路基路面工程课程设计.doc

成都学院课程名称： 路基路面工程 学 院： 建筑与土木工程学院专 业： 土 木 工 程 学 号： 年 级： 2023级 学生姓名： 朱兰宇 指导教师： 陈小平 六月 目录1 设计任务书11.1 路基部分11.1.1 设计资料11.1.2 设计任务11.2 路面部分11.2.1 设计资料11.2.2 设计任务22 路基部分设计22.1 路堤横断面设计22.2 路堑横断面设计43 路面部分设计43.1 沥青路面设计43.1.1轴载分析43.1.2 结构组合与材料选取73.1.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度83.1.4 设计指标的拟定83.1.5 路面结构层厚度的计算103.1.6 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算113.1.7 防冻层厚度检查143.2 水泥混凝土路面设计143.2.1 交通量分析143.2.2 初拟路面结构153.2.3 拟定材料参数163.2.4 计算荷载疲劳应力173.2.5 计算温度疲劳应力183.2.6防冻厚度检查和接缝设计203.2.7角隅钢筋设计20参考文献21附录221 设计任务书1.1 路基部分1.1.1 设计资料（1） 路堤横断面设计高程为514m，地面高程为510m，地面横坡为12（左高）。（2） 路堑横断面设计高程为825m，地面高程为830m，地面横坡为16（右高）。（3） 公路等级为高速，设计速度为80km/h，车道数为6车道，原地面土质为胶结和密实的碎土石。1.1.2 设计任务根据上述资料，分别设计路堤和路堑的横断面，涉及横断面高度、宽度（行车道、中间带、路肩各部分的宽度）、边坡坡度，原地面如何解决、压实度。在设计说明书中需具体说明设计的过程和拟定依据。1.2 路面部分1.2.1 设计资料该路段设计年限2023，交通量年平均增长6.5%，车道系数=0.5，该路段处在中国公路自然区划V3区，公路等级为高速，路面宽度为B=24.5m，行车道为6道，此公路设有一个收费站，且处在中湿路段。路基土为粉质中液限土，潮湿路段E0=23.5Mpa，中湿路段E0=31.7Mpa，干燥路段E0=35.5Mpa，沿线有砂石，且有碎石、石灰、粉煤灰供应。表1-1交通组成及交通量表车型双向交通量跃进NJ230 590解放CA10B899黄河JN150385长征XD250313依土姿TD501501菲亚特650E249太脱拉138491.2.2 设计任务（1） 收费站采用水泥混凝土路面，其他路段采用沥青混凝土路面；（2） 沥青混凝土路面设计重要内容涉及：轴载分析、结构层组合设计、材料参数拟定、设计指标计算、路表弯沉和层底拉应力检算。（3） 水泥混凝土路面设计涉及：交通量分析、路面结构组合设计、材料参数拟定、荷载疲劳应力计算、温度疲劳应力计算、防冻厚度计接缝设计、角隅钢筋设计。2 路基部分设计2.1 路堤横断面设计（1） 路堤宽度：路堤宽度为行车道路面和两侧路肩宽度之和。由公路工程技术标准（JTG B012023）的规定设计，查表2-1得到，高速公路，设计速度80km/h的6车道公路，路堤宽度取32m。表21公路等级高速公路、一级公路设计速度（km/h）1201008060车道数864864644路基宽度（m）一般值42.0034.5028.0041.0033.5026.0032.0024.5023.00最小值40.0025.0038.5023.5021.5020.00其中每个车道宽度取3.5m，路肩宽度取3m，并铺筑硬质路肩，中间带宽度5m。（2） 路堤高度：我国公路路基设计规范（JTGD302023）中规定：“新建公路的路基设计高程为路基的边沿高程。已知路堤横断面设计高程为514m，地面高程为510m，地面横坡为12（左高）。则路堤的边沿高程为1344m。则路堤横断面形式如图21。（3） 路堤边坡坡度：根据填料种类和边坡高度按表23拟定。由设计高程和原地面高程可知边坡高度1.5939290特重、极重交通荷载等级1.9（5） 路基排水系统采用边沟的形式。设立在路堤的坡脚外侧，纵坡与路线纵坡一致，平坡路段采用0.5%的纵坡，截面形式采用梯形截面，材料采用浆砌片石，对于高速公路砂浆采用M7.5。2.2 路堑横断面设计（1）路堑宽度: 路堑宽度为行车道路面和两侧路肩宽度之和。由公路工程技术标准（JTG B012023）的规定设计，查表2-1得到，高速公路，设计速度80km/h的6车道公路，路堑宽度取32m。表21公路等级高速公路、一级公路设计速度（km/h）1201008060车道数864864644路基宽度（m）一般值42.0034.5028.0041.0033.5026.0032.0024.5023.00最小值40.0025.0038.5023.5021.5020.00其中每个车道宽度取3.5m，路肩宽度取3m，并铺筑硬质路肩，中间带宽度5m。（2）路堑深度：我国公路路基设计规范（JTGD302023）中规定：“新建公路的路基设计高程为路基的边沿高程。则已知路堑横断面的设计高程为825m，地面高程为830m，地面横坡为16（右高）。则路堑的边沿高程为825m，则横断面形式如下图22。（3）路堑边坡坡度应根据边坡高度和开挖土质等因素拟定。由设计高程和原地面高程可知开挖深度（边坡高度）8m，综合表2-4取路堑的边坡坡度为1:1.5。表24土的类别边坡坡率黏土、粉质粘土、塑性指数大于3的粉土1：1中密以上的中砂、粗砂、砂砾1：1.5卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土胶结和密实1：0.75中密1:1(4) 路基排水系统采用边沟的形式。设立在路堑的坡脚外侧，纵坡与路线纵坡一致，平坡路段采用0.5%的纵坡，截面形式采用梯形截面，材料采用浆砌片石，对于高速公路砂浆采用M7.5。3 路面部分设计3.1 沥青路面设计 3.1.1轴载分析我国沥青路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载，表达为BZZ-100。标准轴载的计算参数按表3-1拟定。表3-1 标准轴载计算参数标准轴载名称BZZ-100标准轴载名称BZZ-100标准轴载P（KN）100单轮当量圆直径d（mm）21.30轮胎接地压强P（Mpa）0.70两轮中心距（cm）15d1当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时，凡前、后轴轴载大于25kN的各级轴载的作用次数均换算成标准轴载的当量作用次数。式中： 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次数； 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）； 标准轴载（）； 各种被换算车型的轴载（）；C1 轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轴组为0.38； C2 轴数系数。 被换算车型的轴载级别。当轴间距离大于3m时，按单独的一个轴载计算；当轴间距离小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算：式中：m轴数。表3-2 轴载换算结果车型（）（次/日）跃进NJ230前轴23.70115901.002后轴69.2011590110.344解放CA10B前轴19.4016.48993.697后轴60.8511899106.334黄河JN150前轴49.0016.4385121.378后轴101.6011385430.498长征XD250前轴37.8016.431329.304后轴72.602.21313138.390依土姿TD50前轴42.2011150135.651后轴90.00111501987.931菲压特650E前轴33.00112492.977后轴72.001124969.3太脱拉138前轴51.4016.44919.259后轴80.002.214958.394N2130则其设计年限内一个车道上的累计量轴次： 式中 设计年限内一个车道的累计当量次数； t 设计年限，由材料知，t=2023； 设计端竣工后一年双向日平均当量轴次； 设计年限内的交通量平均增长率，由材料知，=0.069； 车道系数，由材料知=0.5。则：次。2验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次时，凡轴载大于50KN的各级轴载的作用次数均按下式换算成标准轴载的当量作用次数。式中： 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次数； 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）； 标准轴载（）； 各种被换算车型的轴载（）； 轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。 轴数系数；表3-3 轴载换算结果车型（）（次/日）跃进NJ230前轴23.70115900.006后轴69.201159032.785解放CA10B前轴19.40118.58990.034后轴60.851189913.686黄河JN150前轴49.00118.538525.883后轴101.6011385440.685长征XD250前轴37.80118.53132.768后轴72.602.2131325.865依士姿TD50前轴42.201115011.597后轴90.00111501560.376菲压特650E前轴33.00112490.040后轴72.001124943.752太脱拉138前轴51.40118.5496.399后轴80.002.214916.843N1140.09则其设计年限内一个车道上的累计量轴次为： 次。3.1.2 结构组合与材料选取根据公路沥青路面设计规范，并考虑公路沿途有砂石、碎石、石灰、粉煤灰供应，路面结构层采用三层式沥青混凝土面层，表层采用细粒式密级配沥青混凝土（40），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（60），下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（90），基层采用水泥稳定碎石（厚度待定），底层采用二灰土（350）。示意图如图31图313.1.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度土基回弹模量的拟定可根据查表法查得。各结构层材料的抗压模量及劈裂强度已参照规范给出的推荐值拟定。见表3-4。表3-4 结构组合参数层次材料名厚度 (cm)抗压回弹模量强度劈裂（Mpa）15C模量20C模量细粒式沥青混凝土4202314001.2中粒式沥青混凝土6180012001.0粗粒式沥青混凝土9120010000.8水泥稳定碎石待定150015000.6二灰土357507500.25土基30303.1.4 设计指标的拟定1设计弯沉值公路为高速，则公路等级系数取1.0；面层是沥青混凝土，则面层类型的系数取1.0；路面结构为半刚性基层沥青路面，则路面结构类型系数取1.0。式中： 设计弯沉值 设计年限内的累计当量年标准轴载作用次数 公路等级系数，一级公路为1.0 面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0 基层类型系数，半刚性基层为1.0所以 2各层材料按允许层底拉应力，按下列公式计算： 式中 ： 路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa）； 路面结构材料的允许拉应力，即该材料能承受设计年限次加载的疲劳 弯拉应力（Mpa）； 抗拉强度结构系数。 对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数： 对水泥稳定碎石的抗拉强度结构系数： 对二灰土的抗拉强度结构系数： 表3-5 结构层允许弯拉应力材料名称（Mpa）（Mpa）细粒沥青混凝土1.23.610.33中粒沥青混凝土1.03.610.28粗粒沥青混凝土0.83.610.22水泥稳定碎石0.62.210.27二灰土0.252.850.093.1.5 路面结构层厚度的计算1理论弯沉系数的拟定式中： 当量圆半径；F 弯沉综合修正系数， 。因此： =241400/(202310.650.70.50)=4.52拟定设计层厚度采用三层体系表面弯沉系数，由诺莫图算设计层厚度。h/=4/10.65=0.376 E2/E1=1200/1400=0.857；由三层体系弯沉系数诺莫图查得：=6.22。h/=4/10.65=0.376 =34/1200=0.028；由三层体系弯沉系数诺莫图查得K1=1.46。又由于K2= /(K1）=4.5/（6.221.46）=0.49 h/=4/10.65=0.376 =34/1200=0.028由上查诺莫图得：H/=7.8，H= 10.657.8=83。由可知：，由于H=83cm，可知h4=36.3cm，故取h4=37cm。如图所示： _ _h1=4cm E1=2023MPa h=4cm E1=2023Mpa h2=6cm E2=1800MPa h3=9cm E3=1200MPa H=？cm E2=1800MPah4=37cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =34 MPa E0=34MPa 3.1.6 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算E12023MPahh14cmH？E21800MPaE034MPa（1）对于细粒式沥青混凝土层层底拉应力验算三层体系如右图： E11800MPah?H？E21200MPaE034MPa查诺谟图得故 则符合规定（2）对于中粒式沥青混凝土层层底拉应力验算三层体系如右图所示：mm 则诺谟图得故 则符合规定3对于中粒式沥青混凝土层层底拉应力验算 _ _h1=4cm E1=2023MPa h=21.5cm E1=1200Mpa h2=6cm E2=1800MPa h3=9cm E3=1200MPa H=54.3cm E2=3600MPah4=37cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =34 MPa E0=34MPa ；，。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图，知，故满足规定。4水泥稳定碎石层层底拉应力验算 _ _h1=4cm E1=2023MPa h=51.4cm E1=3600Mpa h2=6cm E2=1800MPa h3=9cm E3=1200MPa H=35cm E2=2400MPah4=37cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =34 MPa E0=34MPa h=51.4cm ， =35cm由H/=35/10.65=3.3, =34/2400=0.014,查表得=0.05MpaH/=3.3, E2/E1=2400/3600=0.67,查表得n1=2.1H/=3.3, h/=51. 4/10.65=4.9,查表得 n2=0.5由公式=Pn1n2得=0.70.052.10.5=0.037Mpa=0.27Mpa满足规定。5二灰土土层层底拉应力验算_ _h1=4cm E1=2023MPa h=51.4cm E1=3600Mpa h2=6cm E2=1800MPa h3=9cm E3=1200MPa H=35cm E2=2400MPah4=37cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =34 MPa E0=34MPa =56.4cm由，可知；由，可知；由，可知。由公式=0.70.11.140.45=0.036Mpa7m0.340.390.540.62行车道宽7m =1572962次。3.2.2 初拟路面结构由于交通量1001042511042023104次，故可知交通属于重交通。由以上可知相应于安全等级为三级、变异水平等级为中级，根据一级公路、重交通等级和中级变异水平等级。查规范知：初拟普通混凝土面层厚为250mm；基层选用水泥稳定粒料，厚为200mm；垫层为150mm的低剂量无机结合稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m；长为4.5m。示意图如图32。图323.2.3 拟定材料参数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；路基回弹模量为29Mpa；低剂量无机结合稳定土垫层回弹模量去600Mpa；水泥稳定粒料基层回弹模量取1500Mpa。基层顶面当量的回弹模量值计算如下：式中：路基顶面的综合回弹模量（MPa）；与地基内除路基以外各层的总厚度有关的回归系数；地基顶面当量回弹模量（MPa）；地基内除路基以外各层的总厚度（m）；n弹性地基分层数（不涉及路基半空间体）；、第i结构层的回弹模量（MPa）和厚度（m）。则以上公式计算得到：3.2.4 计算荷载疲劳应力根据一级公路、重交通，由路基路面工程查得初拟普通混凝土面层厚度为0.25m。由下列公式求得： 式中：设计轴载在面层板临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa）；设计轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力（MPa）；考虑接缝传荷能力的应力折减系数，混凝土路肩时，=0.870.92（路肩面层与路面面层等厚时取低值，减薄时取高值），柔性路肩或土路肩时，=1。考虑设计基如期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；考虑计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数，按公路等级拟定，一级公路取1.1；设计轴载的单轴重（kN）、混凝土路面板的厚度（m）、弯拉弹性模量（MPa）和泊松比； 混凝土板的相对刚度半径（m）；混凝土面层板的截面弯曲刚度（MNm）；材料疲劳指数，普通混凝土取0.057；地基顶面当量回弹模量（MPa）。则由以上公式计算荷载疲劳应力： 根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综和系数,则荷载疲劳应力为： 3.2.5 计算温度疲劳应力由路基路面工程知，区最大温度梯度取88/m。最大温度梯度时混凝土面层板最大温度应力按下式计算：其中式中：综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数；c 混凝土的温度线膨胀系数 ；Tg 最大温度梯度，Tg=88c/m；混凝土面层板的温度翘曲应力系数；L面层板的横缝间距，即板长4.5m；r面层板的相对刚度半径。则计算得到：t=4.5/0.66=6.82 =0.997 =0.58则 温度疲劳系数，式中a，b和c为回归系数，按所在地区公路自然区划查下表 3-8。表3-8回归系数a，b和c系数公路自然区a0.8280.8550.8410.8710.8370.834b1.3231.3551.3231.2871.3821.270c0.0410.0410.0580.0710.0380.052 则温度疲劳应力： 设计极限状态验证：综合，高速公路的安全等级为三级，相应于三级的安全等级的变异水平等级为中级，目的可靠度为85。再根据查得的目的可靠度和变异水平等级，拟定可靠度系数。，故满足规定。3.2.6防冻厚度检查和接缝设计1防冻厚度检查由公路水泥混凝土路面设计规范知，路面防冻厚度为0.5m，而设计路面总厚度为0.60m，由于0.50.60，故满足设计规定。2接缝设计 为避免由温度产生的应力破坏，所以，在混凝土板中设立横缝与纵缝，这段路为重交通，纵缝中设拉杆，拉杆长0.8m，直径16mm，每隔60cm设立一个，横缝中设传力杆，传力杆长0.6m，直径35mm，每隔30cm设立一个。 横向胀缝缝隙宽20mm，缝隙上部5cm深度内浇填缝料，下部设立填缝板，传力杆的半段固定在混凝土内，另一半涂以沥青并裹覆乙烯膜，套上长约10cm的塑料套筒，筒底与杆端之间留有3cm空隙填以纱头，传力杆需要设立钢筋支架。 横向缩缝缩缝采用设传力杆的假缝形式，缝隙宽5mm，深度为8cm，假缝内需浇灌填缝料，传力杆也需要半段涂沥青进行防腐解决。 施工缝施工缝采用平头缝或企口缝的构造形式，缝上深5cm，宽为5mm的沟槽，内浇填缝料。 横缝的布置缩缝间距一般为5m，混凝土路面设立胀缝。 纵缝的设立在平行于混凝土路面行车方向设立纵缝，缝间距3.75cm，设立为假缝带拉杆形式，并对拉杆中部100mm范围内进行防锈解决。缝的上部留有5cm的缝隙，内浇注填缝料，纵缝与横缝一般做成垂直正交，使混凝土具有90的角隅。纵缝两旁的横缝成一条直线。3.2.7角隅钢筋设计（1）边沿钢筋采用15mm的螺纹钢筋，设在板的下部距板底10cm处，距板边沿5cm处，钢筋两端弯起。形式如图33图3-3（2）角隅钢筋设立在胀缝两侧板的角隅处，采用两根直径12mm，长2.4m的螺纹钢筋。设立在板的上部，举板顶5cm，距胀缝和板边沿各为10cm。形式如图34。图34参考文献【1】路基路面工程(第四版).人民交通出版社，2023.【2】中华人民共和国行业标准. JTG D50-2023 公路沥青路面设计规范.北京：人民交通出版社,2023.【3】中华人民共和国行业标准. JTG D40-2023 公路水泥混凝土路面设计规范.北京：人民交通出版社,2023.【4】中华人民共和国行业标准.JTGB012023 公路工程技术标准.北京：人民交通出版社，2023.【5】中华人民共和国行业标准.JTG F102023 公路路基施工技术规范.北京：人民交通出版社，2023.【6】中华人民共和国行业标准.JTG D302023 公路路基设计规范.北京：人民交通出版社，2023.【7】中华人民共和国行业标准.JTJ 00287 公路工程名词术语.北京：人民交通出版社，1987.【8】中华人民共和国行业标准.JTJ 00386 公路自然区划标准.北京：人民交通出版社，1986.【9】沙爱民.半刚性路面材料结构与性能.北京：人民交通出版社，1998.【10】王秉纲.水泥混凝土路面设计与施工.北京：人民交通出版社，2023.【11】张登良.沥青路面.北京：人民交通出版社，1998.附录附1 路堤横断面图附2 路堑横断面图附3 水泥混凝土路面结构示意图附4 水泥混凝土路面角隅钢筋布置图附5 沥青路面结构示意图