路基路面设计.doc

湖北理工学院《路基路面工程》课程设计计算书
1 挡土墙设计计算书
1.1计算资料
1) 墙身构造：拟采用浆砌片石重力式路肩墙，如下图所示，墙高H=7.0m,墙背俯斜,倾角墙,身分段长度10m ,初拟,墙底宽.

挡土墙断面图
2) 车载荷载: 计算荷载,汽车-20级;验算荷载,挂车-100
3) 填料湿密度内摩擦角填料与墙背的摩擦角
4) 地基情况:中密砾石土地基,容许承载力基底摩擦系数.
5) 墙身材料:2.5号水泥砂浆砌25号片石,砌体容重,容许
应力,容许切应力.，容许拉应力[]= 60kpa。
1.2.1车辆荷载换算
1)计算荷载
① 求破裂棱体宽度L0
假设破裂面交于荷载外，=35++1730=70056，
求不计车辆荷载作用的破裂棱体宽L0：
A =
=
=-0.24
tan=
=
=arctan0.493=26
L0=(H+a)tan+Htana-b=（7+2）×0.489 +7×0.33-3=3.71 m
② 求纵向分布长度B:一辆重车的扩散长度为:
L0=5.6+（H+2a）*tan30=5.6+（7+2×2）=11.95m
小于挡土墙的分段长度,取B=10m,纵向布置一辆重车,总重力为300KN。
③ 计算等代均布土层厚度.
车轮中心距路基边缘,重车在破裂棱体内能布置一辆车.G=300KN 。
h==m
2）验算荷载
挂车-100，=0.61，布置在路基全宽。
B=L0 +（H+2a)*tan30。=6.6+(7+2*2)*tan30。=12.95m
h0=∑G/(BL0)=1000/(12.95*18*7)=0.61m
1.2.2 主动土压力计算
1)设计荷载
A=
=
=-0.21
tan=
=
= 0.512
=0.512=27°7′
L=(H+a)tan+Htan-b
=（7+2）×0.512+7×0.33=3.92 m
荷载外缘至路基内侧边缘的距离为5.5+0.5=6,小于破裂棱体宽度,裂棱体仍在荷载外,与原假定相符.
K===0.397
=
h==
=-=7-2.35-0.594=4.056m
=
E==KN
E=Ecos()=272.05KN
E=Esin(=272.05KN
土压力作用点：
Z=
= ,
Z=B-ZXtan=3.81-2.51×0.33=2.98m
1.2.3验算荷载
挂车布置在路基全宽.
A=
==-0.20
tan=
=
=0.52
=0.52=27°28.5′
L=(H+a)tan+Htan-b
=（7+2）×0.52+7×0.33-3=3.99 m 破裂面交于荷载内。
K===0.397
=
h==
=-=7-2.31-0=4.69m
=
E==KN
E=Ecos()=279.07KN
E=Esin(=279.07 KN
土压力作用点：
Z=
= ,
Z=B-ZXtan=3.81-2.52×0.33=2.98m
比较设计荷载与验算荷载可知,应该由验算荷载来控制墙身断面。
1.3挡土墙稳定性的验算
1.3.1基底倾斜抗滑稳定性验算
1) 计算墙身重W及力臂(取墙长度1
W=
=KN
W=[A+A(+b)-A]
=
375.34=[17-]22 ∴ =1.42m
==
=
满足要求。
当计算的Kc大于[Kc]=1.3时，表示挡土墙的抗滑性满足要求，否则要采取
抗滑稳定性的措施。

基底倾斜的断面图
1.3.2抗倾覆稳定性验算
倾覆稳定系数K0计算公式：
=
满足要求。
当计算的K0大于[K0]=1.5时，表示挡土墙的抗倾覆性满足要求，否则要
采取抗倾覆稳定性的措施：
（1）展宽墙趾；
（2）改变墙面及墙背坡度；
（3）改变墙身断面类型。
1.3.3基底应力及合力偏心距验算
N=
=
=571.93KN
= =
=1.09m
=
不满足要求.。
将墙趾加宽成宽0.5m,高0.6m台阶再进行验算.
=
=
=1.58m
=
满足要求。
==
1.4墙身应力验算
由于墙背为直线,最大应力接近基底处,从基底应力验算知,其基底应力与偏心距均能满路要求.故墙身材料法向应力也能满足要求，故可不作验算。
通过上述验算，决定采用的断面尺寸为:墙顶宽b1=1.5m，墙底宽墙趾加宽台阶高宽。
1.5 挡土墙纵断面设计
1)确定挡土墙的起讫点（k2+340~k2+408），选择挡土墙与路基或其他结构物
衔接方式；
2)按地基及地形情况进行分段，确定伸缩缝与沉降缝的位置，每隔10m~15m设置一道，伸缩缝与沉降缝可以设在一起；
3)布置各段挡土墙的基础，包括基础的形式和相应的埋置深度；墙地面有纵
时，挡土墙的基底宜做成不大于5%的纵坡。但地基为岩石时，为减少开挖，可沿纵向做成台阶;
4) 确定泄水孔的位置，包括数量、间距、尺寸等。

2、柔性路面设计
2.1　计算累计标准轴载作用次数Ne
2.1.1当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN的各级轴载的作用次数，按下式换算成标准轴载的作用次数：换算公式为：
2.1.2当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50KN的各级轴载的作用次数，按下式换算成标准轴载的作用次数：
累计当量轴次的计算：
2.2设计弯沉值计算
2.3拟定路面结构组合形式
沥青路面在进行路面结构组合时，应考虑以下几点因素：
(1) 适应行车荷载作用的要求；
(2) 在各种自然因素作用下稳定性好；
(3) 考虑结构层的特点。
假定本设计的路面结构组合形式为：
面层：
上面层：细粒式沥青混凝土3cm
中面层：中粒式沥青混凝土5cm
下面层：粗粒式沥青混凝土7cm
基层：石灰粉煤灰 25cm
垫层：石灰稳定土（厚度待定）
2.4 确定设计层厚度
设计层的确定：
当采用半刚性基层、底基层结构时，可选用任一层为设计层；当采用半刚性基层、粒料类为底基层时，应拟定面层、底基层厚度，以半刚性基层为设计层。当采用柔性基层、底基层的沥青路面时，宜拟定面层、底基层厚度，以基层为设计层。
根据拟定的路面结构，确定各结构层材料的设计参数；面层、基层、底基层材料的抗压模量与劈裂强度；确定土基的回弹模量。
2.5 弯拉应力验算
对高速公路、一级公路、二级公路的沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层应进行拉应力的验算，采用公式如下：σsp〈σR
（沥青面层底拉应力验算，半刚性基层拉应力验算）:
Ks——抗拉强度结构系数；
σsp——沥青混凝土或半刚性材料的劈裂强度。
σR——路面结构层材料的容许拉应力。
不同材料的抗拉强度结构系数的计算公式不同，见下式：
对沥青混凝土面层：
对无机结合料稳定集料类：
对无机结合料稳定细粒土类：
2.6 计算过程：
2.6.1轴载分析
路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载。
1）以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次。
①轴载换算。
轴载换算采用如下的计算公式：
2004的轴载换算计算数据如下表:
轴载换算结果表（弯沉）
车型

小客车CA50
前轴
16.5
1
6.4
2890
7.3
后轴
23.0
1
1
2890
4.8
中客车SH130
前轴
25.55
1
6.4
1140
19.3
后轴
45.10
1
1
1140
35.7
大客车CA50
前轴
28.7
1
6.4
894
25.1
后轴
68.20
1
1
894
169.2
小货车BJ130
前轴
13.40
1
6.4
2182
2.2
后轴
27.40
1
1
2182
7.8
中货车CA50
前轴
28.70
1
6.4
914
25.6
后轴
68.20
1
1
914
172.9
中货车EQ140
前轴
23.70
1
6.4
1303
15.9
后轴
69.20
1
1
1303
262.7
大货车JN150
前轴
49.00
1
6.4
993
285.4
后轴
101.60
1
1
993
1064
特大车KB222
前轴
50.20
1
6.4
1161
370.7
后轴
104.30
1
1
1161
1394.3
累计
4061.4
根据公式：=
由2004年的轴载换算数据，可计算2007年的轴载换算累计轴次为：
==4061.4=4701.6次
②累计当量轴次。
根据设计规范，高速公路沥青路面的设计年限取15年，四车道的车道系数是0.4～0.5，取0.45。
==20967889次
2）验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次。
①轴载换算。
验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为：
2004的轴载换算计算数据如下：
轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）
车型
P/kN
C
C
n
N
大客车CA50
后轴
68.20
1
1
894
41.8
中货车CA50
后轴
68.20
1
1
914
42.8
中货车EQ140
后轴
69.20
1
1
1303
68.5
大货车JN150
后轴
101.60
1
1
993
1127.4
特大车KB222
前轴
50.20
1
18.5
1161
86.6
后轴
104.30
1
1
1161
1625.9
累计
2993
根据公式：=
由2004年的轴载换算数据，可计算2007年的轴载换算累计轴次为：
==2993=3464.8次
②累计当量轴次。
==15452089次
2.6.2确定道路设计弯沉值
根据表查得：A=1.0 ，A=1.0 ，A=1.0 由式：
=600209678891.01.01.0=20.60mm
2.6.3 基回弹模量E0值
根据表，对中液限粘土，W=1.1，对该地区（Ⅳ5区中湿路段），取E=45.5Mpa。
2.6.4 计算设计层厚度
土基及路面材料的回弹模量及各强度值列于表
材料名称
抗压回弹模量Ey(MPa)
劈裂强度15C
20C
15C
细粒式沥青混凝土
1400
1800
1.4
中粒式沥青混凝土
1200
1600
1.0
粗粒式沥青混凝土
1000
1200
0.8
石灰粉煤灰
1400
0.5
石灰稳定土
550
0.225
土基
45.5
-
① 根据l=l,利用公式,求理论弯沉系数：
l= , F=1.63((
对于BZZ-100 , p=0.7MP ,
因为：l=l=20.6（0.01mm）
所以：20.6=1000*
得：=3.69
② 计算设计层厚度。
将该多层体系换算成当量三层体系如图,其中中层厚度H由h、h和h组合而成,其计算方法如下：
细粒式沥青混凝土 h1=3cm （连续）E1=1400MPa h1=3cm
中粒式沥青混凝土 h2=5cm
粗粒式沥青混凝土 h2=7cm （连续）E2=1200MPa H=61.8cm
石灰粉煤灰 h3=25cm
石灰稳定土 h4=？cm
多层结构当量换算：
计算H 由，，查图得；a=6.7由，，得K1=1.22；由，得 K2=0.469，由K2，， 得。
得出 H=5.810.65=61.8cm
由式计算h：
H=
61.8=h+h+h+
=5+7+25+
得：h=32.7cm
2.6.5验算整体性材料层底部的最大弯拉应力
①确定容许拉应力
由公式，有=；由公式：
对沥青混凝土面层有：K；
对无机结合料稳定集料类有：K；
对无机结合稳定土类有：K。经计算得：
细粒式沥青混凝土： A K
中粒式沥青混凝土： A K
粗粒式沥青混凝土： A K
石灰粉煤灰： K
石灰稳定土： K
容许拉应力得：
细粒式沥青混凝土：=Mpa
中粒式沥青混凝土：=MPa
粗粒式沥青混凝土：=Mpa
石灰粉煤灰：=
石灰稳定土：=
②细粒式沥青混凝土沥青混凝土层底拉应力
将多层结构换算为当量三层体系 ，如图：
细粒式沥青混凝土 h1=3cm （连续）E1=1800MPa h1=3cm
中粒式沥青混凝土 h2=5cm （连续）E2=1600MPa H=61.8cm
粗粒式沥青混凝土 h2=7cm
石灰粉煤灰 h3=25cm
石灰稳定土 h4=32.7cm
多层结构当量换算：
h=h
H=h+h+ h+
=5+7+ 25+32.7
=41.6cm
由，，，查图得，这表明该层层底承受弯曲压应力，自然满足要求.
③ 确定中粒式沥青混凝土层底弯拉应力。
同步骤②，当量换算如图：
细粒式沥青混凝土 h1=3cm
中粒式沥青混凝土 h2=5cm （连续）E1=1600MPa h1=8.1cm
粗粒式沥青混凝土 h2=7cm （连续）E2=1200MPa H=50.4cm
石灰粉煤灰 h3=25cm
石灰稳定土 h4=32.7cm
多层结构当量换算：
h=5+3=8.1cm
H=7+25+32.7=50.4cm
由，，查图得，这表明该层层底承受弯曲压应力，自然满足要求。
④确定粗粒式沥青混凝土层底弯拉应力。
同步骤②，当量换算如图：
细粒式沥青混凝土 h1=3cm
中粒式沥青混凝土 h2=5cm
粗粒式沥青混凝土 h2=7cm （连续）E1=1200MPa h1=15.7cm
石灰粉煤灰 h3=25cm （连续）E2=1400MPa H=36.6cm
石灰稳定土 h4=32.7cm
多层结构当量换算：
h=7+5+3=15.7cm
H=25+32.7=36.6cm
由，，查图得，这表明该层层底承受弯曲压应力，自然满足要求。
⑤石灰粉煤灰层底弯拉应力。
体系换算如图：
细粒式沥青混凝土 h1=3cm
中粒式沥青混凝土 h2=5cm
粗粒式沥青混凝土 h2=7cm
石灰粉煤灰 h3=25cm （连续）E1=1400MPa h1=44.1cm
石灰稳定土 h4=32.7cm （连续）E2=550MPa H=32.7cm
多层结构当量换算：
由， 查图得，由， 查图得m；由，， 查得m0.74。故：
= 满足要求。
⑥ 石灰稳定土层底弯拉应力。
体系换算如图：
细粒式沥青混凝土 h1=3cm
中粒式沥青混凝土 h2=5cm
粗粒式沥青混凝土 h2=7cm
石灰粉煤灰 h3=25cm （连续）E1=1400MPa h1=44.1cm
石灰稳定土 h4=32.7cm （连续）E2=550MPa H=32.7cm
多层结构当量换算：
由， 查图得，由，， 查图得n；由，，， 查得n0.37。故：
= 满足要求。
通过计算可以确定本方案做拟定路面结构符合要求，即：细粒式沥青混
土 3cm，中粒式沥青混凝土 5cm，下粒式沥青混凝土 7cm，石灰粉煤灰 25cm ，石灰稳定土 32.7 cm 。
2.7路面最小防冻厚度的的复核
由于该设计沥青路面的总厚度为72.7cm，远大于该地区的最小冻深0.3m
因此它的最小防冻厚度满足要求。

3 刚性路面设计
本设计中，拟建区平原微丘区某地杭瑞高速公路，采用水泥混凝土路面，根据交通部颁《公路水泥混凝土路面设计规范》，故选用双轮单轴轴载BZZ-100，设计年限为30年。
3.1交通分析
3.1.1轴载换算
根据《公路水泥混凝土路面设计规范》规定，以双轮单轴轴载100kN为标准轴载，用BZZ-100表示，标准轴载的计算参数按照下表确定：
标准轴载的计算参数
标准轴载
BZZ-100
标准轴载
BZZ-100
标准轴载P(kN)
100
单圆传压面单量直径d(cm)
21.3
轮胎接地压强P(MPa)
0.7
两轮中心距
1.5d

3.1.2交通分级
交通等级
使用初期设计车道日标准轴载作用次数
设计使用年限
普通混凝土
碾压混凝土
特重
>1500
30
>25
>26
重
200～1500
30
23～25
24～26
中等
5～200
20
21～23
22～24
轻
<5
0
<2
<22
3.1.3设计使用年限和累计作用次数
根据水泥混凝土路面的交通等级，确定其设计使用年限；
按下式计算设计使用年限内的标准轴载累计作用次数。

车辆轮迹横向分布系数化
公路等级
纵缝边缘处
高速、一级公路
0.17～0.22
二级、三级、四级公路
行车道宽>7m
0.34～0.39
行车道宽≤7m
0.54～0.62
3.2初拟路面结构
根据本设计的技术资料和沿线材料的分布情况，结合路面结构组合设计的原则，拟订路面结构形式。
假定本设计的路面结构形式为：
根据公路等级、交通量等级和变异水平等级，查表，初拟普通混凝土面层厚度为0.28m。基层选用沥青混凝土，厚0.2m。垫层为0.18m无机结合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸宽4.25m、长5.5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。
水泥混凝土路面层的参考范围
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)
260
250
240
270～240
260～230
250～220
250～220
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)
240～210
230～220
220～200
230
220
3.3水泥混凝土面板和路基模量值的确定
根据设计资料确定水泥混凝土面板EC和路基模量E0值；计算基层顶面的当量回弹模量值。首先，查图得出基层顶面的当量回弹模量值，然后，对其进行修正得出计算回弹模量值。
土弯拉强度标准值
交通等级
特重
重
中等
轻
水泥混凝土的玩啦强度标准值（Mpa）
5.0
5.0
4.5
4.0
钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（Mpa）
6.0
6.0
5.5
5.0
注：表中所列的水泥混凝土及钢纤维混凝土弯拉强度标准为我国《公路水泥混凝土路面设计规范》中强制性条文，在设计混凝土路面结构时，必须严格执行。
混凝土弯拉弹性模量经验参考值
弯拉强度（Mpa）
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
抗压强度（Mpa）
5.0
7.7
11.0
14.9
19.3
弯拉弹性模量（Mpa）
10
15
18
21
23
弯拉强度（Mpa）
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
抗压强度（Mpa）
24.2
29.7
35.8
41.8
48.4
弯拉弹性模量（Mpa）
25
27
29
31
33
粒料基层和土基弯拉强度和抗压回弹模量
项目
抗弯拉强度Mpa
抗压回弹模量Mpa
水泥稳定粒料
1.0
1300～1600
二灰稳定粒料
1.0
1300～1600
土基

30～80
基层材料回弹模量参考值范围
材料类型
回弹模量（Mpa）
材料类型
回弹模量（Mpa）
中、粗砂
80～100
石灰粉煤灰稳定粒料
1300～1700
天然砂粒
150～200
水泥稳定粒料
1300～1700
未筛分砾石
180～220
沥青碎石（粗砾式，20℃）
600～800
级配碎砾石（垫层）
200～250
沥青混凝土（粗砾式，20℃）
800～1200
级配碎砾石（基层）
250～350
沥青混凝土（中砾式，20℃）
1000～1400
石灰土
200～700
多孔隙水泥碎石
（水泥计量9.5%～11%）
1300～1700
石灰粉煤灰土
600～900
多孔隙沥青碎石
（20℃沥青含量2.5%～3.5%）
600～800
3.4计算荷载疲劳应力
按下式计算荷载疲劳应力：

3.5计算温度疲劳应力
按下式计算温度疲劳应力：

3.6检验初拟厚度

3.7交通分析
3.7.1轴载换算
根据公式：

2004年轴载换算结果如下表：
车型

小客车CA50
前轴
16.5
-
2890
-
后轴
23.0
-
2890
-
中客车SH130
前轴
25.55
551.5
1140
50.94
后轴
45.10
1
1140
3.34×10-3
大客车CA50
前轴
28.7
524.2
894
9.93×10-4
后轴
68.20
1
894
1.96
小货车BJ130
前轴
13.40
-
2182
-
后轴
27.40
1
2182
2.2×10-6
中货车CA50
前轴
28.70
524.2
914
1.02×10-3
后轴
68.20
1
914
2.0
中货车EQ140
前轴
23.70
-
1303
-
后轴
69.20
1
1303
2.85
大货车JN150
前轴
49.00
416.5
993
4.57
后轴
101.60
1
993
1280.11
特大车KB222
前轴
50.20
412.1
1161
7.78
后轴
104.30
1
1161
2277.09
累计
3627.31
根据公式：=》
由2004年的轴载换算数据，可计算2007年的轴载换算累计轴次为：
==3627.31=4199.06 次
根据表，高速公路的设计基准期为30年，安全等级为一级，临界荷位出
车辆轮迹横向分布系数取0.2。取交通量年平均增长率为8%。按公式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：
=×107次
>2×107次属于特重交通。
3.7.2 初拟路面结构
根据二级公路、重交通等级和中级变异水平等级，查表，初拟普通混凝土面层厚度为0.28m。沥青混凝土粒料基层厚度为0.2m。垫层为0.18m无机结合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸宽4.25m、长5.5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。
3.7.3路面材料参数确定
查表，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
路基回弹模量取45.5Mpa，沥青混凝土粒料基层基层回弹模量取1400Mpa，无机结合料稳定土垫层回弹模量为600Mpa。
按公式计算基层顶面当量回弹模量如下：

普通混凝土面层的相对刚度半径计算为：

3.7.4 荷载疲劳应力
标准轴载在临界荷位处产生的何在应力计算为：

考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝位设拉杆的平缝：，纵缝为不设拉杆平缝或自由边界：，纵缝为设拉杆的企口缝：.因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数＝0.87，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。根据公路等级，由表,考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数＝1.30。
按公式，荷载疲劳应力计算为：

3.7.5 温度疲劳应力
公路自然区划
Ⅱ、Ⅴ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅵ
Ⅶ
最大温度梯度
83～88
90～95
86～92
93～98
注：海拔高时，取高值；温度大时取低值。
由表，浙江地区IV5区最大温梯度取86℃/m.板长5.5m, =5.5/0.763=7.21,由图可查普通混凝土板厚。按公式，最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为

系
数
公路自然区划
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
a
0.828
0.855
0.841
0.871
0.837
0.834
b
0.041
0.041
0.058
0.071
0.038
0.052
c
1.323
1.355
1.323
1.287
1.382
1.270
温度疲劳应力系数，按公式计算，查表可得，自然区划为IV区，式中，为：

再由公式计算温度疲劳应力为：
Mpa
查表，高速公路的安全等级为一级，相应与一级安全等级的变异水平等级为低等级，目标可靠度为95％。再根据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表，确定可靠度系数＝1.33。

因而，所选普通混凝土面层厚度（0.28m）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。

参考文献

1 夏连学，赵卫平. 路基路面工程. 北京：人民交通出版社，1999
2 放左英. 路基工程. 北京：人民交通出版社，1987
3 于书翰. 道路工程. 武汉：武汉工业大学出版社，2000
4 李峻利，姚代禄. 路基设计原理与设计. 北京：人民交通出版社，2001
5万德臣. 路基路面工程. 北京：高等教育出版社，1999

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