2019年《道路工程课程设计》任务书及指导书.doc
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2019年《道路工程课程设计》任务书及指导书
——沥青路面设计
1.设计资料
河南某地（Ⅱ5）拟修建高速公路，设计为双向四车道，路基宽度27.0m。
其中，行车道7.5m×2。
经交通量OD调查分析，断面大型客车和货车交通量为4052辆/日,交通年平均增长率为6.05%。
根据交通历史数据，按表A.2.6-1确定该设计公路为TTC0类，根据表A.2.6-2得到车辆类型分布系数如表1所示。
表1.车辆类型分布系数
车辆类型
2类
3类
4类
5类
6类
7类
8类
9类
10类
11类
车型分布系数（%）
38.27
31.39
24.0
0.0
0.0
6.5
0.0
0.08
0.0
0.0
根据路网相邻公路的车辆满载情况及历史数据的调查分析，得到各类车型非满载与满载比例，如表2所示。
表2.非满载车与满载车所占比例（%）
车辆类型
2类
3类
4类
5类
6类
7类
8类
9类
10类
11类
非满载车比例
90.0
75.0
85.0
65.0
50.0
65.0
60.0
40.0
55.0
60.0
满载车比例
10.0
25.0
15.0
35.0
50.0
35.0
40.0
60.0
45.0
40.0
公路新建部分路基平均填土高度1.8m，平均地下水位0.8m，平均冻深0.48m，土质为粘土质砂，其重度为18.0kN/m3。
根据气象资料，连续十年路面最低气温平均值为-2℃。
路基路基标准状态下回弹模量取90MPa,回弹模量湿度调整系数Ks取0.88,干湿与冻融循环作用折减系数Kη取0.80，则经过湿度调整和干湿与冻融循环作用折减的路基顶面回弹模量为63MPa。
2.设计内容
（1）交通分析；确定交通荷载等级。
（2）初拟沥青路面结构（结构层组合、各结构层材料、层厚）。
（3）确定各层材料参数（各层材料模量、强度和土基的回弹横量）。
（4）轴载换算，计算Ne。
（5）进行路面结构验算。
（6）计算路基顶面和路表验收弯沉值。
3.设计所需参考资料
（1）公路沥青路面设计规范（JTGD50-2017）（附电子版）；
（2）路基路面工程（第五版），黄晓明主编；
（3）道路工程教材。
4.设计验算
好路网——在线设计——沥青路面结构分析（APAD）（规范编写组提供的网页版程序）（
5.提交成果
（1）课程设计计算书A4手写，要求过程详实，表格、公式规范。
注：
计算书后面附“课程设计总结”1份。
（2）沥青路面结构设计图A3一张，要求按照制图标准规范绘制。
参考算例（两个）：
1.手算+电算
1）设计资料：
华北某地（Ⅱ4）拟修建高速公路，按双向六车道设计，采用整体式路基，路基宽度34.5m。
其中，行车道11.25m×2。
2019年底建成通车。
经调查分析提供的2018年的年平均日交通量及车辆组成如下：
车型分类
中型货车
重型货车
重型货车
中型货车
重型货车
重型货车
代表车型
解放CA390
黄河JN162
齐齐哈尔QQ560
东风EQ140
交通SH361
太脱拉138S
辆/日
129
1126
109
1160
215
1089
并由此至2023年的交通增长率为7.05%，其后年份的增长率平均为5.35%。
公路新建部分路基平均填土高度1.5m，平均地下水位0.7m，平均冻深0.65m，土质为粘土质砂，其重度=18.0kN/m3，路面部分的当量等效厚度=80cm，据调查毛细水上升最大高度为1.2m。
部分旧路可以利用，原旧路沥青面层厚度15cm，由落锤式弯沉仪测试原旧路表面的实测弯沉值（1/100mm）分别为：
57.9，61.8，68.5，69.0，65.5，59.0，67.0，78.0，53.0，44.3，31.0，40.0，45.0，35.0，30.5，27.5，31.0，65.5，79.5，82.5，91.0，测定时沥青结合料类材料层中点实测温度为27.5℃（注：
湿度影响系数=1）。
2）设计内容
（1）交通分析；
（2）初拟沥青路面结构（结构层组合、各结构层材料、层厚）；
（3）确定各层材料参数（各层材料模量、强度和土基的回弹横量）；
（4）用设计弯沉值计算路面结构层厚度；
（5）验算沥青混凝土层和整体性材料结构层的弯拉应力；
（6）计算旧路面的计算弯沉值、确定补强层结构、计算补强层厚度。
新建沥青路面结构设计
（一）交通分析
设计资料表明，此路等级为高速公路，按双向六车道设计。
查《公路沥青路面设计规范》知，公路设计基准期为15年，取方向系数DDF=0.55，车道系数LDF=0.5。
根据交通统计数据知，2018年的年平均日交通量Q=3828辆，由此至2023年交通增长率为7.05%，其后年份增长率为5.35%。
故设计道路的初始年平均日交通量=4098辆。
设计车道的年平均日货车交通
=4098×0.55×0.5=1127辆
依据设计年限内设计车道累计交通量公式：
9.64×106辆
查《规范》知，属于重交通荷载等级。
（二）轴载换算
根据表6.2.1，该设计路面对应的设计指标为沥青混合料层永久变形与无机结合料层疲劳开裂。
（1）以沥青混合料层永久变形为设计指标换算
车辆类型
车辆分布系数
轴型
轴载换算系数
设计车道日当量轴次
设计车道当量轴载作用次数
3类车
0.659
单轴单轮
0.0143174
1681
15396646
0.077704
0.450508
0.536098
单轴双轮
0.223404
0.223404
1.733847
2.02224
4类车
0.341
单轴单轮
0.205901
0.63333
双轴双轮
1.520844
3.102656
（2）以无机结合料层疲劳开裂为设计指标换算
车辆类型
车辆分布系数
轴型
轴载换算系数
设计车道日当量轴次
设计车道当量轴载作用次数
3类车
0.659
单轴单轮
3.44×10-8
2816
25805119
8.40×10-6
0.0025
0.0045
单轴双轮
0.00767
0.00767
5.9812
9.8619
4类车
0.341
单轴单轮
0.0002
0.0077
双轴双轮
0.7358
7.4669
（三）初拟路面结构及材料参数
结构层编号
层位
材料类型
厚度（mm）
模量（MPa）
泊松比
1
上面层
沥青混合料
40
9000
0.25
2
中面层
沥青混合料
60
10000
0.25
3
下面层
沥青混合料
80
10000
0.25
4
基层
无机结合料
300
10000
0.25
5
底基层
粒料
150
250
0.35
6
土基
63
0.4
路基标准状态下回弹模量取90MPa，由于土基湿度类型为中湿，干燥部分厚度为1m，潮湿厚度为0.6m，查干燥和潮湿类路基土湿度调整系数，进行厚度加权得，干湿与冻融循环作用折减系数取0.8，则经过湿度调整和干湿与冻融循环作用折减的路基顶面回弹模量为65MPa，满足规范要求。
（四）路面结构验算
①无机结合料层疲劳开裂验算
路面结构沥青面层由三层不同材料结构层组成，依据当量结构层换算公式
得，。
基层由两层不同材料结构层组成，故=450mm，=3219MPa。
又路面结构温度调整系数
其中：
，查表知为1.22。
经计算得=1.43。
依据无机结合料稳定层疲劳开裂寿命公式：
——季节性冻土地区调整系数。
查表为0.76；
——无机结合料稳定类材料弯拉强度。
=1.1MPa；
a、b——疲劳试验回归参数。
查表知a=13.24，b=12.52；
——现场综合修正系数。
其中，查表知，，
，，计算得
——目标可靠指标。
查表知=1.65
——无机结合料稳定层的层底拉应力，根据弹性层状理论计算。
=0.289MPa。
故=42548679。
因基于无机结合料稳定层层底拉应力换算得到疲劳开裂寿命大于基于无机结合料稳定层层底拉应力换算得到的设计年限内当量轴载作用次数，故满足结构要求。
②沥青混合料层永久变形验算
查表知，基准等效温度。
结合沥青混合料层的等效温度计算公式：
故22.9℃。
依据规范规定的分层方法，将沥青混合料层分为7个分层，各分层厚度如下表所示，利用弹性层状体系理论，分别计算设计荷载作用下各分层顶部竖向压应力，依据各分层永久变形量和沥青混合料总的永久变形量公式：
其中为综合修正系数，依照以下公式计算：
=
——沥青混合料第i分层厚度
最终计算结果如下表：
分层编号
分层厚度（mm）
竖向压力（MPa）
修正系数（）
永久变形（mm）
1
10
0.7
3.8
0.3
2
15
0.7
4.57
0.5
3
15
0.69
7.11
0.7
4
20
0.67
7.36
3.8
5
20
0.62
6.22
2.8
6
20
0.55
4.74
1.7
7
80
0.48
1.94
1.6
总计
11.5
沥青层永久变形计算结果
查表知沥青层容许永久变形为15mm，拟定的路面结构满足要求。
③路面低温开裂验算
根据气候条件，所在地区低温设计温度T=-6.7℃，路基类型参数b=2，表面层沥青在-10℃条件下弯曲梁流变试验的劲度模量St为120MPa，依据路面低温开裂指数公式：
CI=1.95×10-3lgb-0.075lg+0.15，故CI=-0.7，查表知低温开裂指数不应大于3，故所选路面结构及材料满足低温开裂要求。
④防冻厚度验算
根据调查资料，大地多年最大冻深为650mm，由表B.6.1-1、B.6.1-2、B.6.1-3得到材料热物性系数a=1.3，路基湿度系数b=0.95，路基断面形式系数c=1.02，代入公式计算得=819mm。
根据公路多年最大冻深和路基干湿类型，由表B.6.1-4确定最小防冻厚度为325mm，路面结构总厚度为630mm，拟定的路面结构满足防冻厚度要求。
⑤贯入强度验算
公路所在地区月平均气温大于0℃的月份数为9个月，由此得到对应于贯入强度验算的设计车道累计设计轴载作用次数为13214229。
所在地区月平均气温大于0℃的各月份气温平均值为17℃。
根据公路等级，参照表3.0.6-1，得到沥青混合料容许永久变形量为15mm。
路面结构系数根据式（5.5.8-2）计算为0.86，沥青混合料层的综合贯入强度由式（5.5.8-3）确定为0.7MPa，根据式（5.5.8-1）得到沥青混合料层的贯入强度要求值为0.54，所以拟定的路面结构和材料满足贯入强度要求。
（五）路基顶面和路表验收弯沉值
根据附录B.7节，确定路基顶面和路表验收弯沉值时，采用落锤式弯沉仪，荷载盘半径为150mm，荷载为50kN。
路基标准状态下回弹模量取90MPa，回弹模量湿度调整系数=0.88，则平衡湿度状态下的回弹模量为79MPa，采用公式，计算得到路基表面验收弯沉值为235.8（0.01mm）。
采用拟定的路面结构以及各层结构模量值，路基顶面回弹模量采用平衡湿度状态下的回弹模型乘以模量调整系数kl（kl=0.5）为40Mpa，根据弹性层状体系理论计算得到路表验收弯沉值=25.8（0.01mm）。
（六）结果汇总
验算内容
计算值
对比值
是否满足
沥青层车辙
11.5
15.0
是
半刚性层疲劳开裂对应累积当量轴次
42548679
32596330
是
沥青层贯入强度
0.7
0.54
是
低温开裂指数
-0.7
3
是
防冻厚度
630
325
是
2.电算
双辽至洮南段高速公路设计
新建路面设计（Ⅰ-1）
1.项目概况与交通荷载参数
该项目位于吉林省，属于高速公路，起点桩号为K0+000，终点桩号为K150+762，设计使用年限为15.0年，根据交通量OD调查分析，断面大型客车和货车交通量为5003辆/日,交通量年增长率为6.4%,方向系数取60.0%,车道系数取85.0%。
根据交通历史数据，按表A.2.6-1确定该设计公路为TTC0类，根据表A.2.6-2得到车辆类型分布系数如表1所示。
表1.车辆类型分布系数
车辆类型
2类
3类
4类
5类
6类
7类
8类
9类
10类
11类
车型分布系数（%）
49.7
26.9
15.6
0.0
0.0
0.0
0.0
7.8
0.0
0.0
根据路网相邻公路的车辆满载情况及历史数据的调查分析，得到各类车型非满载与满载比例，如表2所示。
表2.非满载车与满载车所占比例（%）
车辆类型
2类
3类
4类
5类
6类
7类
8类
9类
10类
11类
非满载车比例
80.0
85.0
60.0
70.0
50.0
65.0
40.0
55.0
50.0
60.0
满载车比例
20.0
15.0
40.0
30.0
50.0
35.0
60.0
45.0
50.0
40.0
根据表6.2.1，该设计路面对应的设计指标为沥青混合料层永久变形与无机结合料层疲劳开裂。
根据附表A.3.1-3，可得到在不同设计指标下，各车型对应的非满载车和满载车当量设计轴载换算系数，如表3所示。
表3.非满载车与满载车当量设计轴载换算系数
设计指标
沥青混合料层永久变形
无机结合料层疲劳开裂
车辆类型
非满载车
满载车
非满载车
满载车
2类
0.8
2.8
0.5
35.5
3类
0.4
4.1
1.3
314.2
4类
0.7
4.2
0.3
137.6
5类
0.6
6.3
0.6
72.9
6类
1.3
7.9
10.2
1505.7
7类
1.4
6.0
7.8
553.0
8类
1.4
6.7
16.4
713.5
9类
1.5
5.1
0.7
204.3
10类
2.4
7.0
37.8
426.8
11类
1.5
12.1
2.5
985.4
根据公式（A.4.2）计算得到对应于沥青混合料层永久变形的当量设计轴载累计作用次数为31,831,093,对应于无机结合料层疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为726,754,209。
本公路设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量为22,349,293，交通等级属于特重交通。
2.初拟路面结构方案
初拟路面结构如表4所示。
表4.初拟路面结构
结构层编号
层位
材料类型
厚度（mm）
模量（MPa）
泊松比
1
上面层
沥青混合料
40.0
10500
0.25
2
中面层
沥青混合料
60.0
11250
0.25
3
下面层
沥青混合料
80.0
9000
0.25
4
基层
无机结合料稳定材料
360.0
11500
0.25
5
底基层
无机结合料稳定材料
180.0
8500
0.25
6
土基
61
0.40
路基标准状态下回弹模量取92MPa,回弹模量湿度调整系数Ks取0.83,干湿与冻融循环作用折减系数Kη取0.80,则经过湿度调整和干湿与冻融循环作用折减的路基顶面回弹模量为61MPa。
3.路面结构验算
3.1沥青混合料层永久变形验算
根据表G.1.2，基准等效温度Tξ为14.9℃，由式（G.2.1）计算得到沥青混合料层永久变形等效温度为17.8℃。
可靠度系数为1.65。
根据B.3.1条规定的分层方法，将沥青混合料层分为7个分层,各分层厚度（hi）如表5所示。
利用弹性层状体系理论，分别计算设计荷载作用下各分层顶部的竖向压应力（Pi）。
根据式（B.3.2-3）和式（B.3.2-4），计算得到d1=-4.15，d2=0.66。
把d1和d2的计算结果带入式（B.3.2-2），可得到各分层的永久变形修正系数（kRi），并进而利用式（B.3.2-1）计算各分层永久变形量（Rai）。
各计算结果汇总于表5中。
各层永久变形累加得到沥青混合料层总永久变形量Ra=5.8（mm），根据表3.0.6-1，沥青层容许永久变形为15.0（mm），拟定的路面结构满足要求。
表5.沥青层永久变形计算结果
分层编号
分层厚度（mm）
竖向压力（MPa）
修正系数（kRi）
永久变形（mm）
1
10.0
0.70
3.80
0.3
2
15.0
0.70
4.57
0.6
3
15.0
0.69
7.11
0.9
4
20.0
0.67
7.36
1.2
5
20.0
0.61
6.22
0.9
6
20.0
0.54
4.74
0.5
7
80.0
0.47
1.94
1.3
总计
5.8
3.2无机结合料层疲劳开裂验算
根据弹性层状体系理论，计算得到无机结合料层层底拉应力为0.128MPa。
根据气象资料，工程所在地区冻结指数F为1308.0℃•日，按照表B.1.1，季节性冻土地区调整系数ka取0.76。
根据式（B.2.1-2），现场综合修正系数为-1.411
根据工程所在地区，查表G.1.2得到基准路面结构温度调整系数为0.97，根据初拟路面结构和路面结构层材料参数，按式（G.1.3-1）计算得到温度调整系数kT2为0.88。
由表B.2.1-1，对于无机结合料稳定粒料，疲劳开裂模型参数a=13.24，b=12.52。
弯拉强度为1.7MPa。
根据以上参数，按式（B.2.1-1）计算得到无机结合料层底疲劳寿命为7,584,562,233。
3.3贯入强度验算
公路所在地区月平均气温大于0℃的月份数为7个月，由此得到对应于贯入强度验算的设计车道累计设计轴载作用次数Ne5为18,568,138。
所在地区月平均气温大于0℃的各月份气温平均值为15.0℃。
根据公路等级，参照表3.0.6-1，得到沥青混合料层容许永久变形量为15.0mm。
路面结构系数根据式（5.5.8-2）计算为1.09，沥青混合料层的综合贯入强度由式（5.5.8-3）确定为0.91MPa，根据式（5.5.8-1）,得到沥青混合料层的贯入强度要求值为0.59，所以，拟定的路面结构和材料满足贯入强度要求。
3.4路面低温开裂指数验算
根据气候条件，所在地区低温设计温度T为-28.0℃。
路基类型参数b=3，表面层沥青在-10℃条件下弯曲梁流变试验的劲度模量St为168MPa，由公式（B.5.1）,计算得到低温开裂指数CI=2.9，根据表3.0.6-2，低温开裂指数要求为3.0，所选路面结构及材料满足低温抗裂的要求。
3.5防冻厚度验算
根据调查资料，所大地多年最大冻深为1750mm，由表B.6.1-1、B.6.1-2、B.6.1-3，得到材料热物性系数a=1.20，路基湿度系数b=1.00，路基断面形式系数c=1.05，将这些参数代入公式B.6.1，可得公路多年最大冻深为2205mm。
根据公路多年最大冻深和路基干湿类型，由表B.6.1-4，确定沥青路面结构最小防冻厚度为650mm,路面结构总厚度为720mm,拟定的路面结构满足防冻厚度要求。
4.路基顶面和路表验收弯沉值
根据附录B.7节，确定路基顶面和路表验收弯沉值时，采用落锤式弯沉仪，荷载盘半径为150mm，荷载为50kN。
路基标准状态下回弹模量取92MPa,回弹模量湿度调整系数Ks取0.83,则平衡湿度状态下的回弹模量为76MPa，采用公式（B.7.1）计算得到路基顶面验收弯沉值为244.6（0.01mm）。
采用拟定的路面结构以及各层结构模量值，路基顶面回弹模量采用平衡湿度状态下的回弹模型乘以模量调整系数kl（kl=0.5），为38MPa，根据弹性层状体系理论计算得到路表验收弯沉值la为18.7（0.01mm）。
5.结果汇总
各项验算结果汇总如下表所示：
表6.分析结果汇总
验算内容
计算值
对比值
是否满足
沥青层车辙（mm）
5.8
15.0
是
半刚性层疲劳开裂对应的累积当量轴次
7,584,562,233
726,754,209
是
沥青层贯入强度
0.91
0.59
是
低温开裂指数
2.9
3.0
是
防冻厚度（mm）
720.0
650.0
是
由上表可知，所选路面结构和材料能满足各项验算内容的要求。
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