路基路面工程课程设计-新建沥青混凝土路面设计.docx

山东交通学院 路基路面工程 课程设计院(系)别 xxxxxxxxxx 专 业 xxxxxxxxxxxxxx 班 级 xxxxxxx 学 号 xxxxxxxxx 姓 名 xxx 指导教师 xxxx 成 绩 二九年六月目录一.新建沥青混凝土路面设计11、交通分析及设计弯沉值的确定。11.1轴载分析11.2路面设计弯沉值的计算32、土基回弹模量的确定43.结构组合与材料的初选定44、各层材料抗压模量与劈裂强度的确定55.相关设计指标的确定56、设计资料总结：77、确定石灰粉煤灰碎石层厚度7二、新建水泥混凝土路面设计121.交通分析122.初拟路面结构133.路面材料参数的确定134、荷载疲劳应力145、温度疲劳应力146、应力复核15三 、旧路（沥青混凝土路面）改建设计16四.相关图纸22五.设计心得体会28一.新建沥青混凝土路面设计1、交通分析及设计弯沉值的确定。1.1轴载分析 设计年限内一个车道的累计当量轴次数计算（确定路面等级）。车型前轴重后轴重后轴数后轴组轮数后轴距交通量黄河JN15049101.61双轮组620日野KB22250.2104.31双轮组110太脱拉138 5104802双轮组3280交通调查资料为2013年，设计年限起算年为2015年，交通量年平均增长率为7%1.1.1 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，各级轴载Pi的作用次数ni，匀应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N。匀应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N。根据公路沥青路面设计规范公式 3.1.2-1 N为交通调查年的日交通量所以设计起算年的日交通量为N1=N（1+）2 =1297（1+7%）2 =1485（次/日）计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次数拟建高速公路，路面的设计年限为15年， 车道系数，见万德臣编著的路基路面工程第354页表16.2.3 ,取=0.5 。所以2015年2030年的轴载次数是1级轴载Pi的作用次数ni，匀应按下式换算成标准轴载P的当量作用次数N1.1.2当进行半刚性基层层底拉应力验算时，各按道路公程2.3.7 得N为交通调查年的日交通量所以设计起算年的日交通量为N2=N（1+）2 =1157（1+7%）2 =1325（次/日）所以2015年2030年的轴载次数是1.2路面设计弯沉值的计算根据万德臣编著的路基路面工程364页的路面设计弯沉值公式（16.6.3公式）计算。该公路为一级公路，公路等级系数取1.0，面层是沥青混凝土，面层类型系数取1.0，半刚性基层、底基层总厚度大于20cm，基层类型系数取1.0.ld=600Ne-0.2Ac As Ab =6006810279-0.211125.79（0.01mm）AC ：公路等级系数 高速公路去1.0; AS：面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0:沥青表面处治为1.2；中、低级路面为1.3； Ab基层类型系数，对于半刚性基层为1.0; Ne：设计年限内一个车道上的累计当量轴次数6810279次。2、土基回弹模量的确定按路基土类与干湿类型，确定该路段土基弹性模量。2.1由原始材料可知：路床表面至地下水位的高度H= 2.2 m，土地区所在的自然区为2，地段地质组为泥质砂岩，夹石英砂岩，上覆亚黏土。查万德臣编著的路基路面工程第19页表2.2.4得 2.7 m H 2.0 m，土基的干湿类型属中湿类型。查表2.2.2得土的稠度约为1.05。由表16.6.2“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值为28.03.结构组合与材料的初选定 因为设计年限内一个车道上的累计当量轴次数约为700万次左右，路面结构面层采用沥青混凝土（15cm），基层采用二灰稳定集料（？），底基层采用石灰土（25cm） - 面层 沥青混凝土 15cm - 基层 二灰稳定集料 ？ - 底基层 石灰土25cm -拟订路面组合与厚度为 - 细粒式沥青混凝土 4 cm - 中粒式沥青混凝土 5 cm- 粗粒式沥青混凝土 6 cm- 石灰粉煤灰碎石 ？ - 石灰土 25cm- 4、各层材料抗压模量与劈裂强度的确定查万德臣编著的路基路面工程第342页表16.6.5，得到各种材料的抗压模量和劈裂强度，见下表： 材料名称沥青针入度/（0.1mm）抗压模量/MPa劈裂强度/MPa2015细粒式密级配沥青混凝土90140020001.4中粒式密级配沥青混凝土90120018001.0粗粒式密级配沥青混凝土90100014000.8石灰粉煤灰碎石150015000.65石灰土5505500.235.相关设计指标的确定对于二级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。1） 设计弯沉值= 25.79 (0.01 mm)2)各层材料的容许层底拉应力为相关公式见万德臣编著的路基路面工程第371页其中， : 沥青混凝土或半刚性材料在规定温度或龄期（MPa） ：抗拉强度结构系数 ； Aa：沥青混凝土级配类型系数 细、中粒式沥青混凝土为1.0；粗粒式为1.1 ； Ac ：公路等级系数 ，二级公路取1.10； Ne=6810279 次（用于沥青混凝土面层的计算） ；=次（用于半刚性材料的计算）细粒式、中粒式密集配沥青混凝土Ks粗粒式密集配沥青混凝土Ks 石灰粉煤灰碎石Ks 石灰土Ks带入公式计算其容许拉应力。细粒式沥青混凝土：中粒式沥青混凝土：粗粒式沥青混凝土：石灰粉煤灰碎石石灰土6、设计资料总结： 材料数值厚度/cm20模量/MPa15模量/MPa劈裂强度/MPa容许拉应力/MPa细粒式密级配沥青混凝土4140020001.40.49中粒式密级配沥青混凝土5120018001.00.39粗粒式密级配沥青混凝土6100014000.80.25石灰粉煤灰碎石？150015000.650.33石灰土255505500.230.097、确定石灰粉煤灰碎石层厚度 运用HPDS2003公路路面设计程序系统进行计算。计算机计算成果如下* *新建路面设计成果文件汇总* *轴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 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 710 2 东风EQ140 23.7 69.2 1 双轮组 458 3 跃进NJ131 20.2 38.2 1 双轮组 687 4 日野KB222 50.2 104.3 1 双轮组 126 5 太脱拉138 51.4 80 2 双轮组 3 321 设计年限 15 车道系数 .5 交通量平均年增长率 7 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 : 1486 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 6814865 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 : 1127 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 5168475 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 : 25.8 (0.01mm) 层位 结 构 层 材 料 名 称 劈裂强度(MPa) 容许拉应力(MPa) 1 细粒式沥青混凝土 1.4 .49 2 中粒式沥青混凝土 1 .35 3 粗粒式沥青混凝土 .8 .25 4 石灰粉煤灰碎石 .65 .34 5 石灰土 .23 .09 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 : 25.79 (0.01mm) 路面设计层层位 : 4 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 细粒式沥青混凝土 4 1400 2000 .49 2 中粒式沥青混凝土 5 1200 1800 .39 3 粗粒式沥青混凝土 6 1000 1400 .25 4 石灰粉煤灰碎石 ? 1500 1500 .33 5 石灰土 25 550 550 .09 6 土基 36 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 25.79 (0.01mm) H( 4 )= 20 cm LS= 28 (0.01mm) H( 4 )= 25 cm LS= 24.8 (0.01mm) H( 4 )= 23.5 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 4 )= 23.5 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 23.5 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 23.5 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 23.5 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 4 )= 23.5 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 23.5 cm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 23.5 cm(同时考虑弯沉和拉应力) 验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 50 cm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 . 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:- 细粒式沥青混凝土 4 cm - 中粒式沥青混凝土 5 cm- 粗粒式沥青混凝土 6 cm- 石灰粉煤灰碎石 24 cm - 石灰土 25cm - 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 细粒式沥青混凝土 4 1400 2000 计算应力2 中粒式沥青混凝土 5 1200 1800 计算应力3 粗粒式沥青混凝土 6 1000 1400 计算应力4 石灰粉煤灰碎石 24 1500 1500 计算应力5 石灰土 25 550 550 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= 25.4 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 28.1 (0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 31.8 (0.01mm) 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 36.7 (0.01mm) 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 111.3 (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 )=-.219 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-.082 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )=-.035 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= .124 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 ( 5 )= .074 (MPa)通过计算机设计得到确定石灰煤渣矿渣层的厚度为24cm，实际路面结构的实测弯沉值为25.4cm（0.01mm）25.8cm，沥青面层的层底均受压应力，石灰粉煤灰碎石底面的最大拉应力为0.124Mpa0.33Mpa，石灰土层层底的拉应力为0.074Mpa0.09Mpa，上述计算结果均满足设计要求。最终验算通过确定采用该路面结构方案。二、新建水泥混凝土路面设计1.交通分析由万德臣编著的路基路面工程417页表18.3.2，二级公路的设计基准期为20年，安全等级为三级。由418页表18.3.4，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.39。交通量的年增长率为9%，按式（18.3.5）计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为Ne= Ns1+t-1365Ne= 23201+9%20-13659%0.39 =16029284（次）属于重交通2.初拟路面结构由万德臣编著的路基路面工程417页表18.3.2，相应于安全等级的变异水平等级为中级。根据二级公路、重交通等级和中级变异等级，根据表18.3.5，初拟普通混凝土面层厚度为0.22m。基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚0.18m。垫层为0.15m石灰粉煤灰稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m，长5.0m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。3.路面材料参数的确定按万德臣编著的路基路面工程420页表18.3.6，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0 MPa，相应弯拉弹性模量标准值为30 GPa路基回弹模量取30 MPa。低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取600 MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取1300 MPa。按万德臣编著的路基路面工程419页（式18.3.6）计算基层顶面当量回弹模量如下：Ex= h12E1+h22E2h12+h22 =13000.182+6000.1520.182+0.152 MPa =1013 MPaDx= E1h13+E2h2312+h1+h2241E1h1+1E2h2-1=13000.183+6000.15312+0.18+0.1524113000.18+16000.15 MNm =0.57MNmhx=12DxEx1/3 =3122.57/1013 m =0.312 m MPa普通水泥混凝土面板的相对刚度半径按式（18.3.20）m4、荷载疲劳应力按式（18.3.19），标准轴载在临界荷位产生的荷载应力计算为： MPa接缝传荷能力的应力折减系数kr=0.87考虑设计基准期内疲劳作用的疲劳应力系数kf=。根据公路等级，由表18.3.10，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合的因素 kc=1.20， MPa5、温度疲劳应力由表（18.3.11），区最大温度梯度取95/m，板长为5m，l/r=5/0.699=7.15，由图18.3.2可查普通混凝土板厚h=0.22m，Bx=0 .66。按式（18.3.21），最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力： Mpa温度疲劳应力系数 ，查表（18.3.12）得自然区 区的回归系数a=0.855、b=0.041、c=1.355 按式（18.3.23）计算为：再由式（18.3.22）计算温度疲劳应力为： （Mpa）6、应力复核查表18.3.2，二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85%，再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表18.3.13，确定可靠度系数r=1.08。按式（3.0.3）因而，所选混凝土面层厚度（0.22m）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。说明 ：若非特别指出，该设计过程中所用到的公式和表格都来之公路水泥混凝土路面设计范（JTG D40-2002）三 、旧路（沥青混凝土路面）改建设计轴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 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 520 2 交通SH141 25.55 55.1 1 双轮组 1200 3 太脱拉138 51.4 80 2 双轮组 3 360 4 东风EQ140 23.7 69.2 1 双轮组 220 设计年限 12 车道系数 0.5 交通量平均年增长率 10 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 : 1291 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 5038298 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 : 858 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 3348458 公路等级 二级公路 公路等级系数 1.1 面层类型系数 1 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 30.1 (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 0.41 2 粗粒式沥青混凝土 0.8 0.3 3 水泥稳定碎石 0.5 0.3 改建路段原路面当量回弹模量计算 原路面实测弯沉值(0.01mm) 158 110 160 154 138 97 81 137 75 56 95 83 150 139 136 59 141 82 145 77 144 146 149 69 89 78 93 73 60 79 146 97 89 85 67 96 56 78 89 90 101 69 90 80 70 原路面有效弯沉数 : 45 原路面平均弯沉值 : 101 (0.01mm) 原路面弯沉值标准差 : 33 (0.01mm) 测定汽车轴载 100 kN 改建公路等级 二级公路 保证率系数 1.5 原沥青面层厚度 10 (cm) 测定时路表温度与测定前5d日平均气温的平均值之和 85 () 原路面基层类型 : 粒料类或沥青稳定类基层 季节影响系数 1.2 湿度影响系数 1 温度修正系数 .75 原路面计算弯沉值 : 135 (0.01 mm) 原路面当量回弹模量 : 121.5 (MPa)改建路面补强厚度计算 公 路 等 级 : 二级公路 加铺路面的层数 : 3 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 30.1 (0.01mm) 路面设计层层位 : 3 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 1200 1800 .41 2 粗粒式沥青混凝土 6 1000 1400 .3 3 水泥稳定碎石 ? 1500 1500 .3 4 改建前原路面 40 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 30.1 (0.01mm) H( 3 )= 35 cm LS= 31.1 (0.01mm) H( 3 )= 40 cm LS= 26.9 (0.01mm) H( 3 )= 36.2 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 :H( 3 )= 36.2 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 3 )= 36.2 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 3 )= 36.2 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 3 )= 36.2 cm(仅考虑弯沉) H( 3 )= 36.2 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 4cm - 粗粒式沥青混凝土 6 cm - 水泥稳定碎石 36 cm - 改建前原路面竣工验收弯沉值和层底拉应力计算 公 路 等 级 : 二级公路 加铺路面的层数 : 3 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 4 1200 1800 计算应力2 粗粒式沥青混凝土 6 1000 1400 计算应力3 水泥稳定碎石 36 1500 1500 计算应力4 改建前原路面 40 计算改建路面各加铺层顶面竣工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 30.1 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 33.8 (0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 39.8 (0.01mm) 计算改建路面各加铺层底面最大拉应力 : 第 1 层底面最大拉应力 ( 1 )=-.236 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-.096 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )= .167 (MPa)四.相关图纸五.设计心得体会一周的课程设计，很快就要结束了。在这里我感到我学到了很多东西，同时认识到了自己的很多不足。我学会了有关于沥青路面的设计以及用计算机计算的步骤，学会了设计水泥混凝土路面和沥青路面的补强设计。再设计过程中我发现自己有好多的不足，对于很多的公式都不能熟练运用，在画图的时候，大家都在用CAD画图，他们用的很熟练，而我用的很陌生，我几乎从没有练习过CAD，所以用的很不熟练，作为新一代的大学生，信息时代的材料学生，不能熟练运用CAD令我感到很是羞愧。书到用时方恨少，平时虽然认真学习，但是一实际运用就看出了问题。设计的时候才发现原来以前都是是是而非，似懂非懂。而且自己的实践经验也少的可怜，于是在设计过程中在对材料的选用，结构的选用上都有很多不合理的地方。所以作为新一代的大学生，作为处于信息时代的大学生，我们要不断学习，不断充实自己，将自己学到的理论与实际相结合，做到真正的技术性学术人才。跟上时代的脚步，做新一代的技术性人才。28