.09宇通ZK6820G前轴30.00115180.03后轴55.00115184.34解放SP9134B前轴24.80111890.00后轴72.601118914.59湘江HQP40前轴23.1011780.00后轴73.2011786.43Ns，560261.74则其设计年限内一个车道上的累计量轴次Ne为：Ne=1+t-1*365*N1*=1+0.06515-1*3650.065*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Ne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*10102.2 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）。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：结构组合参数层次材料名厚度(cm)抗压回弹模量强度劈裂（Mpa）15C模量20C模量细粒式沥青混凝土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30302.4设计指标的确定1设计弯沉值公路为一级公路，则公路等级系数Ac取1.0；面层是沥青混凝土，则面层类型的系数As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AB取1.0。ld=600Ne-0.2AcAsAB式中： ld 设计弯沉值Ne 设计年限内的累计当量年标准轴载作用次数Ac 公路等级系数，一级公路为1.0As 面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0AB 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 ld=600Ne-0.2AcAsAB=600*2.07*108-0.2*1.0*1.0*1.0=13.03mm(2) 各层材料按容许层底拉应力R，按下列公式计算：R=spKs式中 ： sp 路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa）；R 路面结构材料的容许拉应力，即该材料能承受设计年限Ne次加载的疲劳 弯拉应力（Mpa）； Ks 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： Ks=0.09Ne0.22Ac=0.09*2.07*1080.221.0=6.07 对无机结合料稳定集料类的抗拉强度结构系数： Ks=0.35Ne0.11Ac=0.35*2.07*1080.111.0=2.87 对无机结合料稳定细土类的抗拉强度结构系数： Ks=0.45Ne0.11Ac=0.45*2.07*1080.111.0=3.69表2-6： 结构层容许弯拉应力材料名称sp（Mpa）KsR（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0.43.690.112.5路面结构层厚度的计算1理论弯沉系数的确定c ls=10002PE1Fc c=lsE12000PF=f(h1,h2,hn-1;E2E1,E3E2,E0En-1)式中： 当量圆半径；F 弯沉综合修正系数，F=1.63ls20000.38(E0P)0.36 令ls=ld,则F=1.63*13.07/(2000*10.65)0.38（30/0.70) 0.36=0.38c=lsE12000PF=13.071400/(200010.650.700.38)=3.232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；由三层体系弯沉系数诺谟图查得K1=1.460。又因为k2=cK1=3.01/(6.22*1.460)=0.33，E0E2=0.025，h=0.376，由上查图5（诺谟图）得：H/=7.8，H= 10.657.8=83。图2-1：相关诺莫图由可知：H=6+102.410001200+h42.415001200+352.415001200=52.75+1.1h4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=1800MPah4=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=1000MPah4=28cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =30 MPa E0=30MPa 图2-3： 各层层厚与回弹模量h=k=1ihkEkEi=420001200+618001200+1012001200=22.5H=k=i+1ihk0.9EkEi+1=280.936003600+350.924003600=50.3h = 22.510.65=2.11，查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图，知，故mR=0.28MPa，所以满足要求。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=2400MPah4=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=40.99cm ， =35cm由H/=35/10.65=3.286385, =30/2400=0.0125,查表得=0.05MpaH/=3.286385, E2/E1=2400/3600=0.67,查表得n1=2.1H/=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=Pn1n2得m=0.70.052.10.62=0.046MpaR=0.19Mpa满足要求。3水泥粉煤灰碎石层层底拉应力验算_ _h1=4cm E1=2000MPa h=44.09cm E1=3600Mpa h2=6cm E2=1800MPa h3=10cm E3=1200MPa H=35cm E2=2400MPah4=28cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =30 MPa E0=30MPa 图2-5： 各层层厚与回弹模量 =44.09cm由，可知； 由，可知n1=1.14 由，h = 44.0910.65=4.13，可知n2=0.56故半刚性基层底面的最大拉应力,由公式：m=Pn1n2=0.70.160.541.14=0.0697m0.340.390.540.62则：Ne=1+t-1*365*N1*=1+0.06530-1*3650.065*75.12*0.2=4.73105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Ne进行验算，实际计算和软件计算一致，检验通过。3.2初拟路面结构因为一个车道上的累计量轴次Ne=4.73105次，故可知交通属于中等交通。由以上可知相应于安全等级为三级的变异水平等级为中级，根据一级公路、中等交通等级和中级变异水平等级。查规范知：初拟普通混凝土面层厚为250mm；基层选用沥青混凝土，厚为60mm；底基层材料选用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚为180mm,垫层为150mm低剂量无机混合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m；长为4.5m。3.3路面材料确定查表取普通混凝土弯拉强度标准值为4.5Mpa,相应弯拉弹性模量标准值为29Gpa。路基回弹模量取30Mpa,低剂量无机混合料稳定土垫层回弹模量取600Mpa, 沥青混凝土基层回弹模量取1000Mpa，水泥稳定粒料基层回弹模量取1300Mpa。计算基层顶面当量回弹模量Ex=h12E1+h22E2+h32E3h12+h22+h32=0.182*1300+0.062*1000+0.152*6000.182+0.062+0.152=1012MPaDx=h13E1+h23E2+h33E312+h1+h2+h324(1E1h1+E2h2+E3h3)-1=0.063*1000+0.183*1300+0.153*60012+0.06+0.18+0.1524(10.06*1000+0.18*1300+0.15*600)-1=15.42MNmhx=(Dx*12Ex)13=(15.42*121012)13=0.57ma=6.221-1.51(ExE0)-0.45=6.221-1.51(101230)-0.45=4.29b=1-1.44ExE0-0.55=1-1.44101230-0.55=0.79Et=a*hxb*E0*ExE013=4.29*0.570.8*30*10123013=265.24MPaEt基层顶面的当量回弹模量(MPa)；E0路床顶面的回弹模量(MPa)； Ex基层和底基层或垫层的当量回弹模量(MPa)； E1、E2基层和底基层或垫层的回弹模量(MPa)； hx基层和底基层或垫层的当量厚度(m)； Dx基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度(MNm)计算；h1、h2基层和底基层或垫层的厚度(m)；普通混凝土面层的相对刚度半径为：r=0.537*h*EcEt13=0.537*0.25*(31000265.24)13=0.656m3.4载荷疲劳应力根据一级公路、重交通，由路基路面工程查得初拟普通混凝土面层厚度为0.25m。由下列公式求得： ps=0.0770.6h-2 pr=kfkckrps kf=Ne0.057 式中: r 混凝土板的相对刚度半径（m）； H 混凝土板的厚度（m）； Ec 水泥混凝土的弯沉弹性模量（Mpa）； pr 标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（Mpa）； kr 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设杆拉的平缝，kr=0.87 0.92，纵缝为不设杆拉的平缝或自由边界kr=1.0，纵缝为设杆拉的企口缝，kr=0.76 0.84，； kc 考虑偏载和动载因素对路面疲劳损坏影响综合系数，按公路等级查下表4-3；表3-3：综合系数kc 公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路kc1.151.101.051.00ps 标准轴载Ps在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力（Mpa）。 ps=0.077r0.6h-2=0.0770*0.6560.6*0.25-2=0.957MPa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 kf=Ne0.057=(4.73105)0.057=2.11根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综和系数kc=1.10,则荷载疲劳应力为： pr=kfkckrps=2.11*0.957*1.1*0.87=1.93MPa；由表7可知最重荷载Pm为182.5KN，则利用公式：pm=1.47*10-3r0.7hc-2Pm0.94可得pm=1.47*10-3*0.6560.7*0.25-2*182.50.94=2.33MPa；则最重轴载在临界荷位产生的最大荷载应力 p，max=krkcpm=0.87*1.10*2.33=2.22MPa；3.5温度应力计算面层板最大温度应力t=L3r=4.53*0.656=2.28rad面层板的温度翘曲应力系数CL=1-sinh2.28*cos2.28+cosh2.28*sin2.28cos2.28*sin2.28+sinh2.28*cosh2.28=1-4.8*1+4.9*0.041*0.04+4.8*4.9=0.79则BL=1.77e-4.48*hcCL-0.1311-CL=1.77e-4.48*0.250.79-0.1311-0.79=0.42所以可利用上述计算数据与下列相关系数以及最大温度应力公式：t,max=cEchcTgBL2式中： c混凝土的线膨胀系数，根据粗集料的岩性按表11取用； Tg公路所在地50年一遇的最大温度梯度，按表4-4取用；由表4-4知，II区温度梯度范围为取83-88(/m)，取88/m；采用石灰岩粗集料，由表4-5知水泥混凝土的线性膨胀系数为7*10-6/。表3-4;水泥混凝土膨胀系数经验参考值公路自然区划、温度梯度Tg(/m)83-8890-9586-9293-98表3-5水泥混凝土膨胀系数经验参考值粗集料类型石英岩砂岩页岩花岗岩玄武岩石灰岩水泥混凝土线膨胀系数（10-6/）1212111097计算得到最大温度应力:t,max=cEchcTgBL2=7*10-6*29000*0.25*88*0.422=0.93MPa则可以确定温度疲劳应力系数kt,计算公式如下：kt=frt,maxtt,maxfrbt-ct可得kt=frt,maxtt,maxfrbt-ct=4.50.930.8280.934.51.323-0.041=0.3式中：t、bt、ct回归系数，按所在地区的公路自然区划查表4-6 fr混凝土弯拉强度设计值，可查表4-7表3-6: 回归系数a，b和c系数公路自然区t0.8280.8550.8410.8710.8370.834bt1.3231.3551.3231.2871.3821.270ct0.0410.0410.0580.0710.0380.052表3-7:混凝土弯拉强度标准值交通等级极重、特重、重中等轻轻水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa）=5.04.54.04.0温度疲劳应力系数求得后，可运用温度疲劳应力计算公式：tr=ktt,max计算得tr=ktt,max=0.3*0.93=0.279 MPa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r=1.25。表3-8:可靠度系数r变异水平等级目标可靠度（%）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：rpr+tr=1.23*1.93+0.279=2.71MPafr=4.5MParp,max+t,max=1.23*2.22+0.93=3.87MPafr=4.5MPa,满足要求。尽管上述已满足要求，但疲劳极限状态的综合疲劳应力为2.71MPa，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：rpr+tr=1.23*2.90+0.56=4.26MPafr=4.5MParp,max+t,max=1.23*2.15+1.25=4.2MPafr=4.5MPa，满足要求。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