路基路面课程设计说明书.doc

1、河南城建学院路基路面课程设计说明书 目录第一章 高速公路水泥混凝土路面设计- 1 -1、设计原始资料- 1 -第二章 水泥混凝土路面设计- 1 -2.1 交通分析- 1 -2.2 初拟路面结构- 4 -2.4荷载疲劳应力- 7 -2.5温度疲劳应力- 8-2.6电算混凝土路面设计- 10 -第三章 高速公路沥青路面设计- 13 -3.1初拟路面组合- 13 -3.2交通分析- 14-3.3路面设计弯沉值- 16 -3.4各种材料的容许层底拉应力- 19 -3.5电算沥青路面设计- 20 -第四章 主要参考文献- 28 -一、设计原始资料公路自然区划2拟建一双向六车道高速公路, 当地多年平均最大

2、冻深为1.0米；沿线可采集各种砂、石料，附近有矿渣、炉渣可利用；水泥、石灰、沥青等材料当地可供应。所经地区为粘性土。预测使用初期年平均日交通量见下表，年均增长为6.5%。表一 预测竣工后第一年的交通组成车型解放CA10B解放CA30A东风EQ140黄河JN150黄河JN162黄河JN360长征XD160交通SH141交通量21015014090190100190120二、水泥混凝土路面设计2.1 交通分析（1）标准轴载。我国公路水泥混凝土路面设计规范（JTJ D402002）规定：在水泥混凝土路面设计时，以双轮组单轴轴载100KN（BZZ-100）作为标准轴载。其他各级轴载均应换算成标准轴载。

3、然后在进行混凝土路面设计。对于单轴荷载以其实际作用次数和轴重计，对于双轴荷载，后轴经过一次可视为作用一次，轴重以双轴的总重计。（2）轴载换算：式中：Ns100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；Pi 各级轴载的单轴重或双轴总重（KN）；i轴载系数，单轴时，i=1；双轴时，i=2.22103Pi-0.43。计算结果如下：表二 标准轴载作用次数计算表车型Pi（KN）Ni（辆/d）标准轴载作用次数Ns解放CA10B前轴19.402100.0742后轴60.85解放CA30A前轴29.501503.3710-5后轴236.75东风EQ140前轴23.701400.387后轴69.20黄河JN-150

4、前轴49.0090116.023后轴101.60黄河JN162前轴59.501901777.995后轴115.00黄河JN360前轴50.00100918.996后轴2110.00长征XD160前轴42.619029.297后轴285.20交通SH141前轴25.551208.662后轴55.10合计：Ns=2842.78（3） 交通分级：混凝土路面承受的交通，按使用初期（道路竣工通车后第一年）设计车道每日通过的标准轴载次数Ns（次/d），可分为特重、重、中等及轻四级，以便相应提出不同的技术要求。表三 交通分级交通等级特重重中等轻设计车道标准轴载累计作用次数Ne（104）20001002000

5、31003(4)累计作用次数。设计使用年限内标准轴载（在所求荷位处）的累计作用次数Ne。可按照下式计算确定：t设计使用年限（参考表五）；交通量的平均年增长率；车轮轮迹横向分布系数（参考表四）。表四 轮迹横向分布系数交通组织纵缝边缘处横缝处最大值分向分车道行驶0.170.220.400.55不分车道混合行驶行车道宽大于7m0.340.390.500.60行车道宽不大于7m0.540.620.600.70表五 可靠度设计标准公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路安全等级一级二级三级四级设计基准期（a）30302020目标可靠度（）95908580目标可靠指标1.641.281.040.8

6、4变异水平等级低低中中中高由以上计算和表格知，该水泥混凝土路面拟设计为三车道高速公路，安全等级属于一级，设计基准期为30年，交通量年均增长6.5%，轨迹横向分布系数取为0.22。各级标准荷载换算成标准轴载后，设计车道每日累计作用次数为2842.78次/d，设计使用年限内标准轴载累计作用次数为，属于重交通。2.2 初拟路面结构 由2.1节内容知，高速公路变异水平等级为低，交通等级为重，所以根据表六初拟路面面层260mm，基层采用水泥稳定粒料厚度为180mm,垫层采用低剂量无机结合料稳定土厚度为150mm。表六 水泥混凝土面层厚度的参考范围交通等级特重重公路等级高速一级二级高速一级二级变异水平等级

7、低中低中低中低中面层厚度（mm）260250240270240260230250220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，横缝为设传力杆假缝。2.3 路面材料参数确定按照表七知，水泥混凝土路面弯拉强度标准值取为5.0Mpa，相应弯拉弹性模量为31Gpa。按照表八知，路基回弹模量=30Mpa，。按照表九知，基层的回弹模量取为=1300Mpa，垫层的回弹模量取为=600Mpa。设计基准期内设计车道标准轴载累计作用次数为表七 混凝土弯拉强度标准值交通等级特重重中等轻水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa）5.05.04.54.0表八 中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围(MP

8、a)土 组公路自然区划土质砂26424050395035605060粘质土25453040254530453045粉质土22463254305027433045表九 垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围材料类型回弹模量(胁)材料类型回弹模量(m)中、粗砂80100石灰粉煤灰稳定粒料13001700天然砂砾150200水泥稳定粒料13001700未筛分碎石180220沥青碎石(粗粒式，20)600800级配碎砾石(垫层)200250沥青混凝土(粗粒式，20)8001200级配碎砾石(基层)250350沥青混凝土(中粒式，20)10001400石灰土200700多孔隙水泥碎石(水泥剂量9.511)

9、13001700石灰粉煤灰土600900多孔隙沥青碎石(20，沥青含量2.53.5)600800下面计算公路的基层顶面当量回弹模量： 式中： Et 基层顶面的当量回弹模量(MPa)；E0路床顶面的回弹模量(MPa)；Ex基层和底基层或垫层当量回弹模量(MPa)； E1、E2基层和底基层或垫层的回弹模量(MPa)；hx基层和底基层或垫层的当量厚度(m)； Dx基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度；h1、h2基层和底基层或垫层的厚度(m)； a、b与ExE0有关的回归系数。计算混凝土板的相对刚度半径：式中： r 混凝土板的相对刚度半径(m)；H 混凝土板的厚度(m)；E c水泥混凝土的弯拉弹性模量(M

10、Pa)； Et 基层顶面当量回弹模量(MPa)。2.4 荷载疲劳应力 据公路水泥混凝土路面设计规范（JTGG40-2002）规定：标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力，可由该式确定 。（1）的计算。（2）设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数计算。式中： pr标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力(MPa)； ps标准轴载PS在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力(MPa)；k r考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时，kr =O.87O.92(刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值)；kf 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；kc考虑偏载和动载等因

11、素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查表十确定。表十 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kc1.301.251.201.102.5 温度疲劳应力混凝土面板内的温度沿其截面成非线性分布。它一方面使混凝土面板由于板顶和板底的温度差而产生翘曲应力，另一方面初于板截面的平面变形而产生内应力。温度梯度作用在板边缘中点处产生的温度疲劳应力，可按下式计算确定：式中： tr 临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)；tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)；kt 考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。（1）的计算。式中： tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)；

12、c 混凝土的线膨胀系数(1)，通常可取为110-5；Tg 最大温度梯度，查表十一取用；Bx 综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，可按r和h查用图B.2.2确定； 板长，即横缝间距(m)。表十一 最大温度梯度标准值Tg公路自然区划、最大温度梯度(/m)8883909586929398（2）温度疲劳应力系数kt的计算。式中：a、b和c-回归系数，按所在地区的公路自然区划查表十二确定。表十二 回归系数a、b、c系 数公路自然区划IIIIIVV11a0.8280.8550.8410.8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551

13、.3231.2871.3821.270因此 （3）验证该路面结构能否承受设计基准期内荷载应力和温度应力综合疲劳作用高级公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为95%。据此，目标可靠度系数取为=1.2。验证该路面结构能否承受设计基准期内荷载应力和温度应力综合疲劳作用因此，该路面结构能够承受设计基准期内荷载应力和温度应力综合疲劳作用。2.6 电算水泥混凝土路面设计水泥混凝土路面设计 设 计 内 容 : 新建单层水泥混凝土路面设计 公 路 等 级 : 高速公路 变异水平的等级 : 低 级 可 靠 度 系 数 : 1.25 面 层 类 型 : 普通混凝土面层序 路 面

14、 行 驶 单轴单轮 轴载 单轴双轮 轴载 双轴双轮 轴载 三轴双轮 轴载 交通量号 车 辆 名 称 组的个数 总重 组的个数 总重 组的个数 总重 组的个数 总重 (kN) (kN) (kN) (kN)1 单后轴货车 1 19.4 1 60.85 0 0 0 0 210 2 双后轴货车 1 29.5 0 0 1 73.5 0 0 150 3 单后轴货车 1 23.7 1 69.2 0 0 0 0 140 4 单后轴货车 1 49 1 101.6 0 0 0 0 90 5 单后轴货车 1 59.5 1 115 0 0 0 0 190 6 双后轴货车 1 50 0 0 1 220 0 0 100

15、7 双后轴货车 1 42.6 0 0 1 170.4 0 0 190 8 单后轴货车 1 25.55 1 55.1 0 0 0 0 120 行驶方向分配系数 1 车道分配系数 .7 轮迹横向分布系数 .22 交通量年平均增长率 6.5 混凝土弯拉强度 5 MPa 混凝土弯拉模量 31000 MPa混凝土面层板长度 5 m 地区公路自然区划 面层最大温度梯度 88 /m 接缝应力折减系数 .87 基(垫)层类型-新建公路土基上修筑的基(垫)层层位 基（垫）层材料名称 厚度(mm) 回弹模量(MPa) 1 水泥稳定粒料 180 1300 2 石灰粉煤灰土 150 600 3 土基 30 基层顶面当

16、量回弹模量 ET= 165.5 MPaHB= 240 r= .738 SPS= 1.11 SPR= 3.15 BX= .64 STM= 2.09 KT= .53 STR= 1.1 SCR= 4.25 GSCR= 5.31 RE= 6.2 %HB= 249 r= .766 SPS= 1.06 SPR= 3 BX= .61 STM= 2.07 KT= .52 STR= 1.08 SCR= 4.08 GSCR= 5.1 RE= 2 %HB= 252 r= .775 SPS= 1.04 SPR= 2.95 BX= .58 STM= 2 KT= .51 STR= 1.03 SCR= 3.98 GSCR=

17、 4.98 RE=-.4 %设计车道使用初期标准轴载日作用次数 : 1411 路面的设计基准期 : 30 年设计基准期内标准轴载累计作用次数 : 9786557 路面承受的交通等级 :重交通等级基层顶面当量回弹模量 : 165.5 MPa混凝土面层设计厚度 : 252 mm验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 500 mm新建基(垫)层总厚度 330 mm验算结果表明, 路面总厚度满足路面防冻要求 . 通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下: - 普通混凝土面层 252 mm - 水泥稳定粒料 180 mm - 石灰粉煤灰土 150 mm - 土基 三、沥青路面设计3.1 初拟

18、路面组合 根据该地区的拟建道路的道路等级、使用要求和地质条件，综合考虑材料供应、自然环境因素，拟定合理的路面组合。表十三 各类结构层的最小厚度和适宜厚度结构层类型施工最小厚度（cm）结构层的适宜厚度（cm）沥青混凝土热拌沥青碎石粗粒式5.068中粒式4.046细粒式2.52.54水泥稳定类15.01620石灰稳定类15.01620石灰工业废渣15.01620级配碎、砾石81015泥结碎石81015填隙碎石101012参考表十三，根据交通状况，结构层的最小施工厚度等因素综合考虑，初拟各结构层厚度如下：中粒式沥青混凝土 4cm粗粒式沥青混凝土 6cm水泥稳定碎石 20cm石灰土 16cm3.2 交

19、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底拉应力中的累计当量轴次。轴载换算采用如下的计算公式：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轴次（次/d）： Ni被换算车型的各级轴载作用次数（次/d）； P标准轴载； Pi被换算车型的各级轴载（KN）； 被换算车型的轴数系数； 被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0.38； K被换算车型的轴载级别。当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算；当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数下面公式计算： =1+1.2（m-1）式中：m 轴数。计算结果如下表所

20、示：车型Pi（KN）niN解放CA10B前轴19.4016.42101.072后轴60.851121024.197解放CA30A前轴29.5016.41504.742后轴236.75111503.855东风EQ-140前轴23.7016.41401.708后轴69.201114028.222黄河JN-150前轴49.0016.49025.869后轴101.6119096.434黄河JN-162前轴59.5016.4190127.082后轴115.0011190348.971黄河JN-360前轴50.0016.410031.383后轴2110.0011100302.753长征XD-160前轴42

21、.6016.419029.707后轴285.211190189.320交通SH-141前轴25.5516.41202.030后轴55.10111208.978累计1226.323累计当量轴次按照下式计算：式中：Ne设计年限内一个车道上的累计当量轴次（次/车道）； t 设计年限（年）； 路面竣工后第一年双向日平均标准轴载的当量轴次（次/日）； 车道系数；设计年限内交通量年平均增长率。查规范得表十四、十五表十四 各级公路的沥青路面设计年限公路等级设计年限（年）公路等级设计年限（年）高速公路、一级公路15二级公路12表十五 车道系数车道特征车道特征双向单车道1.0双向六车道0.3-0.4双向两车道0

22、.6-0.7双向八车道0.25-0.35双向四车道0.4-0.5因此按照公式可得:3.3 路面设计弯沉值 路面设计弯沉值是路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据。设计弯沉值根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按照下式计算确定： 式中：路面设计弯沉值； 设计年限内一个车道上的累计当量轴次； 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，沥青混凝土面层为1.0；热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌下惯或贯入式路面为1.1；沥青表面处治为1.2；基层类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0；柔性基层沥青路面为1.6。因此计算路面

23、设计弯沉值为：表十六 基层、底基层材料设计参数材料名称配合比或规格要求抗压模量E（MPa）弯沉计算用抗压模量E（MPa）拉应力计算用劈裂强度（MPa）水泥砂粒4611001500300042000.40.6水泥碎石4613001700300042000.40.6二灰砂粒7:13:8011001500300042000.60.8二灰碎石8:17:8013001700300042000.50.8石灰水泥粉煤灰砂粒6:3:16:7512001600270037000.40.55水泥粉煤灰碎石4:16:8013001700240030000.40.55石灰土碎石粒料607001100160024000

24、.30.4碎石灰土粒料4050600900120018000.250.35水泥石灰砂粒土4:3:25:688001200150022000.30.4二灰土10:30:60600900200028000.20.3石灰土812400700120018000.20.25石灰土处理路基47200350级配碎石基层连续级配型300350基层骨架密实型300500底基层、垫层200250表十七 沥青混合材料设计参数材料名称抗压模量E（MPa）劈裂强度15（MPa）备注2015细粒式沥青混凝土密集配12001600180022001.21.6AC-10,AC-13开级配7001000100014000.61

25、.0OGFC沥青马蹄脂碎石12001600160020001.41.9SMA中粒式沥青混凝土10001400160020000.81.2AC-16,AC-20密集配粗粒式沥青混凝土8001200100014000.60.8AC-25沥青碎石基层密集配10001400120016000.61.0ATB-25,ATB-35半开级配600800AM-25,AM-40沥青贯入式400600查表十六，表十七，得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取20的模量，各值均取规范给定的中值如下表：结果一材料名称抗压模量E（MPa）劈裂强度15（MPa）备注20 15 中粒式沥青混凝土120018001.0A

26、C-16,AC-20密集配粗粒式沥青混凝土100012000.8AC-25结果二材料名称配合比或规格要求抗压模量E（MPa）劈裂强度15（MPa）弯沉计算用拉应力计算用水泥稳定碎石5%150034000.5石灰土8%-12%60018000.25土基回弹模量的确定：该地区属于道路1区，为粘性土，稠度为1.0，山岭重丘区，查二级自然区划各土组土基回弹模量参考值得土基回弹模量为30Mpa。3.4 各层材料的容许层底拉应力中粒式沥青混凝土：粗粒式沥青混凝土：水泥稳定碎石：石灰土：设计弯沉值为29.00mm，以石灰土为设计层。相关设计资料汇总如下表：材料名称h(cm)20抗压模量E（MPa）容许拉应力

27、（MPa）中粒式密集配沥青混凝土（AC-16）412000.397密集配粗粒式沥青混凝土610000.317水泥稳定碎石1815000.270石灰土166000.1053.5电算沥青路面设计* *新建路面设计成果文件汇总* * 轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算序号 车 型 名 称 前轴重(kN) 后轴重(kN) 后轴数 后轴轮组数 后轴距(m) 交通量 1 解放CA10B 19.4 60.85 1 双轮组 210 2 解放CA30A 29.5 36.75 2 双轮组 3 150 3 东风EQ140 23.7 69.2 1 双轮组 140 4 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 9

28、0 5 黄河JN162 59.5 115 1 双轮组 190 6 黄河JN360 50 110 2 双轮组 3 100 7 长征XD160 42.6 85.2 2 双轮组 3 190 8 交通SH141 25.55 55.1 1 双轮组 120 设计年限 15 车道系数 .35 交通量平均年增长率 6.5 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时 :路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 1226 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 3787448 当进行半刚性基层层底拉应力验算时 :路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 1302 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 4022232 公路等级

29、 高速公路公路等级系数 1 面层类型系数 1 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 29 (0.01mm)层位 结 构 层 材 料 名 称 劈裂强度(MPa) 容许拉应力(MPa) 1 细粒式沥青混凝土 1.4 .56 2 中粒式沥青混凝土 1 .4 3 粗粒式沥青混凝土 .8 .29 4 石灰粉煤灰碎石 .6 .32 5 石灰土 .25 .1 6 天然砂砾 新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 6 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 29 (0.01mm) 路面设计层层位 : 5 设计层最小厚度 : 20 (cm) 层位 结 构 层 材

30、料 名 称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MPa) 容许应力(MPa) (20) (15) 1 细粒式沥青混凝土 3 1400 2000 .56 2 中粒式沥青混凝土 4 1200 1600 .4 3 粗粒式沥青混凝土 6 900 1200 .29 4 石灰粉煤灰碎石 20 1500 1500 .32 5 石灰土 ? 550 550 .1 6 天然砂砾 15 150 150 7 土基 36 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 29 (0.01mm) H( 5 )= 20 cm LS= 29 (0.01mm) 由于设计层厚度 H( 5 )=Hmin时 LS=LD, 故弯沉计算已

31、满足要求 . H( 5 )= 20 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 5 )= 20 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 20 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 20 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 20 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 20 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 20 cm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 20 cm(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 40 cm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 . 竣工验收弯沉值和层底拉应力计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 6 标 准 轴 载 : BZZ-100 层位 结 构 层 材 料 名 称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MPa) 计算信息 (20) (15) 1 细粒式沥青混凝土 3 1400 2000 计算应力 2 中粒式沥青混凝土 4 1200 1600 计算应力 3 粗粒式沥青混凝土 6 900 1200 计算应力 4 石灰粉煤灰碎石 20 1500 1500 计算应力 5 石灰土 20 550 550 计算应力 6 天然砂砾 15 150