路基路面课程设计.doc

《路基路面工程》课程设计

学院：土木工程学院
专业：土木工程
班级：道路二班
姓名：黄叶松
指导教师：但汉成

二〇一五年九月

目 录
一、重力式挡土墙设计
第一部分 设计任务书…………………………………………………3
（一）设计内容和要求…………………………………………………3
（二）设计内容…………………………………………………………3
（三）设计资料…………………………………………………………3
第二部分 设计计算书
1. 车辆换算荷载………………………………………………………4
2. 主动土压力计算……………………………………………………5
3. 设计挡土墙截面……………………………………………………9
4. 绘制挡土墙纵横截面（附图1）…………………………………30
二、 沥青路面结构设计
1．设计资料…………………………………………………………12
2. 轴载分析…………………………………………………………12
3. 拟定路面结构方案………………………………………………16
4. 各材料层参数……………………………………………………16
5. 设计指标确定……………………………………………………17
6. 确定设计层厚度…………………………………………………18
7. 底层弯拉应力验算………………………………………………21
8. 防冻层厚度验算…………………………………………………29
9. 方案可行性判定…………………………………………………29
10. 绘制路面结构图……………………………………………………31

一、重力式挡土墙
第一部分 设计任务书
（一）设计的目的要求
通过本次设计的基本训练，进一步加深对路基路面工程有关理论知识的理解，掌握重力式挡土墙设计的基本方法与步骤。
将设计任务书、设计说明书及全部设计计算图表编好目录，装订成册。
（二）设计内容
①车辆荷载换算；
②土压力计算；
③挡土墙截面尺寸设计；
④挡土墙稳定性验算。
（三）设计资料
1．墙身构造
拟采用细粒水泥混凝土砌片石重力式路堤墙(如草图1)，墙高=？m，墙顶宽=？m，填土高度2.4m，填土边坡1：1.5，墙背仰斜，1：0.25（=—14°02′），基底倾斜1：5（=—11°18′)，墙身等厚，=7.0 m。
2．车辆荷载
车辆荷载等级为公路—Ⅱ级，挡土墙荷载效应组合采用荷载组合Ⅰ、Ⅱ，路基宽度33.5m，路肩宽度0.75m。
3．土壤工程地质情况
墙后填土容重=18KN/m3，内摩檫角=38°，填土与墙背间的摩檫角；粘性土地基，允许承载力[]=250Kpa，基底摩檫系数=0.40。
4．墙身材料
细粒水泥混凝土砌25号片石，砌体容重=23KN/m3； 砌体允许压应力[]=600KPa，允许剪应力[]=100KPa，允许拉应力[]=60KPa。

第二部分 计算书正文
1. 车辆荷载换算
墙背后填土表面有车辆荷载作用，使土体产生附加的竖向应力，从而产生附加的侧向应力。土压力计算时，对于作用于墙背后填土表面的车辆荷载可以近似的按均布荷载来考虑，并将其换算为重度与墙后填土相同的均布土层。
（1）求不计车辆荷载作时的破裂棱体宽度B0
计算图示如下

初步拟定，查《公路设计手册（路基）》，由表3—2—1中第五类公式知

则，

于是有：

（2）求纵向分布长度L

L采用10m，其中，L0取为7.0m
（3）计算车辆荷载总重
车轮中心距路基边缘0.5m，汽车20级，一辆车的总重力为300KN。
在范围内布置车轮重：
布置车轮的宽度

（4）换算当量土层厚度

2. 主动土压力计算

1）求破裂角
假设破裂面交于荷载内，查《公路设计手册（路基）》

现验算破裂面是否交于荷载内：
堤顶破裂面至墙踵：
荷载内缘至墙踵:
荷载外缘至墙踵:
比较得知：，故结果与假设相符，所选公式正确。
（2）求主动土压力系数K和K1
（1）中假设成立，即破裂面交于荷载内，则采用《公路设计手册（路基）》第二版表3-2-1采用第6类公式计算：

（3）求主动土压力及作用点位置
按墙的每延米计算。
墙后土体主动土压力：
水平向分力：
竖向分力：

因基底倾斜，土压力对墙趾O的力臂为：

（4）验算荷载：
①对于挂车——100取，。于是：

验算破裂面是否交于荷载内：
堤顶破裂面至墙踵：
荷载内缘至墙踵:
荷载外缘至墙踵:
比较得知：，故结果与假设相符，所选公式正确。
②求主动土压力系数K和K1

③求主动土压力及作用点位置
墙后土体主动土压力：

水平向分力：
竖向分力：
比较得知：验算荷载略大于设计荷载，故挡土墙截面设计按照验算荷载进行计算。

因基底倾斜，土压力对墙趾O的力臂为：

3. 设计挡土墙截面
（1）计算墙身自重及其力臂

故

（2）抗滑稳定性验算

，故抗滑移稳定性满足要求。
（3）抗倾覆稳定性验算

，故挡土墙抗倾覆稳定性满足要求。
（4）基底应力验算
为保证挡土墙基底应力不超过地基承载力，应进行基底应力验算。

偏心距：

因此，，地基承载力满足要求。
（5）截面应力验算
为了保证强身具有足够的强度，应根据经验选择1~2个控制断面进行验算，墙面、墙背相互平行，截面的最大应力出现在接近基底处。
① 强度计算
要求：
如附图所示，选取一个截面进行验算：1-1截面

其中，；

于是：

则挡土墙强度满足要求。
② 稳定性计算
要求：
其中：
于是：
则挡土墙稳定性满足要求。
③ 正截面受剪时验算
要求：
其中：

于是：
则挡土墙抗剪强度满足要求。
4. 绘制挡土墙纵横断面图（1:100）。见附图一

二、沥青路面结构设计
一、设计资料
表1 交通量及荷载组成
车型
总重（KN）
前轴（KN）
后轴（KN）
后轴数
辆/日
黄河JN—150
150.60
49.00
101.60
1
1700
解放CA—10B
80.25
20.25
60.00
1
1200
东风EQ—140
92.00
23.70
69.20
1
650
日野KB—211
147.55
47.55
100.00
1
200
太脱拉138
211.40
51.40
160.00
2
25
上海SH130
39.50
16.50
23.00
1
340
跃进230
48.50
18.20
33.30
1
350
2010年~2015年交通量的平均年增长率为12%，2000年以后为11%。该公路为双向四车道，路基平均填土高度1.8 m，土质为中液限粘土，平均地下水位1.6 m，平均冻深0.4 m。

二、轴载分析
1、确定设计年限内交通量的平均增长率
根据设计资料，2010年~2015年交通量的平均年增长率为12%，2000年以后为11%。
2、设计年限内一个车道的累计当量轴次的计算
路面设计采用双轮组单轴载100KN为标准轴载，以BZZ—100表示。
1） 当以设计弯沉值为设计指标时，换算成标准轴载P的当量作用次数N的公式为：

表1.2 轴载换算结果表（弯沉）
车型
PI(KN)
C1
C2
Ni
N
黄河JN150
前轴
49
1
6.4
1700
488.63
后轴
101.6
1
1
1700
1821.53
解放CA10B
前轴
20.25
1
6.4
1200
7.38
后轴
60
1
1
1200
130.06
东风EQ140
前轴
23.7
1
6.4
650
7.93
后轴
69.2
1
1
650
131.03
日野KB211
前轴
47.55
1
6.4
200
50.44
后轴
100
1
1
200
200
太脱拉138
前轴
51.4
1
6.4
25
8.85
后轴
160
2.2
1
25
424.90
上海SH130
前轴
16.5
1
6.4
340
0.86
后轴
23
1
1
340
0.57
跃进230
前轴
18.2
1
6.4
350
1.35
后轴
33.3
1
1
350
2.93
N=3276.46
设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数Ne

式中：Ne---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
η---临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，取η=0.45，
第一个5年=3276.46

第二个5年

第三个5年

一个车道的累计当量轴载作用次数为：
=++=1.913，属于重级交通。
该值可用于来计算路面设计弯沉及沥青层底拉应力。
2） 当进行半刚性基层层底拉应力验算时，换算成标准轴载P的当量作用次数N 的公式为：

车型
PI(KN)
C1’
C2’
ni
N
黄河JN150
前轴
49
1
1
1700
5.65
后轴
101.6
1
1
1700
1930.18
解放CA10B
前轴
20.25
1
1
1200
0
后轴
60
1
1
1200
20.16
东风EQ140
前轴
23.7
1
1
650
0.01
后轴
69.2
1
1
650
34.18
日野KB211
前轴
47.55
1
1
200
0.52
后轴
100
1
1
200
200
太脱拉138
前轴
51.4
1
1
25
0.12
后轴
160
3
1
25
3221.23
上海SH130
前轴
16.5
1
1
340
0
后轴
23
1
1
340
0
跃进230
前轴
18.2
1
1
350
0
后轴
33.3
1
1
350
0.05
N=5412.1
设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数Ne

式中：Ne---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
η---临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，取η=0.45，
第一个5年=5412.1

第二个5年

第三个5年

一个车道的累计当量轴载作用次数为：
=++=3.161，属于特重级交通。
此数据用于进行半刚性基层层底拉应力验算。

三、拟定路面结构组合方案及厚度
方案一： 方案二：

细粒式沥青混凝土 h=4cm
中粒式沥青混凝土 h=5cm
粗粒式沥青混凝土 h=6cm
水泥稳定碎石 h=20cm
石灰土 h=?
级配碎、砾石 h=12 cm

土基
细粒式沥青混凝土 h=4cm
中粒式沥青混凝土 h=6cm
粗粒式沥青混凝土 h=8cm
水泥稳定碎石 h=？
二灰土 h=16cm
填隙碎石 h=10 cm

土基

方案一中石灰土层为设计层，方案二中以水泥稳定碎石层为设计层。
四、各层材料的抗压模量与劈裂强度、土基的回弹模量的确定
1） 确定各层材料的抗压模量与劈裂强度，（通过查表）可得下列设计参数，汇表如下：
材料名称
抗压回弹模量（）
15℃劈裂强度（）
20℃
15℃
细粒式沥青混凝土
1400
2000
1.4
中粒式沥青混凝土
1200
1400
1.0
粗粒式沥青混凝土
1000
1200
0.8
水泥稳定碎石
1500
——
0.5
石灰土
550
——
0.225
二灰土
750
——
0.25
级配碎、砾石
225
——
——
填隙碎石
250
——
——

2） 确定土基的回弹模量
根据该路段所处的自然区划，土质，且稠度等，查《公路沥青路面设计规范》可得土基回弹模量。

五、设计指标的确定（设计弯沉Ld）
对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构底层拉应力验算。
1、设计弯沉值的计算

式中：Ld------设计弯沉值（0.01mm）
Ne------设计年限内一个车道累计当量轴载标准通行次数
Ac------公路等级系数，一级公路：1.0
AS------面层系数，沥青混凝土面层：1.0
AB------路面结构系数，刚性基层、半刚性基层、沥青路面为1.0
又Ne=1.913
则设计弯沉值=20.98 (0.01mm)
抗拉结构强度系数K：
沥青混凝土面层
无机结合料稳定集料
无机结合料稳定细粒土
容许拉应力，--路面结构材料的极限抗拉强度（MPa ）。

结构层材料名称
Ne
Ac
Ks
σsp
σR（MPa）
细粒式沥青混凝土
1.913
1.0
3.599
1.4
0.389
中粒式沥青混凝土
1.913
1.0
3.599
1.0
0.278
粗粒式沥青混凝土
1.913
1.0
3.599
0.8
0.222
-水泥稳定碎石
3.161
1.0
2.339
0.5
0.214
石灰土
3.161
1.0
3.007
0.225
0.0748
二灰土
3.161
1.0
3.007
0.25
0.0831
级配碎、砾石
3.161
1.0
2.339

填隙碎石
3.161
1.0
2.339

六、确定设计层的厚度（采用三层体系为计算体系）
确定我国路面结构设计的标准为实际弯沉值小于设计弯沉值，即

因此在设计路面结构厚度时，可以采用最不利情况，即实际弯沉值等于设计弯沉值。
①、计算弯沉综合修正系数F

式中：F—弯沉综合修正系数；
—路面实测弯沉值，在计算路面厚度时，可用容许弯沉值；
、—标准车型的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径（cm），
通常 取0.7MPa，取10.65cm；
E0—土基回弹模量。

②、计算理论弯沉系数

③、将多层体系照弯沉等效的原则换算为按三层体系，如下图所示：
E h
E h
E h
E h
E h
E h

E
E h

E H

E

1、对于方案一，计算石灰土层厚度：
由已知参数求得：
；；；
查三层体系表面弯沉系数诺谟图，可得=6.600，K1=1.250
，

由公式
由K2=0.452，， ，查诺谟图得：
取10.65cm 则H=62.84CM
由中层厚度的换算公式：
=5cm

则=H-=57.84cm

解得
取整
2、对于方案二，计算水泥稳定碎石层厚度：
；；；
查三层体系表面弯沉系数诺谟图，可得=6.600，K1=1.250
，

由公式
由K2=0.452，， ，查诺谟图得：
取10.65cm 则H=62.84CM
由中层厚度的换算公式：
=6cm

则=H-=56.84cm

解得
取整

则初步拟定路面方案如下图所示：
方案一： 方案二：

细粒式沥青混凝土 h=4cm
中粒式沥青混凝土 h=5cm
粗粒式沥青混凝土 h=6cm
水泥稳定碎石 h=20cm
石灰土 h=34cm
级配碎、砾石 h=12 cm

土基
细粒式沥青混凝土 h=4cm
中粒式沥青混凝土 h=6cm
粗粒式沥青混凝土 h=8cm
水泥稳定碎石 h=29cm
二灰土 h=16cm
填隙碎石 h=10 cm

土基

七、层底弯拉应力验算
①对于方案一
1、验算沥青混凝土面层底面的弯拉应力
将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
E h
E h
E h
E h
E h
E h

E
E h

E H

E

换算公式可以采用下列公式表示：

注意此时第一层用15℃抗压模量，其余各层抗压模量不变

则

假设上中层间为连续的，查诺谟图，得： ； ；

沥青混凝土面层底面拉应力满足要求
2、验算半刚性基层底面的弯拉应力
将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：

E h
E h
E h
E h
E h
E h

E
E h

E H

E

换算公式可以采用下列公式表示：

注意此时第一层用15℃抗压模量，其余各层抗压模量不变

则

假设上中层间为连续的，查诺谟图，得： ； ；

沥青混凝土面层底面拉应力满足要求
3、验算底基层底面的弯拉应力
将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
E h
E h
E h
E h
E h
E h

E
E h

E H
E

换算公式为：
换算公式可以采用下列公式表示：

注意此时第一层用15℃抗压模量，其余各层抗压模量不变

则

假设上中层间为连续的，查诺谟图，得： ； ；

沥青混凝土面层底面拉应力满足要求
②对于方案二
1、验算沥青混凝土面层底面的弯拉应力
将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
E h
E h
E h
E h
E h
E h

E
E h

E H

E

换算公式可以采用下列公式表示：

注意此时第一层用15℃抗压模量，其余各层抗压模量不变

则

假设上中层间为连续的，查诺谟图，得： ； ；

沥青混凝土面层底面拉应力满足要求
2、验算半刚性基层底面的弯拉应力
将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：

E h
E h
E h
E h
E h
E h

E
E h

E H

E

换算公式可以采用下列公式表示：

注意此时第一层用15℃抗压模量，其余各层抗压模量不变

则

假设上中层间为连续的，查诺谟图，得： ； ；

沥青混凝土面层底面拉应力满足要求
3、验算底基层底面的弯拉应力
将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
E h
E h
E h
E h
E h
E h

E
E h

E H
E

换算公式为：
换算公式可以采用下列公式表示：

注意此时第一层用15℃抗压模量，其余各层抗压模量不变

则

假设上中层间为连续的，查诺谟图，得： ； ；

沥青混凝土面层底面拉应力满足要求
八、防冻层厚度验算
方案一

防冻层满足要求
方案二

防冻层满足要求
九、方案可行性判定
材料名称
厚度（cm）
20℃抗压回弹模量（MPa）
15℃抗压回弹模量（MPa）
15℃劈裂强度（MPa）
容许拉应力(MPa)
实际拉应力(MPa)
细粒式沥青混凝土
4
1400
2000
1.4
0.389

中粒式沥青混凝土
5
1200
1400
1.0
0.278

粗粒式沥青混凝土
6
1000
1200
0.8
0.222

0.053
水泥稳定碎石
20
1500

0.5
0.214

0.053
石灰土
34
550

0.225
0.0748

0.056
级配碎、砾石
12
225

0.0831

土基
-
44.5

-

按设计弯沉值计算设计层厚度 :LD= 20.98 (0.01mm)
方案二：
设计参数汇总表
材料名称
厚度（cm）
20℃抗压回弹模量（MPa）
15℃抗压回弹模量（MPa）
15℃劈裂强度（MPa）
容许拉应力(MPa)
实际拉应力(MPa)
细粒式沥青混凝土
4
1400
2000
1.4
0.389

中粒式沥青混凝土
6
1200
1400
1.0
0.278

粗粒式沥青混凝土
8
1000
1200
0.8
0.222

0.046
水泥稳定碎石
29
1500

0.5
0.214

0.142
二灰土
16
550

0.25
0.0831
0.064
填隙碎石
10
225

土基
-
44.5

-

按设计弯沉值计算设计层厚度 :LD= 20.98 (0.01mm)

30