《路基路面工程》课程设计.doc

目 录1路基设计11.1路基横断面设计11.1.1确定路基横断面形式11.1.2确定自然区划和路基干湿类型11.1.3路基横断面尺寸设计21.2道路横断面排水设计31.2.1边沟设计31.2.2排水沟设计31.2.3截水沟设计41.3路基稳定性验算41.3.1路基稳定性验算41.3.2路基坡面防护61.4路基施工设计71.4.1施工要点71.4.2路基压实81.4.3其它路基设施的施工92刚性路面设计102.1行车荷载102.1.1车辆类型和轴型102.1.2轴载换算102.1.3交通分析122.2路面结构组合设计132.2.1垫层设计132.2.2基层设计142.2.3面层设计152.2.4路肩设计162.2.5路面排水设计162.3路面结构层设计172.3.1初拟路面结构172.3.2路面材料参数确定172.3.3基层顶面回弹模量182.3.4荷载疲劳应力分析202.3.5温度疲劳应力222.4接缝设计252.4.1纵向接缝252.4.2横向接缝262.5水泥混凝土面层混合料设计272.5.1基本要求272.5.2配合比设计272.6钢筋用钢量计算302.7水泥混凝土路面机械摊铺施工313柔性路面设计333.1初拟路面结构方案333.2轴载换算并确定路面容许弯沉值343.2.1车辆类型和轴型343.2.2以设计弯沉值为指标轴载换算343.2.3层底拉应力验算轴载换算363.3确定路基回弹模量383.4确定材料回弹模量383.5三层体系简化确定路面结构393.5.1求算综合修正系数403.6验算结构层底地面拉应力413.6.1验算中粒式沥青混凝土面层413.6.2验算水泥砂砾基层433.6.3验算石灰水泥粉煤灰砂砾底基层443.7各结构层材料组成设计453.8各结构层施工技术要求及质量控制标准453.9工程量及材料组成设计46参考文献47xx大学xx学院路基路面工程课程设计1 路基设计路基是在地表按照道路路线位置和一定技术要求开挖或堆填而成的岩土结构物，是道路的主要组成部分之一，其好坏决定道路的使用品质。路基既要有足够的强度和稳定性，又要经济合理。因此在设计时，根据其使用要求和当地自然条件，并结合施工方案进行合理设计，必要时还要设计多种方案，综合比较后，以选最优。在实际工程中，水是影响路基强度和稳定性的一个非常重要的因素，因此在设计时要注意路基的排水，同时要结合路面排水，形成一个统一的排水系统。本设计主要依据公路路基设计规范(JTG D302004)、道路勘测设计和路基路面工程教材进行设计。1.1 路基横断面设计1.1.1 确定路基横断面形式路基横断面一般有路堤、路堑、半挖半添路基三种方式。根据设计任务书要求，本设计为南京地区的二级公路，主要为平原，因此主要采用路堤形式。设计为二级公路，双车道混合形式。1.1.2 确定自然区划和路基干湿类型根据路基路面工程可知：南京位于1长江下游平原润湿区。路基土质为低液限粘土。由路基路面工程得路基临界高度：表1.1 路基临界高度参考值土组路槽底至水位临界高度自然区划粉性土地下水H1H2H311.71.91.21.30.80.9根据设计任务书，该公路为二级公路双车道混合行驶，路基高度为0.5m，地下水位1m，因此临界高度H=0.5+1=1.5m，H2 H1.45，所以路基稳定性验算结果满足要求。1.3.2 路基坡面防护由于南京地区处于亚热带湿热气候区，年降雨量在10001500mm，对路基冲刷较大，结合二级公路的标准，应设置路基坡面防护。根据公路路基设计规范(JTG D302004)，路基较低，路基边坡坡率为1:1.5，可设植被防护。植被防护时宜选择易成活、生长快、根系发达、叶茎矮或有匍匐茎的多年生草种。路基挖方较大时，可设骨架加固，即骨架植物防护。图1.5 植被坡面防护图示图1.6 骨架植物坡面防护图示1.4 路基施工设计路基施工主要是修筑路堤，并将其压实，同时注意排水工作。修筑路堤时要注意合理取土，因地制宜，符合环保要求，防止污染环境，以适当处理，减少弃土侵占耕地，防止水土流失和瘀塞河道。1.4.1 施工要点1） 基本要求土质路基的挖填，首先必须搞好施工排水，包括地面临时排水沟槽及设法降低地下水位,以便始终保持施工场地的干燥。路基挖填范围内的地表障碍物，事先应予以拆除。路堑开挖，应在全横断面进行，自上而下一次成型。土质路堤分层填平压实，是确保施工质量的关键。主要采用机械化施工，人工辅助配合的方式进行路基施工。路堤填方材料，应有一定的强度。经野外取土试验，二级公路应符合表1.6的规定时才能使用。表1.6 路堤填方材料最小强度和最大粒径表填料应有部位（路床顶面以下深度）（m）填料最小强度（CBR）(%)路 堤上路床（030）6下路床（3080）4上路堤（80150）3下路堤（150）2零填及路堑路床（030）6（3080）4（2） 填挖方案土质路堤填筑，主要采用不同的土水平分层平铺的方式，以保证强度均应。分层填筑、分层压实， 分层的最大摊铺层厚，按土质类别，确定压实机具功能碾压遍数，最大摊铺厚度，不宜超过 50cm，填筑至路床底面，最后一层的最小压实厚度，不应小于 8cm。路基压实采用重型压实标准，压实度应符合公路路基设计规范(JTG D302004)的要求。 路基基底为耕地或土质松散时，应在填前进行压实，路基设计时，可考虑了清理场地后进行填筑压实，厚度按 0.2m 计列压实下沉所填增加的土方量。需要开挖时，土质路堑开挖，主要采用纵向全款掘进和横向通道掘进两种方式。1.4.2 路基压实（1） 机具选择与操作根据各种填料的不同性质以及不同土层厚度，采用最适宜的压实机械进行施工。路基压实应在最佳含水率条件下进行。（2） 压实标准本公路为二级公路，按现行规范规定，路基压实度应满足表1.7的要求。表1.7 路基压实度填挖类别路床顶面以下深度（m）路基压实度（%）零填及挖方00.3950.30.895填方00.8950.81.5941.5921.4.3 其它路基设施的施工这里主要包括边坡施工和排水设施（包括边沟、排水沟、截水沟等）施工，前面已经说明，这里不再赘述。但需要说明的是，边坡和排水设施施工时，应注意有足够的压实度。比如边坡坡面的压实，边沟、排水沟、截水沟沟底和沟底两侧坡面的压实，要符合相应的技术要求。2 刚性路面设计刚性路面即水泥混凝土路面，具有较高的力学强度，在车轮荷载作用下变形较小。所以，混凝土板通常工作在弹性阶段。本水泥混凝土路面设计主要依据公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)和路基路面工程教材。在荷载图示方面采用静力作用均布面荷载；在路面板形态方面，采用半空间弹性地基有限大矩形板理论。2.1 行车荷载2.1.1 车辆类型和轴型根据设计任务书及有关资料，得车辆轴重参数如下表：表2.1 车辆轴重参数参考表车型分类汽车车型前轴重（kN）后轴重（kN）后轴数后轴轮组数后轴距（m）交通量小客车桑塔纳200000000959中客车江淮AL66001726.5120143大客车黄海DD6804991.5120248轻型货车北京BJ13013.427.4120361中型货车东风EQ14023.669.3120185中型货车黄河JN16358.6114120290铰接挂车东风SP925050.7113.33241962.1.2 轴载换算根据公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)，我国路面设计规范中选用双轮组单轴轴载100KN（以BZZ-100表示）为标准轴载，标准轴载的有关计算参数具体见表2.2：表2.2 标准轴载计算参数标 准 轴 载BZZ100轴载P（KN）100轮胎接地压强p（MPa）0.70单轮传压面当量直径d（cm）21.30两轮中心距（cm）1.5d水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴轮型和轴载的作用次数，换算为标准轴载的作用次数。由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002) 有 (2-1) (2-2)或 (2-3)或 (2-4)式中：Ns100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；Pi单轴-单轮、单轴-双轮组、双轴-双轮组或三轴-双轮组轴型级轴载的总重（KN）；轴型和轴载级位数；各类轴型级轴载的作用次数；轴-轮型系数，单轴-双轮组时，=1；单轴-单轮时，按（2-2）计算；双轴-双轮组时，按（2-3）计算；三轴-双轮组时，按（2-4）计算。对于标准轴载作用次数的统计，去掉影响较小的轴载小于40KN的交通量。并由式2.12.3计算结果列表如下：表2.3 轴载换算计算表轴载Pi（KN）每日通过次数（次/d）BZZ-100轴次（次/d）095910026.514310091.524810.24146027.436110069.318510.00281114.029018.137223603113.31960.7910-8317408558.9492=2913则可知本路建成初期每昼夜双向混合交通量换算成标准轴载的作用次数为2913次/d。2.1.3 交通分析由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)可得二级公路的设计基准期为20年，具体数值见表2.4：表2.4 可靠度设计指标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）30302020目标可靠度（）95908580目标可靠指标1.641.281.040.84变异水平等级低低中中中高则设计基准期内路面所承受的标准轴载累计作用次数为Ni，则有： (2-5)其中，t =20，n1=2913，=7% 。则有 由于路面设计依据的交通量是设计车道上的交通量，所以，应对道路交通量乘以方向不均匀系数及车道不均匀系数。方向不均匀系数取0.5，车道不均匀系数取1.0。则有设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数Ns为：Ns=Ni0.51.0=435882530.51.0=21294127 (2-7)车道横断面上各点所受的轴载作用次数，仅为通过该车道断面的轴载作用次数的一部分。水泥混凝土路面的临界疲劳荷位为纵缝边缘中部，该处的轮迹横向分布系数，按实际测定结果参照表2.5所示。表2.5 车辆轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速、一级公路、收费站0.170.22二级及二级以下公路行车道宽大于7m0.340.39行车道宽小于或等于7m0.540.62本公路为二级公路双向混合形式，取=0.38 。则，设计基准期内面层临界荷位出得标准轴载累积作用次数Ne。Ne=Ns=212941270.38=8091768 (2-8)水泥混凝土路面所承受的交通轴载作用，按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为四级，分级范围如表2.6所示。表2.6 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）2000100200031003由表2.6可知，本道路交通属于重交通。2.2 路面结构组合设计2.2.1 垫层设计本公路由于位于南京地区，地下水位为1m，路基高度为0.5米，路基干湿类型为中湿，降雨量较多，需要在路基和基层之间设置垫层，以改善路基的湿度和温度状况，保证面层和基层的强度、刚度及温度性。由于修筑垫层的材料，强度要求不一定要求很高，但水稳性和隔温性能要好，本设计考虑到公路所在地区降雨量较大，地下水位较高，主要采用排水垫层。排水垫层所采用的材料是砂砾，砂砾垫层应采用洁净的中、粗砂及砾石，含泥量不大于5%，并将其中的植物、杂质清除干净，也可以采用天然级配的砂砾料，其最大粒径不大于50mm。应注意防止粗细粒料分离现象。由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)，垫层的宽度应与路基同宽，其最小厚度为150mm。本设计取垫层厚度为160mm。2.2.2 基层设计在面层下设置基层的主要目的是防止唧泥、错台和由此引起的面板断裂等损坏的出现，并承受面层传递下来的荷载。因此要求刚度与面层匹配，细粒土含量少、耐冲刷能力强和有排水设施，具有一定的刚度和承载能力。（1）类型由于本公路交通属于重交通。由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)可得适宜的基层类型如表2.7所示。表2.7 适宜各类交通等级的基层类型交通等级基层类型特重交通贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土基层重交通水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层中等或轻交通水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料或级配粒料基层根据路基的基本参数和南京地区的自然环境，决定采用多空隙水泥稳定碎石排水基层，并在基层下铺设底基层，采用石灰粉煤灰稳定集料，以满足重交通的需要。（2）宽度由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)知，基层的宽度应比混凝土面层每侧至少宽出300mm（采用小型机具施工时）或500mm（轨模式摊铺机施工时）或650mm（滑模式摊铺机施工时）。路肩采用混凝土面层，其厚度与行车道面层相同时，基层宽度宜与路基同宽。级配粒料基层的宽度也宜与路基同宽。本设计采用与路基同宽度的基层。（3）厚度由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)。可知各类基层厚度的适宜范围，如表2.8所示。表2.8 各类基层厚度的适宜范围基层类型厚度适宜的范围（mm）贫混凝土或碾压混凝土基层120200水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层150250沥青混凝土基层4060沥青稳定碎石基层80100级配粒料基层150200多孔隙水泥稳定碎石排水基层100140沥青稳定碎石排水基层80100考虑到二级公路的设计要求，且交通量较大，多空隙水泥稳定碎石排水基层采用120mm，石灰粉煤灰稳定集料底基层采用200mm。2.2.3 面层设计（1） 类型根据公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)，水泥混凝土面层应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。面层一般采用设接缝的普通混凝土；面层板的平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路基等有可能产生不均匀沉降时，应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。面层类型可根据适用条件按表2.9选用。表2.9 其他面层类型选择面层类型适用条件连续配筋混凝土面层高速公路沥青上面层与连续配筋混凝土或横缝设传力杆的普通混凝土下面层组成的复合式路面特重交通的高速公路碾压混凝土面层二级及二级以下公路、服务区停车场钢纤维混凝土面层标高受限制路段、收费站、混凝土加铺层和桥面铺装矩形或异形混凝土预制块面层服务区停车场、二级及二级以下公路桥头引道沉降未稳定段本设计为二级道路，根据表2.9可知应采用碾压混凝土面层。（2） 宽度根据设计任务书要求，本设计面层宽度即路面宽度，为9m。（3） 厚度普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或配筋混凝土面层所需的厚度，可参照表2.10所示参考范围。表2.10 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）260250240270240260230250220交通等级中等轻公路等级二级三、四级三、四级三、四级变异水平等级高中高中高中面层厚度（mm）240210230200220200230220根据表2.10可知，二级公路，交通等级为重交通，因此碾压混凝土面层采用250mm。2.2.4 路肩设计路肩铺面结构应具有一定的承载能力，其结构层组合和材料选用应与行车道路面相协调，并保证进入路面结构中的水的排除。路肩铺面可选用水泥混凝土面层或沥青面层。本设计采用水泥混凝土硬路肩，设计厚度与行车道面层同厚，为250mm，且跟行车道面层一样采用碾压混凝土结构。2.2.5 路面排水设计（1） 路面横坡设计根据公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)，行车道路面应设置双向或单向横坡，坡度设计为2。路肩铺面的横向坡度值宜比行车道路面的横坡值大12，设计为3%。（2）集水管和集水沟设计由于行车道路面结构设置了排水基层或垫层，应在排水基层或垫外侧边缘设置纵向集水沟和带孔集水管，并间隔80m设置横向排水管。带孔集水管和孔径采用120mm。集水沟的宽度采用300mm。集水沟的深度应能保证集水管管顶低于排水层底面，并有足够厚度和回填料使集水管不被施工机械压裂。沟内回填料宜采用与排水基层或垫层相同的透水性材料，或者不含细料的碎石或砾石粒料。回填料与沟壁间应铺设无纺反滤织物。横向排水管不带孔，其管径与集水管相同。集水沟和集水管的纵坡与路线纵坡相同，且不小于0.25%。横向排水管的坡度为7%。2.3 路面结构层设计2.3.1 初拟路面结构根据路面结构组合设计，可知路面结构层设计参数如下表：表2.11 路面结构层设计参数路面结构层厚度（m）宽度（m)结构类型面层0.259碾压混凝土面层基层0.1210.5多空隙水泥稳定碎石排水基层底基层0.210.5石灰粉煤灰稳定粒料垫层0.1610.5天然砂砾2.3.2 路面材料参数确定（1） 面层由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)可得普通混凝土面层弯拉强度标准值如表2.12所示。表2.12 水泥混凝土设计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）5.05.04.54.0钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）6.06.05.55.0同时可得相应的弯拉弹性模量如表2.13所示。表2.13 水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值弯拉强度（MPa）1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5抗压强度（MPa）5.07.711.014.919.324.229.735.841.848.4弯拉弹性模量（GPa）10151821232527293133根据本设计交通等级为重交通，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa。（2） 基层表2.14 垫层和基层材料回弹模量经验参考值材料类型回弹模量（MPa）天然沙砾150200石灰粉煤灰稳定粒料13001700由表2.14得石灰粉煤灰稳定粒料基层回弹模量取1400MPa。（3）垫层同样由表2.14得天然砂砾垫层的回弹模量取180MPa。（4）路基由设计任务书可知，路基回弹模量为32MPa。2.3.3 基层顶面回弹模量由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)得基层顶面回弹模量的计算公式如下： (2-9) (2-10) (2-11) (2-12) (2-13) (2-14)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的当量回弹模量(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(MN-m)；h1、h2基层和底基层或垫层的厚度(m)； a、b与ExE0有关的回归系数。将数据代入上式，可解得： 由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)，有基层顶面的当量回弹模量Et的最低要求见表2.15所示。表2.15 基层顶面回弹模量Et最低要求交通量等级特重重中等轻回弹模量Et（MPa）1201008080由于所以算的Et=152MPa，大于100MPa，所以满足要求。2.3.4 荷载疲劳应力分析（1）公式根据公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)，选取混凝土板的纵向边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位。标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按式（2-15）确定。pr = krkfkcps （2-15）式中：pr标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力(MPa)；ps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)，按式（2-16）计算确定； 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 =0.870.92(刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值)；纵缝为不设拉杆 的平缝或自由边时，kr =1.0；纵缝为设拉杆的企口缝时，kr=0.760.84；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，按式（2-18）计算确定； 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2.16确定。表2.16 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kc1.301.251.201.10标准轴载PS在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力按下式计算。ps =0.077 （2-16）r =0.537h （2-17）式中： ps标准轴载PS在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力(MPa)；r 混凝土板的相对刚度半径(m)，按式（2-17）计算；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)。设计基准期内的荷载疲劳应力系数按下式计算确定。kf = （2-18）式中： kf设计基准期内的荷载疲劳应力系数； Ne设计基准期内标准轴载累计作用次数； 与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057；碾压混凝土和贫混凝土，=0.065。（2）碾压混凝土面层荷载疲劳应力计算kr =0.87kc =1.20r =0.537h =0.5370.25=0.377ps1 =0.077 =0.077=0.686pr1 = krkfkcps =0.871.202.4760.686=1.773（MPa）（3）多空隙水泥稳定碎石排水基层荷载疲劳应力计算kr =0.87kc =1.20r =0.537h =0.5370.12=0.227ps2 =0.077 =0.077=2.197pr2 = krkfkcps =0.871.202.8122.197=6.450（MPa）2.3.5 温度疲劳应力（1）公式在临界荷位处的温度疲劳应力按式(2-19)确定。 （2-19）式中： tr临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)；tm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。最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力按式(2-20)计算。 （2-20）式中： tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)； c混凝土的线膨胀系数(1)，通常可取为110-5；Tg最大温度梯度，按表2.17查取；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查用图确定； 板长，即横缝间距(m)。表2.17 最大温度梯度标准值Tg公路自然区划、最大温度梯度(/m)8883909586929398图2.1 温度应力系数Bx温度疲劳应力系数可按式(2-21)计算确定。 （2-21）式中： a、b和c回归系数，按所在地区的公路自然区划查表2.18确定。表2.18 回归系数a、b和c系 数公路自然区划IIIIIVV11a0.8280.8550.8410.8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821.270（2） 碾压混凝土面层温度疲劳应力计算（3）多空隙水泥稳定碎石排水基层荷载疲劳应力计算故不会出现温度翘曲应力。2.4 接缝设计混凝土路面板由于温度或湿度变化、硬化时的收缩等原因，会出现胀缩合翘曲。设置接缝，可减小混凝土板因变形受到约束而产生的内应力，并满足施工的需要。2.4.1 纵向接缝纵缝应与路线中缝平行。在路面等宽的路段内或路面变宽路段的等宽部分，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。纵缝设在划分车道线的位置，由于一次铺筑宽度小于路面宽度，设置纵向施工缝。纵缝与路线中缝平行。纵向施工缝采用平缝加拉杆形式，上部锯切槽口，深度为30mm，宽度为5mm，槽内灌塞填缝料，构造如图2.2所示。图2.2 纵向施工缝构造图拉杆采用螺纹钢筋，设在板厚中央，并对拉杆中部100mm范围内进行防锈处理。拉杆的直径、长度和间距，参照表2.19选用。施工布设时，拉杆间距按横向接缝的实际位置予以调整。表2.19 拉杆直径、长度和间距（mm）面层厚度（mm）到自由边或未设拉杆纵缝的距离（m）