半刚性沥青路面设计.docx

路基路面工程课程设计题目： 某高速公路沥青路面结构设计 学部(系)： 城市建设工程学部专业班级: 土木道桥一班学生姓名： 指导老师： (职 称)： 完成日期： 20*年6月27日目 录一、设计资料 31、设计题目 32、设计依据 33、计方法与设计内容34、设计步骤 45、设计要求 46、附录 4二、设计过程 41、方案一 查表近似计算 62、方案一 程序电算 153、方案二 查表近似计算184、方案二 程序电算25三、经济比选 28四、路基结构图 29 半刚性沥青路面结构设计一，设计资料1、设计题目武汉地区某高速公路，其中某段经调查路基为粉质中质中液限土，地下水位1.1米，路基填土高度0.5米。近期混合交通量为29700辆/日交通组成，双向六车道，代表车型的技术参数分别如表1、表2所示，.交通量年平均增长率8.5%。该路沿线可开采砂砾、碎石、粉煤灰、沥青供应。请设计合适的半刚性沥青路面结构。表1某路段混合交通组成表2代表车型的技术参数2、 设计依据 路基路面工程教材； 公路路基设计规范（JTG D30-2004），人民交通出版社，2004年，北京； 公路路基设计手册，人民交通出版社，1996年, 北京； 公路沥青路面设计规范（JTJ D50-2006），人民交通出版社，2006年，北京； 公路路面设计手册，人民交通出版社，1994年, 北京。 3、设计方法与设计内容（1） 根据自然区划、路基土类型和地下水位高度，确定土基回弹模量值；（2） 计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值；（3） 根据设计资料，确定合适的面层类型（包括面层材料级配类型）；（4） 拟定2种可能的路面结构组合与厚度方案，确定各结构层材料的计算参数；（5） 根据公路沥青路面设计规范验算拟定的路面结构；5、 设计要求：（1） 总体要求：根据设计资料，初步拟定2种路面方案，并对这2种方案进行经济技术比较（经济技术比较以初始修建费为依据，每种材料的单价见附录中表3所示）；（2） 要求计算每种代表车型的轴载换算系数（共两种：一种以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时的轴载换算系数；另一种为进行半刚性基层层底拉应力验算时的轴载换算系数）。（3） 拟定的路面结构方案，应明确标示出每种材料的名称、厚度和设计时使用的模量值，如附录中（2）所示。并列出路面结构验算过程。（4） 要求采用查表法和程序电算两种方法6、 附录（1） 武汉地区2003年材料单价表表3武汉地区2003年材料单价表（2） 材料设计参数参考表4沥青混合料设计参数表5基层、底基层材料设计参数二，设计过程方案一：解法一 查图标近似计算（1）确定路面结构方案 由表12-1到12-6，按当地经验与材料情况拟定路面结构组合设计方案（如图所示）（2）确定路面设计弯沉值计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次Ne。由公式：1) 当以设计弯沉为指标及沥青层层底拉应力验算时计算的当量交通量由相关规定可以得出下表（Excel），车辆类型.NiC1C2PiPPi/P(Pi/P)4.5N1轴桑塔纳(前轴)7300.2616.471000.079.4662E-06五十铃(前轴)12563.116.4141000.140.000193042轴 解放CA10B(前轴)6545.8816.419.41000.1940.000797882轴 黄河JN150(前轴) 2675.9716.4491000.490.044911027692轴 黄河JN162(前轴)561.3316.459.51000.5950.104507823753轴 交通SH361(前轴)53.4616.4601000.60.1083821937.1合计11821182轴桑塔纳（后轴）7300.2616.4141000.140.00019304五十铃（后轴）12563.116.4281000.280.00393675不考虑2轴 解放CA10B（后轴）6545.881160.851000.60850.11522157542轴 黄河JN150 （后轴）2675.9711101.61001.0161.0714887828672轴 黄河JN162（后轴）561.33111151001.151.8366889210313轴 交通SH361（后轴）53.462.211101001.11.51376403178合计48314831N16012.当以设计弯沉为指标及沥青层层底拉应力验算时应用公式：由上表计算得N1=6012次天设计年限累计当量标准轴载数：其中t=15,=0.38,r=8.5%.2) 当进行半刚性基层层底拉应力验算时计算的当量交通量由相关规定可以得出下表（Excel），车辆类型NiC1C2PiPPi/P(Pi/P)8N1轴桑塔纳（前轴）7300.26118.571000.075.7648E-10不考虑五十铃（前轴）12563.1118.5141000.141.4758E-07不考虑2轴 解放CA10B（前轴）6545.88118.519.41000.1942.0064E-06不考虑2轴 黄河JN150 （前轴）2675.97118.5491000.490.00332329164.52110172轴 黄河JN162（前轴）561.33118.559.51000.5950.01570854163.12694683轴 交通SH361（前轴）53.46118.5601000.60.0167961616.6115702合计后轴344.2596187344.26轴桑塔纳（后轴）7300.26118.5141000.141.4758E-07不考虑五十铃（后轴）12563.1118.5281000.283.778E-05不考虑2轴 解放CA10B（后轴）6545.881160.851000.60850.01879683123.04180682轴 黄河JN150 （后轴）2675.9711101.61001.0161.135402023038.3017512轴 黄河JN162（后轴）561.33111151001.153.059022861717.1213033轴 交通SH361（后轴）53.46311101001.12.14358881343.7887733合计5222.2536345222.3N15566.5当进行半刚性基层层底拉应力验算时应用公式：由上表计算得N1=5567次天设计年限累计当量标准轴载数： 其中t=15,=0.38,r=8.5%.确定路面设计弯沉值ld查教材路基路面工程表12-9,12-10，12-11得Ac=1.0,As=1.0,As=1.0,由式(12-28), 确定土基回弹模量E0值 由教材路基路面工程表2-8，对中湿类粉质粘土组，其分界稠度为：1.05c0.90,现取c=1.0,参照教材路基路面工程表12-12，对3区中湿路段，E0=36.0Mpa。（3）、计算待求层厚度土基及路面材料的回弹模量及各强度值列于下表。材料名称抗压回弹模量劈裂强度抗弯拉强度弯拉回弹模量2015中粒式沥青混泥土120018001.11.51500细粒式沥青混泥土140020001.41.51500粗粒式沥青混凝土100012000.81.51500水泥稳定碎石150015000.61.0 800石灰土5505500.250.31200土基 36.0- 根据 ls=ld,利用式（12-15），求理论弯沉系数c:对于计算待求层厚度将该多层体系换成当量三层体系如下图所示，其中中层厚度H由h2,h3 ，h4和h5 组合而成，其计算方法如下： （a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算计算H 由查教材路基路面工程图12-10，得由查图12-10，得由得再由及查得。故由式（12-16）计算: （4）验算整体性材料层底部的最大弯拉应力 确定容许拉应力 由式（12-34），有；由式（12-35），对沥青混凝土，；由式（12-36），对水泥稳定碎石，；对石灰土，；经计算，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： 得中粒式沥青混凝土容许弯拉应力：细粒式沥青混凝土容许弯拉应力： 粗粒式沥青混凝土容许弯拉应力： 水泥稳定碎石容许弯拉应力： 石灰土容许弯拉应力： 确定中粒式沥青混凝土底层弯拉应力m1 将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示：（a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算由由图12-18，查得，表明该层层底承受弯曲压应力，自然满足要求。确定细粒式沥青混凝土底层弯拉应力m2 将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示：（a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算由由图12-18，查得，表明该层层底承受弯曲压应力，自然满足要求。确定粗粒式沥青混凝土底层弯拉应力m3 将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示：（a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算由由图12-18，查得，表明该层层底承受弯曲压应力，自然满足要求。确定水泥稳定碎石底层弯拉应力m4 将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示：（a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算由查图12-18，查得；，查得，故 确定石灰土底层弯拉应力m5 将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示：（a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算查图12-29，得；由,查得；由,查得。通过计算可以基本确定本方案所拟定路面结构符合要求，即，细粒式沥青混凝土：5cm；细粒式沥青混凝土：4cm；粗粒式沥青混凝土：8cm；水泥稳定碎石：20cm;石灰土;45cm。 解法二 由沥青路面结构电算程序计算 （1）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CA10B 19.4 60.85 1 双轮组 6546 2 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 2676 3 黄河JN162 59.5 115 1 双轮组 561 4 交通SH361 60 110 2 双轮组 3 53 设计年限 15 ；车道系数0.38 ；交通量平均年增长率8.5 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时 : 路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 6043 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 2.366327E+07 当进行半刚性基层层底拉应力验算时 : 路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 5563 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 2.178368E+07 公路等级 ：高速公路 公路等级系数 1 ； 面层类型系数 1 ； 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 20.1 (0.01mm) 层位 结 构 层 材 料 名 称 劈裂强度(MPa) 容许拉应力(MPa) 1 中粒式沥青混凝土 1.1 0.29 2 细粒式沥青混凝土 1.4 0.37 3 粗粒式沥青混凝土 0.8 0.19 4 水泥稳定碎石 0.6 0.27 5 石灰土 0.25 0.09 （2）新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 20.1 (0.01mm) 路面设计层层位 : 5 设计层最小厚度 : 15 (cm) 层位 结构层材料名称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MPa) 容许应力(MPa) （20) (15) 1 中粒式沥青混凝土 5 1200 1800 0.29 2 细粒式沥青混凝土 4 1400 2000 0.37 3 粗粒式沥青混凝土 8 1000 1200 0.19 4 水泥稳定碎石 20 1500 1500 0.27 5 石灰土 ? 550 550 0.09 6 土基 36 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 20.1 (0.01mm) H( 5 )= 40 cm LS= 21.3 (0.01mm) H( 5 )= 45 cm LS= 19.9 (0.01mm) H( 5 )= 44.3 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 5 )= 44.3 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 44.3 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 44.3 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 44.3 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 44.3 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 44.3 cm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 44.3 cm(同时考虑弯沉和拉应力) （3）竣工验收弯沉值和层底拉应力计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 层位 结构层材料名称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MPa) 计算信息 (20) (15) 1 中粒式沥青混凝土 5 1200 1800 计算应力 2 细粒式沥青混凝土 4 1400 2000 计算应力 3 粗粒式沥青混凝土 8 1000 1200 计算应力 4 水泥稳定碎石 20 1500 1500 计算应力 5 石灰土 45 550 550 计算应力 6 土基 36 计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 19.9 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 21.7 (0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 23.7 (0.01mm) 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 27.7 (0.01mm) 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 55.2 (0.01mm) 土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 322.9 (0.01mm)(根据“基层施工规范”第88页公式) LS= 258.8 (0.01mm)(根据“测试规程”第56页公式) 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 : 第 1 层底面最大拉应力 ( 1 )=-0.158 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-0.024 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )=-0.03 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= 0.094 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 ( 5 )= 0.051 (MPa)两种方法的比较：从两种计算结果来看，近似计算方法所的路面结构厚度稍微偏大，应该是手算时查表不准确所致！方案二：解法一 查图标近似计算（1）确定路面结构方案 由表12-1到12-6，按当地经验与材料情况拟定路面结构组合设计方案（如图所示）（2）确定路面设计弯沉值计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次Ne。由公式：1)当以设计弯沉为指标及沥青层层底拉应力验算时计算的当量交通量由相关规定可以得出与方案一同样的计算表（见方案一），当以设计弯沉为指标及沥青层层底拉应力验算时应用公式：由上表计算得N1=6012次天设计年限累计当量标准轴载数： 其中t=15,=0.38,r=8.5%.2)当进行半刚性基层层底拉应力验算时计算的当量交通量由相关规定可以得出与方案一同样的计算表（见方案一），当进行半刚性基层层底拉应力验算时应用公式：由上表计算得N1=5567次天设计年限累计当量标准轴载数： 其中t=15,=0.38,r=8.5%.确定路面设计弯沉值ld查教材路基路面工程表12-9,12-10，12-11得Ac=1.0,As=1.0,As=1.0,由式(12-28), 确定土基回弹模量E0值 由教材路基路面工程表2-8，对中湿类粉质粘土组，其分界稠度为：1.05c0.90,现取c=1.0,参照教材路基路面工程表12-12，对3区中湿路段，E0=36.0Mpa。（3）、计算待求层厚度土基及路面材料的回弹模量及各强度值列于下表。材料名称抗压回弹模量劈裂强度抗弯拉强度弯拉回弹模量2015中粒式沥青混泥土140020001.11.51500细粒式沥青混泥土120016001.41.51500粗粒式沥青混凝土90012000.81.51500石灰土稳定碎石100010000.60.61800石灰土5505500.250.31200土基 36.0- 根据 ls=ld,利用式（12-15），求理论弯沉系数c:对于计算待求层厚度将该多层体系换成当量三层体系如下图所示，其中中层厚度H由h2,h3 ，h4和h5 组合而成，其计算方法如下： （a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算计算H 由查教材路基路面工程图12-10，得由查图12-10，得由得再由及查得。故由式（12-16）计算: （4）验算整体性材料层底部的最大弯拉应力 确定容许拉应力 由式（12-34），有；由式（12-35），对沥青混凝土，；由式（12-36），对石灰土稳定碎石，；对石灰土，；经计算，细粒式沥青混凝土：中粒式沥青混凝土：粗粒式沥青混凝土：石灰土稳定碎石： 石灰土： 得中粒式沥青混凝土容许弯拉应力：细粒式沥青混凝土容许弯拉应力： 粗粒式沥青混凝土容许弯拉应力： 水泥稳定碎石容许弯拉应力： 石灰土容许弯拉应力： 确定中粒式沥青混凝土底层弯拉应力m1 将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示：a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算由由图12-18，查得，表明该层层底承受弯曲压应力，自然满足要求。确定细粒式沥青混凝土底层弯拉应力m2将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示：a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算由由图12-18，查得，表明该层层底承受弯曲压应力，自然满足要求。确定粗粒式沥青混凝土底层弯拉应力m3 将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示：a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算由由图12-18，查得，表明该层层底承受弯曲压应力，自然满足要求。 确定石灰土稳定碎石底层弯拉应力m4将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示：a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算由查图12-18，查得；，查得，故确定石灰土底层弯拉应力m5将多层体系换算成当量三层体系，如下图所示： a）实际路面结构 （b）当量三层体系 多层结构当量换算查图12-29，得；由,查得；由,查得。通过计算可以基本确定本方案所拟定路面结构符合要求，即，细粒式沥青混凝土：5cm；细粒式沥青混凝土：4cm；粗粒式沥青混凝土：8cm；水泥稳定碎石：20cm;石灰土;45cm。 解法二 由沥青路面结构电算程序计算（1）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CA10B 19.4 60.85 1 双轮组 6546 2 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 2676 3 黄河JN162 59.5 115 1 双轮组 561 4 交通SH361 60 110 2 双轮组 3 53 设计年限15 ； 车道系数0.38 ； 交通量平均年增长率； 8.5 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时 : 路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 6043 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 2.366327E+07 当进行半刚性基层层底拉应力验算时 : 路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 5563 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 2.178368E+07 公路等级 ：高速公路 公路等级系数 1 面层类型系数 1 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 20.1 (0.01mm) 层位 结 构 层 材 料 名 称 劈裂强度(MPa) 容许拉应力(MPa) 1 中粒式沥青混凝土 1.1 .29 2 细粒式沥青混凝土 1.4 .37 3 粗粒式沥青混凝土 .8 .19 4 石灰土稳定碎石 .4 .18 5 石灰土 .25 .09 （1）新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 20.1 (0.01mm) 路面设计层层位 : 5 设计层最小厚度 : 15 (cm) 层位 结构层材料名称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MPa) 容许应力(MPa) (20) (15) 1 中粒式沥青混凝土 4 1400 2000 .29 2 细粒式沥青混凝土 4 1200 1600 .37 3 粗粒式沥青混凝土 8 900 1200 .19 4 石灰土稳定碎石 35 1000 1000 .18 5 石灰土 ? 550 550 .09 6 土基 36 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 20.1 (0.01mm) H( 5 )= 30 cm LS= 20.7 (0.01mm) H( 5 )= 35 cm LS= 19.4 (0.01mm) H( 5 )= 32.3 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 5 )= 32.3 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 32.3 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 32.3 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 32.3 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 32.3 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 32.3 cm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 32.3 cm(同时考虑弯沉和拉应力) 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: - 中粒式沥青混凝土 4 cm - 细粒式沥青混凝土 4 cm - 粗粒式沥青混凝土 8 cm - 石灰土稳定碎石 35 cm - 石灰土 33 cm -