路基路面设计案例.doc

课程设计（论文）计算说明书

课题名称：路面结构设计
院 （系）：土木建筑学院
专 业：交 通 工 程
班 级：2 0 0 5 — 1
姓 名：华鑫城

2008年06月30日至2008年07月04日 共1周

目录
1设计题目·····························································································1
2设计目的和任务·················································································1
3设计资料一：沥青路面设计·····························································1
3.1基本资料·······················································································1
3.2设计方法与设计内容······································································1
1）根据设计资料要求，确定路面等级和面层类型··························1
2）计算设计年限内一个车道累计当量轴次和设计弯沉···················1
3）确定各路段土基回弹模量值·····················································3
4）初拟路面结构组合与厚度方案·················································4
5）确定各结构层材料抗压回弹模量，抗拉强度及参数··················5
6）根据设计弯沉值计算路面厚度·················································5
7) 结构厚度计算结果··································································6
8）验算防冻厚度·········································································6
9）修正后各方案计算表·······························································7
10）方案技术经济比较································································8
11）优选方案沥青路面结构设计图（方案b）······························8
4设计资料二：水泥混凝土路面设计···············································9
4.1基本资料·················································································9
4.2设计方法与设计过程··································································9
1）换算标准轴载计算使用年限内标准轴载的累计作用次数···········9
2) 拟定路面结构········································································10
3) 方案A 的计算·······································································11
a.计算基层顶面当量回弹模量··················································11
b.计算混凝土板的荷载疲劳应力··············································14
c. 计算混凝土板的温度疲劳应力············································14
d.验算防冻厚度······································································15
4)方案B的计算···········································································16
a.计算基层顶面当量回弹模量·················································16
b.计算混凝土板的荷载疲劳应力·············································18
c. 计算混凝土板的温度疲劳应力············································19
d.验算防冻厚度······································································21
5）方案技术经济比较···································································21
6）最后路面结构设计图（方案A）···············································22
5 主要参考文献···················································································22

附：路基路面课程设计辅助软件输出文本····························23
附1 沥青路面设计方案a·····························································23
附2 沥青路面设计方案b·····························································27
附3 沥青路面设计方案c·····························································31
附4 水泥混凝土路面设计方案A··················································35
附5 水泥混凝土路面设计方案B··················································37

一、设计题目：路面结构设计
二：设计目的和任务
目的：
任务：
进行路面结构组合设计和应力分析计算。即根据所给的交通量和材料供应等资料，先提出不同的路面组合，并进行受力分析计算，然后推荐一种路面结构。
三、设计资料一：沥青路面设计
3.1基本资料
南京地区二级公路，其中某段经调查路基为粉质中液限粘土，地下水位1.2m，路基填土高度0.5m。近期交通量：东风EQ140 130辆/日，解放CA10B车730辆/日，黄河JN150车80辆/日，依士兹TD50车54辆/日，小汽车30辆/日，年平均增长率10%。沿河可开采砂砾、碎石，并有石灰、水泥、沥青、粉煤灰供应。
设计依据：《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97）
3.2设计方法与设计内容
1）根据设计资料要求，确定路面等级和面层类型；
由设计资料可得：路面等级为二级
面层类型选用：沥青混凝土面层
2）计算设计年限内一个车道累计当量轴次和设计弯沉；
车辆及交通参数 表1
序号
车型名称
前轴重(kN)
后轴重(kN)
后轴数
后轴轮组数
交通量
1
东风EQ140
23.7
69.2
1
双轮组
130
2
解放CA10B
19.4
60.85
1
双轮组
730
3
黄河JN150
49
101.6
1
双轮组
80
4
依士兹TD50
42.2
80
1
双轮组
54
A． 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 :
253
式中：N —— 标准轴载的当量轴次（次/日）；
ni —— 各种被换算车辆的作用次数（次/日）；
P —— 标准轴载（KN）；
Pi —— 各种被换算车型的轴载（KN）；
C1 —— 轮组系数，双轮组为1，单轮组为6.4，四轮组为0.38
C2 —— 轮轴系数。
当轴间距大于3米时，轮轴系数为1，当轴间距小于3米时，C2 =1+1.2（m－1），m为轴数。

设计年限内一个车道上累计当量轴次 :

=1382312
式中：Ne —— 设计年限内一个车道沿一个方向通过的累计标当量轴次（次）；
t —— 设计年限，12年；
N —— 路面营运第一年双向日平均当量轴次（次/日）；
r —— 设计年限内交通量平均增长率（%）；
η —— 车道横向分布系数，取0.7。
B．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 :
126
式中： —— 轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09；
——轮轴系数，同C2 。
设计年限内一个车道上累计当量轴次 :

=688424
式中符号意义同前。
计算设计弯沉ld 和结构强度系数
39 (0.01mm)
式中：Ac —— 公路等级系数，二级公路为1.1；
As —— 面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0。
结构强度系数
1.842（用于细、中沥青层、粗颗粒层为2.0）
1.39（用于水泥稳定碎石、石灰土稳定沙砾、水泥石灰稳定碎石）
1.77（用于石灰粉煤灰土、石灰粉煤灰碎石土）
3）根据路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段确定各路段土基回弹模量值
由地下水位1.2m，路基填土高度0.5m，路基为粉质中液限粘土，按查表法确定路基回弹模量
E0 = 32 MPa
4）初拟路面结构组合与厚度方案

根据道路附近材料的供应拟订以下三种路面结构组合
a.方案 表2
层位
结 构 层 材 料 名 称
厚度(cm)
1
细粒式沥青混凝土
3
2
中粒式沥青混凝土
4
3
粗粒式沥青混凝土
6
4
水泥稳定碎石
?
5
石灰粉煤灰土
25
以水泥稳定碎石为设计层

b. 方案 表3
层位
结 构 层 材 料 名 称
厚度(cm)
1
细粒式沥青混凝土
3
2
中粒式沥青混凝土
4
3
粗粒式沥青混凝土
6
4
石灰土稳定砂砾
?
5
碎石土
25
以石灰土稳定砂砾为设计层

c. 方案 表4
层位
结 构 层 材 料 名 称
厚度(cm)
1
细粒式沥青混凝土
3
2
中粒式沥青混凝土
4
3
粗粒式沥青混凝土
6
4
水泥石灰稳定碎石
?
5
石灰粉煤灰碎石土
25
以水泥石灰稳定碎石为设计层

5）确定各结构层材料抗压回弹模量，抗拉强度及参数。

参考材料设计参数表确定各结构层材料参数如下表 表5
层位
结构层材料名称
抗压模量(MPa) (20℃)
抗压模量(MPa) (15℃)
弯拉强度 (MPa)
容许拉应力 (MPa)
1
细粒式沥青混凝土
1400
2000
1.4
0.76
2
中粒式沥青混凝土
1200
1600
1.0
0.54
3
粗粒式沥青混凝土
900
1200
0.8
0.4
4
水泥稳定碎石
1500
1500
0.5
0.36
5
石灰粉煤灰土
550
550
0.25
0.14
6
石灰土稳定砂砾
1500
1500
0.5
0.36
7
碎石土
550
550

8
水泥石灰稳定碎石
1500
1500
0.5
0.36
9
石灰粉煤灰碎石土
550
550
0.3
0.17
表中计算：

6）根据设计弯沉值计算路面厚度
用通用计算机程序计算，输入各项参数后可得到计算结果，先假定设计层初始厚度为20cm，如果计算不能满足下列不等式，则调整厚度，直到满足。

7) 结构厚度计算结果

a方案
设计层水泥稳定碎石厚度 H( 4 )= 15 cm
设计弯沉 Ld= 39 (0.01mm)
路表计算弯沉 Ls= 36 (0.01mm)

b方案
设计层石灰土稳定砂砾厚度 H( 4 )= 15 cm
设计弯沉 Ld= 39 (0.01mm)
路表计算弯沉 Ls= 36 (0.01mm)

c方案
设计层水泥稳定碎石厚度 H( 4 )= 15 cm
设计弯沉 Ld= 39 (0.01mm)
路表计算弯沉 Ls= 36 (0.01mm)

8）验算防冻厚度
根据规范所列的路面最小防冻厚度要求与该路况作对比。南京处于Ⅳ1区，沿线土质为粉质中液限粘土，一般路基处于中湿状态，Ⅳ地区比表中植减少15%，所以路面最小防冻厚度为64cm。

三个方案总厚度为都为53 cm，均小于防冻厚度，所以进行调整为设计层厚度H( 4 )= 20 cm，H( 5 )= 35 cm。修改后防冻厚度符合要求。

9）修正后各方案计算表
a方案计算表 表6
层位
结构层材料名称
厚度
(cm)
抗压模量(MPa) (20℃)
层底拉应力(MPa)
容许拉应力
(MPa)
1
细粒式沥青混凝土
3
1400
－0.262
0.76
2
中粒式沥青混凝土
4
1200
－0.113
0.54
3
粗粒式沥青混凝土
6
900
－0.057
0.4
4
水泥稳定碎石
20
1500
0.119
0.36
5
石灰粉煤灰土
35
550
0.075
0.14
6
土基

32

b方案计算表 表7
层位
结构层材料名称
厚度
(cm)
抗压模量(MPa) (20℃)
层底拉应力
(MPa)
容许拉应力
(MPa)
1
细粒式沥青混凝土
3
1400
－0.262
0.76
2
中粒式沥青混凝土
4
1200
－0.113
0.54
3
粗粒式沥青混凝土
6
900
－0.057
0.4
4
石灰土稳定砂砾
20
1500
0.119
0.36
5
碎石土
35
550

6
土基

32

c方案计算表 表8
层位
结构层材料名称
厚度
(cm)
抗压模量(MPa) (20℃)
层底拉应力
(MPa)
容许拉应力
(MPa)
1
细粒式沥青混凝土
3
1400
－0.262
0.76
2
中粒式沥青混凝土
4
1200
－0.113
0.54
3
粗粒式沥青混凝土
6
900
－0.057
0.4
4
水泥石灰稳定碎石
20
1500
0.119
0.36
5
石灰粉煤灰碎石土
35
550
0.075
0.17
6
土基

32

10）方案技术经济比较
本地区降雨量大，容易引起水损害，同时考虑路面长期使用效能，所建设道路的交通等级属于低交通等级。建议采用b方案，此方案没有用到水泥和粉煤灰，所有材料就地取材，造价会低于其余两个方案。

11）优选方案沥青路面结构设计图（方案b）

四、设计资料二：水泥混凝土路面设计
4.1基本资料：
Ⅱ5区某二级公路，拟建水泥混凝土路面，其中一段路基，土的平均稠度为0.8。土基为粘性土，交通组成为JN150车600辆/日，CA10B车1000辆/日，EQ 140 车300辆/日, 年平均增长率6%。沿河可开采砂砾、碎石，并有石灰、水泥、沥青、粉煤灰供应。
设计依据：《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2002）
4.2设计方法与设计过程

1) 换算标准轴载计算使用年限内标准轴载的累计作用次数

设计车道设计基准期初期的标准轴载日作用次数Ns
777
式中， —— 各种轴型不同轴载级位的标准当量换算系数；
ni —— 每1000辆车2轴6轮以上客、货车中i种轴型出现的次数；
Pij —— i种轴型j 级轴载的频率（以分数计）

标准轴载当量换算

式中，Ns —— 100kN的单轴—双轮组标准轴载的通行次数；
Pi —— 各类轴—轮型i级轴载的总重（kN）；
n—— 轴型和轴载级位数；
Ni —— 各类轴—轮型i级轴载的通行次数；
——轴—轮型系数
单轴—双轮组：=1.0
单轴—单轮组：
双轴—双轮组：
三轴—双轮组：
计算使用年限内标准轴载的累计作用次数
4068705
式中：Ne —— 标准轴载累计当量作用次数；
t —— 设计基准期（年）；
N —— 路面营运第一年双向日平均当量轴次（次/日）；
gr ——交通量平均增长率（%）；
η —— 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，取0.39。

2) 拟定路面结构：
初估混凝土面板厚
由表16-20相应于安全等级三级的变异水平的等级为中级。根据二级公路重交通等级和中级变异水平等级，查表16-17，初拟普通混凝土面层厚度为h=220mm。普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m，长5m。

拟定各结构层厚
方案A，基层选用水泥稳定粒料，厚h1=250mm，由于路基为过湿类型，须设垫层，垫层为级配碎砾石，厚h2=200mm。
方案B，基层选用贫混凝土，厚200mm，垫层为多孔隙水泥碎石，厚250Cmm
确定材料弹性模量
方案A 表9
层位
基（垫）层材料名称
厚度(mm)
回弹模量(MPa)
1
水泥稳定粒料
250
1300
2
级配碎砾石
200
250
3
土基

26.5
方案B 表10
层位
基（垫）层材料名称
厚度(mm)
回弹模量(MPa)
1
贫混凝土
200
15000
2
多孔隙水泥碎石
250
1300
3
土基

26.5

3) 方案A 的计算
a.确定混凝土设计弯拉强度及弹性模量，计算基层顶面当量回弹模量
混凝土面层弯拉强度 5 MPa 弯拉模量 31000 MPa
计算基层顶面当量回弹模量

式中， 基层顶面的当量回弹模量（MPa）；
路床顶面的回弹模量（MPa），查表得26.5 MPa；
基层和垫层的当量回弹模量（MPa）；
， 基层和垫层的回弹模量（MPa）；
基层和垫层的当量厚度（m）；
基层和垫层的当量弯曲刚度（MN-m）；
，基层和垫层的厚度（m）；
a, b 与有关的回归系数。

普通混凝土棉层的相对刚度半径计算

b.计算混凝土板的荷载疲劳应力
标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr=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 ，是与混合料有关的指数，普通混凝土为0.057。根据公路等级，由表16-24，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数Kc=1.20 。
荷载疲劳应力计算为

c. 计算混凝土板的温度疲劳应力
Ⅱ5区温度梯度取83 ℃/m 。板长5m，l/r=5/0.669=7.474，由图16-14可查普通混凝土板厚h=0.22m，Bx=0.71。最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为

计算温度疲劳应力系数Kt，查表得自然区划Ⅱ区，a=0.828 ，b=0.041，c=1.323。

因此温度疲劳应力为

查表16-20，二级公路的安全等级为三级，变异水平为中等，目标可靠度为85%。从而查表确定可靠度系数=1.13

因而，所选普通混凝土面层厚度（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。

d.验算防冻厚度
由规范查得此区划范围路面最小防冻厚度为 650 mm
新建基(垫)层总厚度 450 mm
面层厚度为 220mm
验算结果表明, 路面总厚度670mm﹥650 mm满足路面防冻要求 .

4)方案B的计算
a.确定混凝土设计弯拉强度及弹性模量，计算基层顶面当量回弹模量
混凝土面层弯拉强度 5 MPa 弯拉模量 31000 MPa
贫混凝土弯拉强度 2.5 MPa 弯拉模量 21000 MPa
计算基层顶面当量回弹模量

式中各符号意义同上。
b.计算混凝土板的荷载疲劳应力
普通混凝土面层与贫混凝土基层组成分离式复合式面层。此时Ku=0，hx=0.复合式混凝土面层得截面总刚度为：

复合式混凝土面层的相对刚度半径为

标准轴载在普通混凝土面层临界荷位处产生得荷载应力计算为

标准轴载在贫混凝土基层临界荷位处产生得荷载应力计算为

普通混凝土面层，因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr=0.87 。贫混凝土基层不设纵缝，不考虑接缝传荷能力的应力折减系数Kr。普通混凝土面层，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 ，是与混合料有关的指数，普通混凝土为0.057。根据公路等级，由表16-24，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数Kc=1.20 。
普通混凝土面层荷载疲劳应力计算为：

贫混凝土基层荷载疲劳应力计算为：

c. 计算混凝土板的温度疲劳应力
Ⅱ5区温度梯度取83 ℃/m 。板长5m，l/r=5/0.669=7.474，由图16-14可查普通混凝土板厚h=0.22m，Bx=0.71。Cx=1.06.
最大温度梯度时普通混凝土面层的温度翘曲应力计算为

普通混凝土面层温度疲劳应力系数Kt，查表得自然区划Ⅱ区，a=0.828 ，b=0.041，c=1.323。

温度疲劳应力为

分离式复合式路面中贫混凝土基层得温度翘曲应力可忽略不计。

查表16-20，二级公路的安全等级为三级，变异水平为中等，目标可靠度为85%。从而查表确定可靠度系数=1.13
普通混凝土面层

贫混凝土基层

因而，拟定的由0.22m厚的普通混凝土面层和0.2m厚的贫混凝土基层组成得分离式复合式路面，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。
d.验算防冻厚度
由规范查得此区划范围路面最小防冻厚度为 650 mm
新建基(垫)层总厚度 450 mm 面层厚度为 220mm
验算结果表明, 路面总厚度670mm﹥650 mm满足路面防冻要求 .
5）方案技术经济比较

本地区是东部温润季冻期，主要问题是防止翻浆和冻胀，路基土平均稠度是0.8，是过湿类型，同时考虑路面长期使用效能，所建设道路的交通等级属于重交通等级。建议采用方案A，此方案采用水泥稳定粒料做基层，级配碎砾石做垫层，可以有效防止地下水上升损害路基，所有材料就地取材，从施工和造价来考虑都优于B方案。

6）最后得到路面结构设计结果如下:

五、主要参考文献
1、邓学均.《路基路面工程》[M].北京：人民交通出版社，2000..
2、《公路沥青路面设计规范》（JTJT014-97）.北京：人民交通出版社，1997.
3、《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2002）[S]. 北京：人民交通出版社，2002
4、姚祖康.《公路设计手册-路面》[M]. 北京：人民交通出版社，2000..

附：路基路面课程设计辅助软件输出文本
附1 沥青路面设计方案a
*新建路面设计成果文件汇总*
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 东风EQ140 23.7 69.2 1 双轮组 130
2 解放CA10B 19.4 60.85 1 双轮组 730
3 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 80
4 依士兹TD50 42.2 80 1 双轮组 54
设计年限 12 车道系数 0.7 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 : 253
设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 1382312
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 : 126
设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 688424
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 : 39 (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 0.76
2 中粒式沥青混凝土 1 0.54
3 粗粒式沥青混凝土 0.8 0.4
4 水泥稳定碎石 0.5 0.36
5 石灰粉煤灰土 0.25 0.14
新建路面结构厚度计算
公 路 等 级 : 二级公路
新建路面的层数 : 5
标 准 轴 载 : BZZ-100
路面设计弯沉值 : 39 (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 (20℃) (15℃) (MPa)
1 细粒式沥青混凝土 3 1400 2000 0.76
2 中粒式沥青混凝土 4 1200 1600 0.54
3 粗粒式沥青混凝土 6 900 1200 0.4
4 水泥稳定碎石 ? 1500 1500 0.36
5 石灰粉煤灰土 25 550 550 0.14
6 土基 32
按设计弯沉值计算设计层厚度 :
LD= 39 (0.01mm)
H( 4 )= 15 cm LS= 36 (0.01mm)
由于设计层厚度 H( 4 )=Hmin时 LS<=LD,
故弯沉计算已满足要求 .
H( 4 )= 15 cm(仅考虑弯沉)
按容许拉应力验算设计层厚度 :
H( 4 )= 15 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求)
H( 4 )= 15 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求)
H( 4 )= 15 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求)
H( 4 )= 15 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求)
H( 4 )= 15 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求)
路面设计层厚度 :
H( 4 )= 15 cm(仅考虑弯沉)
H( 4 )= 15 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 64 cm
验算结果表明 ,路面总厚度比路面最小防冻厚度小 11 cm ,
程序将自动在上述刚设计的路面最下层厚度中予以补足 .
通过对设计层厚度取整和将路面防冻厚度不足部分增补到路面
最下层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:

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细粒式沥青混凝土 3 cm
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中粒式沥青混凝土 4 cm
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粗粒式沥青混凝土 6 cm
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水泥稳定碎石 20 cm
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石灰粉煤灰土 35 cm
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土基
竣工验收弯沉值和层底拉应力计算
公 路 等 级 : 二级公路
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 3 1400 2000 计算应力
2 中粒式沥青混凝土 4 1200