路基路面工程课程设计1.docx
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路基路面工程课程设计1
《路基路面工程》课程设计指导书
Ⅰ、设计目的
《路基路面工程》是高等学校土木工程领域中公路工程、城市道路工程、桥梁隧道工程、机场工程等专业的重要必修课。
课程涉及内容广泛并与工程实践联系密切，具有一定的地区特点。
本课程是一门理论与实践并重、工程性较强的课程，讲授本课程除了系统的课堂教学之外，应配合组织实地参观、实物鉴别、课程设计及施工实习等辅助教学环节，以提高学生的感性认识和系统的接受能力。
路基路面课程设计是学生在学习完《路基路面工程》课程后的、教学计划中的一个重要环节，是学生在今后做好毕业设计的前提条件。
课程设计的主要目的是：
1.使学生巩固已学专业知识，系统地了解和掌握本专业工作的程序和内容，并进一步学会综合运用所学到的理论知识。
2.通过查阅有关资料，提高学生查阅科技文献、专业技术资料和编写设计文件的能力。
3.进一步培养学生设计、绘图和运算等基本技能。
使学生能独立解决与本专业有关的一些问题。
路基路面课程设计的内容很多，主要包括：
一般路基设计、特殊路段路基设计、路基防护及支挡结构设计、路基排水设计和路面设计等。
根据教学条件和时间限制，主要安排路面设计，以培养学生的设计能力。
Ⅱ、设计原始资料
某地区拟新建一条汽车专用二级公路，经调查得，沿线所在地区的地质资料为：
0～1.2m为普通粘土（Ⅱ级），1.2m以下为次坚石（Ⅴ级）；地下水平均埋深2.5m；多年平均最大冻深2.0m；该路路基平均填土高度1.5m；近期交通量如下表所示。
交通量年平均增长率为5%～10%（自己拟定），沿线各种材料供应充足，施工工期为一年，试设计该路路面。
要求按柔性路面（使用年限15年）或刚性路面（使用年限25年）进行设计。
交通量表（仅作参考，自己拟定）
车型
黄河JN150
跃进NJ130
解放CA10B
东风EQ140
上海SH130
日野KF300D
小汽车
辆/日
500～800
300～900
650～900
800～1400
400～800
300～600
800～1200
、设计内容及步骤
路面设计的主要内容包括：
原材料的选择、混合料配合比设计和设计参数的测试与确定，路面类型、路面结构层组合与厚度计算，以及路面结构的方案比选等。
下面分别介绍沥青路面和水泥混凝土路面的设计步骤。
一、沥青路面的设计步骤：
1）根据设计任务书的要求及交通量的大小，确定路面等级和面层类型，计算设计年限内一个车道的累计当量轴次Ne和设计弯沉值ld。
轴载换算公式：
累计当量轴次:
设计弯沉值:
2）进行路段划分，根据各路段所处自然区划、路基土类型与干湿类型，确定各路段土基回弹模量值E0。
3）根据已有经验和规范推荐的路面结构，拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案，确定各结构层材料的设计参数。
4）根据设计弯沉值计算路面厚度，验算沥青混凝土面层和半刚性基层材料的基层、底基层的拉应力。
若不满足要求，或调整路面结构层厚度，或变更路面结构组合，或调整材料配合比，提高材料极限抗拉强度，再重新计算。
各层材料的容许层底拉应力：
式中：
为各层材料的劈裂强度；
为抗拉强度系数，对于沥青混凝土面层：
=0.09Aa·N
/Ac
对无机结合料稳定集料类：
=0.35N
/Ac
对无机结合料稳定细粒土类：
=0.45N
/Ac
5）对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，尚应验算防冻厚度是否满足要求。
6）为了防止高温季节道路交叉口、停车场等汽车经常启动、制动地方沥青面层产生推挤和拥包等破坏现象，尚应验算沥青面层材料的剪应力是否满足要求。
7）进行技术经济比较，确定采用的路面结构方案。
二、水泥混凝土路面的设计步骤：
1）进行交通量分析，计算设计年限内一个车道的标准轴载累计作用次数Ne。
轴载换算公式：
标准轴载累计作用次数:
2）根据道路的交通繁重程度，结合当地环境条件和材料供应情况，进行路面结构层组合设计。
它包括：
土基、垫层、基层和面层的结构组合设计，各层的路面结构类型、弹性模量和厚度。
3）按照设计标准的要求，确定满足设计年限内使用要求所需的混凝土面层的厚度。
4）根据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力作出板的平面尺寸设计，确定接缝的位置，设计接缝的构造，并采取有效措施提高接缝的传荷能力。
5）路肩设计。
高速公路和二级公路中间带和路肩路缘带的结构应与行车道的混凝土路面相同，并与行车道部分的混凝土面板浇筑成整体。
路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混合料面层，其基（垫）层结构应满足行车道路面结构和排水的要求。
一般公路的混凝土路面应设置路缘石或加固路肩，路肩加固可采用沥青混合料或其它材料。
6）普通混凝土路面的钢筋配筋率设计。
当混凝土路面板较长或交通量较大时、地基有不均匀沉降或板的形状不规则时，可沿板的自由边缘加设补强钢筋，在角隅处加设发针形钢筋或钢筋网，以阻止可能出现的裂缝。
、设计要求
1.设计任务下达后，即应着手进行设计资料的收集及调查分析工作。
2.应充分发挥独立工作的能力和钻研精神，要发扬理论联系实际的学风，培养分析问题和解决问题的能力。
在设计阶段，除参考已学教材外，还应进一步查阅有关规范、文献和其他书籍，扩大知识面，培养综合运用专业知识解决工程实际问题的能力。
3.文字说明要求简洁扼要，能说明问题。
图纸规格和表达图式应采用规定或惯用符号。
4.遵守纪律，团结友爱，每天按时到设计室，设计室要保持肃静和清洁。
5.在课程设计结束后，按时上交结构设计图及设计说明书一本。
水泥混凝土路面设计
一、交通分析
1、轴载分析
路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载。
以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次
（1）轴载换算
轴载换算采用如下计算公式：
计算结果如下表
表1
车型
Pi（KN）
αi
Ni（辆/日）
标准轴载作用次数Ns
黄河JN150
前轴
49.00
1
800
0.0
后轴
101.60
1
800
1031.3
解放CA10B
后轴
60.85
1
800
92.2
江淮HF150
后轴
101.5
1
400
507.6
1631.1
（2）累计当量轴次
根据设计任务书，使用年限为25年，查公路水泥混凝土路面设计规范二级公路车轮轮迹横向分布系数η取0.39。
使用期内的交通量平均增长率为γ=8%。
累计当量轴次：
属重交通等级。
二、初拟路面结构
初拟普通混凝土面层厚度为25cm，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为
相应弯拉弹性模量标准值为
。
基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚18cm。
垫层为15cm低剂量无机混合料稳定土，
普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m，长5.0m.纵缝为设拉杆平缝，平缝为设传力杆的假缝。
三．路面材料参数确定
查表取普通混凝土弯拉强度标准值为5.0Mpa,相应弯拉弹性模量标准值为31Gpa。
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,水泥稳定粒料基层回弹模量取1400Mpa。
计算基层顶面当量回弹模量：
四、荷载疲劳应力
标准轴载在临界荷界处产生的荷载应力计算为
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
考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数
荷载疲劳应力计算为
五、温度疲劳应力
最大温度梯度标准值
公路自然区划
Ⅱ，Ⅴ
Ⅲ
Ⅳ,Ⅵ
Ⅶ
最大温度梯度（
）
83～88
90～95
86～92
93～98
由上标知，Ⅱ区最大温度梯度取88（
），板长5m,l/r=5/0.677=7.39,查得普通混凝土板厚h=0.25m,B
=0.71。
最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为
温度疲劳应力系数
，经计算查表可得，自然区划为Ⅱ区，式中a=0.828,b=0.014,c=1.323,
为
温度疲劳应力为
查表得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%，根据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表确定可靠度系数
因此所选混凝土面层厚度25cm可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。
五、路肩设计
高速公路和一级公路中间带和路肩路缘带的结构应与行车道的混凝土路面相同，本公路为二级公路，故采用与行车道相同的混凝土路面，并与行车道部分的混凝土面板浇筑成整体，具体平面布置见混凝土路面设计结构图。
六、配筋设计
混凝土板纵横向自由边边缘下的基础，如可能产生较大变形时，可沿板边缘加设计补强钢筋、角隅处加设发针形钢筋，或钢筋网。
边缘补强钢筋、发针形钢筋、钢筋网布置见附图。
沥青路面设计
一．轴载分析
路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载。
1.以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次
轴载换算：
计算结果如下表所示：
轴载换算结果表（弯沉）
车型
Pi（KN）
C1
C2
（辆/日）
（辆/日）
黄河JN150
前轴
49.0
1
1
300
13.5
后轴
101.6
1
1
300
321.5
日野KF300D
前轴
40.75
1
1
450
9.0
后轴
79.0
1
2.2
450
355.1
解放CA10B
后轴
60.85
1
1
800
92.2
尼桑CK201
前轴
49.85
1
1
400
19.3
后轴
100.0
1
1
400
400
1210.6
注：
轴载小于25KN的轴载作用不计。
累计当量轴次
根据公路沥青路面设计规范，二公路沥青路面的设计年限取12四车道的车道系数η为0.4-0.5，取0.46交通量平均增长率为7%。
累计当量轴次：
次
2.验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次
（1）轴载换算
验算半刚性基层层底拉应力，采用如下计算公式：
轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）表2
车型
Pi（KN）
ni（辆/日）
（辆/日）
黄河JN150
后轴
101.60
1
1
300
321.5
解放CA10B
后轴
60.85
1
1
800
92.2
尼桑CK201
后轴
100.00
1
1
400
400
日野KF300D
后轴
2×79.00
3
1
450
355.1
1168.8
注：
轴载小于50KN的轴载作用不计。
（2）累计当量轴次
次
二．确定路面等级和面层类型
根据设计任务书的要求及交通量设计年限内累计标准轴次Ne=
次，由公路沥青路面设计规范表“路面类型的选择”二级公路路面等级为高级路面，面层类型为沥青混凝土。
三．路段的划分及土基回弹模量的确定
该路段处于东北地区П2区，为普通粘性土，路基临界高度H=2.5+1.5=4m>H1
=2.7m,故路基为干燥类型，查公路沥青路面设计规范表“土基干湿状态的稠度建议值”查得路基土处于干燥状态稠度ωc≥1.10,取1.15，查公路沥青路面设计规范表“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E0为31.5MPa。
3）结构组合与材料选取
由1）步的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为3000万次左右〉1200万次。
根据公路沥青路面设计规范推荐结构，并考虑到公路沿途各种材料供应充足，路面结构面层采用沥青混凝土（17㎝），基层采用水泥稳定集料（30㎝），底基层采用石灰土（厚度待定）。
公路沥青路面设计规范规定高速公路、二级公路的面层由二层至三层组成。
查公路沥青路面设计规范的第四节沥青路面的沥青路面的4.2高级路面中的表4.2.1“沥青混合料类型的选择（方孔筛）”，采用三层式沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚度4㎝），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度5㎝），下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（厚度8㎝）。
各层沥青混合料矿料级配及沥青用量范围（查公路沥青路面设计规范附录B“各种沥青面层的级配、材料规格及用量表”）结果列表如下：
级配类型
通过下列筛孔（方孔筛，㎜）的质量百分率（%）
沥青用量（%）
37.5
31.5
26.5
19.0
16.0
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
粗粒
AC-30І
100
90
80
70
65
60
50
45
40
30
20
15
10
5
5
中粒
AC-20І
100
90
80
70
65
55
45
30
25
15
10
5
5
本工程沥表均采用道路石油沥青，沥混合料的配合比设计应按马歇尔试验进行，由于没有实验条件，配合比设计在此不做，这里只把一些技术指标列于下表。
试验项目
沥青混合料类型
高速公路、一级公路
击实次数（次）
沥青混凝土
两面各75
稳定度（KN）
І型沥青混凝土
80
流值（0.1㎜）
І型沥青混凝土
30
空隙率（%）
І型沥青混凝土
5
沥青饱和度（%）
І型沥青混凝土
80
四．各层材料的抗压模量与劈裂强度
查规范表“沥青混合料材料设计参数参考值”及表“基层材料设计参数”，得到各层材料的抗压模量和襞裂强度。
抗压模量取20℃的模量，各值均取规范给定范围的中值，因此得到20℃的抗压模量：
细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa，水泥稳定集料（水泥碎石）为1500MPa，石灰土为550MPa。
各层材料的襞裂强度：
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，水泥稳定集料为0.5MPa，石灰土为0.225MPa。
五．计算设计弯沉值ld
路面设计弯沉值根据公式：
计算。
该公路为二级公路，公路等级系数取AC1.0；面层为沥青混凝土，面层类型系数取AS1.0；半刚性基层，底基层总厚度大于20㎝，基层类型系数Ab取1.0；则设计弯沉值为:
=29.24（0.01㎜）
六．确定石灰土厚度
1.计算综合修正系数F：
2．计算理论弯沉系数αL
∵
∴
取l=Ls=Ld=29.24（0.01㎜）
∴
3．计算底基层厚度
这是个六层体系，求算某层厚度时，须先把所拟定的结构按照弯沉等效换算法换算成当量三层体系，求出其中层厚度H，然后按当量厚度换算公式求出h5
（1）求H：
由已知参数求得：
查“三层体系表面弯沉系数诺谟图”得α=6.4；
，查“三层体系表面弯沉系数诺谟图”得K1=1.54
由式αL=αK1K2，得
查表面弯沉系数诺谟图得H/δ=6.7,H=6.7×10.65=71.355（cm）
（2）由多层路面结构的等效换算求h5
将多层体系按照等效弯沉的原则换算为三层体系。
第一层为原第一层，其厚度为h1=4㎝，弹性模量为E1=1400MPa,第二层厚度按式
计算即：
=45.34+0.722h5
∴h5=（71.355-45.34）/0.722=36.03（㎝）,这里取h5=36（㎝）
七．验算半刚性基层、底基层层底的拉应力
沥青面层层底受压应力故此处不作验算
1、计算容许层底拉应力
★水泥稳定集料容许层底拉应力计算：
=
=0.35N
/Ac=0.35×
0.11/1.0=1.84
σR=σsp/Ks=0.5/1.84=0.272MPa
★石灰土容许层底拉应力计算：
=0.45N
/Ac=0.45×
0.11/1.0=2.36
σR=σsp/Ks=0.225/2.36=0.0953MPa
2、基层、底基层底弯拉应力验算
（1）把六层路面结构按照弯拉应力等效换算法等效换算成三层体系
上层模量E1=1500MPa，厚度为:
（㎝）
中层模量为E2=550Mp，厚度为H=36（㎝）
（2）基层水泥稳定集料层层底拉应力验算
由
查“三层连续体系上层底面拉应力系数诺谟图”得m1=1.3,m2=0.8,
则σm=P
m1m2=0.7×0.13×1.3×0.8=0.0946MPa<σR=0.272MPa满足。
（3）底基层石灰土层层底拉应力验算
由
查
“三层连续体系中层底面拉应力系数诺谟图”得n1=1.07,n2=0.41,
则
σm=P
n1n2=0.7×0.221×1.07×0.41=0.0679MPa<σR=0.0953MPa
八，防冻厚度验算
虽然本路段处于季节性冻地区，但是为干燥路段，路面厚度83cm＞（45～55）满足要求（查规范表5.25）。
九．沥青面层材料的剪应力验算
1、确定剪应力和抗剪强度
路面结构等效换算（六层换算成三层）
h=h1=4㎝
=
计算剪应力和正应力：
由
查三层体系表面最大剪应力系数诺谟图得
=0.426γ1=0.861γ2=1.130,查三层体系表面主压应力系数诺谟图得
1.1256,ρ1=1.049,ρ2=0.959,因而得f=0.3时：
τm（0.3）=p
γ1γ2=0.7×0.426×0.861×1.130=0.29（MPa）
σ1（0.3）=p
ρ1ρ2=0.7×1.1256×1.049×0.959=0.79（MPa）
缓慢制动时：
τm（0.2）=τm（0.3）+1.3（f-0.3）p=0.29+1.3×（0.2-0.3）×0.7=0.20（MPa）
σ1（0.2）=σ1（0.3）+0.46（f-0.3）p=0.79+0.46×（0.2-0.3）=0.76（MPa）
由于没有实验，在此取混凝土面层c=0.4Mp,φ=37°,则
τα=τmcosφ=0.20×cos37°=0.16（MPa）
σα=σ1-τm（1+sinφ）=0.76-0.20×（1+sin37°）=0.44（MPa）
τ=c+σαtgφ=0.4+0.44×tg37°=0.73（MPa）
紧急制动时：
τm（0.5）=τm（0.3）+1.3（f-0.3）p=0.29+1.3×（0.5-0.3）×0.7=0.47（MPa）
σ1（0.5）=σ1（0.3）+0.46（f-0.3）p=0.79+0.46×（0.5-0.3）=0.85（MPa）
τα=τmcosφ=0.47×cos37°=0.38（MPa）
σα=σ1-τm（1+sinφ）=0.85-0.47×（1+sin37°）=0.10（MPa）
τ=c+σαtgφ=0.4+0.10×tg37°=0.48（MPa）
2.确定容许剪应力
在设计年限内停车标准轴数按总累积轴数的15%计，即Nt=0.15×
=545400次，则
缓慢制动时：
紧急制动时：
3.验算剪切条件
缓慢制动时：
τα=0.16（MPa）<τR=0.29（MPa）
紧急制动时：
τα=0.38（MPa）<τR=0.40（MPa）
由此可得路面剪应力满足要求。
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