路基路面工程课程设计高程20103156.doc

黑龙江大学课程名称： 路基路面工程 学 院： 建筑工程学院 专 业： 土 木 工 程 学 号： 20103156 年 级： 2010级 学生姓名： 高 程 指导教师： 陈 瑶 目录1 基本设计资料32 沥青路面设计52.1轴载分析52.2结构组合与材料选取92.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度92.4 设计指标的确定92.5 路面结构层厚度的计算112.6 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算122.7 防冻层厚度检验143 水泥混凝土路面设计153.1 交通量分析153.2 初拟路面结构173.3 确定材料参数183.4 计算荷载疲劳应力183.5 计算温度疲劳应力203.6 应力验算213.7 防冻厚度检验213.8 接缝设计21参考文献2323 1 基本设计资料1.1设计依据及过程： 本路线是吉林马鹿沟二级公路，它的修建有利于改善该区的交通状况，促进经济贸易的发展。根据本路在公路网中的作用和交通量，结合本路的功能，性质及自然状况，公路等级确定为二级公路标准，全线采用双车道，计算行车速度60km/小时。路线线形设计，尽量与实际地形，地貌及周围景观相协调，线形连续，指标均衡，视线诱导好，在工程量增加不大的情况下尽可能采用较高的指标，力求纵横配合，线形流畅。1.2 路线起、终点及工程概况此次设计起点里程桩号为K0+000终点里程桩号为K2+794.543，全线长2.795公里，路线主要经过平原区微丘区。本标段设了圆管涵和小桥梁。路基宽度采用8.5米，路面宽度采用7米，行车道横坡度设为2%，路肩横坡度设为2.5%。为了顺利的将路基范围内的路面水排出，在路堑两侧设置了边沟和排水沟.1.3 沿线地段的地形、地质、气候、水文等地理特征及与周围环境相协调。本次施工图设计结合构造物布设、平纵面配合等方面作了优化组合，全长2.795公里。本项目路基填料可从路线两侧范围内取土，沿线有丰富的筑路材料，如中砂,粗砂,砂砾,石料,生石灰等。1.3.1地形、地质：沿线地形起伏不大，路线处于平原区微丘区，土质为粘质土。1.3.2气候、水文：属于温带大陆性山地气候 ,特点是冬季漫长寒冷,夏季短暂凉爽且天气变化无常,春季多风,秋季多雾。 年平均气温在-7至3 之间,年降水量在700-1400毫米之间。初雪及初冻时间一般在十月中旬，解冻时间一般在来年的五月上旬，标准冻深1.8米。 1.3.3 设计时注重与自然景观及周围环境的协调，着重做了以下几个方面的工作：1.3.3.1在路线平面和纵断面施工图设计时，综合考虑地形、地物、地质、桥位、水利设施、县乡路网、和地方发展等因素，尽量做到少拆房屋、电杆、少占良田、少砍伐树木，并尽可能的保持原有水利排灌设施和地方道路网的完整性。1.3.3.2充分考虑将来道路网规划，在路线平纵面线型组合设计时，注重道路与自然景观的协调，使道路成为自然的一条风景带。1.4、筑路材料沿线可利用的筑路材料主要有块石、片石、碎石、砂砾、砂、石灰等。外购材料包括水泥、钢材、木材、沥青。1）主要筑路材料料场分布情况SI-2 5石料：全线石料场主要分布在南阳市以北的蒲山镇，镇平县杏花山，内乡县灵山等地。该几处料厂所采石料主要为石灰岩和花岗岩，料场可生产块石、片石及各种规格的碎石；其产品广泛应用于工民建、公路、铁路建设。料场的规模均比较大，装卸、运输方便。路面用碎石：上面层采用东川石料厂加工的碎石，该料厂位于内乡县和西峡县田关交界处，紧邻原西峡至东川公路。料厂主要开采青灰色玄武岩石料，石质新鲜、坚硬，储量丰富，可作为高速公路上面层用碎石。砂砾：沿线砂砾料场主要有白河砂砾料场、默河砂砾料场、湍河砂砾料场，该几处料场所产砂砾级配良好，含泥量小，储量丰富，是良好的筑路材料，料场交通较便利，可满足工程需要。砂：沿线砂料场主要有白河砂料场、潦河砂料场，王村砂料场、赵河砂料场及湍河砂料场，主要开采中粗砂，砂质纯净，含泥量小，储量丰富，可满足高速公路建设需要。石灰：沿线有大小石灰场多处，南阳市宛城区蒲山镇和灵山附近的石灰厂密布，生产规模较大,质量可靠、可满足本项目工程建设需要。水：沿线水资源比较丰富，各村庄都有机井水源，经调查除了默河、三里河水质被污染外，其他如潦河、赵河、严陵河、湍河等均可满足工程用水。2）工程用电沿线电力供应比较便利，各乡镇及其所辖自然村均有不同功率的变压器，基本上能满足工程用电的要求。各施工场地用电时，可从附近变电站引电，若距离长，也可设置专用的供电线路；集中拌和厂和桥梁预制厂需要设置独立的变电站，并配备相应功率的发电设备。3）四大材料水泥、钢材、木材和沥青四大材料，可与当地有关部门联系或由业主统一解决。1.5、技术标准:1）山岭重丘区标准进行设计，沿线地形及水准点位置；（见平面地形图）；2）公路等级：双车道二级公路，设计车速60km/h。3）交通量资料：交通量增长率为6.0%，设计年限12年。车型前轴重(KN)后轴重(KN)后轴数后轴轮组数后轴距（m）日交通量黄河JN16259.50115.001双420解放CA10B19.4060.851双470黄河JN15049.00101.601双410日野ZM44060.00100.002双127300东风EQ14023.7069.201双460菲亚特 650E33.0072.001双300太脱拉13851.4080.002双13250 表1-1 交通量资料 2 沥青路面设计2.1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，表示为BZZ-100。标准轴载的计算参数按表2-1确定。表2-1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）21.3轮胎接地压强P（Mpa）0.7两轮中心距（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 轴数系数; C2 轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轴组为0.38； 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2-2 轴载换算结果车型（）（次/日）黄河JN162前轴59.501142043.89后轴115.0011420771.41解放CA10B前轴19.4011470后轴60.851147051.15黄河JN150前轴49.001141018.41后轴101.6011410439.31日野ZM440前轴60.001130032.51后轴100.002.21300660东风EQ140前轴23.7011460后轴69.201146092.73菲亚特650E前轴33.00113002.41后轴72.001130071.87太脱拉138前轴51.401150 2.76后轴80.002.215041.67N2228.12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，t=12年； 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，=0.06； 与车道数有关的车辆横向分布系数，简称车道系数，该设计为双向双车道的二级公路，所以=0.7。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40KN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（）； 轴数系数； 轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。 当轴间距离大于3m时，按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为 1;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： 其中 m 为轴数 表2-3 轴载换算结果车型（）（次/日）黄河JN162前轴59.50114206.60后轴115.00114201284.79解放CA10B前轴19.4011470后轴60.85114708.83黄河JN150前轴49.00114101.36后轴101.6011410465.51日野ZM440前轴60.00113005.04后轴100.0031300900东风EQ140前轴23.7011460后轴69.201146024.19菲亚特650E前轴33.0011300后轴72.001130021.6太脱拉138前轴51.4011500.24后轴80.003150 8.392726.55则其设计年限内一个车道上的累计量轴次为：次。根据交通等级分级，=1.175次/车道，属于中等交通；根据设计交通量及设计车型，每日平均大型客车及中型以上的各种货车交通量=1205辆/（d车道），根据交通等级分级，=1205辆/（d车道）600辆/（d车道），属于中等交通。综上，交通等级为中等交通。 2.2 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、沥青，水泥等供应以及结构层的最小施工厚度、材料、水文、交通量和施工机具的功能等因素，路面采用如下结构：面 层：5cm 细粒式密集配沥青混合料 AC-13； 7cm 中粒式密集配沥青混合料 AC-20； 基 层：（设计层）水泥稳定碎石（6）； 底 基 层：25cm石灰土。2.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度 土基回弹模量的确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确定。见表2-4。表2-4 结构组合参数层次材料名称厚度(cm)抗压回弹模量强度劈裂（Mpa）20C模量15C模量表面层细粒式沥青混凝土5200014001.4下面层中粒式沥青混凝土7180012001.0基层 水泥稳定碎石待定150015000.5底基层石灰土255505500.2土基粉质轻压粘土282.4 设计指标的确定 1设计弯沉值 公路为二级，则公路等级系数取1.1；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，二级公路为1.1 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各层材料按容许层底拉应力，按下列公式计算： 式中 ： 路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa）； 路面结构材料的容许拉应力，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： 对无机结合料稳定集料类： 对无机结合料稳定细土类： 表2-5 结构层容许弯拉应力材料名称（Mpa）（Mpa）细粒沥青混凝土1.42.8120.498中粒沥青混凝土0.82.8120.356水泥稳定碎石0.51.8650.268二灰土0.22.3980.0832.5 路面结构层厚度的计算 （1） 路面厚度是根据多层弹性理论层间接触条件为完全连续体系时，在双圆垂直局部荷载作用下，轮隙中心处实测路表弯沉值1s等于设计弯沉值1d的原则进行计算，即。 标准车型的轮胎的接地压强为0.70Mpa,当量圆半径为10.65,土基回弹模量为28Mpa,各层材料的设计参数见路面结构设计参数表。2理论弯沉系数的确定 式中： 当量圆半径；F 弯沉综合修正系数， 。因此： F=1.6326.5/2000/10.650.38(28/0.70) 0.36=0.484 =26.51400/(200010.650.70.484)=5.142确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/=5/10.65=0.469 E2/E1=1200/1400=0.86；由三层体系弯沉系数诺莫图查得：=6.4。=5cm=1400Mpa=7cm=1200Mpa =?=1500Mpa=25cm=550Mpa =28Mpa =5cm=1400MpaH=?=1200Mpa =28Mpah/=5/10.65=0.469,=28/1200=0.02；由三层体系弯沉系数诺莫图查得:K1=1.750。又因为K2= /(K1）=5.15/（6.41.75）=0.45，查图得： H/=5.41，H= 10.655.41=57.617cm。由可知： ，因为H=57.617cm，可知=29.87cm，故取=30cm。2.6 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算1验算中沥青混凝土面层层底部弯拉应力=5cm=2000Mpa=7cm=1800Mpa=30cm=1500Mpa=25cm=550Mpa =28Mpah=?=1800MpaH=?=1500Mpa =28Mpa三层体系中层厚度:cm；。查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图，知，故满足要求。2水泥稳定碎石层层底拉应力验算=5cm=2000Mpa=7cm=1800Mpa =30cm=1500Mpa=25cm=550Mpa =28Mpah=?=1500MpaH=25=550Mpa =28Mpa h=cm 查三层连续体系上层层底面拉应力系数诺谟图可知 由查三层连续体系上层层底面拉应力系数诺谟图可知 :=1.35; 由H/=25/10.65=2.35,=28/550=0.05,查三层连续体系上层层底面拉应力系数诺谟图可知 :。 所以层底拉应力： =P满足要求。3石灰土层层底拉应力验算=5cm=2000Mpa=7cm=1800Mpa =30cm=1500Mpa=25cm=550Mpa =28Mpa h=?=1500MpaH=25=550Mpa=28Mpa ；由，查三层连续体系中层层底面拉应力系数诺谟图可知； 由，查三层连续体系中层层底面拉应力系数诺谟图可知=1.06；由，查三层连续体系中层层底面拉应力系数诺谟图可知=0.55。所以层底拉应力由公式，故满足要求。2.7 防冻层厚度检验计算道路冻深可由以下公式得： 式中 ：a-路面结构层的热物性系数，查得a=2.20； b-路面横断面填、挖系数，查得=2.10，=2.00； c-路基干湿型系数，查得=1.09，=1.06； F-最近10年的冻结指数平均值，查得F=1623. 则 根据公路沥青混凝土路面设计规范（JTG D502006）表 5.2.4 查得最小防冻厚度为 4555cm，在潮湿状态下最小防冻厚度为 5565cm。按照规范要求进行抗冻厚度验算，设计路面结构厚度为：干燥: d=5+7+30+25617cm，满足最小防冻厚度要求。中湿，潮湿： d=5+7+30+25+2087 cm，满足最小防冻厚度要求。 3 水泥混凝土路面设计3.1 交通量分析3.1.1标准轴载与轴载换算 我国公路水泥混凝土路面设计规范以汽车轴重为100kN的单轴荷载作为设计标准轴载，表示为BZZ100。凡前、后轴载大于40KN（单轴）的轴数均应换算成标准轴数，换算公式为： 式中： 100KN的单轴双轮组标准轴数的通行次数； 单轴-单轮、单轴-双轮组、双轴-双轮组或三轴-双轮组轴型i级轴载的总重 （KN）； 轴型和轴载级位数； 各类轴轮型i级轴载的通行次数； 轴轮型系数，单轴-双轮组时，=1；单轴-单轮时，按式（3-1）计算；双轴双轮组时，按式（3-2）计算；三轴-双轮组时，按式（3-3）计算。 （3-1） （3-2） （3-3） 综上所述换算结果如表3-1所示。 表3-1 轴载换算结果车型（kN）（次/日）黄河JN162前轴59.5014200.10后轴115.0014203930.20解放CA10B前轴19.401470后轴60.8514700.17黄河JN150前轴49.0014100.0045后轴101.601410528.55日野ZM440前轴60.0013000.08后轴100.003.8810-63000.0012东风EQ140前轴23.701460后轴69.2014601.27菲亚特650E前轴33.001300后轴72.0013001.56太脱拉138前轴51.401500.0012后轴80.004.0810-6500.00000574461.943.1.2设计年限内设计车道的标准轴载累计作用次数 由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)可知二级公路设计基准期t=12年，临界荷位车辆轮迹横向分布系数由表3-2可得：，则： 式中： 标准轴载累计当量作用次数； t 设计基准年限； 交通量年平均增长率，由材料知，=0.06； 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，如下表3-2。 表3-2 混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.170.22二级及二级以下公路行车道宽7m0.340.390.540.62行车道宽7m 注：车道或行车道或者交通量较大时，取高值；反之，取低值。 因水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按照设计基准期内设计车道临界荷载承受的标准轴载当量累计作用次数分为4级，分级范围见表3-3. 表3-3 公路混凝土路面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（）2000100-20003-1003 由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402002)表 3.0.5可知该路段交通等级为：重交通（100-2000） 3.2 初拟路面结构因为交通量，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为三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180mm的低剂量无机结合稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.5m；长为4.5m。纵缝为设拉杆的平缝，横缝为不设传力杆假缝。面板：普通水泥混凝土250mm，其长度拟定长为4.5米，宽为3.5米；基层：水泥稳定粒料（20cm）;垫层：低剂量无机结合稳定土（18cm）。3.3 确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30Gpa；路基回弹模量为35Mpa；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1300Mpa。按规范式（B.1.5）基层顶面当量的回弹模量值计算如下： = = = = =普通混凝土面层的相对刚度半径为：3.4 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 混凝土板的相对刚度半径（m）； H 混凝土板的厚度（m）； 水泥混凝土的弯沉弹性模量（）； p 标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（）； kr 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设杆拉的平缝，kr=0.87 0.92，纵缝为不设杆拉的平缝或自由边界kr=1.0，纵缝为设杆拉的企口缝，kr=0.760.84，； kc 考虑偏载和动载因素对路面疲劳损坏影响综合系数，按公路等级查下表3-4；表3-4 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 -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； 钢纤维混凝土值按下式计算确定: 式中： 钢纤维的体积率（%）； 钢纤维的长度（mm）； 钢纤维的长度（mm）； ps 标准轴载Ps在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力()。 = ， =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：=2.5630.871.201.034=2.99Mpa 。 3.5 计算温度疲劳应力由路基路面工程知，II区最大温度梯度取88/m。板长4.5m，L/r=4.5/0.747=6.02；已知混凝土板厚0.25m，=0.64。 则可知最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力： 式中： c 混凝土的温度线膨胀系数（），通常可取为 ； 最大温度梯度，=88c/m； Bx 综合温度翘区应力和内应力的温度应力系数； 最大温度梯度时土板的温度翘取应力（）。 = 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 3-5。表3-5 回归系数a，b和c系数 公路自然区a0.8280.8550.8410.8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821.270 =则温度疲劳应力： 综合，一级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，目标可靠度为85。再根据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数。3.6应力验算 水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，其表达式如下： 式中：-水泥混凝土弯沉强度标准值（）。 ，故满足要求。因而，所选普通混凝土面层厚度( 0.25m )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。3.7防冻厚度检验 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0.63m，由于0.50.63，故满足设计要求。3.8接缝设计 为避免由温度产生的应力破坏，所以，在混凝土板中设置横缝与纵缝，这段路为重交通，缝中设拉杆，拉杆长0.7m，直径14mm，每隔60cm设置一个。 横向胀缝 缝隙宽20mm，缝隙上部5cm深度内浇填缝料拉杆的半段固定在混凝土内，另一半涂以沥青，套上长约10cm的塑料套筒，筒底与杆端之间留有3cm空隙，用木屑与弹性材料填充。 横向缩缝 缩缝采用假缝，缝隙宽5mm，深度为5cm.见图5-1. 图3-1 横向缩缝 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。见图5-2. 图3-2 施工缝 横缝的布置缩缝间距一般为5m，混凝土路面设置胀缝。 纵缝的设置纵缝设置为企口带拉杆的形式，上部5mm深度内浇筑填缝料，内设拉杆，拉杆直径为14mm，长度为700mm,拉杆间距为600mm，与横缝做成垂直正交，使混凝土具有90的角隅。见图3-3。 图3-3 纵缝 参考文献1、 邓学钧 路基路面工程(第二版).人民交通出版社，20052、 中华人民共和国行业标准：公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006).北京：人民交通出版社20063、 中华人民共和国行业标准：公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40-2002).北京：人民交通出版社20024. 中华人民共和国行业标准：(JTGB012003)5.