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道路工程课程设计

道路工程课程设计任务书

一、设计资料

广州地区新建XXX—级公路，经调查沿线路基土质为高液限粘土，填方路基高1.2m,地下水位距路床1.6~2.6m根据学号循环选定一个值），沿线可开采碎石、砂砾，并有粉煤灰、石灰、水泥等材料供应。

本公路位于广东省境内，是我国重要的公路干线之一，具有重要的政治、经济和国防意义。

路基宽度按双向四车道设计，试分别设计水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的结构层次，并计算出结构层的合理厚度，水泥混凝土路面还需进行接缝设计。

1.交通组成

近期交通量如下：

预测该路竣工后第一年的交通组成如下表，使用期内交通量的年平均增长率为：

_%

车型

车辆数

车型

车辆数

2.路用材料

沿线地方材料：

砾石、砂、石灰、碎石、电厂粉煤灰、矿渣外购材料：

沥青、水泥、矿粉

各材料工程性质由试验确定。

二、设计要求

（一）沥青路面设计

1、推算设计年限内一个车道的累计当量轴次；

2、拟定路面结构组合（选用两种结构作比较）；

3、确定路面设计弯沉值；

4、确定路面土基回弹模量值；

5、路面结构厚度设计（进行路表弯沉、层底应力计算）；

6、方案比选；

7、编制设计说明书。

（二）水泥路面设计

1、确定设计基准期和标准轴累计作用次数；

2、确定交通等级；

3、确定板的平面尺寸并初拟路面结构组合和板厚；

4、确定材料的力学参数；

5、确定基层顶面的当量回弹模量；

6、计算荷载疲劳应力和重载最大应力；

7、计算温度疲劳应力；

8、检查设计和验算标准，确定路面结构；

9、编制设计说明书。

三、个人设计参数选取（单人单题）每位同学按一级公路重交通及以上公路标准，准备交通资料中的车型、车辆数和交通增长率，然后通过班长组织的抽签方式选用其他同学提供的交通资料进行路面设计。

要求至少选取五种车型，必须保证其中至少一种车型后轴距大于3m,至少一种车型后轴距小于3m,其它自定。

交通量年平均增长率按3-7%考虑。

四、需提交的文件和图纸

一）详细的设计计算书

1、沥青混凝土路面：

1确定结构方案；

2确定设计参数；

3计算待求层厚度；

4弯拉应力验算。

2、水泥混凝土路面

1确定结构方案；

2确定设计参数；

3初拟混凝土板尺寸；

4应力验算；

5接缝设计。

）提交如下设计图（A3图幅，比例自定，最好用计算机绘制）

1、路面结构图；

2、水泥混凝土路面平面设计、接缝构造图和配筋图。

五、考核要求和标准

1、按指导教师的要求按时到设计教室独立、认真完成课程设计，平时表现占总成绩的30%；

2、课程设计中内容详尽、方案合理、计算准确、图表规范、文字表述流畅等方面占70%。

道路工程课程设计计算书

1.设计资料

广州地区新建XXX—级公路，经调查沿线路基土质为高液限粘土，填方路基高1.2m,地下水位距路床2.6m，沿线可开采碎石、砂砾，并有粉煤灰、石灰、水泥等材料供应。

本公路位于广东省境内，是我国重要的公路干线之一，具有重要的政治、经济和国防意义。

路基宽度按双向四车道设计，试分别设计水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的结构层次，并计算出结构层的合理厚度，水泥混凝土路面还需进行接缝设计。

1.1交通量

近期交通量如下：

预测该路竣工后第一年的交通组成如下表，使用期内交通量的年平均增长率为：

5%

序号

车型

前轴重（kN）

后轴重（kN）

后轴数

后轴轮组数

后轴距

（m）

车辆数（辆/日）

1

奔驰

LPK709

22.00

44.00

1

2

0

1500

2

亚洲

ZQ6600

15.50

27.50

1

2

0

900

3

大力

SH1261

60.00

100.00

2

2

2

800

4

太脱拉

111

38.70

74.00

2

2

2

750

5

黄海

DD690

56.00

104.00

2

2

4

720

1.2路用材料

沿线地方材料：

砾石、砂、石灰、碎石、电厂粉煤灰、矿渣外购材料：

沥青、水泥、矿粉

各材料工程性质由试验确定。

2.沥青路面设计

2.1轴载分析计算

2.1.1以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，换算为标准轴P的当量轴次N

根据《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2006由以下公式计算：

N'C1C2n』）4"5

i1p

标准轴载P=100kN

C为轮组系数：

双轮组为1，单轮组为6.4，四轮组为0.38。

G为轴数系数：

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按以下公式计算：

C2=1+1.2（m-1）0

车

型

R（kN）

C1

C2

C1C2n1（善）435

奔驰

前轴

22.00

6.4

1

1500

13.24

LPK709

后轴

44.00

1

1

1500

42.18

亚洲

前轴

15.50

6.4

1

900

1.73

ZQ6600

后轴

27.50

1

1

900

3.28

大力

前轴

60.00

6.4

1

800

554.92

SH1261

后轴

100.00

1

2.2

800

1600.00

太脱拉

前轴

38.70

6.4

1

750

77.23

111

后轴

74.00

1

2.2

750

404.81

黄海

前轴

56.00

6.4

1

720

369.94

DD690

后轴

104.00

1

2

720

1878.67

G。

2门1（?

）4.35

4945.99

2.1.2进行半刚性基层层底拉应力验算时，换算为标准轴P的当量轴次N'

N'

Pi8

C1C2ni（-）

P

G为轮组系数：

双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。

车

型

R（kN）

C1

C2

C1C2n1（_P）

奔驰

前轴

22.00

18.5

1

1500

0.15

LPK709

后轴

44.00

1

1

1500

2.11

亚洲

前轴

15.50

18.5

1

900

0.01

ZQ6600

后轴

27.50

1

1

900

0.03

大力

前轴

60.00

18.5

1

800

248.58

SH1261

后轴

100.00

1

3

800

2400.00

太脱拉

前轴

38.70

18.5

1

750

6.98

111

后轴

74.00

1

3

750

202.32

黄海

前轴

56.00

18.5

1

720

128.83

DD690

后轴

104.00

1

2

720

1970.74

GC2n'?

）8

4959.74

C2为轴数系数：

以拉应力为设计指标时，双轴或多轴的轴数系数按下式计算:

C2=1+2（m-1）

2.1.3设计年限内一个车道上的累计当量轴次数

拟建公路为一级公路，路面的设计年限为15年，使用期内交通量的平均增长率为5%按双向四车道设计，车道系数取n=0.4。

a.以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，设计年限内一个车道上的累计当量轴次数：

Ne365（1r）t1N1r

15

365（15%）14945.990.415582194次

5%

b.当进行半刚性基层层底拉应力验算时，设计年限内一个车道上的累计当量轴次数:

累计当量轴次数大于1200万次/车道，交通等级为重交通，应属于高级路面

2.2路面结构设计方案一

2.2.1结构组合与材料选取

根据《规范》表4.1.3-1和表4.1.5选定路面结构：

4cm细粒式沥青混凝土+6cm中粒式沥青混凝土+8cm粗粒式沥青混凝土+20cm水泥稳定碎石基层+石灰土底基层，以石灰土底基层为设计层。

2.2.2各层材料的抗压模量与劈裂模量

查《公路沥青路面设计规范》（JTGD502006）附录表E,得到各层材料的抗压回弹模量和劈裂强度如下：

各层材料的抗压回弹模量和劈裂强度

材料名称

细粒式沥青

混凝土

中粒式沥青

混凝土

粗粒式沥青

混凝土

水泥稳定碎

石

石灰土底基

层

20C抗压回弹

1400

1200

1000

1500

550

模量E（MPa）

劈裂强度

1.4

1.0

1.0

0.5

0.225

d（Mpa）

2.2.3路基回弹模量的确定

土质为高液限粘土，地区所在的自然区为W7,,根据《规范》附录F,得：

干燥、中

湿和潮湿状态下的路基临界高度分别为：

比1.7~1.8；H21.4~1.5;H31.1~1.2<

路床表面至地下水位的高度H=2.6m根据《规范》表5.1.4-2得土基的干湿类型为干燥。

根据《规范》表5.1.4-1，由土基的干湿类型和土质查得，土基的平均稠度①c=1.10。

根

据《规范》附录F,由路基土的平均稠度，自然区划和土质，得土基回弹模量丘=40Mpa

2.2.4设计指标的确定：

（1）设计弯沉值计算：

根据《规范》8.05:

币600Ne°2AcAsAb

对一级公路，公路等级系数A=1.0;沥青混凝土路面，面层类型系数As=1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm基层类型系数A=1.0

0202

Id600Ne.AcAsAb60015582194.1.01.01.021.86（0.01mn）

（2）

各层容许拉应力：

沥青混凝土层:

石灰土:

Ac

2.2.5设计资料总结

层位

结构层材料名称

厚度

mm）

20r抗压模

量（MPa

劈裂强度（MPa

容许应力

（MPa

1

细粒式沥青混凝土

40

1400

1.4

0.41

2

中粒式沥青混凝土

60

1200

1.0

0.29

3

粗粒式沥青混凝土

80

1000

1.0

0.29

4

水泥稳定碎石

200

1500

0.5

0.23

5

石灰土

?

550

0.225

0.08

6

新建路基

——

40

——

——

2.2.6确定石灰土层厚度

运用HPDS200公路路面设计程序系统进行计算。

计算机计算成果如下:

（1）按设计弯沉值计算设计层厚度:

LD=21.8（0.01mm）

H（5）=343mm（

H（5）=343mm（通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改最后得到路面结构设计结果如下:

细粒式沥青混凝土

40mm

中粒式沥青混凝土

60mm

粗粒式沥青混凝土

80mm

水泥稳定碎石碎石

200mm

石灰土

350mm

新建路基

2）交工验收弯沉值和层底拉应力计算

计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值

LS=21.6（0.01mm）

LS=23.6（0.01mm）

LS=26.8（0.01mm）

第1层路面顶面交工验收弯沉值第2层路面顶面交工验收弯沉值第3层路面顶面交工验收弯沉值

第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=70.6（0.01mm）路基顶面交工验收弯沉值LS=232.9（0.01mm）

计算新建路面各结构层底面最大拉应力:

（未考虑综合影响系数）

（T

（1）=-.177（MPa）

（T

（2）=-.056（MPa）

（T（3）=-.042（MPa）

（T（4）=.103（MPa）

（T（5）=.062（MPa）

第1层底面最大拉应力第2层底面最大拉应力第3层底面最大拉应力第4层底面最大拉应力第5层底面最大拉应力

通过计算机设计得到确定石灰土层的厚度为35cm实际路面结构的实测弯沉值为

21.8（0.01mmv21.86（0.01mm,水泥稳定碎石层层底的最大拉应力为0.103Mpav0.23Mpa,石灰土层层底的拉应力为0.062Mpav0.08Mpa,上述计算结果均满足设计要求

2.3路面结构设计方案二

2.3.1结构组合与材料选取

选定路面结构：

4cm细粒式沥青混凝土+8cm中粒式沥青混凝土+10cm粗粒式沥青混

凝土+粗粒式半开级配沥青碎石+20cm级配碎石底基层，以粗粒式班开级配沥青碎石为设计层。

2.3.2设计资料总结

层位

结构层材料名称

厚度

mm）

20C抗压模

量（MPa

劈裂强度

（MPa

容许应力

（MPa

1

细粒式沥青混凝土

40

1400

1.4

0.41

2

中粒式沥青混凝土

80

1200

1.0

0.29

3

粗粒式沥青混凝土

100

1000

1.0

0.29

4

粗粒式半开级配沥青碎石

?

700

-

-

5

级配碎石

200

220

-

-

6

新建路基

——

40

——

——

2.2.3确定粗粒式半开级配沥青层厚度

（1）按设计弯沉值计算设计层厚度：

LD=21.8（0.01mm）

H（4）=80mmLS=3（0.01mm）

由于设计层厚度H（4）=Hmin时LS<=LD,

故弯沉计算已满足要求.

H（4）=80mm（仅考虑弯沉）按容许拉应力计算设计层厚度:

细粒式沥青混凝土60mm

中粒式沥青混凝土80mm

粗粒式沥青混凝土100mm

粗粒式半开级配碎石层80mm

级配碎石200mm

新建路基

2）交工验收弯沉值和层底拉应力计算

计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值

路基顶面交工验收弯沉值LS=232.9（0.01mm）

计算新建路面各结构层底面最大拉应力:

（未考虑综合影响系数）

（T

（1）=-.169（MPa）

（T

（2）=.035（MPa）

（T（3）=.132（MPa）

第1层底面最大拉应力

第2层底面最大拉应力

第3层底面最大拉应力

通过计算机设计得到确定粗粒式半开级配碎石层的厚度为80cm实际路面结构的实

测弯沉值为21.8（0.01mmv21.86（0.01mm）,细粒式沥青混凝土层的最大拉应力为0.132Mpav0.29Mpa,上述计算结果均满足设计要求。

3.水泥混凝土路面设计

3.1标准轴载及轴载换算

根据《公路水泥混凝土路面设计规范》

JTGD40-2011，其计算公式如下：

Ns

16

"IMP

iNi

i1100

i为轴-轮型系数，单轴-双轮组时，

i1;单轴-单轮组时，按式i2.22103Pi0.43

计算；双轴-双轮组时，按式i1.07105R0.22计算；三轴-双轮组时，按i2.24105P0.22

计算。

根据设计交通车辆资料，得标准轴载作用次数如下表:

标准轴载作用次数

车

型

R（kN）

i

5（$

奔驰

前轴

22.00

587.64

1500

0.00

LPK709

后轴

44.00

1.00

1500

0.00

亚洲

前轴

15.50

683.14

900

0.00

ZQ6600

后轴

27.50

1.00

900

0.00

大力

前轴

60.00

381.72

800

186.15

SH1261

后轴

100.00

0.00

800

0.00

太脱拉

前轴

38.70

460.93

750

0.09

111

后轴

74.00

0.00

750

0.00

黄海

前轴

56.00

393.22

720

26.48

DD690

后轴

104.00

0.00

720

0.00

r/P1\16in1（B）

212.72

设计车道标准轴载累计作用次数:

一级水泥混泥土公路的设计年限为30年，临界荷位的车辆车辆轮迹横向分布系数取

0.2，交通量年平均增长率为5%

根据交通标准轴载作用累计次数的分级，可得本设计交通分级为重级交通。

3.2初拟路面结构

初拟普通混凝土面层厚度为0.24m,基层选用0.20m厚水泥稳定粒料，垫层选用0.15m级配砾石。

普通混凝土板的平面尺寸为长5m宽4.5m。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传

力杆的假缝。

3.3路面材料参数确定

取普通混凝土面层的弯拉强度标准值fr=5.0Mpa,相应弯拉弹性模量标准值Ec=31Gpa

泊松比为0.15，砾石粗集料混凝土的线膨胀系数c11106/°C。

根据《规范》附录E:

路基回弹模量E0=40Mpa取距地下水位2.6m时的湿度调整系数为0.83，由此，路床顶综

合回弹模量取为40083332MPa。

水泥稳定粒料基层回弹模量Ei=2000Mpa泊松比取

0.20。

级配砾石回弹模量E=250Mpa

板底地基综合当量回弹模量如下：

nn

2222

Ex（hiEi）/hihiEi/hi250MPa

i11i1n

hxhih10.15

i1

0.261n（hx）0.86

0.26In（0.15）0.860.348

板底地基综合当量回弹模量Et取为70Mpa

混凝土面层板的弯曲刚度De,半刚性基层板的弯曲刚度Db，路面结构的相对刚度半径

rg计算为:

3.4荷载疲劳应力计算：

标准轴载和极限荷载在临界荷位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kr=0.87，考虑设计基准期内荷

由《规范》附录B得，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏的影响的综合系数kc1.10

荷载疲劳应力计算为:

pr

krkfkcps0.872.2001.101.823.83MPa

p,maxkrkcpm0.871.101.891.81MPa

3.5温度疲劳应力分析：

由《规范》得:

IV7区最大温度梯度取92（oC/m）

kn

1/九hb、

2它i：

）

1（0.24

2（31000

220）14641MPa/a

2000

1/4

1/4

DcDb

36.531.39

0.130MPa/a

（DcDb）kn

knrg

kn

Dc

r4Dc

5.0

（36.531.39）4641

3rg

30.986

Cl

Bl

3r

rg

1.69

43

46410.98636.530.130

43

46410.13036.530.986

（1）sinh（1.69）cos（1.69）cosh（1.69）sin（1.69）〔

（1）sin（1.69）cos（1.69）sinh（1.69）cosh（1.69）

1.77e4.48hc

CL0.131（1CL）1.77e4.480.24

0.713

0.28

（1）0.367

10.28

0.131（10.713）

0.713

0.393

计算面层最大温度应力:

t,max

cEchcTg

Bl

11106310000.2492

0.393

1.468

计算温度疲劳应力系数:

自然区划为V7区，由《规范》得,

at

0.841,

bt1.323,ct0.058

kt

r

-at

tm

tm

ct500.841

1.468

1.468

5.0

1.323

0.0580.368

计算温度疲劳应力:

tr

t,max

0.3681.4680.540

3.6应力复核

由《规范》得：

一级公路的安全等级为二级，相应于二级安全等级的变异水平为低级，取可靠度系数r1.14

rp,maxt,max

1.14（1.810.923）3.12MPafr5.0MPa

rpr

tr1.14（3.830.540）4.98MPafr5.0MPa

初拟普通混凝土面层厚度为0.24m,基层选用0.20m厚水泥稳定粒料，垫层选用0.15m级配砾石满足要求。

3.8接缝设计

3.8.1纵向接缝纵缝设拉杆平缝，拉杆采用螺纹钢筋，设在板后中央，并对拉杆中部100mm范围内

进行防锈处理。

由水泥混凝土面层厚度为240mm,根据《规范》表5.1.3得：

拉杆的直径、长度和间距为14X700X600（mm），其构造见附图。

3.8.2横向接缝

横缝设传力杆的假缝，根据《规范》表5.2.5得：

传力杆直径为30mm传力杆长度

取450mm间距取200mm最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为200mm其构造见附

图。