长沙理工大学毕业设计计算书.docx

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长沙理工大学毕业设计计算书1线形设计1.1线形设计一般原则1.1.1.平面线形应与地形、地物相适应，与周围环境相协调在地势平坦的平原微丘区，路线以方向为主导，平面线形三要素中以直线为主；在地势起伏很大的山岭重丘区，路线以高程为主导，为适应地形，曲线所占比例较大。

直线、圆曲线、缓和曲线的选用与合理组合取决于地形地物等具体条件，不要片面强调路线以直线为主或曲线为主。

1.1.2.保持平面线形的均衡与连贯

（1）长直线尽头不能接以小半径曲线。

（2）高、低标准之间要有过渡。

1.1.3.平曲线应有足够的长度汽车在曲线路段上行驶，如果曲线过短，司机就必须很快的转动方向盘，这样在高速行驶的情况下是非常危险的。

同时，如不设置足够长度的缓和曲线，使离心加速度变化率小于一定数值，从乘客的心理和生理感受来看也是不好的。

当道路转角很小时，曲线长度就显得比实际短，容易引起曲线很小的错觉。

因此，平曲线具有一定的长度是必要的。

为了解决上述问题，最小平曲线长度一般应考率下述条件确定：

（1）汽车驾驶员在操纵方向盘时不感到困难一般按6s的通过时间来设置最小平曲线长度，当设计车速为100km/h时，平曲线一般值取850m，最小值取170m。

（2）小偏角的平曲线长度当路线转角α≤7°时称为小偏角。

设计计算时，当转角等于7°时，平曲线按6s行程考虑；当转角小于7°时，曲线长度与α成反比增加；当转角小于2°时，按α＝2°计。

1.2平面线形要素的组合类型平面线形的几何要素为直线、圆曲线和缓和曲线，这三种基本线形要素可以组合得到很多种平面线形的形式。

就公路平面线形设计而言，主要有基本型、S型、卵型、凸型、C型和复合型六种。

1.3路线平面设计根据设计任务书，设计指导书和给定的《路线平面图》，本任务段的平面设计已经给定。

下面仅列出我的设计段（桩号K15+400～K16+800）平面曲线要素。

已知圆曲线的几何要素有转角和半径。

由以下公式可求出切线长度T，曲线长度L,外矢距E,切曲差J；（本章中的所有公式均来于《公路路线设计规范》）式中：

p为内移距，;q为切垂距，;为缓和曲线角，。

其结果见A3图表：

2纵断面设计本段的路线方案已经确定，路线全长1.4公里。

起终点的设计标高分别为61.2m及55.8m。

根据起、终点设计标高设计时应按照规范的要求，最小纵坡不小于0.3％，最大纵坡不大于4％，最小坡长不小于350m，最大坡长不大于1000m，并且竖曲线应选用较大的半径。

在确定纵坡及竖曲线的同时，还应当考虑填挖要尽量平衡的问题，争取让工程的成本尽量控制在最低。

纵坡竖曲线计算以竖曲线1计算为列过程如下:

2.1计算竖曲线要素：

所以该竖曲线为凸形曲线。

曲线长切线长外距2.2竖曲线起，终点桩号竖曲线起点桩号=（K15+640.00）-209.43=K15+430.56竖曲线终点桩号=（K15+640.00）+209.43=K15+849.43具体计算数据见A3图表3路基边坡稳定性分析本设计计算内容为广西梧州绕城高速公路东段k15+400～k16+800路段中出现的最大填方路段。

该路堤边坡高22m，路基宽26m，需要进行边坡稳定性验算。

3.1确定本设计计算的基本参数本段路段路堤边坡的土为粘性土，根据《公路路基设计规范》，取土的容重γ=18.5kN/m³，粘聚力C=20kpa，内摩擦角C=24º，填土的内摩擦系数ƒ=tan24º=0.445。

3.2行车荷载当量高度换算高度为:

h0—行车荷载换算高度；

L—前后轮最大轴距，按《公路工程技术标准》（JTGB01-20__3）规定对于标准车辆荷载为12.8m；

Q—一辆车的重力（标准车辆荷载为550kN）；

N—并列车辆数，双车道N=2，单车道N=1；

γ—路基填料的重度（kN/m3）；

B—荷载横向分布宽度，表示如下：

式中：

b—后轮轮距，取1.8m；

m—相邻两辆车后轮的中心间距，取1.3m；

d—轮胎着地宽度，取0.6m。

3.3Bishop法求稳定系数K3.3.1计算步骤：

（1）按4.5H法确定滑动圆心辅助线。

由表查得β1=26°，β2=35°及荷载换算为土柱高度h0=0.8446（m）,得G点。

a.由坡脚A向下引竖线，在竖线上截取高度H=h+h0（h为边坡高度，h0为换算土层高）b.自G点向右引水平线，在水平线上截取4.5H，得E点。

根据两角分别自坡角和左点作直线相交于F点，EF的延长线即为滑动圆心辅助线。

c.连接边坡坡脚A和顶点B，求得AB的斜度i=1/1.5，据此查《路基路面工程》表4-1得β1,β2。

图1（4.5H法确定圆心）

（2）在CAD上绘出五条不同的位置的滑动曲线（3）将圆弧范围土体分成若干段。

（4）利用CAD功能读取滑动曲线每一分段中点与圆心竖曲线之间的偏角αi（圆心竖曲线左侧为负，右侧为正）以及每分段的面积Si和弧长Li；

（5）计算稳定系数：

首先假定两个条件：

a,忽略土条间的竖向剪切力_i及_i+1作用；b,对滑动面上的切向力Ti的大小做了规定。

根据土条i的竖向平衡条件可得：

即

（1）若土坡的稳定安全系数为K，则土条i的滑动面上的抗剪强度τfi也只发挥了一部分，毕肖普假设τfi与滑动面上的切向力Ti相平衡，即：

（2）将

（1）代入式

（2）得：

（3）又已知土坡的稳定安全系数K为：

（4）将式（3）代入式（4）中得：

（5）由于上式中_i及_i+1是未知的，故求解尚有困难。

毕肖普假定土条间竖向剪切力均略去不计，则式（5）可简化为：

（6）其中（7）式（6）就是简化毕肖普法计算土坡稳定安全系数的公式。

由于式（7）也包含K值，因此式（6）须用迭代法求解，即先假定一个K值，按式（7）求得的值，代入式（6）中求出K值。

若值与假定值不符，则用此K值重新计算求得新的K值，如此反复迭代，直至假定K值于求得的K值相近为止。

3.3.2具体计算过程及图表3.3.2.1以Ｏ为圆心过坡脚做一滑动面，Ｒ＝41.723m。

假设K1=1.36，计算结果如表2-1所示:

表2-1计算土坡的稳定安全系数计算可得=5084.20/3744.79=1.357计算出的K1与假设的K1相差很小，即K1=1.363.3.2.2以Ｏ为圆心过坡脚做一滑动面，Ｒ＝46.968m。

假设K2=1.37，计算结果如表2-2所示:

表2-2计算土坡的稳定安全系数计算可得=3079.18/2336.18=1.368计算出的K2与假设的K2相差很小，即K2=1.373.3.2.3以Ｏ为圆心过坡脚做一滑动面，Ｒ＝52.645m。

假设K3=1.40，计算结果如表2-3所示:

表2-3计算土坡的稳定安全系数计算可得=2124.65/1473.09=1.402计算出的K3与假设的K3相差很小，即K3=1.403.3.2.4以Ｏ为圆心过坡脚做一滑动面，Ｒ＝45.935m。

假设K4=1.35，计算结果如表2-4所示:

表2-4计算土坡的稳定安全系数计算可得=3669.29/2795.30=1.352计算出的K4与假设的K4相差很小，即K4=1.3523.3.2.5以Ｏ为圆心过坡脚做一滑动面，Ｒ＝43.022m。

假设K5=1.36，计算结果如表2-5所示表2-5计算土坡的稳定安全系数计算可得=4472.19/3203.54=1.363计算出的K5与假设的K相差很小，即K5=1.363.3.3Kmin的确定根据上述5个点得到回归方程为：

由图可以看出该曲线最低点即为已知中间点，故Kmin=K4=1.352＞1.35，满足要求4挡土墙设计4.1设计资料4.1.1墙身构造本设计路段在K15+400~K15+560段左侧地面横坡较长。

为了收缩边坡，减少填方工程量，保证边坡的稳定性，避免因过高而造成边坡的可能滑动。

特设置路堤府斜式挡土墙120m，沿墙长每10m设置伸缩缝，缝宽2cm，缝内沿墙内、外、顶三边添塞沥青板。

采用最不利荷载，即挡墙最高的断面进行设计计算验算,取K15+540横断面左侧挡土墙进行分析。

墙身拟采用7.5号浆砌片石结构，墙高10m，墙顶填土高a=12.62m宽b=20.94（m），顶宽1.3m，面坡垂直，背坡倾斜坡度，1：

0.2,基底倾斜，倾斜角α0=11°为增加抗滑性能在墙底采用0.7×0.7（m）墙趾坡度与面坡一致。

挡土墙示意图（单位：

m）4.1.2地质情况填方部分，假设都为粘土，内摩擦角=24°，土的容重γ=18.5KN/M³，粘聚力C=20Kpa，等效内摩擦角=27.96°，墙背与填土间的摩擦角δ=11.31°，。

墙底与地基摩擦力系数f=3.5,地基承载应力标准值［б。

］=350Kpa。

4.1.3墙身材料墙体采用浆砌片石结构，7.5号砂浆，25号片石，墙体容重k=24KN/m3。

按规范：

容许压应力为[σa]=720Kpa,容许剪应力[τ]=147Kpa。

4.2车辆荷载根据《路基设计规范》（JTG20__4），车辆荷载为计算的方便，可简化换算为路基填土的均布土层，并采用全断面布载。

换算土层厚：

4.3土压力计算对于墙前土的被动土压力，在挡墙基础一般埋深的情况，考虑各种自然力和人畜活动的影响，偏于安全。

一般不计被动土压力,只要考虑主动土压力，用库伦理论进行计算，4.3.1破裂面计算假设破裂面交于荷载中部,则A0=1/2（a+H+2ho）（a+H）=1/2（12.62+10+2×0.84）×（12.62+12）=598.27B0=1/2ab+（b+d）ho-1/2H（H+2a+2h0）tanα=1/2×12.62×20.94+（20.94+0）×0.84-1/2×10×（10+2×12.62+2×0.84）×0.19=115.235其中:

ψ=+δ+α=27.96°+11.31°+11°=50.27°则θ=arctgθ＝44.94°4.3.2破裂面验算堤顶破裂面距墙踵距离（H+a）=（10+12.62）×0.96=21.27m荷载内边缘距墙踵距离b+d-H=20.94+0-10×0.20=19.64m荷载外边缘距墙踵b+d+l0-H=20.94+0+26-10×0.20=44.94m由以上数据可得：

19.64＜21.27＜44.94，破裂面交于路基面外边坡，故假设与实际相符合。

4.3.3计算主动土压力4.3.3.1系数的计算4.3.3.2土压力的计算=8.41（m）h3=H-h1-h2=10-0.59-8.41=1（m）=2.604.3.3.3主动土压力Ea的计算=0.5×18.5×10²×0.35×2.60=841.75kN=841.75×cos（11°+11.31°）=778.74kN=841.75×sin（11°+11.31°）=319.54kN4.3.4土压力作用点位置=3.37=3.46-3.37×tan11°=2.80其中：

B1=3.4/cos11°=3.464.4设计验算墙身面积：

S=40.39（m2）墙重：

G=747.23kN力臂ZG的计算：

ZG=4.10（m）4.4.1墙身稳定性验算4.4.1.1抗滑稳定性验算抗滑稳定性验算在计算中我们不考虑墙前被动土压力的影响，所以＝0=3.574＞0抗滑稳定系数Kc=1.314＞1.300其中满足抗滑稳定4.4.1.2抗倾覆稳定性验算=29.42＞0抗倾覆稳定性系数K0=3.46＞1.5满足倾覆稳定4.4.1.3基底应力与合力偏心距验算其中：

=2.39（m）＜B1/6=0.68基底应力：

满足基底应力要求4.4.1.4墙身截面稳定验算计算为保证墙身有足够的强度，对墙底截面进行验算强度计算：

按每延米计算A=B1×1=4.1（m²）Ra=720（kpa）γk=2.31因为所以挡土墙截面强度满足要求4.5结论综上述分析该挡土墙的抗滑稳定性，抗倾覆稳定性，基底应力与合力偏心距，墙身截面稳定性验算均满足设计要求。

故确定的最终挡土墙尺寸如下图：

5水文计算说明书5.1设计流量的确定5.1.1汇水面积和径流系数汇水区域在路堤边坡一侧（K16+260～K16+480）的面积为3306.9m2，由《公路排水设计规范JTG/TD33-20__》（以下简称排水规范）表9.1.8，细粒土坡面的径流系数取ψ1＝0.55；

汇水区域在路面一侧的面积为120×12＝1440m2，由表9.1.8沥青路面径流系数取ψ2＝0.95。

由此总的汇水面积为：

F＝3306.9+1440＝4746.9m2汇水区的径流系数：

ψ=（3306.9×0.55+1440×0.95）/4746.9=0.6715.1.2汇水历时假设汇水历时10min.

5.1.3降雨强度按照规范表9.1.2，取设计降雨重现期为15年。

查图9.1.7-1，广西5年重现期和10min降雨历时的标准降雨强度为q5，10=2.5,由表9.1.7-1可知该地区15年重现期转换系数Cp=1.27.查图9.1.7-2得该地区60min降雨强度转换系数C60=0.45，由表9.1.7-2查得10min降雨量得转换系数Ct=1.00.由此，按照式（9.1.7），15年重现期10min降雨历时得降雨强度为：

5.1.4设计径流量按照式（9.1.1）,设计径流量：

5.1.5检验汇流历时由表9.1.4，路堤边坡的粗度系数可取s1=0.02，沥青路面的粗度系数可取s1=0.013，按照式（9.1.4），路堑坡面（坡度1:

0.5，坡面水流长度22m的汇流历时为；

沥青路面（横坡2％,坡面水流长度12m）的汇流历：

设边沟底宽0.6m，水深0.6m，则过水断面的断面积：

A=bh=0.36m2水力半径：

R=A/c=0.36/（0.6+2×0.6）=0.2m浆砌片石边沟粗糙系数n1=0.025，按照曼宁公式,可计算沟内平均流速：

因而沟内汇流历时为：

t2=220/1.367=160.94s=2.682min由此，汇流历时为t=t1+t2=1.513+2.682=4.20<10min故设计径流量Q=满足要求。

5.2拦水带验算。

本验算取K15+700到K15+850填方路段每40m设置泄水口路面纵坡为0.025.

5.2.1有关参数查表9.2.3.表面构造光滑的沥青路面的粗糙系数n=0.013，路肩的横向坡度为Ih=0.03.取水力坡度等于路线纵向坡度，I=0.025.

根据（9.2.4-1），可以算的水深h=0.050m。

则得到水面宽度B=h/ih=0.050/0.03=1.67（m）<路肩宽度=3.0（m）因而。

出现设计降雨时拦水带内过水断面的水面不会侵入行车道。

5.3泄水口水力计算5.3.1拦水带高度验算K15+700到K15+850填方路段每40m设置泄水口路面纵坡为0.025，设置L=1.5（m），开口处净高为H=0.12m。

设计流量Q=0.053m3/s.

假设泄水口处水流呈堰流状态。

（1）开口出设在低凹区时，由规范图9.3.3-1可查得到，在Q=0.053m3/s和L=1.5（m）时，满足堰流要求的最小高度为0.05（m）<0.12（m）

（2）开口出不设在低凹区时，由规范式9.3.3-1得：

得：

hi=0.08（m）<0.12（m）由此，无论开口出设或不设低凹区，泄水口处的水深均小于拦水带高度。

5.3.2泄水口间距验算在坡度为0.025的连续坡段上确定拦水带开口式泄水口的布置间距，设计泄水量取，泄水口开口长度为1.5米，低凹区宽度为0.3米，下凹区深度为3cm，路肩宽度B=3（m）。

（1）上方第一个泄水口位置设计流量同泄水口间距的关系为Q=0.000624l。

拦水带内缘处水深为h=Bih=3×0.03=0.09（m）由规范9.2.4-1，可以计算拦水带过水断面的泄水量为：

由Qc=Q，便可以得到第一个泄水口距坡段起点的位置为：

L=0.249/0.000624=399.04（m）.取整数为400（m）。

（2）下方泄水口的间距由附表C图C-1可查取得到，水面宽度为3米，纵坡为0.025，横坡为0.02时，开口的截流率为Q/Qc=0.24.由此，泄水量Q=0.24×0.249=0.0598m3/s。

由Qc=Q，便可以得到泄水口的间距为l=0.0598/0.00073=81.9（m）取整数为85（m）。

第一个泄水口的位置离坡起点400米，距离过长。

为采用统一的泄水口间距，将第一个泄水口也设在距坡段起点85米处。

由于间段缩短，路面表面径流量相应的减少为Q=0.000624×80=0.0530m3/s。

拦水带过水断面的水深降为：

h=0.050m过水断面的水面宽度减少为B=0.05/0.03=1.67m坡段上最后一个泄水口向竖曲线底部泄水口溢流的流量为（1-0.24）×0.249=0.189m3/s.如果两个泄水口之间的距离为40，则此段间距内的表面径流量为0.000624×40=0.025m3/s，从一侧坡段上流底部泄水口的径流量为0.189+0.025=0.214m3/s<0.249m3/s因此泄水口开口长度为1.5米，低凹区宽度为0.3米，下凹区深度为3cm，间距为40米时满足排水要求。

6水泥路面结构设计6.1交通量分析广西梧州绕城高速公路K15+400～K16+800段，在自然区划上属于IV区，本测区为亚热带地区，属南亚热带季风气候，气候温暖湿润，阳光充足，雨量充沛，湿度较大，无霜期较长，夏长冬短，夏湿冬干，春季阴雨连绵，夏季暴雨频繁，气候呈显著的季节性变化。

气候受地形影响较大，气温随地势升高而逐渐降低。

拟新建一条绕城高速公路，双向四车道，交通量年平均增长率为9.4%，路基填土为低液限黏土。

6.1.1计算设计年限内通过的标准轴载作用次数计算设计年限内通过的标准轴载作用次数表车型车轴轴-轮型轴重Kp,iNipiKp,i×pi中客车SH130前轴1—125.63.298E-108690.0732.4173E-11后轴1—251.12.161E-058690.0731.5842E-06大客车CA50前轴1—128.72.119E-094580.0398.1854E-11后轴1—268.22.191E-034580.0398.4621E-05小货车BJ130前轴1—113.61.291E-1417680.1491.9256E-15后轴1—227.28.976E-1017680.1491.3386E-10中货车CA50前轴1—128.72.119E-095560.0479.9368E-11后轴1—268.22.191E-035560.0471.0273E-04中货车EQ140前轴1—123.79.908E-118970.0767.4960E-12后轴1—269.22.765E-038970.0762.0920E-04大货车JN150前轴1—149.01.104E-057260.0616.7629E-07后轴1—2.61.289E+007260.0617.8940E-02特大车日野KB222前轴1—150.21.627E-056540.0558.9722E-07后轴1—2104.31.961E+006540.0551.0819E-01拖挂车五十铃前轴1—160.02.821E-04620.2507.0528E-05后轴11—2100.01.000E+00620.2502.5000E-01后轴21—2100.01.000E+00620.2502.5000E-01后轴31—2100.01.000E+00620.2502.5000E-01表中为不同单轴轴重级位i的设计轴载当量换算系数；为单轴级位i的轴重（kN）；为设计轴载的轴重（kN）。

采用车辆当量轴载系数法计算分析设计车道使用初期的设计轴载日作用次数。

=0.188=0.750其中：

初期年平均日货车交通量乘以方向分配系数和车道分配系数，即为设计车道的年平均日货车交通量（ADTT）;则ADTT=5990×0.5×0.8=2396确定设计车道使用初期的设计轴载日作用次数；

设计基准期内水泥混凝土路面设计车道临界荷位处所承受的设计轴载类此作用次数的计算确定;由《公路水泥混凝土路面设计规范》表3.0.7可知，属于重交通。

6.2初拟路面结构验算方案一6.2.1假定路基为干燥状态6.2.1.1初拟路面结构由，相应于安全等级一级的变异水平等级为低级。

根据公路等级为高速公路、交通量为重交通等级和低级变异水平等级，初拟路面结构如下图，设置普通混凝土板的平面尺寸为4.25m，长5m。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

6.2.1.2材料参数的确定混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量按表3.0.8，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和泊松比为31GPa和0.15，砾石粗集料混凝土的线膨胀系数取0.000007/℃。

土基的回弹模量参照《公路水泥混凝土路面设计规范》附录，路基回弹模量取80MPa湿度调整系数取0.95，综合回弹模量为80×0.95=76MPa，查附录F.2，水泥稳定碎石基层回弹模量取20__0MPa，泊松比取0.2，级配碎石底基层回弹模量取220MPa，泊松比取0.3。

6.2.1.3板底地基综合回弹模量板底地基综合回弹模量取118混凝土面层板的弯曲刚度Dc，半刚性基层板的弯曲刚度Db,路面结构总相对刚度半径rg为：

6.2.1.4荷载应力标准轴载和极限荷载在临界荷载位处产生的荷载应力为：

计算面层荷载疲劳应力和最大荷载应力为：

其中应力折减系数；综合系数：

疲劳应力系数。

6.2.1.5温度应力温度最大梯度取90℃/m。

计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数：

计算面层最大温度应力为：

计算温度疲劳应力系数：

计算温度疲劳应力：

6.2.1.6结构极限状态校核一级安全等级，低变异水平下，可靠度系数取1.29。

拟定计算厚度为0.27m的普通水泥混凝土面层，0.18m的水泥稳定碎石基层和0.18m的级配碎石底基层满足路面结构要求，取水泥混凝土面层设计厚度为0.28m。

6.2.2假定路基为中湿状态6.2.2.1初拟路面结构考虑到路基为中湿状态，路床顶距地下水位距离较近需加铺垫层，拟定路面结构如下图。

普通混凝土板的平面尺寸为4.25m，长5m。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

6.2.2.2材料参数的确定混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量按表3.0.8，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和泊松比为31GPa和0.15，石灰岩粗集料混凝土的线膨胀系数取0.000007/℃。

土基的回弹模