路基路面工程课程设计.doc
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路基路面课程设计
黑龙江大学
课程名称：
路基路面工程
学院：
建筑工程学院
专业：
土木工程
学号：
20084580
年级：
2008级
学生姓名：
李朋飞
指导教师：
王正君
目录
1基本设计资料 1
2沥青路面设计 1
2.1轴载分析 1
2.2结构组合与材料选取 4
2.3各层材料的抗压模量和劈裂强度 4
2.4设计指标的确定 5
2.5路面结构层厚度的计算 6
2.6高等级公路沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算 7
2.7防冻层厚度检验 8
3水泥混凝土路面设计 8
3.1交通量分析 9
3.2初拟路面结构 10
3.3确定材料参数 10
3.4计算荷载疲劳应力 11
3.5计算温度疲劳应力 11
3.6防冻厚度检验和接缝设计 12
参考文献 13
13
1基本设计资料
该路段设计年限20年，交通量年平均增长8.7%，车道系数η=0.5，该路段处于中国公路自然区划II2区，路面宽度为B=24.5m，行车道为四车道2×7.5m，此公路设有一个收费站，且处于中湿路段，设计任务书要求收费站采用水泥混凝土路面，其他路段采用沥青混凝土路面。
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
双向交通量
跃进NJ230
585
解放CA10B
905
黄河JN150
385
长征XD250
305
依土姿TD50
1485
菲亚特650E
245
太脱拉138
47
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3-1确定。
表3-1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）
1．5d
﹙1﹚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的各级轴载的作用次数均换算成标准轴载的当量作用次数。
式中：
—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；
—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（）；
C1—轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轴组为0.38；
C2—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，双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算：
式中：
m—轴数。
表2-2轴载换算结果
车型
（）
（次/日）
跃进NJ230
前轴
23.70
1
1
585
—
后轴
69.20
1
1
585
117.93
解放CA10B
前轴
19.40
1
1
905
—
后轴
60.85
1
1
905
104.28
黄河JN150
前轴
49.00
1
1
385
17.29
后轴
101.60
1
1
385
412.52
长征XD250
前轴
37.80
1
1
295
4.29
后轴
2×72.60
1
1
295
1494.09
依土姿TD50
前轴
42.20
1
1
1485
34.82
后轴
90.00
1
1
1485
939.03
菲压特650E
前轴
33.00
1
1
245
1.97
后轴
72.00
1
1
245
58.69
太脱拉138
前轴
51.40
1
1
47
2.60
后轴
2×80.00
1
2.2
47
798.81
∑N
3986.32
则其设计年限内一个车道上的累计量轴次：
式中—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，t=20年；
—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，γ=0.087；
—车道系数，由材料知η=0.5。
则：
次。
﹙2﹚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的各级轴载的作用次数均按下式换算成标准轴载的当量作用次数。
式中：
—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；
—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（）；
—轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。
—轴数系数；
表2-3轴载换算结果
车型
（）
（次/日）
跃进NJ230
前轴
23.70
1
1
585
—
后轴
69.20
1
1
585
30.76
解放CA10B
前轴
19.40
1
1
905
—
后轴
60.85
1
1
905
17.01
黄河JN150
前轴
49.00
1
1
385
—
后轴
101.60
1
1
385
437.13
长征XD250
前轴
37.80
1
1
295
—
后轴
2×72.60
1
1
295
5828.48
依士姿TD50
前轴
42.20
1
1
1485
—
后轴
90.00
1
1
1485
639.24
菲压特650E
前轴
33.00
1
1
245
—
后轴
72.00
1
1
245
17.69
太脱拉138
前轴
51.40
1
1
47
0.23
后轴
2×80.00
1
2.2
47
4441.00
∑N
11411.54
则其设计年限内一个车道上的累计量轴次为：
次。
2.2结构组合与材料选取
根据《公路沥青路面设计规范》，并考虑公路沿途有砂石、碎石、石灰、粉煤灰供应，路面结构层采用沥青混凝土（190），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（90）。
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。
见表2-4。
表2-4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）
15°C模量
20°C模量
①
细粒式沥青混凝土
4
2000
1400
1.4
②
中粒式沥青混凝土
6
1800
1200
1.0
③
粗粒式沥青混凝土
9
1200
1000
0.8
④
水泥稳定碎石
待定
1500
1500
0.5
⑤
二灰土
35
750
750
0.25
⑥
土基
—
30
30
—
2.4设计指标的确定
﹙1﹚设计弯沉值
公路为一级，则公路等级系数取1.0；面层是沥青混凝土，则面层类型的系数取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取1.0。
式中：
—设计弯沉值
—设计年限内的累计当量年标准轴载作用次数
—公路等级系数，一级公路为1.0
—面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0
—基层类型系数，半刚性基层为1.0
所以
﹙2﹚各层材料按容许层底拉应力，按下列公式计算：
式中：
—路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa）；
—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）；
—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：
对无机结合料稳定集料类的抗拉强度结构系数：
对无机结合料稳定细土类的抗拉强度结构系数：
表2-5结构层容许弯拉应力
材料名称
（Mpa）
（Mpa）
细粒沥青混凝土
1.4
5.21
0.27
中粒沥青混凝土
1.0
5.21
0.19
粗粒沥青混凝土
0.8
5.21
0.15
水泥稳定碎石
0.5
2.66
0.19
二灰土
0.25
3.43
0.07
2.4路面结构层厚度的计算
﹙1﹚理论弯沉系数的确定
式中：
δ—当量圆半径；
F—弯沉综合修正系数，。
因此：
F=1.63×[14.98/2000/10.65]0.38（30/0.70）0.36=0.400
=14.98×1400/（2000×10.65×0.7×0.4）=3.516
﹙2﹚确定设计层厚度
采用三层体系表面弯沉系数，由诺莫图算设计层厚度。
h/δ=4/10.65=0.376E2/E1=1200/1400=0.857；
由三层体系弯沉系数诺莫图查得：
=6.22。
h/δ=4/10.65=0.376=30/1200=0.025；
由三层体系弯沉系数诺莫图查得K1=1.460。
又因为K2=/（K1）=3.516/（6.22×1.460）=0.387，，，由上查表得：
H/δ=7.8，H=10.65×7.8=83。
由可知：
，因为H=83cm，可知h4=36.3cm，故取h4=37cm。
如图所示：
____________________________________________
h1=4cmE1=2000MPah=4cmE1=2000Mpa
h2=6cmE2=1800MPa
h3=9cmE3=1200MPaH=？
cmE2=1800MPa
h4=37cmE4=3600MPa
h5=35cmE5=2400MPa
E0=30MPaE0=30MPa
2.5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
____________________________________________
h1=4cmE1=2000MPah=21.5cmE1=1400Mpa
h2=6cmE2=1800MPa
h3=9cmE3=1200MPaH=56.8cmE2=1000MPa
h4=37cmE4=3600MPa
h5=35cmE5=2400MPa
E0=30MPaE0=30MPa
；
，。
查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图，知，故满足要求。
﹙2﹚水泥稳定碎石层层底拉应力验算
____________________________________________
h1=4cmE1=2000MPah=49.4cmE1=3600Mpa
h2=6cmE2=1800MPa
h3=9cmE3=1200MPaH=35cmE2=2400MPa
h4=37cmE4=3600MPa
h5=35cmE5=2400MPa
E0=30MPaE0=30MPa
h==49.4cm，=35cm
由H/=35/10.65=3.286385,=30/2400=0.0125,查表得=0.05Mpa
H/=3.286385,E2/E1=2400/3600=0.67,查表得n1=2.1
H/=3.286385,h/=51.84/10.65=4.8676,查表得n2=0.50
由公式m=Pn1n2得m=0.7×0.05×2.1×0.50=0.037Mpa﹙3﹚二灰土土层层底拉应力验算
_____________________________________________
h1=4cmE1=2000MPah=56.4cmE1=3600Mpa
h2=6cmE2=1800MPa
h3=9cmE3=1200MPaH=35cmE2=2400MPa
h4=37cmE4=3600MPa
h5=35cmE5=2400MPa
E0=30MPaE0=30MPa
=56.4cm
由，，可知；
由，，可知；
由，，，可知。
由公式，故满足要求。
2.6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。
路面结构层总厚度h=4+6+9+35+37=91cm，大于最大冰冻深度80cm，所以不考虑冻层深度。
3水泥混凝土路面设计
3.1交通量分析
由于路面有一个收费站，各种油类对沥青会有不同程度的污染且宜有车辙，其要求采用水泥混凝土路面。
所以，进行普通水泥混凝土路面设计。
﹙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100kN的单轴荷载作为设计标准轴载，表示为BZZ—100。
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：
式中：
—100KN的单轴—双轮组标准轴数的通行次数；
—各类轴—轮型；级轴载的总重（KN）；
—轴型和轴载级位数；
—各类轴—轮型i级轴载的通行次数；
—轴—轮型系数。
表3-1轴载换算结果
车型
（kN）
（次/日）
跃进NJ230
前轴
23.70
1
585
—
后轴
69.20
1
585
1.62
解放CA10B
前轴
19.40
1
905
—
后轴
60.85
1
905
0.32
黄河JN150
前轴
49.00
1
385
0.01
后轴
101.60
1
385
496.32
长征XD250
前轴
37.80
1
295
—
后轴
2×72.60
3.6×10-6
295
0.42
依士姿TD50
前轴
42.20
1
1485
0.01
后轴
90.00
1
1485
275.17
菲压特650E
前轴
33.00
1
245
—
后轴
72.00
1
245
1.28
太脱拉138
前轴
51.40
1
47
0.01
后轴
2×80.00
3.5×10-6
47
0.30
∑N
775.46
则设计年限内设计车道的标准轴载累计作用次数:
式中：
—标准轴载累计当量作用次数；
t—设计基准年限；
γ—交通量年平均增长率，由材料知，γ=0.087；
η—临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，如下表3-2。
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
0.17～0.22
二级及二级以下公路
行车道宽>7m
0.34～0.39
0.54～0.62
行车道宽≤7m
=2800397.633次。
3.2初拟路面结构
因为交通量100×104＜280.04×104＜2000×104次，故可知交通属于重交通。
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、重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；基层选用水泥稳定粒料，厚为200mm；垫层为150mm的低剂量无机结合稳定土。
普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m；长为4.5m。
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5.0Mpa，相应弯拉弹性模量标准值为31Gpa；路基回弹模量为29Mpa；低剂量无机结合稳定土垫层回弹模量去600Mpa；水泥稳定粒料基层回弹模量取1300Mpa。
基层顶面当量的回弹模量值计算如下：
=
=
=
==0.328m
==4.35
=
=
普通混凝土面层的相对刚度半径为：
3.4计算荷载疲劳应力
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：
式中γ—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）；
σp—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3-3；
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
kc
1.30
1.25
1.20
1.10
σps—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）。
=，=2.33
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,则荷载疲劳应力为：
=2.33×0.87×1.25×1.045=2.65MPa
3.5计算温度疲劳应力
由《路基路面工程》知，II区最大温度梯度取88﹙℃/m﹚。
板长4.5m，L/r=4.5/0.760=5.92；已知混凝土板厚0.25m，Bx=0.63。
则可知最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：
式中：
αc—混凝土的温度线膨胀系数；
Tg—最大温度梯度，Tg=88°c/m；
Bx—综合温度翘区应力和内应力的温度应力系数；
σtm—最大温度梯度时土板的温度翘取应力（Mpa）。
=
温度疲劳系数，式中a，b和c为回归系数，按所在地区公路自然区划查下表3-4。
表3-4回归系数a，b和c
系数
公路自然区
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
a
0.828
0.855
0.841
0.871
0.837
0.834
b
0.041
0.041
0.058
0.071
0.038
0.052
c
1.323
1.355
1.323
1.287
1.382
1.270
=
则温度疲劳应力：
综合，一级公路的安全等级为三级，相应于三级的安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85﹪。
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。
，故满足要求。
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》知，路面防冻厚度为0.5m，而设计路面总厚度为0.60m，由于0.5<0.60，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，这段路为重交通，缝中设拉杆，拉杆长0.5m，直径22mm，每隔40cm设置一个。
①横向胀缝
缝隙宽20mm，缝隙上部5cm深度内浇填缝料拉杆的半段固定在混凝土内，另
一半涂以沥青，套上长约10cm的塑料套筒，筒底与杆端之间留有3cm空隙，用木屑与弹性材料填充。
②横向缩缝
缩缝采用假缝，缝隙宽5mm，深度为5cm.
③施工缝
施工缝采用平头缝或企口缝的构造形式，缝上深5cm，宽为5mm的沟槽，内浇
填缝料。
④横缝的布置
缩缝间距一般为5m，混凝土路面设置胀缝。
⑤纵缝的设置
在平行于混凝土路面行车方向设置纵缝，缝间距3.75cm，设置为假缝带拉杆形式，
缝的上部留有5cm的缝隙，内浇注填缝料，缝与横缝一般做成垂直正交，使混凝土具有90°的角隅。
参考文献
1、邓学钧路基路面工程（第二版）.人民交通出版社，2005
2、中华人民共和国行业标准：
公路沥青路面设计规范（JTGD50-2006）.北京：
人民交通出版社2006
3、中华人民共和国行业标准：
公路水泥混凝土路面设计规范（JTGD40-2002）.北京：
人民交通出版社2002
4.中华人民共和国行业标准：
<<公路工程技术标准>>（JTGB01—2003）
5.<<公路路基设计手册>>
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