昆明到攀枝花二级公路路基路面设计.docx

课程名称：路基路面工程

设计题目： 路面设计
院 系： 土木工程
专 业： 铁道工程2班
年 级： 2010级
姓 名：
学 号：
指导教师：

成 绩 指导教师 (签章)
年 月 日
西南交通大学峨眉校区

目录
第1章 任务书和指导书 1
第2章 沥青路面设计 2
1. 标准轴载及轴载当量换算 2
2. 预估路基回弹模量 4
3. 路面结构组合及材料参数确定 4
4. 材料参数：回弹模量、劈裂强度、容许拉应力 4
5. 材料参数汇总 5
6. 计算值和实际值比较 6
第3章 普通水泥混凝土路面设计 7
1. 标准轴载及轴载当量换算 7
2. 初拟路面结构 8
3. 确定材料参数 8
4. 计算荷载疲劳应力 9
5. 计算温度疲劳应力 9
参考文献 11

第1章 任务书和指导书
拟从昆明到攀枝花修建一条二级公路，宽9m，所在地区的自然区划属V4区，采用沥青混凝土路面或水泥混凝土路面。已知资料如下：预计竣工后第一年双向平均日交通量如表1。经过调查，预期交通量平均年增长率为r（见表1和表2）。方向分配系数为0.6。
路基土质为粉质土，在春季不利季节调查得知地下水位离地面1.0m，路基填土高度1.5m。
任务：可行性研究阶段，设计沥青路面和水泥混凝土路面各1种方案。
表1 第一年双向平均日交通量

车型
前轴重
（kN）
前轴数
前轴
轮组数
后轴重
（kN）
后轴数
后轴
轮组数
后轴
轴距
交通量
（辆/日）
黄河QD352
58.0
1
单
95
1
双
-
Ｑ1
交通SH-141
40.0
1
单
2×89
2
双
2.6m
Q2
东风EQ144
52.0
1
单
2×98
2
双
3.1m
Q3
罗曼SQ9251
65.0
1
单
3×125
3
双
2.4m
Q4

表2交通量以及年平均增长率

学号末尾2位数k
Q1
Q2
Q3
Q4
r(%)
00-33
440-k
440-k
380-k
85-k
5.6+0.01k
34-66
450-k
390-k
420-k
14+k
5.9-0.01k
67-99
310+k
330+k
350+k
k
6.3-0.01k

第2章 沥青路面设计
1. 标准轴载及轴载当量换算
我国路面设计以单轴双轮组100KN为标准轴载。
1）当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，

式中，N——标准轴载的当量轴次
ni——被换算车型的各级轴载作用次数
P——标准轴载
Pi——被换算车型的各级（单根）轴载
C1，i——被换算车型的各级轴载的轴数系数。当轴间距大于3米时，即为轴数m，当轴间距小于3米，C1，i=1+1.2*（m-1）
C2，i——被换算轴载的轮组系数。单轮组6.4，双轮组1，四轮组0.38.
N1=1×6.4×387×（58/100）^4.35+1×1×387×(95/100)^4.35=541.24
N2=1×6.4×327×（40/100）^4.35+2.2×1×327×(89/100)^4.35=472.2
N3=1×6.4×357×（52/100）^4.35+2×1×357×(98/100)^4.35=786.81
N4=1×6.4×77×（65/100）^4.35+1×1×77×(125/100)^4.35=766.74

车型
轴位
轴重（KN）
轮组系数
轴数系数
交通量（辆/日）
当量轴次（辆/日）
黄河QD352
前
58.0
6.4
1
387
541.24
后
95
1
1
交通SH-141
前
40.0
6.4
1
327
472.20
后
89
1
2.2
东风EQ144
前
52.0
6.4
1
357
786.81
后
98
1
2
罗曼
SQ9251
前
65.0
6.4
1
77
766.74
后
125
1
3.4

N=∑C1，i×C2,i×ni××(PiP)^4.35= 541.24+472.2+786.81+766.74=2567次
Ne=[1+0.052712-1]×3650.0527×2567×0.6=908.93万次
2）当以半刚性层层底拉应力为设计指标时，

式中，N——标准轴载的当量轴次
ni——被换算车型的各级轴载作用次数
P——标准轴载
Pi——被换算车型的各级（单根）轴载
C1，i——被换算车型的各级轴载的轴数系数。当轴间距大于3米时，即为轴数m，当轴间距小于3米，C1，i=1+2*（m-1）
C2，i——被换算轴载的轮组系数。单轮组18.5，双轮组1，四轮组0.09.

N1=1×18.5×387×（58/100）^8+1×1×387×(95/100)^8=348.43
N2=1×18.5×327×（40/100）^8+3×1×327×(89/100)^8=390.14
N3=1×18.5×357×（52/100）^8+2×1×357×(98/100)^8=642.75
N4=1×18.5×77×（65/100）^8+5×1×77×(125/100)^8=2340.17

车型
轴位
轴重（KN）
轮组系数
轴数系数
交通量（辆/日）
当量轴次（辆/日）
黄河QD352
前
58.0
18.5
1
387
348.43
后
95
1
1
交通SH-141
前
40.0
18.5
1
327
390.14
后
89
1
3
东风EQ144
前
52.0
18.5
1
357
642.75
后
98
1
2
罗曼
SQ9251
前
65.0
18.5
1
77
2340.17
后
125
1
5

N=∑C1，i×C2,i×ni××(PiP)^4.35=348.43+390.14+642.75+2340.17=3721.5次
Neˊ=[1+0.052712-1]×3650.0527×3721.5×0.6=1317.7万次
2. 预估路基回弹模量
路基土质为粉质土，在春季不利季节调查得知地下水位离地面1.0m，路基填土高度1.5m。
所在地区的自然区划属V4区。得到相应的粉质土地下水位临界高度H1=1.9~~2.5米，H2=1.3~~1.6米， H3=0.5~~0.7米。
知地下水位距离路床顶面H=1+0.8=1.8米，H2<H<H1，所以属中湿类型。Wc=1.0,取土基回弹模量32.5*1.3=42.25Mpa。
3. 路面结构组合及材料参数确定
根据本地区的路用材料，结合已有工程经验与典型结构，根据结构层的最小施工厚度以及施工机具的功能等因素，初步确定路面结构组合与各层厚度如下：

结构层
材料
适宜厚度cm
拟定厚度
上面层
中粒沥青混凝土
5~8
6
下面层
粗粒沥青混凝土
8~12
10
基层
水泥稳定碎石
18~20
38
底基层
二灰土
18~20
？
4. 材料参数：回弹模量、劈裂强度、容许拉应力
计算抗拉强度结构系数及确定容许拉应力:
沥青混凝土层：Ks=0.09Ne^0.22/Ac=0.09*(908.93*10^4)^0.22/1.1=2.778
无机结合料稳定集料类：Ks=0.35Ne^0.11/Ac=1.9313

材料名称
抗压回弹模量(Mpa)
劈裂强度（Mpa）
弯沉计算用
拉应力计算用
中粒沥青混凝土
1000~1400
1600~2000
0.8~1.2
粗粒沥青混凝土
800~1200
1000~1400
0.6~1.0
水泥稳定碎石
1300~1700
3000~4200
0.4~0.6
二灰土
600~900
2000~2800
0.2~0.3

容许拉应力按下式计算：
σr=σspKs
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。

材料名称
劈裂强度(Mpa)
抗拉强度结构系数
容许拉应力(Mpa)
中粒沥青混凝土
1.0
2.778
0.360
粗粒沥青混凝土
0.8
2.778
0.288
水泥稳定碎石
0.5
1.9313
0.259
二灰土
0.25
1.9313
0.129
5. 材料参数汇总

材料名称
抗压回弹模量
容许拉应力
厚度
弯沉计算用
拉应力计算用
中粒沥青混凝土
1200
1800
0.360
6
粗粒沥青混凝土
1000
1400
0.288
10
水泥稳定碎石
1500
3600
0.259
38
二灰土
750
2400
0.129
？

由东南大学的软件计算可知：

材料名称
抗压回弹模量
容许拉应力
厚度
弯沉计算用
拉应力计算用
中粒沥青混凝土
1200
1800
0.360
6
粗粒沥青混凝土
1000
1400
0.288
10
水泥稳定碎石
1500
3600
0.259
38
二灰土
750
2400
0.129
18

计算设计弯沉值：

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
Ld=600Ne^-0.2AcAsAb=600*(908.93*10^4)^(-0.2)*1.1*1*1=26.78(0.01mm)
6. 计算值和实际值比较
实际弯沉值和设计弯沉值比较：
Ldˊ=21.5658（0.01mm）<Ld=26.78（0.01mm）
故，满足要求。
实际拉应力和设计拉应力比较：

材料名称
抗压回弹模量
容许拉应力
实际拉应力
厚度
弯沉计算用
拉应力计算用
中粒沥青混凝土
1200
1800
0.360
0
6
粗粒沥青混凝土
1000
1400
0.288
0
10
水泥稳定碎石
1500
3600
0.259
0．092
38
二灰土
750
2400
0.129
0.125
18

满足要求。

第3章 普通水泥混凝土路面设计
1. 标准轴载及轴载当量换算
我国路面设计以单轴双轮组100KN为标准轴载。
Ns=Ni×(PiP)16
式中： — 100KN的单轴—双轮组标准轴数的通行次数；
— 各类轴—轮型级轴载的总重（KN）；
—各类轴—轮型i级轴载的通行次数；
N1=387×（58100）16+387×（95100）16=170.39
N2=327×（40100）16+327×（89100）16×2=101.35
N3=357×（52100）16+357×（98100）16×2=516.80
N4=77×（65100）16+77×（125100）16×3=8206.85

车型
前轴重
（kN）
前轴数
后轴重
（kN）
后轴数
交通量（辆/日）
当量轴次（辆/日）
黄河QD352
58.0
1
95
1
387
170.39
交通SH-141
40.0
1
2×89
2
327
101.35
东风EQ144
52.0
1
2×98
2
357
516.80
罗曼SQ9251
65.0
1
3×125
3
77
8206.85

=8995.39×0.6×0.7=3778.06

式中： — 标准轴载累计当量作用次数；
t — 设计基准年限；
γ — 交通量年平均增长率，由材料知，γ=0.0527；
η — 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，取0.36。
2. 初拟路面结构
因为交通量100×104＜1689.15×104＜2000×104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260mm；基层选用水泥稳定粒料，厚为200mm；垫层为150mm的级配碎石。普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m；长为5m。
此时，lb=54.5=1.11<1.3 且，A=l×b=5×4.5=22.5m2<25m2符合要求。
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31Gpa；由沥青混凝土路面设计可知，路基回弹模量为42.25Mpa；级配碎石的回弹模量取250Mpa；水泥稳定粒料基层回弹模量取2000Mpa。
基层顶面当量的回弹模量值计算如下：

Et=(ExE0)a×E0=251.112Mpa
取Et=250Mpa
普通混凝土面层的相对刚度半径为：

4. 计算荷载疲劳应力
标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为：

面层荷载疲劳应力、面层最大荷载应力为

式中
γ— 混凝土板的相对刚度半径（m）；
H— 混凝土板的厚度（m）；
Ec— 水泥混凝土的弯沉弹性模量（Mpa）；
σp— 标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（Mpa）；
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=0.76 ～0.84，；
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3-3；
表3-3 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
kc
1.30
1.25
1.20
1.10

5. 计算温度疲劳应力
由现行规范相应图表可知，IV区最大温度梯度取90﹙℃/m﹚。综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。

面层最大温度应力：

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 3-4。
表3-4 回归系数a，b和c
系数
公路自然区
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
=
则温度疲劳应力：
结构极限状态校核：
综合，二级公路的安全等级为二级，相应于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。
，

故满足要求。
参考文献
[1]《新编路基路面工程》，刘黎萍.同济大学出版社出版，2012
[2]《公路沥青路面设计规范》（JTJ D50-2006），中交公路规划设计院.人民交通出版社，2006
[3]《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ D40-2011），中交公路规划设计院.人民交通出版社，2011