路基路面工程课程设计参考资料.docx
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路基路面工程课程设计参考资料
一、设计原始资料…………………………………………………2
二、混凝土路面设计…………………………………………………2
1交通分析…………………………………………………2
2初拟路面结构…………………………………………………4
3路面材料参数确定…………………………………………………4
4荷载疲劳应力…………………………………………………6
5温度疲劳应力计算…………………………………………………7
6电算水泥混凝土路面设计…………………………………………………9
三、沥青路面设计…………………………………………………12
1初拟路面结构组合…………………………………………………12
2交通分析…………………………………………………12
3路面设计弯沉值…………………………………………………15
4各层材料的容许层底拉应力…………………………………………………17
5电算沥青路面设计…………………………………………………18
主要参考文献…………………………………………………28
一.设计资料
公路自然区划II1拟建一双车道二级公路,该地区为粘性土,稠度为1.0,山岭重丘区.沿线的工程地质及水文地质良好。
山体附近有多处采石厂，砂石材料丰富,其他材料均需外购。
拟设计道路路基宽度10米，路面宽度7.5米，路肩宽度1.25米，其中硬路肩宽度0.75米，土路肩宽度0.5米。
所经地区多处为粘性土。
根据最新路网规划,预测使用初期年平均日交通量见下表,年平增长为5%。
表一预测竣工后第一年的交通组成
车型
解放CA10B
东风EQ-140
日野KB222
黄河
JN-150
小汽车
辆/d
1600
1400
60
60
1450
二、混凝土路面设计
2.1交通分析
查规范，二级公路的设计基准期为20年，安全等级为三级。
水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。
不同轴-轮型和轴载的作用次数，按式（3.04-1）换算为标准轴载的作用次数。
（3.0.4-1）
（3.0.4-2）
或
（3.0.4-3）
或
（3.0.4-4）
式中：
Ns——100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；
Pi——单轴-单轮、单轴-双轮组或三轴-双轮组轴型
级轴载的总重（KN）；
——轴型和轴载级位数；
——各类轴型
级轴载的作用次数；
——轴-轮型系数，单轴-双轮组时，
=1；单轴-单轮时，按式（3.0.4-2）计算；双轴-双轮组时，按式（3.0.4-3）计算;三轴-双轮组时,按式（3.0.4-4）计算。
由已知资料计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数见下表：
车型
轴重
δi
交通组成
当量轴次
解放CA-10B
前轴
19.40
620.2949
1600
0.5653
后轴
60.85
1
东风EQ-140
前轴
23.70
569.1296
1400
3.8711
后轴
69.20
1
日野KB222
前轴
50.20
412.1453
60
118.0815
后轴
104.30
1
黄河JN-150
前轴
49.00
416.4556
60
77.3482
后轴
101.60
1
小汽车
前轴
--
556.21
1450
0.0000
后轴
--
1
合计
199.866
由表二可知，二级公路的设计基准期为20年，安全等级为三级。
由表三可
知,临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.39。
取交通量年平均增长率为5％。
按下式计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为：
式中：
Ne——标准轴载累计作用次数；
T——设计基准期；
gr——交通量年平均增长率；
η——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按表三选用
由表四查得，属重交通等级。
表二可靠度设计标准
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）
30
30
20
20
目标可靠度（％）
95
90
85
80
目标可靠指标
1.64
1.28
1.04
0.84
变异水平等级
低
低～中
中
中～高
表三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～O．39
行车道宽≤7m
O．54～0.62
注：
车道或行车道宽或者交通量较大时，取高值；反之，取低值。
表四交通分级
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）
＞2000
100～2000
3～100
＜3
表五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
低
中
低
中
低
中
低
中
面层厚度（mm）
≥260
≥250
≥240
270～240
260～230
250～220
交通等级
中等
轻
公路等级
二级
三、四级
三、四级
三、四级
变异水平等级
高
中
高
中
高
中
面层厚度（mm）
240～210
230～200
220～200
≤230
≤220
2.2初拟路面结构
由表二可知，相应于安全等级三级的变异水平等级为中级。
根据二级公路、重交通等级和中级变异水平等级，查表五初拟普通混凝土面层厚度为O.24m。
基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5％），厚0.19m。
垫层为0.16m石灰粉煤灰土。
普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m，长4.5m。
纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆假缝。
1）纵向接缝的布设应路面宽度和施工铺筑宽度而定：
——一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝，构造如图一所示；
⏹一次铺筑宽度大于4.5m时，应设置纵向缩缝，构造如图二所示。
2）每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处，构造如图三所示。
3）横向缩缝可等间距或变间距布置，采用假缝形式,因本设计为重等交通公路，所以采用设传力杆的假缝，构造如图四所示。
2.3路面材料参数确定
按表六，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。
表六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）
5.0
5.0
4.5
4.0
钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）
6.0
6.0
5.5
5.0
表七中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围（MPa）
土组
公路自然区划
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
土质砂
26～42
40～50
39～50
35～60
50～60
粘质土
25～45
30～40
25～45
30～45
30～45
粉质土
22～46
32～54
30～50
27～43
30～45
查表七，路基回弹模量取35MPa。
查表八，石灰粉煤灰土垫层回弹模量取800MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取1600MPa。
按下式计算基层顶面当量回弹模量如下：
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（MN-m）；
h1、h2——基层和底基层或垫层的厚度（m）；
a、b——与Ex／E0有关的回归系数。
普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算如下：
式中：
r——混凝土板的相对刚度半径（m）；
H——混凝土板的厚度（m）；
Ec——水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa）；
Et——基层顶面当量回弹模量（MPa）
表八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
80～100
石灰粉煤灰稳定粒料
1300～1700
天然砂砾
150～200
水泥稳定粒料
1300～1700
未筛分碎石
180～220
沥青碎石（粗粒式，20℃）
600～800
级配碎砾石（垫层）
200～250
沥青混凝土（粗粒式，20℃）
800～1200
级配碎砾石（基层）
250～350
沥青混凝土（中粒式，20℃）
1000～1400
石灰土
200～700
多孔隙水泥碎石（水泥剂量9.5％～11％）
1300～1700
石灰粉煤灰土
600～900
多孔隙沥青碎石（20℃，沥
青含量2.5％～3.5％）
600～800
2．4荷载疲劳应力
按下式，标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为
式中：
σps——标准轴载PS在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力（MPa）；
r——混凝土板的相对刚度半径（m），按式（B.1.3-2）计算；
h——混凝土板的厚度（m）；
因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数kr=O.87。
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，由表九，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc=1.20。
表九综合系数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
按式下式，荷载疲劳应力计算为
式中：
σpr——标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）；
σps——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）；
kr——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.87～O.92（刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值）；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时，kr=1.O；纵缝为设拉杆的企口缝时，kr=0.76～O.84；
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素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查表八确定。
2．5温度疲劳应力
由表十，Ⅱ区最大温度梯度取88（℃／m）。
板长4.5m，
=4.5／0.7031=6.4，由图B2.2.可查普通混凝土板厚h=0.24m，Bx=O.63。
表十最大温度梯度标准值Tg
公路自然区划
Ⅱ、Ⅴ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅵ
Ⅶ
最大温度梯度（℃/m）
88～83
90～95
86～92
93～98
注：
海拔高时，取高值；湿度大时，取低值。
最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为
式中：
σtm——最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力（MPa）；
αc——混凝土的线膨胀系数（1／℃），通常可取为1×10-5／℃；
Tg——最大温度梯度，查表九取用；
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）。
温度疲劳应力系数kt，按式（B．2．3）计算为
式中：
a、b和c——回归系数，按所在地区的公路自然区划查表十一确定
表十一回归系数a、b和c
系数
公路自然区划
II
III
Ⅳ
V
Ⅵ
V11
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
再由下式计算温度疲劳应力为
式中：
σtr——临界荷位处的温度疲劳应力（MPa）；
σtm——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。
查表二，二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％。
再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表十二，确定可靠度系数
=1.13。
表十二可靠度系数
变异水平等级
目标可靠度（％）
95
90
85
80
低
1.20～1.33
1.09～1.16
1.04～1.08
—
中
1.33～1.50
1.16～1.23
1.08～1.13
1.04～1.07
高
—
1.23～1.33
1.13～1.18
1.07～1.11
注：
变异系数在表3.0.2所示的变化范围的下限时，可靠度系数取低值；上限
时取高值。
按下式：
因而，所选普通混凝土面层厚度（O.24m）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。
2．6验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:
二级公路
变异水平的等级:
中级
可靠度系数:
1.13
面层类型:
普通混凝土面层
序路面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单后轴客车119.4160.8500001600
2单后轴货车123.7169.200001400
3单后轴货车150.21104.3000060
4单后轴货车1491101.6000060
5其他车12012000001450
行驶方向分配系数1车道分配系数1
轮迹横向分布系数.39交通量年平均增长率5％
混凝土弯拉强度5MPa混凝土弯拉模量31000MPa
混凝土面层板长度4.5m地区公路自然区划Ⅱ
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1901600
2石灰粉煤灰土160800
3土基30
基层顶面当量回弹模量ET=191.3MPa
HB=240r=.703SPS=1.08SPR=2.47
BX=.63STM=2.07KT=.52STR=1.08
SCR=3.55GSCR=4.01RE=-19.8%
设计车道使用初期标准轴载日作用次数:
200
路面的设计基准期:
20年
设计基准期内标准轴载累计作用次数:
941388
路面承受的交通等级:
中等交通等级
基层顶面当量回弹模量:
191.3MPa
混凝土面层设计厚度:
240mm
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240mm
---------------------------------------
水泥稳定粒料190mm
---------------------------------------
石灰粉煤灰土160mm
---------------------------------------
土基
三、沥青路面设计
1初拟路面结构组合
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
二灰稳定砂砾20cm
二灰土？
2交通分析
根据表十三可知，二级公路沥青路面的设计年限为12年。
表十三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
三级公路
8
二级公路
12
四级公路
6
（1）当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载均应按如下公式换算成标准轴载P的当量作用次数N。
①准轴载的当量轴次N：
=192.5+299.3+91.22+81.54=664.56（次/d）
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）；
C1——被换算车型的轴数系数；
C2——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：
C1=1+1.2（m-1）
式中：
m——轴数。
列表如下：
车型
轴重
C1
C2
η
η1
交通组成
当量轴次
解放CA-10B
前轴
19.40
1
6.4
0.0051
0.1230
1600
192.5
后轴
60.85
1
1
0.1152
东风EQ-140
前轴
23.70
1
6.4
0.0122
0.1203
1400
299.3
后轴
69.20
1
1
0.2061
日野KB222
前轴
50.20
1
6.4
0.3193
1.5203
60
91.22
后轴
104.30
1
1
1.2010
黄河JN-150
前轴
49.00
1
6.4
0.2874
1.3589
60
81.54
后轴
101.60
1
1
1.0715
小汽车
前轴
--
1
6.4
0.0000
0.0000
1450
0.00
后轴
--
1
1
0.0000
合计
664.56
②计年限内一个车道的累计当量标准轴次Ne，按下式计算：
（次/车道）
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）；
η——车道系数，参照《规范》表3.0.4-1，无分隔带的双车道η＝0.6~0.7；
γ——设计年限内交通量年平均增长率。
（2）当以半刚性材料层的拉应力为指标时，各级轴载均应按如下公式换算成标准轴载P的当量作用次数N。
①标准轴载的当量轴次N：
=264.32（次/日）
式中：
N——准轴载的当量轴次（次/日）；
ni——设计第一年被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）；
Pi——被换算车型的各级轴载（KN）；
C1′——轴数系数，
，式中m——轴数；
C2′——轮组系数，单轴组为18.5，双轮组为1.0，四轮组为0.09。
列表计算如下：
车型
轴重
C1
C2
η
η1
交通组成
当量轴次
解放CA-10B
前轴
19.40
1
18.5
0.0000
0.0188
1600
30.13
后轴
60.85
1
1
0.0188
东风EQ-140
前轴
23.70
1
18.5
0.0002
0.0528
1400
73.87
后轴
69.20
1
1
0.0526
日野KB222
前轴
50.20
1
18.5
0.0746
1.4751
60
88.51
后轴
104.30
1
1
1.4005
黄河JN-150
前轴
49.00
1
18.5
0.0615
1.1969
60
71.81
后轴
101.60
1
1
1.1354
小汽车
前轴
--
1
18.5
0.0000
0.0000
1450
0.00
后轴
--
1
1
0.0000
合计
264.32
②计年限内一个车道的累计当量标准轴次Ne，按下式计算：
（次/车道）
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）；
γ——设计年限内交通量的平均增长率（5%）；
η——车道系数，参照《规范》表十四，无分隔带的双车道η＝0.7
表十四车道系数
车道特征
η
车道特征
η
双向单车道
1.0
双向六车道
0.3～0.4
双向两车道
0.6～0.7
双向八车道
0.25～0.35
双向四车道
0.4～0.5
3路面设计弯沉值
路面设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据。
路面设计弯沉值应根据公路等级、在设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按下式计算确定：
cm
式中：
——路面设计弯沉值；
Ne——设计年限内一个车道上的累计当量轴次；
Ac——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；
As——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；中、低级路面为1.3；
Ab——基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度大于或等于20cm时为1.0；若面层与半刚性基层结构时可取1.0；柔性基层、底基层为1.6，当柔性基层厚度大于15cm、底基层为半刚性下卧层时可取1.6.。
表十五基层、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б（MPa）
水泥砂粒
4﹪～6﹪
1100～1500
3000～4200
0.4～0.6
水泥碎石
4﹪～6﹪
1300～1700
3000～4200
0.4～0.6
二灰砂粒
7:
13:
80
1100～1500
3000～4200
0.6～0.8
二灰碎石
8:
17:
80
1300～1700
3000～4200
0.5～0.8
石灰水泥粉煤灰砂粒
6:
3:
16:
75
1200～1600
2700～3700
0.4～0.55
水泥粉煤灰碎石
4:
16:
80
13
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