路基路面工程课程设计二级公路.docx
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路基路面工程课程设计二级公路
课程设计报告书
题目:
路基路面工程课程设计（二级公路）
学院:
土木工程学院
专业:
土木工程（交通土建）
班级:
土木091班
姓名:
学号:
2012年10月29日
1、设计原始资料·································1
2、路基横断面设计·······························1
3、混凝土路面设计·······························2
1、交通分析··································2
2、初拟路面结构······························3
3、路面材料参数选定··························6
4、荷载疲劳应力······························7
5、温度疲劳应力······························8
6、初拟路面结构实验··························9
7、电算水泥混凝土路面设计····················9
4、沥青路面设计································12
1、交通分析·································12
2、初拟路面结构组合·························14
3、路面设计指标·····························15
4、路面结构厚度设计参数·····················15
5、电算沥青路面设计·························17
附录1:
公路基本参数设计依据······················23
附录2:
混凝土路面基本参数设计依据················24
附录3:
沥青路面基本参数设计依据··················30
参考文献········································32
1、设计原始资料
公路自然区划Ⅱ1区拟建一条双车道二级公路，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。
山体附近有多处采矿石厂，砂石材料丰富，其他材料均需外购。
依据附录1：
表1.1.1—1.1.3，拟定设计时速为40km/h，路基宽度为8.5m，车道宽度为3.5m，土路肩宽度0.75m，无硬路肩。
交通调查得到交通组成见下表，在使用期内交通量的年平均增长率为5％。
预测该路竣工一年后第一年的交通组成
车型
解放
CA-10B
东风
EQ-140
日野
KB222
黄河
JN-150
小汽车
辆/日
1500
1400
60
50
1000
2、路基横断面设计
根据《公路工程技术标准》和《公路路基设计规范》规定，设计路基横断面形式如下：
（1）行车道宽度：
2×3.5m；
（2）土路肩宽度：
2×0.75m；
（3）路基总宽度：
8.5m；
（4）路基填筑高度拟为3m，边坡率为1.5，边沟底宽和深度均取0.4m。
三、混凝土路面设计
3.1交通分析
3.1.1混凝土路面设计基准期
由附录2：
表2.1.1可靠度计算指标，二级公路混凝土路面设计基准期为20年；
3.1.2标准轴载及轴载当量换算
水泥混凝土路面结构设计以100KN单轴-双轮组荷载为标准荷载。
不同轴-轮型和轴载的作用次数，应按
式中：
——100KN的单轴一双轮组轴载的通行次数
——各类轴一轮型i级轴载的总重
n——轴型和轴载级位数
——各类轴—轮型i级轴载通行次数；
——轴-轮型系数；
单轴—双轮组：
=1
单轴—单轮组：
=2.22×103P-0.43
双轴—双轮组：
=1.07×10-5P-0.22
三轴—双轮组：
=2.44×10-8P-0.22
由已知交通组成资料计算的各轴载当量次数如下表
车型
轴重
（KN）
轴—轮型
系数
交通组成
（辆/日）
当量轴次
解放
CA-10B
前轴
19.40
620.29
1500
0.00
后轴
60.85
1
1500
0.53
东风
EQ-140
前轴
23.70
569.13
1400
0.00
后轴
69.20
1
1400
3.87
日野
KB222
前轴
50.20
412.15
60
0.40
后轴
104.30
1
60
117.68
黄河
JN-150
前轴
49.00
416.46
50
0.23
后轴
101.60
1
50
64.46
合计
187.17
注：
小汽车和轴载小于40KN的特轻轴重对结构影响忽略不计，不纳入当量换算。
3.1.3标准轴载及轴载当量作用次数Ne
由附录2表2.1.1可靠的设计标准得：
该二级公路设计基准期20年，安全等级为三级。
由表2.1.2，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.62。
交通量年平均增长率为5%。
所以设计基准期内混凝土面板临界荷位处所承受的标准轴载累计当量作用次数：
（次）
式中：
Ns——100KN的单轴—双轮组标准轴载的通行次数；
t——设计基准期（年）；
gr——交通量年平均值；
——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数。
3.1.4混凝土路面交通等级划分
该设计车道标准轴载累计Ne=140.0560×104（次），依据附录2：
表2.1.3得路面交通等级为重等。
3.2初拟路面结构
3.2.1路面厚度及材料设计
由表2.1.1可靠度设计标准可知，安全等级为三级的道路对应的变异水平等级为高级。
根据二级公路重交通等级和高级变异水平等级，查表2.2.1得水泥混凝土面层厚度参数范围210mm~240mm，初拟面层厚度为220mm。
根据中等交通等级查表2.2.2和表2.2.3，基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚度180mm。
垫层为150mm低剂量无机结合料稳定土，见图一。
普通混凝土的平面尺寸为宽3.5m，长4.0m。
纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传立杆的假缝。
3.2.1接缝设计
1、纵向接缝的布设应视路面宽度和施工铺筑宽度而定;
（1）一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝。
纵向施工缝采用平缝形式，上部应锯切槽口，深度为30—40mm，宽度为3—8mm，槽内灌塞填缝料，构造如图二所示；因混凝土板块小于4.5m，故可不必考虑设置纵向缩缝。
（2）纵缝应与路线中线平行。
在路面等宽的路段内或路面宽度路段的等宽部分，纵缝的间距和形式应保持一致。
路面变宽段的加宽部分与等宽部分之间，以纵向施工缝隔开。
加宽板在变宽段起终点处的宽度不应小于1m。
（3）拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚中央，并应对拉杆中部100mm范围内进行防锈处理。
拉杆的直径、长度和间距，可参照附表2：
表2.2.4取用14×700×600。
施工布设时，拉杆间距应按横向接缝的实际位置予以调整，最外侧的拉杆距横向接缝的距离不得小于100mm。
（4）连续配筋混凝土面层的纵缝拉杆可以由板内横向钢筋延伸穿过接缝代替。
2、横向接缝设计
（1）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。
设在缩缝处的施工缝，应采用加传立杆的平缝形式，其结构如图三a）所示；设在胀缝处的施工缝，其构造与胀缝相同。
遇有困难需设在缩缝之间时，施工缝采用设拉杆的企口缝形式，其构造如图三b）所示。
（2）横向缩缝可等间距或变间距布置，采用假缝形式。
本公路属重交通公路，故采用设传立杆的缩缝形式，其构造如图四所示。
（3）横向缩缝顶部应锯切槽口，深度范围为44-55mm，取50mm，宽度为3-8mm，槽内填塞填缝料。
（4）在邻近桥梁或其他固定构造物处或与其他道路相交处应设置横向胀缝。
设置的胀缝条数，视膨胀量大小而定。
低温浇筑混凝土面层或选用膨胀性高的集料时，宜酌情确定是否设置胀缝。
胀缝宽20mm，缝内设置填缝板和可滑动的传立杆。
胀缝的构造如图五所示。
（5）传立杆应采用光面钢筋。
其尺寸和间距可按附录2：
表2.2.5选用32×450×300。
最外层传立杆距纵向接缝和自由边的距离为150-250mm。
3.3路面材料参数确定
3.3.1混凝土面层参数
按附录2：
表2.3.1和表2.3.2，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为fr为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值Ec为30MPa。
3.3.2土基参数
按表2.3.3中湿路基床顶面回弹模量经验参考值，自然区划II1区粘性土路基回弹模量E0取25MPa。
3.3.3基层、垫层参数
按表2.3.4垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围，水泥稳定粒料基层回弹模量E1取1400MPa，低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量E2取650MPa。
3.3.4基顶当量回弹模量确定
（1）基层和垫层的当量的回弹模量：
（2）基层和垫层的当量弯曲刚度：
（3）基层和垫层的当量厚度：
（4）回归系数a、b：
所以基层顶面的当量回弹模量：
式中：
E0—路床顶面的回弹模量（MPa）；
E1、E2—分别是基层和垫层的回弹模量（MPa）；
h1、h2—分别是基层和垫层的厚度（m）。
3.4荷载疲劳应力
3.4.1荷载应力σps计算
（1）普通混凝土板的相对刚度半径：
式中：
h—混凝土板的厚度（m）；
EC—水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa）；
Et—基层顶面的当量回弹模量（MPa）。
（2）标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力：
式中：
r—普通混凝土面层的相对刚度半径；
h—混凝土板的厚度（m）。
3.4.2荷载疲劳应力σpr
因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr=0.89。
普通混凝土路面设计基准期内荷载应力累计疲劳应力系数
式中：
—与混合料性质有关的指数，普通混凝土取0.057。
根据公路等级二级，查附录2：
2.4.1综合系数表，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数为Kc=1.20。
所以荷载疲劳应力
3.5温度疲劳应力
3.5.1温度翘曲应力αtm计算
由附表2：
2.5.1最大温度梯度标准值得，II区最大温度梯度取88°C/m。
板长4m，l/r=4/0.687=5.822，混凝土板厚h=0.22m，查图六得Bx=0.676。
图六：
温度应力系数Bx
所以最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力
式中：
—混凝土的线性膨胀系数（1/°C），通常可取为1×10-5/°C
—水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa）；
—混凝土板面层厚度（m）
—最大温度梯度（°C/m）
—综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数。
3.5.2温度疲劳应力σtr
查表2.5.2回归系数表得Ⅱ区a=0.828，b=0.041，c=1.323，所以温度疲劳应力系数
式中：
—混凝土弯拉强度标准值（MPa）；
—最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力；
a、b、c—与自然区划相关的回归系数。
因此，温度疲劳应力
3.6初拟路面结构检验
查附录2:
2.1.1可靠度设计标准二级公路的安全等级为三级，相应的变异系数为中级，目标可靠度为85%。
根据目标可靠度和变异系数查表2.5.3可靠度系数表，确定可靠度系数
=1.10。
因此，所选普通混凝土面层厚度（0.25m）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳应力作用。
3.7电算水泥混凝土路面设计
3.7.1水泥混凝土路面基本参数输入
3.7.2水泥混凝土路面验算
3.7.3水泥混凝土路面结果输出
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:
高级
可靠度系数:
1.18
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解放CB-10B119.4160.8500001500
2东风EQ-140123.7169.200001400
3日野KB222150.21104.3000060
4黄河JN-1501491101.6000050
行驶方向分配系数1车道分配系数1
轮迹横向分布系数.62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30000MPa
混凝土面层板长度4m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.89
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1801400
2石灰粉煤灰土150650
3土基25
基层顶面当量回弹模量ET=152.8MPa
HB=220r=.687SPS=1.27SPR=3.04
BX=.68STM=1.98KT=.51STR=1.01
SCR=4.05GSCR=4.78RE=-4.4%
设计车道使用初期标准轴载日作用次数:
187
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:
1399288
路面承受的交通等级:
重交通等级
基层顶面当量回弹模量:
152.8MPa
混凝土面层设计厚度:
220mm
验算路面防冻厚度:
路面最小防冻厚度500mm
新建基（垫）层总厚度330mm
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:
---------------------------------------
普通混凝土面层220mm
---------------------------------------
水泥稳定粒料180mm
---------------------------------------
石灰粉煤灰土150mm
---------------------------------------
土基
四、沥青路面设计
4.1交通分析
4.1.1路面设计年限
根据交通等级、公路在路网中的功能定位、当地国民经济发展需求以及以后投资条件等因数综合考虑，依照规范要求查附录3：
表3.1.1各级公路沥青路面设计年限，二级公路设计年限为12年。
4.1.2累计标准轴载当量轴次计算
我国路面设计以双轮组单轴100KN为标准轴载。
以BZZ-100表示。
（1）采用弯沉值和沥青层的层底弯拉应力为设计指标
1）各级轴载按下式换算成标准轴载P的当量轴次N
式中：
N—标准轴载当量轴次（次/日）；
ni—各种被换算车辆的作用次数（次/日）；
Pi—各种被换算车型的轴载（KN）；
C1—轴数系数；
C2—轮组系数，双轮组为1，单轮组为6.4，四轮组为0.38。
当轴间距大于3m时，轴数系数等于轴数m；
当轴间距小于3m时，双轴或多轴的轴数系数C1=1+1.2（m-1）。
由已知交通组成资料计算的各轴载当量换算成次数如下表：
车型
轴载Pi
（KN）
轴
数
轮
组
数
轴数系数
C1
轮组系数
C2
交通量
ni
当量轴次
（次/日）
解放CB-10B
前轴
19.40
1
单
1
6.4
1400
0.00
后轴
60.85
1
双
1
1
1400
161.31
东风EQ-140
前轴
23.70
1
单
1
6.4
1400
0.00
后轴
69.2
1
双
1
1
1400
282.22
日野
KB222
前轴
50.20
1
单
1
6.4
60
19.16
后轴
104.3
1
双
1
1
60
72.06
黄河
JN-150
前轴
49.00
1
单
1
6.4
50
14.37
后轴
101.60
1
双
1
1
50
53.57
合计N
614.21
注：
小汽车和轴载小于40KN的特轻轴重对结构影响忽略不计，不纳入当量换算。
2）设计年限内累计当量标准轴载数
已知设计年限t为12年，设计年限内交通辆平均增长率r为5%，查表3.1.2车道系数表，对双向车道取车道系数η=0.65。
所以设计年限内一个车道通过的累计当量标准轴次
（次）
（2）采用半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标
1）各级轴载按下式换算成标准轴载P的当量次数N
式中：
ni—各种被换算车辆的作用次数（次/日）；
Pi—各种被换算车型的轴载（KN）;
C1—轴数系数；
C2—轮组系数，双轮组为1，单轮组为18.5，四轮组为0.09。
当轴间距大于3m时，轴数系数等于轴数m；
当轴间距小于3m时，双轴和多轴的轴数系数C1=1+2（m－1）。
由已知交通组成资料计算的各轴载当量换算成次数如下表：
车型
轴载Pi
（KN）
轴
数
轮
组
数
轮组数
C1
轮组系数
C2
交通量
ni
当量轴次
（次/日）
解放CB-10B
前轴
19.40
1
单
1
18.5
1400
0.00
后轴
60.85
1
双
1
1
1400
26.32
东风EQ-140
前轴
23.70
1
单
1
18.5
1400
0.00
后轴
69.2
1
双
1
1
1400
73.62
日野
KB222
前轴
50.20
1
单
1
18.5
60
4.48
后轴
104.3
1
双
1
1
60
84.03
黄河
JN-150
前轴
49.00
1
单
1
18.5
50
3.07
后轴
101.60
1
双
1
1
50
56.77
合计N
250.17
注：
小汽车和轴载小于40KN的特轻轴重对结构影响忽略不计，不纳入当量换算。
2）设计年限内累计当量标准轴载数
已知设计年限t为12年，设计年限内交通辆平均增长率r为5%，查表3.1.2车道系数表，对双向车道取车道系数η=0.65。
所以设计年限内一个车道通过的累计当量标准轴次
（次）
4.1.3交通等级
两种设计指标计算出的累计标准轴次最大值Ne=2.32×106（次），查表3.1.3沥青路面交通等级得本沥青路面交通等级为轻交通。
4.2初拟路面结构
根据结构层最小施工厚度、材料、水文、交通量以及施工机具的功能等因数，查表3.2.1、3.2.2，初步确定路面结构与各层厚度如下：
2cm沥青表面处治，石灰稳定碎石基层+20cm级配砂砾垫层，以石灰稳定碎石为设计层。
4.3路面设计指标
根据公路沥青路面设计规范8.0.3规定，高速公路、一级公路、二级公路的路面结构，以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底弯拉应力及半刚性材料层的层底弯拉应力为设计指标。
三级公路、四级公路的路面结构以路表面设计弯沉值为设计指标。
有条件，对重载交通路面宜检验沥青混合料的的抗剪切强度。
本工程属轻交通量的二级公路，故需以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。
4.4路面结构厚度设计参数
查附录3：
表3.2.3，表3.2.4，沥青表面处治层抗压模量参考沥青贯入式，石灰稳定碎石基层取石灰土碎石，土基抗压模量查公路沥青路面设计规范表F.0.3二级自然区划各土组土基回弹模量参考值，由公路自然区划II1区、粘性土、稠度1.0得土基抗压模量为25MPa，整理得下表：
沥青混合料抗压模量和劈裂强度
材料名称
20℃抗压模E（MPa）
（弯沉计算用）
15℃抗压模量E（MPa）
（拉应力计算用）
劈裂强度σ（MPa）
沥青表面处治
500
—
—
半刚性基层抗压模量和劈裂强度
材料名称
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σ（MPa）
石灰稳定碎石
900
2000
0.3
级配砂砾
200
—
—
（1）路面设计弯沉值：
Id=600Ne-0.2ACASAB=600×（2.32×106）-0.2×1.1×1.1×1.0=38.71（0.01mm）
式中：
AC—公路等级系数，高速公路、一级公路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、冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1；
AB—路面结构类型系数，刚性基础、半刚性基层、沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6，若基层由半刚性材料层与柔性材料层组合而成，则AB介于两者之间通过线性内插决定。
（2）容许层底拉应力：
各层材料的容许层底拉应力
石灰稳定碎石
（3）结构厚度计算结果
路面结构厚度的确定应满足结构整体刚度（即承载力）与沥青层或半刚性基层、底基层抗疲劳开裂的要求。
对轻交通量二级公路，要求
，
。
1）路表弯沉值
计算:
式中：
、
—标准车型的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径（cm）；
—理论弯沉系数；
获
—土基抗压回弹模量值（MPa）；
—各层材料抗压回弹模量（MPa）；
—各结构层厚度（cm）。
2）层底拉应力
计算：
式中：
—理论最大拉应力系数，按下式计算：
4.5电算沥青路面设计
4.5.1沥青路面设计参数
4.5.2沥青路面验算
4.5.3沥青路面验算
轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算
序号车型名称前轴重（kN）后轴重（kN）后轴数后轴轮组数后轴距（m）交通量
1解放CA10B19.460.851双轮组1500
2东风EQ14023.769.21双轮组1400
3日野KB22250.2104.31双轮组60
4黄河JN15049101.61双轮组50
设计年限12车道系数.62
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