路基路面课程设计解析

1、路基路面课程设计目录1章重力式挡土墙设计11.1重力式路堤墙设计资料11.2破裂棱体位置确定11.3荷载当量土柱高度计算21.4土压力计算21.6基地应力和合力偏心矩验算41.7墙身截面强度计算51.8设计图纸6第2章沥青路面设计72.1基本设计资料72.2轴载分析72.3结构组合与材料选取102.4压模量和劈裂强度102.5设计指标的确定102.6路面结构层厚度的计算112.7防冻层厚度检验122.8沥青路面结构图12第3章水泥混凝土路面设计133.1交通量分析133.2初拟路面结构143.3确定材料参数143.4计算荷载疲劳应力153.5计算温度疲劳应力163.6防冻厚度检验和接缝设计16

2、3.7混凝土路面结构结构图17参考文献18附录AHPDS计算沥青混凝土路面结果19路基路面课程设计1章重力式挡土墙设计1.1 重力式路堤墙设计资料1.1.1墙身构造墙高5m,墙背仰斜坡度：1：0.25(=14°),墙身分段长度20m,其余初始拟采用尺寸如图1.1示；1.1.2土质情况墙背填土容重丫=18kN/m3,内摩擦角32o；填土与墙背间的摩擦角5=16°；地基为石灰岩地基，容许承载力o=480kPa,基地摩擦系数卩=0.5；1.1.3墙身材料：5号砂浆，30号片石，砌体容重丫=22kN/m3,砌体容许压应力o=610kPa,容许剪应力T=110kPa,容许压应力二65

3、MPa。l1.2 破裂棱体位置确定1.2.1破裂角(0)的计算假设破裂面交于荷载范围内，则有：屮=a+6+©=-14+16+32=34,因为900000!B=1ab+(b+d)h-H(H+2a+2h)tana=0+(0+0)h1H(H+2h)tana02020020=2H(H+2h)tanaA=1(a+H+2h)(a+H)=1H(H+2h)02020根据路堤挡土墙破裂面交于荷载内部时破裂角的计算公式tg0=tg屮+：(ctg©+tg屮)3=-tg屮+.：(ctg+rgV)(tgVtga)二一tg34+tg32+tg34)(g34+12.58/30.33)=0.75故0=36

4、.741.2.2验算破裂面是否交于荷载范围内破裂面至墙踵:(H+a)tan0=(5+2)tan36.86o=5.23m荷载内缘至墙踵：Htan0+b+d=5xtan36.86o+3+0.5=4.75m荷载外缘至墙踵：Htan0+b+d+1=5xtan36.86。+3+0.5+5.5=10.25m0因为4.75<5.25<10.25,假设满足要求。1.3荷载当量土柱高度计算墙高5米，按墙高确定附加荷载强度进行计算。按照线性内插法，计算附加荷载强度：q=(105)x20一10+10=16.25KN/m,102h=纟=1625=0.903m即当量土柱高度为0.903m。0y18，1.4土

5、压力计算1.4.1土压力大小计算A=1(a+H+2h)(a+H)=1(2+5.0+2x0.903)(2+5.0)=30.330202B=ab+(b+d)hH(H+2a+2h)tana02020路基路面课程设计27根据路堤挡土墙破裂面交于荷载内部土压力计算公式：cos(0+0)COS(36.74+32)E=y(Atan0-B)=18x(30.33x0.75-12.58)任)=71.21KNa00sin(0+屮丿sin乜6.74+34丿E=Ecos(a+5)=71.21cos(-14+16)=71.16KNXaE=Esin(a+5)=71.21sin(-14+16)=2.49KNya0.51.4.

6、2土压力作用点位置计算=1.0mtan0+tanatan36.74oC一0.25b-atan03-2xtan36.74o=3mtan0+tanatan36.74o-0.25h=H-h-h=6-1-3=2m413K=1+12ah2hh2x232x0.833x252(1-3)+04=1+(1-)+=1.693H2HH252x5Ha(H-h)2+h+h(3h+2H)52x(5-3)2+0.833x2x(3x2-2x5)3x52x1.693=+3044=+=1.677m33H2K31.5稳定性验算11.5.1 墙体重量及其作用点位置计算挡墙按单位长度计算，为方便计算从墙趾处沿水平方向把挡土墙分为两部分

7、，上部分为四边形，下部分为三角形：V =bxH=0.98x4.48=4.71m111G=Vxy=4.71x20=94.28KN11Z=1/2(Htga+b)=1.09mG111V =1/2xbxh=0.5x0.98x0.19=0.093m211G=Vxy=1.86KN221Z=0.651xb=0.651x0.98=0.64mG21.5.2 抗滑稳定性验算水平基地(a=0),取挡土墙宽B=2m，验算公式：0(0.9G+yE)p+0.9Gtana-yE>0Q1y0Q1x即：(0.9x220+1.4x2.49)x0.5-1.4x71.16=1.12>0所以抗滑稳定性满足。1.5.3抗倾覆

8、稳定性验算验算公式：0.9GZ+y(EZ-EZ)>0GQ1yxxy0.9x220xl.311+1.4x(2.49x2.419-71.16x1.677)=166.0>0其中，Z二B/2+tanaxH/2二1+0.25x2.5/2二1.311GZ二B+Ztaa=21.677=0.25m2.xy所以倾覆稳定性满足。1.6基地应力和合力偏心矩验算为了保证挡土墙基底应力不超过地基承载力，应进行基底应力验算；同时，为了避免挡土墙不均匀沉陷，控制作用于挡土墙基底的合力偏心距。1.6.1基础地面压应力和偏心距1)轴心荷载作用时：NP=hN=(G+YEW)coa+yEsia1GQ1y0Q1x0=(2

9、2x012.2x1.42.429)=cos0KN0所以p=g=267.5-F(2X1)=133.7kPa<a=480Pa故基础地面压应力满足要求。合力偏心距2)偏心荷载作用时作用于基底的合力偏心距e=BZ2N工M工MGZ+EZ-EZ220c1.3412.492.41>971.161.677Z=0=gyy=x-N乙NG+E22(22.49yIe=BZ=1I2n/2=.791<B.2130.3332N6N6e贝比Pmax=T(1+)minAb6x0.213219.2MPa48.2MPa<宙0=顺呎故偏心距与基础地面压应力均满足要求。1.6.2地基承载力验算1）轴心荷载作用时

10、，P=133.7v480=b02）当偏心荷载作用时，P二219.2<480xl.2二576max故地基承载力抗力值符合要求。1.7墙身截面强度计算1.7.1强度计算要求：yN<aAR/y0dkkk1-256fJ其中：a二B=0.569,为轴向力偏心影响系数，按每延米长计算;k1+12f2丫yN=y(yN+yNy屮N)=0.95x1.2x220+1.4x2.49=254.1kN0d0GGQ1Q1QiciQiakAR.=0.69X2X6102.31=364.4KNyk所以n<akARn，故强度满足要求。jyk1.7.2稳定计算要求：yN<vaAR/y0dkkkk其中：&qu

11、ot;k1+a卩(卩3)1+16(e/B)201+0.0x2x5-(5+3)116(20£1372)yN<"kakARk=0.977X0.569X2X610=293.57KN，故稳定性满足要求。0dyk1.7.3正截面直接受剪验算AR要求：Q+fNjym1k其中Q=E=71.16KN,jxARjj+fN=2X110F2.31+0.42X207.58=207.59kNym1AR即Q<一+fN，抗剪满足要求。jykm127由上述可得K10+000截面的挡土墙符合要求,挡土墙最终截面按照拟定设计。1.8设计图纸1.8.1典型断面、立面布置图、平面布置图典型断面如图1.

12、2所示，立面布置图1.3所示，平面布置图1.4所示。每间隔10米设置变形缝一道，缝内用沥青麻絮嵌塞；泄水孔尺寸10x10cm,2-3米布置一个，泄水孔应高出地面不小于30厘米；墙背均应设置50厘米砂砾透水层，并做土工布封层。排水菅土工布gOb=3m5.5m5m厂DJ.回填砂砾30cm图1.2典型断面图第2章沥青路面设计2.1基本设计资料某地公路自然区划IV区拟建一级公路，采用沥青路面结构，设计年限为15年，土基为粉质土，确定土基的稠度为1.10,回弹模量取36MPa,路基干湿状态为中湿状态，有关资料如下：(1) 公路技术等级为一级，为双向四车道,车道系数耳二0.5。(2) 交通组成如表1.1(

13、示例)所示，交通量年增长率：前五(十)年:Y=8%；中间五(十)年：Y=7%；后五(十)年：Y=6%。设15年内的平均交通量年增长率为厂，则(1+厂)15=(1+8%)5X(1+7%)5X(1+6%)5，求得厂=7%。表2.1交通组成及交通量表车型双向父通量东风EQ140625解放CA10B800黄河JN150400长征XD250300依土姿TD501485菲亚特650E245太脱拉138472.2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2.2确定。表2.2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

14、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)1.5d2.2.2以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时，凡前、后轴轴载大于25kN的各级轴载P的作用次数n均换算成标准轴载P的当量作用次数N，计算过程见表2.3。iiN=fCCn(p/)4.3512i/pi=1式中：N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；n被换算车型的各级轴载换算次数(次/日)；iP标准轴载(kN)；P各种被换算车型的轴载(kN)；iC1轴数系数；C2轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轴组

15、为0.38。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，双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算：q=1+1.2(m-1)，式中：m轴数。表2.3轴载换算结果车型P(kN)iC1C2n(次/日iCCn(P/P)812i/p东风EQ140前轴23.7016.4625后轴69.2011625126.00解放CA10B前轴19.4016.4800后轴60.851180092.18黄河JN150前轴49.0016.4400114.97后轴101.6011400428.60长征XD250前轴37.8016.430028.79后轴2*72.60113001519.41依士姿TD50前轴42

16、.2016.41485222.85后轴90.001114851878.07菲压特650E前轴33.0016.424512.61后轴72.001124558.69太脱拉138前轴51.4016.44716.63后轴2*80.002.214798.81EN4357.67则其设计年限内一个车道上的累计量轴次N:eM(1+Y)t-lx365MN=N耳ey1式中，N设计年限内一个车道的累计当量次数et设计年限，由材料知，t=15年；N设计端竣工后一年双向日平均当量轴次；1Y设计年限内的交通量平均增长率，由材料知，Y=0.07n车道系数，由材料知n=0.5o0.07则：Ne=(1+丫A二土365XNn=(

17、1+。7)：1x365X4357.67x0.4=2.0x1°7次。2.2.3以半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次时，凡轴载大于50KN的各级轴载P的i作用次数n均按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N'，计算过程见表2.4。iN'仝C'C'n（P/）812ipi=1式中：N'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；n被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）；iP标准轴载（KN）；P各种被换算车型的轴载（KN）；1C'轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。1C

18、'轴数系数；2表2.4轴载换算结果车型P(kN)ic1C'2n(次/日iC'C'n(P/P)812i/p东风EQ140前轴23.70118.5625后轴69.201162532.86解放CA10B前轴19.40118.5800后轴60.851180015.04黄河JN150前轴49.00118.5400后轴101.6011400454.16长征XD250前轴37.80118.5300后轴2*72.60113005927.26依士姿TD50前轴42.20118.5148527.63后轴90.00111485639.24菲压特650E前轴33.00118.5245后

19、轴72.001124517.69太脱拉138前轴51.40118.5474.24后轴2*80.00314713142.17EN13198.63年限内一个车道上的累计量轴次N为：e0.07Ne=(1+Y)1x365xNn=(1+0.07)15叮乂365x13198.63x0.5=6053x104次。2.3 结构组合与材料选取根据公路沥青路面设计规范，考虑公路沿途有砂石、碎石、石灰、粉煤灰供应路面结构层如下：面层采用三层式沥青混凝土（200mm）,基层采用水泥稳定碎石（厚度待定），底层采用二灰土（300mm），其中表层采用细粒式密级配沥青混凝（50mm），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（70mm

20、），下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（80mm）。2.4 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，见表2.5。表2.5结构组合参数、材料名次厚度（cm）抗压回弹模量强度劈裂（Mpa）15°C模量20°C模量细粒式沥青混凝土5268019911.2中粒式沥青混凝土7217514251.0粗粒式沥青混凝土813209780.8水泥稳定碎石待定318831880.6二灰土357507500.25土基30302.5设计指标的确定2.5.1设计弯沉值ld公路为一级，则公路等级系数A取1.0；面层是沥青混凝土，则面

21、层类型的系数Acs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A取1.0。bl二600N-0.2AAAdecsb式中：l设计弯沉值dN设计年限内的累计当量年标准轴载作用次数eA公路等级系数，一级公路为1.0cA面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0sA基层类型系数，半刚性基层为1.0所以，ldb=600N-0.2AAAb=600x(2.0xi07)-°-2xl.Oxl.Oxl.O=20.8(0.01mm)ecsb2.5.2各层材料按容许层底拉应力gR按下列公式计算：G=ZpRks式中：G路面结构材料的极限抗拉强度(Mpa)；RG路面结构材料的容许拉应力，即该材料能承受设计

22、年限N次加载的疲spe劳弯拉应力(Mpa)；k抗拉强度结构系数；s对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数：Ks=0.09Ne0.22/Ac=5.21；对无机结合料稳定集料类的抗拉强度结构系数：Ks=0.35Ne0.11/Ac=2.66；对无机结合料稳定细土类的抗拉强度结构系数：Ks=0.45Ne0.11/Ac=3.43表2.6结构层容许弯拉应力材料名称G(Mpa)spksG(Mpa)R细粒沥青混凝土1.45.210.27中粒沥青混凝土1.05.210.19粗粒沥青混凝土0.85.210.15水泥稳定碎石0.52.510.20二灰土0.253.230.082.6路面结构层厚度的计算以水泥稳定碎石为设

23、计层，用HPDS计算得其厚度为16.5cm，取17cm。其具体计算结果如下：假设水泥稳定碎石H(4)=15cm，此时实际弯沉值LS=21.6(0.01mm)>20.6(0.01mm)，不满足弯沉值要求；H(4)=20cm时，实际弯沉值LS=19(0.01mm)<20.6(0.01mm)，满足弯沉值要求；此外，H(4)=20cm时，各层均满足层底弯拉应力要求。综上，取水泥稳定碎石厚度为17cm。具体计算结果见附录A。2.7防冻层厚度检验根据规范知：在季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段，路面设计应进行防冻厚度的检验，如小于规范定的最小防冻厚度时，应增设或加垫层使路面总厚度达到要求。路面结构

24、层总厚度h=5+7+8+17+30=67cm>60cm（最大冰冻深度60cm），满足防冻层厚度检验。2.8沥青路面结构图沥青路面结构图见图2.1。申粒式质寺混凝土了曲趣粒戎沥寺混高土£岀水泥穩走碎石厂血二获土3优皿圧基|图2.1沥青路面结构图第3章水泥混凝土路面设计此进行最常见的普通水泥混凝土路面设计。3.1交通量分析3.1.1标准轴载与轴载换算我国公路水泥混凝土路面设计规范以汽车轴重为lOOkN的单轴荷载作为设计标准轴载，表示为BZZ100。凡前、后轴载大于40KN（单轴）的轴数均应换算成标准轴数，换算公式为：N=£aN（厶）16sii100i=1式中：N100KN

25、的单轴一双轮组标准轴数的通行次数；sP各类轴一轮型；级轴载的总重（KN）；in轴型和轴载级位数；N各类轴一轮型i级轴载的通行次数；ia轴轮型系数。i表3.1轴载换算结果车型P(KN)iaiN（次/日）iaN(厶)16ii100东风EQ140前轴23.70569.13625后轴69.201.06251.73解放CA10B前轴19.40620.29800后轴60.851.08000.28黄河JN150前轴49.00416.464001.84后轴101.601.0400515.66长征XD250前轴37.80465.62300后轴2*72.600.003001.13依士姿TD50前轴42.20444

26、.0914850.67后轴90.001.001485275.17菲压特650E前轴33.00493.62245后轴72.001.02451.28太脱拉138前轴51.40407.98470.46后轴2*80.000.00470.84EN799.08则设计年限内设计车道的标准轴载累计作用次数:NeN(1+Y)t-lx365xqrY式中：N标准轴载累计当量作用次数；et设计基准年限，取t=30年；Y交通量年平均增长率，由材料知，Y=0.07所以，N(1+Y)t-1x365xqs=551.01x104次。其中，y计算过程如下：(1+y)30二(1+8%)10x(1+7%)10x(1+6%)10，求得

27、丫=7%。3.2初拟路面结构因为交通量100x104V551.01x104V2000x104次，故交通属于重交通。由以上可知相应于安全等级为二级的变异水平等级为低级，根据一级公路、重交通等级和低级变异水平等级，查规范知：初拟普通混凝土面层厚为h=220mm；考虑到W区为东南湿热区，雨量较多，故基层选用沥青稳定碎石排水基层，厚为h二100mm；垫层为h二200mm的12水泥稳定粒料。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m；长为5m。3.3确定材料参数取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为f二5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为rE二31GPa；路基回弹模量为36Mpa；沥青稳定碎石基层回弹模量去E二

28、600MPa；水c1泥稳定粒料垫层回弹模量取E二1300MPa。2基层顶面当量的回弹模量值计算如下：h2E+h2E1300x0.22+600x0.12E二+22=1160MPaxh2+h212h3E+h3E(h+h)21D二一122+2()-1x124Eh+Eh11221300x0.23+600x0.13(0.2+0.1)211=+(+)-11300x0.2600x0.10.22+0.1212q临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，如下表3.2,此处取耳=0.20。表3.2混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.170.22行车道宽7m0.340.39

29、二级及二级以下公路行车道宽W7m0.540.62二2.01MN屮12D、丄12x2.011ccruh二(x)3=()3=0.275mxE1160X77，lZCa=6.2211.51)-o.45二6.22x1-1.51x()-o.45=4.16E400b=1-1.44(Ex)-0.55二1-1.44(-0)-0.55二0.77E400E111601E二ahbE(-x)3=4.16x0.2750.77x40x()3=188MPatx0E400普通混凝土面层的相对刚度半径为：'E'EJ3.4计算荷载疲劳应力y二0.537h13二0.537x0.25xf312001=0.648mI17

30、1丿根据一级公路、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：y=0.537#E,E,Q=0.077y0.6h-2,q=kkkQ,k=N0.057¥c1tpspfrcpsfe式中：Y一混凝土板的相对刚度半径（m）；H一混凝土板的厚度（m）；E水泥混凝土的弯沉弹性模量（Mpa）；cQ标准轴载P在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（Mpa）；prsk考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设杆拉的平缝，k=0.87rr0.92,纵缝为不设杆拉的平缝或自由边界k=1.0,纵缝为设杆拉的企口缝,rk=0.760.84；rk考虑偏载和动载因素对路面疲劳损坏影响综合系数

31、,按公路等级查下表c3.3,此处取k=1.25；cq标准轴载P在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力（MPa）。pss表3.3综合系数ks公路等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路kc1.301.251.201.10则：Q=0.077y0.6h-2=0.0770x0.6480.6x0.22-2=1.226MPa,k=N0.057=2.42psfe荷载疲劳应力为：Q=kkkQ=2.42x0.87x1.25x1.226=3.226MPa。pfrcps3.5 计算温度疲劳应力由路基路面工程知，W区最大温度梯度取88(°C/m)。板长5m,已知混凝土板厚0.25m,B二0.72，L/r二5

32、/0.648二7.72。则最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲xaEhTB应力：C=c_cgx式中：tm2a混凝土的温度线膨胀系数，取a二10一5/0C；ccT最大温度梯度，Tg=88°c/m；ggB综合温度翘区应力和内应力的温度应力系数；xb最大温度梯度时土板的温度翘取应力(Mpa)。tmbtmaEhTBccgx21.0X10-5X31000X0.22x88x0.722=2.16MPa温度疲劳系数k=厶a(-tmC)b,式中a，b和c为回归系数，按所在地区公tbftmr路自然区划查下表3.4。表3.4回归系数a，b和c系数公路自然区IIIIIWV刑闿a0.8280.8550.8410.

33、8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821.270取a=0.841,b=0.058,c=1.323，贝V：ka(-m)cb=x0.841x(匹)1.320.058二0.507t-f2.165tmr温度疲劳应力：-二k-二0.489x2.15二1.10MPatttm因为一级公路的安全等级为二级，相应于二级的安全等级的变异水平等级为低级目标可靠度为90%。再根据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数Y二1.10。YC+-)=1.10x(3.226+1.1)=4.75MPa</二5.0MPa，故满足要求。YYprtrr3.6 防冻厚度检验和接缝设计3.6.1防冻厚度检验由公路水泥混凝土路面设计规范知，路面防冻厚度为0.5m，而设计路面总厚度为0.52m，由于0.5V0.52，故满足设计要求。3.6.2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，这段路为重交通，缝中设拉杆，拉杆长0.5m,直径22mm,每隔40cm设置一个。取a=0.841，b=0.058，c=1.323。1) 横向胀缝缝隙