路基路面课程设计.docx
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路基路面课程设计
一、设计原始资料
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10m，路面宽度7.5m，路肩宽度1.25m，其中硬路肩宽度0.75m，土路肩宽度0.5m。
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，年均增长为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
1430
65
65
1470
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》（JTJD40—2002）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。
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Ns—100KN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）；
αi—轴载系数，单轴时，αi=1；双轴时，αi=2.22*103Pi-0.43。
小于和等于40KN（单轴）和80KN（双轴）的轴载，可忽略不计。
表二计算结果如下：
车型
Pi（KN）
Ni（辆/d）
标准轴载作用次数Ns
解放CA10B
前轴
19.40
620.2949
1600
0.5654
后轴
60.85
1
东风EQ-140
前轴
23.70
569.1296
1430
3.9540
后轴
69.20
1
日野KB222
前轴
50.20
412.1453
65
122.1795
后轴
104.30
1
黄河JN-150
前轴
49.00
416.4556
65
84.0929
后轴
101.6
1
小汽车
前轴
24.00
776.6993
1470
0.0000
后轴
70.00
1
合计
210.7918
（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）
＞2000
100～2000
3～100
＜3
（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）；
γ—交通量的平均年增长率；
η—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
0.17—0.22
0.40—0.55
不分车道混合行驶
行车道宽大于7m
0.34—0.39
0.50—0.60
行车道宽不大于7m
0.54—0.62
0.60—0.70
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）
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
由以上计算和表格知，该水泥混凝土路面拟设计为双车道二级公路，安全等级属于三级，设计基准期为20年，交通量年均增长5%，轨迹横向分布系数取为0.36。
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210.7918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，二级公路变异水平等级为中，交通等级为重，所以根据表六初拟路面面层240mm，基层采用水泥稳定碎石厚度为180mm,垫层采用石灰稳定土厚度为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
低
中
低
中
低
中
低
中
面层厚度（mm）
≥260
≥250
≥240
270～240
260～230
250～220
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，路床顶面的回弹模量
=30Mpa，。
按照表九知，基层的回弹模量取为
=1500Mpa，垫层的回弹模量取为
=500Mpa。
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）
5.0
5.0
4.5
4.0
表八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
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
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
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Ex／E0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）；
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）。
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：
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）；
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
kc
1.30
1.25
1.20
1.10
2.5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：
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。
（1）
的计算。
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
Ⅱ、Ⅴ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅵ
Ⅶ
最大温度梯度（℃/m）
88～83
90～95
86～92
93～98
（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
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
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
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%。
据此，目标可靠度系数取为
=1.13。
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:
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单后轴货车119.4160.8500001600
2单后轴货车123.7169.200001430
3单后轴货车150.21104.3000065
4单后轴货车1491101.6000065
5Q12417000001470
行驶方向分配系数1车道分配系数1
轮迹横向分布系数.36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85℃/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1801500
2石灰土150500
3土基30
基层顶面当量回弹模量ET=174.5MPa
HB=240r=.725SPS=1.1SPR=2.52
BX=.63STM=1.99KT=.51STR=1.02
SCR=3.54GSCR=4RE=-20%
设计车道使用初期标准轴载日作用次数:
221
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:
960216
路面承受的交通等级:
重交通等级
基层顶面当量回弹模量:
174.5MPa
混凝土面层设计厚度:
240mm
验算路面防冻厚度:
路面最小防冻厚度400mm
新建基（垫）层总厚度360mm
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240mm
---------------------------------------
水泥稳定粒料180mm
---------------------------------------
石灰土150mm
---------------------------------------
土基
三、沥青路面设计
3.1初拟路面组合
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
5.0
6—8
中粒式
4.0
4—6
细粒式
2.5
2.5—4
水泥稳定类
15.0
16—20
石灰稳定类
15.0
16—20
石灰工业废渣
15.0
16—20
级配碎、砾石
8
10—15
泥结碎石
8
10—15
填隙碎石
10
10—12
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16cm
3.2交通分析
（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。
计算结果如下表所示：
车型
Pi（KN）
ni
N
解放CA10B
前轴
19.40
1
6.4
1600
8.17
后轴
60.85
1
1
1600
184.35
东风EQ-140
前轴
23.70
1
6.4
1430
17.45
后轴
69.20
1
1
1430
288.27
日野KB222
前轴
50.20
1
6.4
65
20.76
后轴
104.30
1
1
65
78.06
黄河JN-150
前轴
49.00
1
6.4
65
18.68
后轴
101.6
1
1
65
69.65
小汽车
前轴
24.00
1
6.4
1470
0.00
后轴
70.00
1
1
1470
0.00
累计
685.39
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）；
η——车道系数；
γ——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
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
因此按照公式可得:
（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
。
式中:
——准轴载的当量轴次（次/日）；
——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。
计算结构如下：
车型
Pi（KN）
C1′
C2′
ni
N
解放CA10B
前轴
19.40
1
18.5
1600
0.059
后轴
60.85
1
1
1600
30.075
东风EQ-140
前轴
23.70
1
18.5
1430
0.263
后轴
69.20
1
1
1430
75.194
日野KB222
前轴
50.20
1
18.5
65
4.850
后轴
104.30
1
1
65
91.031
黄河JN-150
前轴
49.00
1
18.5
65
3.996
后轴
101.6
1
1
65
73.801
小汽车
前轴
11.50
1
18.5
1470
0.000
后轴
23.00
1
1
1470
0.000
累计
279.269
累计当量轴次计算如下：
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
1300～1700
2400～3000
0.4～0.55
石灰土碎石
粒料>60﹪
700～1100
1600～2400
0.3～0.4
碎石灰土
粒料>40﹪～50﹪
600900
1200～1800
0.25～0.35
水泥石灰砂粒土
4:
3:
25:
68
800～1200
1500～2200
0.3～0.4
二灰土
10:
30:
60
600～900
2000～2800
0.2～0.3
石灰土
8﹪～12﹪
400～700
1200～1800
0.2～0.25
石灰土处理路基
4﹪～7﹪
200～350
——
——
级配碎石
基层连续级配型
300～350
——
——
基层骨架密实型
300～500
——
底基层、垫层
200～250
——
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
20℃
15℃
细粒式沥青混凝土
密集配
1200～1600
1800～2200
1.2～1.6
AC-10,AC-13
开级配
700～1000
1000～1400
0.6～1.0
OGFC
沥青马蹄脂碎石
1200～1600
1600～2000
1.4～1.9
SMA
中粒式沥青混凝土
1000～1400
1600～2000
0.8～1.2
AC-16,AC-20
密集配粗粒式沥青混凝土
800～1200
1000～1400
0.6～0.8
AC-25
沥青碎石基层
密集配
1000～1400
1200～1600
0.6～1.0
ATB-25,ATB-35
半开级配
600～800
——
——
AM-25,AM-40
沥青贯入式
400～600
——
——
——
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
1200
1800
1.0
AC-16,AC-20
密集配粗粒式沥青混凝土
1000
1200
0.8
AC-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%
1500
3400
0.5
石灰土
8%-12%
600
1800
0.25
土基回弹模量的确定
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