路面结构计算 课程设计.docx

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路面结构计算课程设计

《路基路面工程课程设计》

姓名xxxx学号xxxxxx

指导教师xxxxx班级道桥10801

辅导老师xxxx序号xxx

1沥青路面设计3

1交通量的计算3

2确定土基回弹模量值3

3路面等级以及路面类型的确定3

4基层类型的确定3

5确定路面结构层次、初拟各结构层厚度4

6计算确定路面设计弯沉值ld4

2沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算6

1沥青混凝土面层层底拉应力验算

2中粒式底面拉应力

3粗粒式底面拉应力7

4水泥砂粒式底面拉应力

7

5防冻层厚度检验

3水泥混凝土路面设计7

1交通量分析7

2初拟路面结构9

3确定材料参数9

4计算荷载疲劳应力10

5计算温度疲劳应力10

4沥青路面结构与水泥路面结构的比较

参考文献11

路基路面工程课程设计

一、沥青路面设计

1、新建柔性路面

（1）交通量的计算

根据柔性路面设计弯沉值作为设计指标时计算的当量交通量由相关规定可以得出下表4，由

其中，N为标准轴载的当量轴次，次/日；n1为被换算的车型的各级轴载作用次数，次/日；P为标准轴载，KN；P1为被换算的四型的各级轴载，KN；C1轴数系数，当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为1,当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数按下式计算：

C1=1+1.2（M-1；m为轴数，C2为轮组系数，单轮为6.4，双轮为1，四轮为0.38.得

车型

交通量

前轴（单轮）

后轴

总换算系数

当量轴次

前轴重（KN）

轴数系数

轮组系数

换算系数

后轴重（KN）

轴数系数

轮组系数

换算系数

跃进NJ134A

500

13.3

1

6.4

0

43.1

1

1

0.026

0.026

12.9

依发H6

500

45.5

1

6.4

0.2082

86.5

1

1

0.532

0.74

370

黄河JN163

400

58.6

1

6.4

0.6259

114

1

1

1.768

2.394

958

廷庆SX161

300

54.64

1

6.4

0.4617

91.3

2.2

1

1.477

1.939

582

解放SP9200

300

31.3

1

6.4

0

78

1

1

0.339

0.339

102

红旗CA630

500

19.3

1

6.4

0

27.9

1

1

0

0

0

总和

2024

其中在《路基路面工程》查表得t=15,r=6%，

=0.5

（2）确定土基回弹模量值

由设计资料可以得到其土基回弹模量值E0=40MPa

（3）路面等级以及路面类型的确定

由建设方要求其道路等级为一级道路，路面等级选为一级公路，路面类型为沥青混凝土。

（4）基层类型的确定

根据设计需要，基层设置如下：

基层、底基层分别用6%的水泥稳定石粉同4%水泥稳定石粉。

（5）确定路面结构层次、初拟各结构层厚度

查《路基路面工程》表，参考其各材料的施工最小厚度，初步拟定厚度如图2所示

图2初拟结构层以及其厚度

层次

材料

厚度

（cm

抗压回弹模量

劈裂强度

（Mpa）

15°C模量

20°C模量

1

细粒式沥青混凝土

4

2000

1500

1.4

2

中粒式沥青混凝土

4

1800

1200

1.0

3

粗粒式沥青混凝土

5

1200

1000

0.8

4

水泥稳定碎石

待定

1400

1400

0.5

5

二灰土

35

800

800

0.25

6

土基

—

35

35

—

（6）、计算确定路面设计弯沉值ld

根据《路基路面工程》表得Ac=1.0、As=1.0、Ab=1.0

由此计算ld，

﹙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×[24.98/2000/10.65]0.38（35/0.700.36=0.513

=24.98×1500/（2000×10.65×0.7×0.513=4.90

﹙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=0.375E2/E1=1200/1500=0.800；

由三层体系弯沉系数诺莫图查得：

=6.75

h/δ=4/10.65=0.376，

=35/1200=0.029；

由三层体系弯沉系数诺莫图查得K1=1.38

又因为K2=

/（

K1）=4.90/（6.75×1.38）=0.526，

=35/1200=0.029

，

，由上查表得：

H/δ=4.5，H=10.65×4.5=48

由

可知：

，因为H=48cm，可知h4=34.4cm，故取h4=35cm。

如图所示:

h1=4cmE1=2000MPah=4cmE1=2000Mpa

h2=4cmE2=1800MPa

h3=5cmE3=1200MPaH=？

cmE2=1800MPa

h4=35cmE4=1400MPa

h5=35cmE5=800MPa

E0=35MPaE0=35MPa

其中，N为标准轴载的当量轴次，次/日；n1为被换算的车型的各级轴载作用次数，次/日；P为标准轴载，KN；P1为被换算的四型的各级轴载，KN；C1轴数系数，当轴间距大于3m时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为1,当轴间距小于3m时，按双轴或多轴计算，轴数系数按下式计算：

C1’=1+1.2（M-1；m为轴数，C2’为轮组系数，单轮为18.5，双轮为1，四轮为0.09.

车型

交通量

前轴（单轮）

后轴

总换算系数

当量轴次

前轴重（KN）

轴数系数

轮组系数

换算系数

后轴重（KN）

轴数系数

轮组系数

换算系数

跃进NJ134A

500

13.3

1

18.5

0

43.1

1

1

0.001

0.001

0.6

依发H6

500

45.5

1

18.5

0.034

86.5

1

1

0.313

0.347

174

黄河JN163

400

58.6

1

18.5

0.2572

114

1

1

2.853

3.11

1244

廷庆SX161

300

54.64

1

18.5

0.147

91.3

2.2

1

1.058

1.204

361

解放SP9200

300

31.3

1

18.5

0

78

1

1

0.137

0.137

41.1

红旗CA630

500

19.3

1

18.5

0

27.9

1

1

0

0

0

总和

1821

层次

材料

劈裂强度（换算前）

换算系数K

劈裂强度（换算后

（Mpa）

1

细粒式沥青混凝土

1．4

0．09*Ne^（-0.22/Ac

0．49

2

中粒式沥青混凝土

1．0

0．09*Ne^（-0.22/Ac

0．34

3

粗粒式沥青混凝土

0．8

0．09*Ne^（-0.22/Ac

0.27

4

水泥稳定碎石

0．5

0．35*Ne^（-0.11/Ac

0.25

5

二灰土

0．25

0．45*Ne^（-0.11/Ac

0.10

二：

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=4cmE1=2000Mpa

h2=4cmE2=1800MPa

h3=5cmE3=1200MPaH=48cmE2=1800MPa

h4=35cmE4=1400MPa

h5=35cmE5=800MPa

E0=35MPaE0=35MPa

h=4

取48

查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图，

<0,知，故满足要求。

﹙2﹚中粒式底面拉应力

____________________________________________

h1=4cmE1=2000MPah=8.11cmE1=2000Mpa

h2=4cmE2=1800MPa

h3=5cmE3=1200MPaH=58.4cmE2=1800MPa

h4=35cmE4=1400MPa

h5=35cmE5=800MPa

E0=35MPaE0=35MPa

h=

=8.11cm，

=58.4cm由，；

可知n1=1.08,n2=0.3,

=0.18

由H/￡=5.48，h/￡=0.76，E2/E1=0.67,E0/E2=0.03，

=

’Xn1Xn2=0.06<0.34

﹙3﹚粗粒式底面拉应力

h1=4cmE1=2000MPah=14cmE1=2000Mpa

h2=4cmE2=1800MPa

h3=5cmE3=1200MPaH=54cmE2=1800MPa

h4=35cmE4=1400MPa

h5=35cmE5=800MPa

E0=35MPaE0=35MPa

=14cm

可知n1=1.18,n2=0.38,

=0.201

由H/￡=5.05，h/￡=1.3，E2/E1=1.17,E0/E2=0.025,

=

’Xn1Xn2=0.094<0.27,故满足要求。

﹙4﹚水泥砂粒式底面拉应力

h1=4cmE1=2000MPah=48.4cmE1=2000Mpa

h2=4cmE2=1800MPa

h3=5cmE3=1200MPaH=35cmE2=1800MPa

h4=35cmE4=1400MPa

h5=35cmE5=800MPa

E0=35MPaE0=35MPa

可知n1=1.12,n2=0.40,

=0.32

由H/￡=3.3，h/￡=4.5，E2/E1=0.57,E0/E2=0.04,

=

’Xn1Xn2=0.14<0.25,故满足要求。

（5）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+4+5+35+35=83cm，大于最大冰冻深度80cm，所以不考虑冻层深度。

三水泥混凝土路面设计

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。

由此

车型

交通量

Ns

跃进NJ134A

前轴

500

13.3

0

0

后轴

500

43.1

1.0

0.000709

依发H6

前轴

500

45.5

430

0.725472

后轴

500

86.5

1.0

49.11654

黄河JN163

前轴

400

58.6

385

29.77711

后轴

400

114

1

3254.9

廷庆SX161

前轴

300

54.64

397

7.517662

后轴

300

91.3

0

0

解放SP9200

前轴

300

31.3

0

0

后轴

300

78

0

0

红旗CA630

前轴

500

19.3

0

0

后轴

500

27.9

0

0

=3342.037

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=0.06；

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

取0.20

由结果得，该交通属于重交通

2初拟路面结构

因为交通量100×104＜1.93×107＜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190mm；垫层为150mm的二灰土。

普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m；长为5m。

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35Mpa；二灰土垫层回弹模量去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：

==（0.19^2*1300+0.15^2*600/（0.19^2+0.15^2=1031.2287

==（0.19^3*1300+0.15^3*600/12+0.34^2/4*1/（1/（1300*0.19+1/（600*0.15=2.82

=

=0.3204

=

==6.22*（1-1/（1.51*（1031.2287/40^0.45=5.3

==1-1.44/（1031.2287/40^0.55

=262.0458

普通混凝土面层的相对刚度半径为：

0.657988

==0.537*0.25*（31000/262.0458^0.333=0.657988

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:

==0.537*0.25*（31000/262.0458^0.333=0.657988

=0.077*O42^0.6/0.25^2=0.958388

=2.692877

=（1.928*10^7^0.057

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）。

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

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90﹙℃/m﹚。

板长5m，L/r=5/0.65=7.7；已知混凝土板厚0.25m，Bx=0.62

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=90°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）。

==0.31*0.25*90*0.62/2=2.16225

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

=0.51

则温度疲劳应力：

=K46*E46=1.097105

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90﹪。

再根据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数取1.2

所以疲劳应力为4.547977<5.0，故满足要求。

四：

沥青路面结构与水泥路面结构的比较

1用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。

从力学性能上分类，沥青路面属于柔性路面，刚性较小，并具有较好的变形性能；但其强度和稳定性在很大程度上取决于基层和土基的特性。

与水泥混凝土相比：

表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短、养护维修简便、适宜分期修建→抗滑性不够，强度与稳定性不如水泥混凝土；不过耐久性较好，工程造价相对水泥混凝土路面较小。

2水泥混凝土路面的特点：

强度高：

较高的抗压强度/抗弯拉强度/抗磨耗能力；稳定性好：

水稳定性、热稳定性均较好；耐久性好、抗滑性好；　养护费用少、经济效益高；

能见度好，有利于夜间行车。

不足：

　对水泥和水的需要量大；　接缝：

增加施工和养护的复杂性/易引起行车跳动/影响行车舒适性/强度薄弱点；　需养护，开放交通较迟；修复困难。

耐久性较差，工程造价相对沥青路面结构较大。

故我们选择路面结构形式的时候，要充分考虑多重因素的影响，来选择合适的路面结构形式，做到经济合理。

参考资料

《路基路面工程》，华南理工出版社

《路基路面工程》，人民交通大学出版社