南京工业大学路基路面工程课程设计

1、路面结构与路基边坡稳定性设计交通1001 朱天南一、路面结构设计（一）沥青路面设计1.交通组成与轴载当量计算车辆车型与日交通量的选用如下表所示：交通组成表 表1序号车型前轴重(kN)后轴重(kN)后轴数后轴轮组数后轴距(m)交通量1黄河JN16259.51151双轮组6502黄河JN162A62.28116.221双轮组6503解放CA10B19.460.851双轮组6504解放CA1520.9770.381双轮组6505解放CA30A29.536.752双轮组3500按交通量年平均增长率5%计，乘以折算系数得设计年年初日平均交通量为8000，设计年限末年日平均交通量为14367，符合二级公路

2、对日平均交通量500015000的要求。(1) 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时：设计年限末年日平均当量轴次：N=i=1KC1C2nI(PiP)4.35=3663 设计年限内一个车道上累计当量轴次：Ne=1+rt-1365rN=622.13（万次）(2) 当进行半刚性基层层底拉应力验算时：设计年限末年日平均当量轴次：N=i=1KC1C2nI(PiP)8=4665设计年限内一个车道上累计当量轴次：Ne=1+rt-1365rN=792.31（万次）综上，沥青路面交通属于中等交通等级。2. 路面材料及路面结构的选取与土基模量的确定由于该二级公路路面属于中等交通等级，故采用以下两种方案备选

3、：方案一：双层式沥青面层+半刚性基层方案二：单层式沥青面层+半刚性基层+垫层由于江苏处于IV类区划，故土基模量取36MPa。3. 设计弯沉值与容许拉应力的确定路面设计弯沉值 ld 按下式计算：ld=600Ne-0.2ACASAB=28.9(0.01mm)结构层容许弯拉应力 R 按下式计算：R=SPKS其中，对沥青混凝土面层： KS=0.09Ne0.22/AC对无机结合料稳定集料： KS=0.35Ne0.11/AC对无极结合料稳定细粒土：KS=0.45Ne0.11/AC通过查表计算得：细粒式沥青混凝土：R=0.47MPa中粒式沥青混凝土：R=0.36MPa水泥稳定碎石： R=0.33MPa4.

4、结构层厚度确定于结构分析(1) 方案一4cm细粒式沥青混凝土+6cm中粒式沥青混凝土+35cm水泥稳定碎石，如下图所示。- 细粒式沥青混凝土 4 cm - 中粒式沥青混凝土 6 cm - 水泥稳定碎石 35 cm - 土基路面结构表面弯沉值 ls 与结构层层底弯拉应力按下式计算：ls=10002PE1cFm=pm现将结果汇于下表：结构层层底应力与完成值计算表 表2序号结构层材料名称20抗压模量(MPa)15抗压模量(MPa)厚度(cm)层底拉应力(MPa)容许拉应力(MPa)层顶弯沉值(0.01mm)1细粒式沥青混凝土160022004-0.2520.4728.52粗粒式沥青混凝土140020

5、006-0.0940.3632.43水泥稳定碎2460.3339.24土基36结构表面弯沉值 ls=28.5ld=28.9，且各层层底拉应力均小于容许拉应力，故设计合理。(2) 方案二10cm细粒式沥青混凝土+22cm水泥稳定碎石+20cm水泥砂砾土，如下图所示： - 细粒式沥青混凝土 10 cm - 水泥稳定碎石 22 cm - 水泥砂砾土 20 cm - 土基路面结构表面弯沉值 ls 与结构层层底弯拉应力计算方法同方案一，并汇于下表：结构层层底应力与完成值计算表 表3序号结构层材料名称20抗压模量(MPa)15抗压模量(MPa)厚度(cm)层底拉应力(MPa)容许

6、拉应力(MPa)层顶弯沉值(0.01mm)1细粒式沥青混凝土140020002000-0.660.4728.12水泥稳定碎石1500150015000.950.3337.83水泥砂砾土1000100010000.1540.17111.84土基36结构表面弯沉值 ls=28.1ld=28.9，且各层层底拉应力均小于容许拉应力，故设计合理。（二）混凝土路面设计1.交通分析车辆车型与日交通量的选用如下表所示：交通组成表 表4序号车型前轴重(kN)后轴重(kN)后轴数后轴轮组数后轴距(m)交通量1黄河JN16259.51151双轮组6502黄河JN162A62.28116.221双轮组6503解放CA

7、10B19.460.851双轮组6504解放CA1520.9770.381双轮组6505解放CA30A29.536.752双轮组3500按交通量年平均增长率5%计，乘以折算系数得设计年年初日平均交通量为8000，设计年限末年日平均交通量为14367，符合二级公路对日平均交通量500015000的要求。二级公路的设计基准期为20年，安全等级为三级，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.39，交通量年平均增长率取5%。由设计车道使用初期标准轴载日作用次数13473，设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数计算如下：Ne=1+grt-1365grNs=6341.7（万次）属于特重交通等级，故在设计路

8、面应加厚考虑。2. 初拟路面结构安全等级为三级的道路对应的变异水平等级为中级。根据二级公路、重交通等级与中级变异水平等级，初拟如下两个方案：方案一：24cm混凝土面层+18cm水泥稳定粒料基层+15cm无机结合料稳定土方案一：30cm混凝土面层+20cm水泥稳定粒料基层两方案中普通混凝土板的平面尺寸为4.5m5.0m，纵缝为设拉杆的平缝，横缝为设传力杆的平缝。3. 方案一设计校核(24cm混凝土面层+18cm水泥稳定粒料基层+15cm无机结合料稳定土)(1) 路面材料参数的确定取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa。由于施工路段处于江苏IV类区划，故

9、土基模量取36MPa，无机结合料稳定土垫层回弹模量取600MPa，水泥稳定粒料基层取1300MPa。基层顶面当量回弹模量计算如下：Ex=h12E1+h22E1h12+h22=13000.182+6000.1520.182+0.152=1013MPaDx=h13E112+h23E212+h1+h2241E1h1+1E2h2-1=13000.18312+6000.15312+0.15+0.0.18+16000.15-1=2.57MNmhx=312Dx/Ex=0.312ma=6.221-1.51ExE0-0.45=4.128b=1-1.44ExE0-0.55=0.770Et=ahxbE0ExE01/

10、3=4.1280.3120.7736/3=184.35MPa普通混凝土面层的相对刚度半径：r=0.573h3Ec/Et=0.5730.24/184.35=0.759(2) 荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载：ps=0.077r0.6h-2=0.0770.7590.60.24-2=1.133MPa由于纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数 Kr=0.87 ，考虑设计期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 Kf=Ne=(6.34106)0.057=2.44 ，根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳破坏影响的综合系数 Kc=1.20 。故疲劳荷载应力为：pr=KrKfKcps=0

11、.872.441.21.133=2.89MPa(3) 温度疲劳应力IV区最大温度梯度取92(/m)。板长5m，lr=50.759=6.588 ,查表可知 Bx=0.68 ，故最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为：tm=cEchTg2Bx=10-5310000.249220.68=2.32MPa计算温度疲劳应力系数时，由自然区划IV得参数 a=0.841 ，b=0.058 , c=1.323 .Kt=frtmatmfrc-b=5.02.320.8412.325.01.323-0.058=0.531故温度疲劳应力：tr=Kttm=0.5312.32=1.23MPa(4) 结构可靠度判别二级公路的

12、安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85%，确定可靠度系数 r=1.13 。由于有rpr+tr=1.132.89+1.23=4.66MPafr=5.0MPa即所设计的路基路面结构可以承受设计基准期内荷载应力与温度应力的综合疲劳作用，因此设计合理。结构示意图如下： - 普通混凝土面层 240 mm - 水泥稳定粒料 180 mm - 石灰粉煤灰土 150 mm - 土基4. 方案一设计校核（30cm混凝土面层+20cm水泥稳定粒料基层）(1) 路面材料参数的确定取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa。由于施工路段处于江苏

13、IV类区划，故土基模量取 E0=36MPa ，水泥稳定粒料基层取 E1=1300MPa 。Ex=E1=1300MPaDx=h13E112=0.2313003=3.47hx=312Dx/Ex=0.317ma=6.221-1.51ExE0-0.45=4.350b=1-1.44ExE0-0.55=0.780Et=ahxbE0ExE01/3=4.3500.3120.7836/3=208.66MPa普通混凝土面层的相对刚度半径：r=0.573h3Ec/Et=0.5730.30/208.66=0.910(2) 荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载：ps=0.077r0.6h-2=0.0770.910

14、0.60.3-2=0.808MPa由于纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数 Kr=0.87 ，考虑设计期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 Kf=Ne=(6.34106)0.057=2.44 ，根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳破坏影响的综合系数 Kc=1.20 。故疲劳荷载应力为：pr=KrKfKcps=0.872.441.20.808=2.06MPa(3) 温度疲劳应力IV区最大温度梯度取92(/m)。板长5m，lr=50.759=6.588 ,查表可知 Bx=0.68 ，故最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为：tm=cEchTg2Bx=10-5310000.3922

15、0.68=2.91MPa计算温度疲劳应力系数时，由自然区划IV得参数 a=0.841 ，b=0.058 , c=1.323 .Kt=frtmatmfrc-b=5.02.910.8412.915.01.323-0.058=0.606故温度疲劳应力：tr=Kttm=0.6062.91=1.76MPa(4) 结构可靠度判别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等级为中级，目标可靠度为85%，确定可靠度系数 r=1.13 。由于有rpr+tr=1.132.06+1.76=4.32MPafr=5.0MPa即所设计的路基路面结构可以承受设计基准期内荷载应力与温度应力的综合疲劳作用，因此设计

16、合理。结构示意图如下： - 普通混凝土面层 300 mm - 水泥稳定粒料 200 mm - 土基二、路基边坡稳定性设计一、 确定路基边坡率由于本例中设计的路基属于高路基，根据规范要求应采用折线性边坡。其中上段坡高8m，坡比1:1.5；下段坡高17m，坡比1:1.75。路基边坡示意图图如右图所示：图1 路基边坡示意图二、 稳定性验算1. 当量土柱换算将公路级汽车荷载换算成当量土柱高。路基宽度内能并排两辆重车，则车辆荷载(公路级荷载的重车为550kN)换算土柱高为：h0=GLB=255019.25.512.8=0.81m2. 绘制滑动曲线用4.5H法确定圆心辅助线。将坡顶和坡脚连成一直线，如图中

17、虚线所示。根据该连线的坡比，从书中表4-1查得边坡角为 =305448，辅助角 1=25.5，2=35，分别自坡脚作 1 和坡顶点作 2 ，两直线相交于O点；在坡脚A点作垂线AD=H=25m，过D作连接OE，滑动曲线圆心即在EO的延长线上，如下图所示。并依此绘出不同位置的过坡脚的滑动曲线。本计算以第1条滑动曲线为例，R=47.5m。图2 滑动面计算示意图3. 分条计算稳定系数将圆弧土体分段。本例按第一条滑动曲线分为16段，每个垂直土条的平均宽度为3.025m。计算每一分段面积时，将曲线形底部近似取直线，各分段图形简化成矩形、梯形或三角形，进而求出其近似面积。其中计算面积包括换算土柱部分的面积。

18、各分条的抗滑力矩：MRi=fRNi+cLi=fQiRtani+cRi滑动力矩：MTi=RTi=QiRsini边坡稳定性系数：K=MRiMTi=fNi+cLTi其中，摩擦系数 f=tan=0.599现将计算结果汇于下表：土条力矩计算表 表5土条号土条宽Bi土条中心高Hi土条重Qi土条对应的圆心角isinicosi抗滑力矩MRi滑动力矩MTi12.162.6107.831.00100.8420.5393675.2424312.54922.006.4245.760.93740.8060.5926029.8189408.92232.7510.31544.370.85720.7560.65511865.

19、3119548.2542.7513.21697.490.77400.6990.71515749.3423158.3551.0014.1270.720.71950.6590.7527243.9478474.21364.0014.81136.640.65100.6060.79527030.832718.1874.0014.81136.640.54920.5220.85328683.5328182.9984.0014.41105.920.44780.4330.90129257.5622746.0194.0013.61044.480.36180.3540.93528514.4617562.93104.

20、0012.6967.680.27240.2690.96327058.6212364.53114.0011.4875.520.18610.1850.98324847.827693.632124.009.8752.640.10120.1010.99521501.793610.79132.808.1435.460.00300.0031.00012391.4962.05248143.206.4393.22-0.0340-0.0340.99911108.96-635.044154.004.3330.24-0.1102-0.1100.9949113.361-1725.5163.751.5108.00-0.1779-0.1770.9842664.085-908.01按上表数据计算 K=MRiMTi=1.43 ，符合K值在1.251.50之间的要求。故可认为边坡稳定。其余各不同的滑动面计算过程与上类似，且计算所得K值均符合在1.251.50之间的要求，故认为边坡设计合理。三、课程设计总结通过两周时间的课程设计，我初步掌握了