路基路面课程设计.docx
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《路基路面工程》课程设计计算书
1、重力式挡土墙设计
2、边坡稳定性设计
3、沥青混凝土路面设计
4、水泥混凝土路面设计
学生姓名：
学号：
指导教师：
日期：
2015年12月日
1重力式挡土墙设计
1.1初始条件
（a）浆砌片石重力式仰斜路堤墙，墙顶填土边坡1:
1.5，墙身纵向分段长度为10m,路基宽度26m,路肩宽度3m；
（b）基底仰斜角α0：
tanα0=0.190，取汽车荷载边缘距路肩边缘d=0.5m;；
（c）设计车辆荷载标准值按公路—1级汽车荷载采用，即相当于汽车—超20级、挂车—120（验算荷载）：
（d）墙后填料砂性土容重γ=18KN∕m3,填料与墙背的外摩擦角δ=0.5ϕ；粘性土地基与浆砌片石基底的摩擦系数μ=0.30，地基容许承载力σ0=250KPa;；
（e）墙身采用2.5号砂浆砌25号片石，圬工容量γk=22KN∕m3,容许压应力σa=600KPa,砌体容许拉应力σL=60KPa;
（f）墙后砂性土填料内摩擦角ϕ=35°；墙面与墙背平行，墙背仰斜坡度为1:
0.25；墙高H=5m；墙顶填土高a=3m。
1.2设计任务
（1）车辆荷载换算；
（2）计算墙后主动土压力Ea及其作用点位置；
（3）设计挡土墙截面，墙顶面宽度和基础埋深应符合规范要求，进行抗滑力稳定性验算及抗倾覆稳定性验算；
（4）基础稳定性验算与地基承载力验算；
（5）挡土墙正截面强度及抗剪强度验算。
1.3设计参数
1.3.1几何参数
墙高H=5m，取基础埋深,墙身纵向分段长度；墙背仰斜坡度1:
0.25，，墙底倾斜度，倾斜角；墙顶填土高度a=3m，填土边坡坡度1:
1.5，β=tan-11.5=33.69°，汽车荷载边缘距路肩边缘.
1.3.2力学参数
墙后砂性土填料内摩擦角ϕ=35°填料与墙背外摩擦角δ=0.5ϕ=17.5°，填土容重；墙身采用2.5号砂浆砌25号片石，墙身砌体容重γ=18KN∕m3,砌体容许压应力,砌体容许拉应力；地基容许承载力.
1.4车辆荷载换算
按墙高确定的附加荷载强度进行计算，查表6-5得q=16.25KN
h0=qγ=16.2518=0.9028
1.5主动土压力计算
1.5.1计算破裂角θ
直线型仰斜墙背，且墙背倾角α较小，不会出现第二破裂面
先假定破裂面位置通过荷载中心，按此进行计算并验算。
A=3m,d=0.5m,H=5m,h0=0.9028m,b=4.5m,δ=17.5°,ϕ=35°,
α=-14.04°,Ψ=ϕ+α+δ=38.5°,tanΨ=0.795
A0=12a+H+2h0a+H=39.22
B0=12[ab+2h0b+d-Htan（H+2a+2h0）]=19.25
令A=B0A0=0.49，
则tanθ=-tanΨ±cotϕ+tanΨA+tanΨ=0.895或-2.485
θ=tan-10.895=41.83°
堤顶破裂面至墙踵：
（H+a）tanθ=7.166m
荷载内侧至墙踵：
b+Htan-α+d=6.25m
荷载外侧至墙踵：
b+Htan-α+d+L0=8.52m
因6.25<7.166<8.52，故破裂面交与荷载中部，假设正确。
1.5.2计算主动土压力Ea
h2=H-d-atanθtanθ+tanα=5-0.5-3×0.8950.895-0.25=2.814m
Ea=12γH2KaK1=12×18×25×0.15×1.967=66.386KN
（3）主动土压力作用点位置
因墙底倾斜，将Zx，Zy修正为Zx1，Zy1
墙前的被动土压力为偏于安全，忽略不计！
1.6挡土墙计算
1.6.1拟定挡土墙顶宽
经试算，去挡土墙顶宽b1=2m
1.6.2抗滑力稳定性验算
μ=0.3，查表6-11得，γQ1=1.4
，
墙身自重：
，
作用于墙底（即基底）的竖向力，
0.9G+γQ1Eyμ+0.9Gtanα0-γQ1Ex=2.269>0,满足要求
抗滑稳定系数，满足抗滑要求。
1.6.3抗倾覆稳定性验算
，很安全，满足要求。
1.6.4基底应力及合力偏心距验算
墙底斜宽：
基底合力偏心距：
，
1.6.5地基承载力验算
，满足要求。
1.6.6墙身强度验算
墙面、墙背相互平行，截面最大应力出现在接近基底处。
偏心距和基底应力满足要求，墙身截面剪应力拉应力也能满足要求，可不检验。
2边坡稳定性设计
2.1初始条件：
路线经过区域路基填土为粘土，边坡为梯形边坡，分两级，土力学的指标：
塑限14%，液限27%，含水量19%，天然容重18KN/m3，粘聚力19KPa，内摩擦角28°，公路按一级公路标准，双向四车道，设计车速为80Km/h，路基宽度为24.5m，荷载为车辆重力标准值550KN，中间护坡道取2m，车道宽度3.75m，硬路肩2.5m，土路肩0.75m，进行最不利布载时对左右各布3辆车。
H1=7m，H2=8m，I1=1:
1.25，I2=1:
1.5
2.2汽车荷载当量换算
按荷载最不利布置条件，取单位长度路段，将车辆荷载换算成相当于路基沿途层厚度，以h0表示，计入滑动体的重力总去。
h0=
式中：
ho—行车荷载转换高度
L—前后轮最大轴距，对于标准车辆荷载为12.8m。
N—并列车辆数，取6。
Q—辆车的重量（标准车辆荷载为550KN）。
γ—路基填料的重度（KN/m3）。
B—荷载横向分布宽度，表示如下：
B=Nb+（N－1）m+d
式中：
b—后轮轮距，取1.8m。
M—相邻两辆车后轮的中心间距，取1.3m。
D—轮胎着地宽度，取0.6m。
计算：
B=6×1.8+5×1.3+0.6=17.9m
h0==0.8m
计算高度：
H=h0+H1+H2=15.8m
2.3圆弧滑动面条分法分析
2.3.1按4.5H线法确定圆心位置。
平均坡度I=0.8+7+8：
8.75+2+12=1:
1.44
查表4-1得β1=26°，,β2=35°
式中------各土条的法向分力，。
------各土条的切向分力有正负之分，。
------各土条的重心与圆心连线对竖轴y的夹角，用CAD确定。
L------滑动面圆弧全长，用CAD确定。
2.3.2滑动曲线过距路基3/4处稳定系数K1
K1=fi=1nNi+cLi=1nTi=tan28°×5702.047+19×471675.041=2.343>1.20，稳定
2.3.3滑动曲线过距路基1/4处稳定系数K2
K2=fi=1nNi+cLi=1nTi=tan28°×1687.706+19×32.24916.696=1.65>1.20，稳定
2.3.4滑动曲线过距路基中心处稳定系数K3
K3=fi=1nNi+cLi=1nTi=tan28°×3490.278+19×39.711383.051=1.89>1.20，稳定
2.3.5滑动曲线过距路基1/8处稳定系数K4
K4=fi=1nNi+cLi=1nTi=tan28°×1051.323+19×30.75530.645=2.154>1.20，稳定
2.3.6滑动曲线过距路基1/16处稳定系数K5
K5=fi=1nNi+cLi=1nTi=tan28°×1386.802+19×32.08678.2688=1.986>1.20，稳定
画出关于K值的折线图
K1= 2.343；K2= 1.650；K3= 1.890；K4= 2.154；K5= 1.986
易知：
Kmin=1.650>1.20,满足要求
因此该边坡稳定性符合要求。
3沥青混凝土路面设计
3.1设计资料
第二部分第五套设计资料
题：
海南省东部二级公路沥青路面设计
海南省东部（IV区）某新建双向2车道二级公路，拟采用沥青混凝土路面，行车道中央划双线分隔。
路基土为粘性土，地下水位为－0.8m，路基填土高度0.5m，预计通车初年的交通量如下：
车型
黄河JN163
江淮AL6600
东风EQ140
东风SP9250
北京
BJ130
交通量（辆/d）
390
440
240
250
460
交通量年平均增长率7.3％，沿线可开采碎石、砂砾，并有粉煤灰、石灰、水泥等材料供应。
3.2轴载换算
3.2.1代表轴载：
汽车车型
前轴重（KN）
后轴重（KN）
后轴数
后轴轮组数
后轴距（m）
日交通量（辆/d）
黄河JN163
58.6
114
1
2
0
390
江淮AL6600
17
26.5
1
2
0
440
东风EQ140
23.6
69.3
1
2
0
240
东风SP9250
50.7
113.3
3
2
4
250
北京BJ130
13.4
27.4
1
2
0
460
3.2.2换算公式
轴载换算以弯沉值和沥青层的层底拉力和半刚性材料的层底拉力为设计标准。
（1）当以设计弯沉值为指标和沥青层的层底拉力验算
式中：
N——标准轴载的当量轴次（次/日）
ni——各种被换算车辆的作用次数（次/日）
P——标准轴载（KN）
Pi——各种被换算车型的轴载（KN）
C1——轴数系数
C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1四轮组为0.38。
当轴间距大于3m时，按单独的一个轴计算，此时轴数系数为1，当轴间距小于3m时，双轴或多轴按C1=1+1.2（m-1）计算。
（2）当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时，按下式完成轴载当量换算
—轴数系数
—轮组系数，双轮组为1.0，单轮组18.5，四轮组0.09
对于轴间距小于3m的双轴或多轴的轴数系数按C1‘=1+2（m-1）计算。
轴载换算结果表（弯沉）
车型
（）
（次/日）
黄河JN163
前轴
58.6
1
6.4
390
244.1
后轴
114
1
1
390
689.6
江淮AL6600
前轴
17
1
6.4
440
1.27
后轴
26.5
1
1
440
1.36
东风EQ140
前轴
23.6
1
6.4
240
2.874
后轴
69.3
1
1
240
48.69
东风SP9250
前轴
50.7
1
6.4
250
83.35
后轴
113.3
1
1
250
430.37
北京BJ130
前轴
13.4
1
6.4
460
0.47
后轴
27.4
1
1
460
1.65
1503.73
轴载换算结果表（半刚性材料结构层的层底拉应力）
车型
（）
（次/日）
黄河JN163
后轴
114
1
1
390
1112.5
江淮AL6600
后轴
26.5
1
1
440
0.01
东风EQ140
后轴
69.3
1
1
240
12.77
东风SP9250
后轴
113.3
1
1
250
678.86
北京BJ130
后轴
27.4
1
1
460
0.015
1804.16
注：
轴载小于50kN的轴载作用不计；
3.2.3设计年限内一个车道通过的累计当量标准轴次：
（1）设计年限累计当量标准轴载数公式：
式中：
Ne——设计年限内一个车道通过的累计标准当量轴次；
t——设计年限（年）；
N1——路面营运第一年双向日平均当量轴次（次/日）；
r——设计年限内交通平均增长率（%）；
η——与车道数有关的车辆横分布系数，简称车道系数；
双向两车道二级公路，查表得，取η=0.65，t=12年，r=7.3%
换算方法
沥青层的层底拉力验算时
半刚性材料的层底拉力验算时
累计交通轴次
6495698
7793473
根据沥青路面交通等级的划分，可知为中等交通等级。
3.3确定土基回弹模量
该路段处于Ⅳ7区，为粘质土，处于干燥状态，拟定稠度为1.10，查表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值（MPa）”查得土基回弹模量为40MPa。
3.4结构组合与材料选取
3.4.1拟定路面结构层厚度
根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途可开采碎石、砂砾，并有粉煤灰、石灰、水泥等材料供应。
路面结构面层采用沥青混凝土（12cm），基层采用二灰稳定砂砾（取30cm）,底基层采用石灰土（厚度待定）。
面层采用三层式沥青面层，表层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚度3cm），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度4cm），下面层采用粗粒式密级配混凝土（厚度5cm）。
3.4.2各层材料的抗压模量和和劈裂强度
查表得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。
计算结构层厚度时，抗压模量应取200C的模量，各值均取规范给定范围的中值，因此得到200C的抗压模量：
细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配混凝土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa水泥碎石为1500MPa，水泥石灰砂砾土层为1000MPa。
各层材料的劈裂强度：
细粒式密级配沥青混凝土为1.4Mpa，中粒式密级配沥青混凝土为1.0Mpa，粗粒式密级配沥青混凝土为0.8Mpa，水泥碎石为0.5MPa，水泥石灰砂砾土层为0.35MPa。
3.5设计指标的确定
1）设计弯沉什公式：
式中：
——设计弯沉值；
——设计年限内一个车道累计当量标准轴载通行次数；
——公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三四级公路为1.2；
——面层类型系数，沥青砼面层为1.0，热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1，中低级路面为1.2。
该结构为柔性基层与半刚性基层组合，按内插法确定基层类型系数为。
弯拉应力设计控制指标容许拉应力公式：
式中：
——路面结构材料的容许拉应力，即该材料能承受设计年限次加载的疲劳弯拉应力（MPa）；
——路面结构材料的极限抗拉强度（MPa），由实验室按标准方法测得；
——抗拉强度结构系数。
根据结构层材料不同，按以下公式计算。
（沥青砼面层）
（无机结合料稳定集料）
（无机结合料稳定细粒土）
（贫砼）
2）计算：
该公路为一级公路，取；面层是沥青砼，取；
各层材料的容许层底拉应力：
细粒式密级配沥青砼：
中粒式密级配沥青砼：
粗粒式密级配沥青砼：
二灰稳定砂砾：
二灰稳定砂砾属于半刚性基层故
石灰土：
石灰土属于半刚性基层故
3.6设计资料总结
设计弯沉值为：
26.73（0.01mm），相关设计资料汇总如下：
材料名称
200C弹模（MPa）
容许拉应力（MPa）
细粒式密级配沥青混凝土
4
1400
0.50
中粒式密级配沥青混凝土
6
1200
0.36
粗粒式密级配沥青混凝土
8
900
0.288
二灰稳定砂砾
20
1500
0.36
石灰土
—
550
0.11
土基
—
40
—
按设计弯沉值计算设计层厚度:
LD=25.63（0.01mm）
H（5）=30cmLS=26（0.01mm）
H（5）=35cmLS=23.9（0.01mm）
H（5）=30.9cm（仅考虑弯沉）
按容许拉应力验算设计层厚度:
H（5）=30.9cm（第1层底面拉应力验算满足要求）
H（5）=30.9cm（第2层底面拉应力验算满足要求）
H（5）=30.9cm（第3层底面拉应力验算满足要求）
H（5）=30.9cm（第4层底面拉应力验算满足要求）
H（5）=30.9cm（第5层底面拉应力验算满足要求）
路面设计层厚度:
H（5）=30.9cm（仅考虑弯沉）
H（5）=30.9cm（同时考虑弯沉和拉应力）
验算路面防冻厚度，路面最小防冻厚度50cm
验算结果表明,路面总厚度满足防冻要求.
4水泥混凝土路面设计
4.1设计资料
公路自然区划III区拟新建一条二级公路，路基为粘质土，采用普通混凝土路面，路面宽7.5米，经交通调查得知，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为6000，交通量年平均增长率为6%，试设计该路面厚度。
4.2交通分析
由表16--20可知，二级公路设计基准期为20年，安全等级为三级，由表16--3，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.37，交通量年平均增长率为6%。
。
设计基限期内的设计车道标准荷载累积作用次数为
Ne=Ns1+grt-1×365grη
=60001+0.0620-1×3650.06×0.37=2.98×107次
查表16-4知，该公路路面属特重交通等级。
4.3初拟路面结构
由表16--20可知安全等级为三级的变异水平等级为中级。
根据二级公路、特重交通等级和中级变异水平，查表16--17初拟普通混凝土面层厚度为。
选用碾压混凝土基层，厚0.2m，垫层为0.15m低剂量无机结合料稳定土。
普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m，长5m。
纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。
4.4路面材料参数确定
（1）查表16-23和表16--25，取特重交通等级的普通混凝土面层弯拉强度标准值fr=5MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa。
（2）根据表16-14，取土基抗压回弹模量为30MPa.查表16-27，取低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量为600MPa，碾压混凝土基层回弹模量为800MPa
（3）按公式16-53计算基层顶面当量回弹模量如下：
式中：
Ex为基层和底基层或垫层的当量回弹模量（MPa）。
E1，E2为基层和底基层或垫层的回弹模量（MPa），E1=800MPa，E2=600MPa。
h1，h2为基层和底基层或垫层的厚度，h1=0.2m，h2=0.15m。
式中：
Dx为基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度。
式中：
hx为基层和底基层或垫层的当量厚度。
式中：
a，b为回归系数。
式中：
Et为基层顶面当量回弹模量。
（4）普通混凝土面层的相对刚度半径，
式中：
r为混凝土板的相对刚度半径。
h为混凝土板的厚度。
Ec为水泥混凝土的弯拉弹性模量。
4.5荷载疲劳应力
（1）标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力为
式中：
为标准轴载Ps在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力。
r为混凝土板的相对刚度半径。
h为混凝土板的厚度。
因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数.考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数.根据公路等级，查表16-24，得到考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合修正系数Kc=1.20
（2）荷载疲劳应力按相应公式计算，
4.6温度疲劳应力
查表16-28，Ⅲ区最大温度梯度取95℃/m.板长5m，lr=50.810=6.173，普通混凝土板厚h=0.26m，查图16-14得Bx=0.57.
（1）温度翘曲应力，
式中：
σtm为最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力。
αc为混凝土的温度线膨胀系数。
Tg为最大温度梯度。
（2）温度疲劳应力系数，
式中：
a，b，c为回归系数，按表16--29查的a=0.855,b=0.041，
c=1.355
（3）温度疲劳应力，
σtr=Ktσtm=0.543×2.18=1.18MPa
查表16-20知，二级公路安全等级为三级，变异水平等级为中级，目标可靠
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