路基路面工程-重力式挡土墙和沥青路面课程设计.docx

路基路面工程课程设计
目录

第一章 重力式挡土墙设计 3
一、设计资料 3
二、破裂棱体位置的确定 4
1、破裂角θ的计算 4
2、验算破裂面是否交于荷载范围内 4
三、荷载当量土柱高度计算 5
四、土压力计算 5
五、土压力作用点位置计算 6
六、土压力对墙趾力臂计算 6
七、稳定性验算 6
1、墙体重量及其作用位置计算 6
2、抗滑稳定性验算 7
3、抗倾覆稳定性验算 7
八、基底应力及偏心距验算 7
1、合力偏心距计算 7
2、基地应力验算 8
九、截面内力计算 8
十、设计图纸及工程量 8
十一、 挡土墙的排水设施设计 10
第二章 沥青混凝土路面设计 11
一、设计资料 11
二、轴载换算 11
1、以设计弯矩值为标准及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次 12
2、验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次 13
三、沥青路面结构组合设计 14
1、初拟路面结构组合 14
2、计算设计弯沉值ld和机构强度系数K 15
3、计算确定容许弯拉应力σR 17
4、计算路表弯沉lr和底层拉应力σm 17
5、结构厚度计算结果 18
6、验算防冻层厚度 19
附录 19
参考文献 21
第一章 重力式挡土墙设计
一、设计资料
某一级公路，在穿过一条深沟时，由于地形限制，无法按规定放坡修筑路堤，而采取仰斜式浆砌片石挡土墙。
墙身构造：墙高5m，b0=1.80m,墙背仰斜坡度1:0.25(=14.2°)，墙身分段长度20m，其余尺寸如下图所示。
墙后填料为碎石土，容重，计算内摩擦角，填料与墙背间的摩擦角δ=20.5º；
地基为整体性较好的砾石土类，其容许承载力[σ]=500KPa，基地摩阻系数f=0.5;
墙体材料容重，其容许压应力[]=500KP，容许剪应力[]=80KP。
二、破裂棱体位置的确定
假设破裂面交于荷载范围内，则有：
1、破裂角θ的计算
ψ=α+δ+φ=-14.2°+20.5°+41°=47.3°
因为ω<90°
A0=12a+H+2h0a+H=12H+2h0H
B0=12ab+b+dh0-12H2a+H+2h0tanα
=0+0+0－12H+2h0Htanα
=－12H+2h0Htanα
根据路堤挡土墙破裂面交于荷载内部时破裂角的计算公式：
tanθ=-tanψ+cotφ+tanψB0A0+tanψ
=-tanψ+cotφ+tanψtanψ-tanα
=-tan47.3°+cot41°+tan47.3°tan47.3°+tan14.2°
=0.64441
θ=32.798°
2、验算破裂面是否交于荷载范围内
破裂棱体长度：L0=H(tanθ-tanα)=5×(0.64441-0.25)=1.97m
车辆荷载分布宽度：L=Nb0+(N-1)m+d=2×1.8+1.3+0.6=5.5m
所以L0a+2h0tanα
=0+0-12×5×5+0+2×0.842×tan(-14.2°)
=4.23m2
根据路堤挡土墙破裂面交于荷载内部的土压力计算公式：
Ea=γA0tanθ-B0cosθ+φsinθ+ψ
=19×16.71×tan32.798°-4.23×cos32.798°+41°sin32.798°+47.3°
=35.19kN
Ex=Eacosα+δ=35.19×cos-14.2°+20.5°=34.98kN
Ey=Easinα+δ =35.19×sin-14.2°+20.5°=3.86kN
五、土压力作用点位置计算
K1=1+2h0H=1+2×0.8425=1.34
Zx1=H3+h03K1=53+0.8423×1.34=1.88m
Zx1表示土压力作用点到墙踵的垂直距离。
六、土压力对墙趾力臂计算
基底倾斜，土压力对墙趾的力臂：
Zx=Zx1-h1=1.88-0.19=1.69m
Zy=b1+Zxtanα=0.98+1.69×0.25=1.40m
七、稳定性验算
1、墙体重量及其作用位置计算
挡土墙按单位长度计算，为方便计算，从墙趾处沿水平方向把挡土墙分为两部分，上部分为四边形，下部为三角形：
V1=b1×H1=0.98×4.81=4.71m2
G1=V1×γ2= 4.71×20=94.28kN
ZG1=0.5H1tanα+b1=0.54.81×0.25+0.98=1.09m
V2=0.5×b1×h1=0.5×0.98×0.19=0.093m2
G2=V2×γ2=0.093×20 =1.86kN
ZG2=0.651×b1=0.651×0.98=0.64m
2、抗滑稳定性验算
倾斜基底0.2:1（α0=11°18’36"）,验算公式:
1.1G+γQ1Ey+Extanα0-γQ2Eptanα0μ+1.1G+γQ1Eytanα0-γQ1Ex
+γQ2Ey>0
=1.1×96.14+1.4×3.86+34.98×0.2×0.5+1.1×96.14+1.4×3.86×0.2-1.4×34.98+1.4×3.86>0
所以抗滑稳定性满足要求。
3、抗倾覆稳定性验算
0.8GZG+γQ1EyZx-ExZy+γQ1EpZp>0
0.8×94.28×1.09+1.86×0.64+1.4×1.69×2.97-34.98×1.4+0
=21.63>0
所以倾覆稳定性满足要求。
八、基底应力及偏心距验算
1、合力偏心距计算
e=MN1=1.4ME+1.2MGGγG+γQ1Ey-Wcosα0+γQ1Exsinα0
ZG1'=ZG1-B2=1.09-0.49=0.6m
ZG2'=ZG2-B2=0.64-0.49=0.15m
Zx'=Zx+B2tanα0=1.69+0.49×0.198=1.79m
Zy'=Zy-B2=1.4-0.49=0.91m
e=MN1=1.4ME+1.2MGGγG+γQ1Ey-Wcosα0+γQ1Exsinα0
=1.4EyZy'-ExZx'+1.2G1ZG1'-G2ZG2'GγG+γQ1Ey-Wcosα0+γQ1Exsinα0 =1.43.86×0.91-34.98×1.79+1.294.28×0.6-1.86×0.1596.14×1.2+1.4×3.86-0×0.98+1.4×34.98×0.19
=-0.12m< B14=0.248m
所以基地合力偏心距满足规范的规定。
2、基地应力验算
N1=96.14×1.2+1.4×3.86-0×0.98+1.4×34.98×0.19
=127.7kN
由于e≤B6
因此pmax=N1A1+6eB=127.70.981+6×0.120.98=226.04kPa
pmax=N1A1-6eB=127.70.981-6×0.120.98=34.57kPa
pmax=226.04kPa≤σ=500kPa
所以基地应力满足要求。
九、截面内力计算
墙面强背平行，截面最大应力出现在接近基底处，由基底应力验算可知，基底应力及偏心距验算满足地基承载力，墙身应力也满足，验算内力通过，强顶顶宽0.98m，墙高5m。
十、设计图纸及工程量
1、典型断面如图所示，立面布置如图所示，平面布置如图所示。

2、挡土墙工程数量见表，
工程数量表
墙高
断面尺寸（m）
M 浆砌片石（m3m）
h1
H
H1
B1
b1
5.0
0.19
5.0
4.81
0.98
0.98
4.84

路肩墙墙体间隔20m设置沉降缝一道，缝内用沥青麻絮嵌塞;泄水孔尺寸为10cm×10cm，每2~3m布置一个，泄水孔应高出地面不小于30cm，强背均应设置50cm厚的沙砾透水层，并做土工布封层。
十一、 挡土墙的排水设施设计
在墙身上沿墙高和墙长设置泄水孔，其为10cm20cm的方孔，具有向墙外倾斜的坡度，间距取为2.5m，泄水孔的进水侧设反滤层，厚度为0.4m，在最下排泄水孔的底部设置隔水层，由于处于自然区域处，泄水量较大，在排水层底部加设纵向渗沟，配合排水层把水排出墙外。

第二章 沥青混凝土路面设计
一、设计资料
某地计划修建一条双向四车道的高速公路，拟采用沥青路面结构进行施工图设计，沿线土质为中液限黏性土。该地区多年最大道路冻深为165cm，平均冻结指数为882℃·d，最大冻结指数为1225℃·d。该道路设计使用年限为15年。在使用期内，预计未来十年，交通量年平均增长率为11.1% ，并有石灰供给。路基中湿, E0=50MPa。预计交通量如下：

表1 预测交通组成
车型序号
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（次/日）
01
成都CD130
13.6
27.1
1
2
0
1530
黄河QD352
49.0
95.8
1

2
0
1270
02
星牌660M2
34.0
32.0
2
2
2
2695
太脱拉111S
38.5
78.2
2
2
2
3260
03
宇通ZK6116HG
60.0
105.0
1
2
0
1420
镇江ZJ662
33.5
74.5
1
2
0
1562
04
瓦房店WK173A
29.0
75.0
2
2
4
1580
北京BK661
70.0
90.0
2
2
4
1593
05
东风CS938
24.0
70.0
2
2
4
121
耶尔奇316
52.0
83.0
2
2
4
106

二、轴载换算
路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载。
1、以设计弯矩值为标准及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次
①轴载换算
Ns=i=1kC1C1niPiP4.35
表二 轴载换算表
车型
Pi（kN）
C1
C2
ni(次/日)
Ns=i=1kC1C1niPiP4.35
成都CD130
前轴
13.6
1
6.4
1530
（1.7）0
后轴
27.1
1
1
1530
5.2
黄河QD352
前轴
49.0
1
6.4
1270
365.0
后轴
95.8
1
1
1270
1053.8
星牌660M2
前轴
34.0
1
6.4
2695
158.0
后轴
32.0
2.2
1
2695
41.7
太脱拉111S
前轴
38.5
1
6.4
3260
328.2
后轴
78.2
2.2
1
3260
2460.9
宇通ZK6116HG
前轴
60.0
1
6.4
1420
985.0
后轴
105.0
1
1
1420
1755.7
镇江ZJ662
前轴
33.5
1
6.4
1562
145.2
后轴
74.5
1
1
1562
512.5

瓦房店WK173A
前轴
29.0
1
6.4
1580
46.4
后轴
75.0
1
1
1580
452.0
北京BK661
前轴
70.0
1
6.4
1593
2160.6
后轴
90.0
1
1
1593
1007.3
东风CS938
前轴
24.0
1
6.4
121
（1.6）0
后轴
70.0
1
1
121
25.6
耶尔奇316
前轴
52.0
1
6.4
106
39.5
后轴
83.0
1
1
106
47.1
合计
Ns=i=1kC1C1niPiP4.35
11589.8
注：轴载小于25KN的轴载作用不计，后面挂车的荷载不计。
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,0.4～0.5，取0.45。
累计当量轴次：
Ne=1+γt-1×365γNsη=1+11.1%15-1×36511.1%×11589.8×0.45=68020712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
Ns'=i=1kC1C1niPiP8
表三 轴载换算
车型
Pi（kN）
C1
C2
ni(次/日)
Ns'=i=1kC1C1niPiP8
成都CD130
前轴
13.6
1
6.4
1530
0.0
后轴
27.1
1
1
1530
0.0
黄河QD352
前轴
49.0
1
6.4
1270
(27.0)0
后轴
95.8
1
1
1270
901.0
星牌660M2
前轴
34.0
1
6.4
2695
（3.1）0
后轴
32.0
2
1
2695
（0.6）0
太脱拉111S
前轴
38.5
1
6.4
3260
（10.1）0
后轴
78.2
2
1
3260
911.8
宇通ZK6116HG
前轴
60.0
1
6.4
1420
152.6
后轴
105.0
1
1
1420
2098.0
镇江ZJ662
前轴
33.5
1
6.4
1562
（4.2）0
后轴
74.5
1
1
1562
201.2
瓦房店WK173A
前轴
29.0
1
6.4
1580
（0.5）0
后轴
75.0
1
1
1580
158.2
北京BK661
前轴
70.0
1
6.4
1593
587.7
后轴
90.0
1
1
1593
685.7
东风CS938
前轴
24.0
1
6.4
121
0.0
后轴
70.0
1
1
121
7.0
耶尔奇316
前轴
52.0
1
6.4
106
3.6
后轴
83.0
1
1
106
23.9
合计
Ns'=i=1kC1C1niPiP8
5730.7
注：轴载小于25KN的轴载作用不计，后面挂车的荷载不计。
②累计当量轴次
Ne=1+γt-1×365γNs'η=1+11.1%15-1×36511.1%×5730.7×0.45=32644644次
三、沥青路面结构组合设计
1、初拟路面结构组合
根据交通状况，结构层的最小施工厚度等因素综合考虑，初拟各结构层厚度如下：
方案一：
细粒式沥青混凝土： 3cm
中粒式沥青混凝土： 5cm
粗粒式沥青混凝土： 7cm
二灰碎石： 40cm
二灰土： ？
以二灰土为设计层
方案二：
细粒式沥青混凝土： 4cm
中粒式沥青混凝土： 6cm
水泥稳定碎石： ？
级配碎石： 40cm
以水泥稳定碎石为设计层
2、计算设计弯沉值ld和机构强度系数K
ld=600Ne-0.2AcAsAb
K1=0.09AsNe0.22/Ac (用于沥青层)
K2=0.35Ne0.11/Ac (用于二灰碎石和水泥碎石)
K3=0.45Ne0.11/Ac (用于二灰土)
取Ac=1.0，面层为沥青混凝土，As=1.0,半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，Ab=1.0
计算结果如下：
ld=600Ne-0.2AcAsAb=600×68020712-0.2×1×1×1=16.28mm（方案一）
ld=600Ne-0.2AcAsAb=600×32644644-0.2×1×1×1=18.85mm（方案二）
细粒式沥青混凝土K1=0.09AsNe0.22/Ac=0.09×1.0×680207120.221=4.76
中粒式沥青混凝土 K1=0.09AsNe0.22/Ac=0.09×1.0×680207120.221=4.76
粗粒式沥青混凝土K1=0.09AsNe0.22/Ac=0.09×1.1×680207120.221=5.23
水泥稳定碎石，二灰碎石：
K2=0.35Ne0.11/Ac=0.35×326446440.11/1=2.54
石灰土：
K3=0.45Ne0.11/Ac=0.45×326446440.11/1=3.27
设计参数E0，E1，σsp
资料给出：
E0=50MPa
按试验规程的方法试验确定20℃的沥青混合料和其他结构层材料的抗压回弹模量E1。15℃的沥青混合料和其他结构层材材料的弯拉回弹模量E1，以及沥青混合料15℃弯拉强度和半刚性材料的弯拉强度值σsp，见下表：
表四
材料名称
沥青针入度
抗压模量E1MPa
劈裂强度15°CMPa
备注
20°C
15°C

细粒沥青混凝土
≤90
1400
2000
1.4

中粒沥青混凝土
≤90
1200
1800
1.0

粗粒沥青混凝土
≤90
1000
1400
08

水泥稳定碎石

1500

0.5
5%~6%（配合比或规格要求）
二灰土

750

0.2
10：30：60（配合比或规格要求）
二灰碎石

1500

0.6
7：13：80（配合比或规格要求）
级配碎石

250

符合级配要求，做底基层用
3、计算确定容许弯拉应力σR
σR=σspK
表五
材料名称
σspMPa
K
σRMPa
细粒沥青混凝土
1.4
4.76
0.29
中粒沥青混凝土
1.0
4.76
0.21
粗粒沥青混凝土
0.8
5.23
0.15
水泥稳定碎石
0.5
2.54
0.20
二灰土
0.2
3.27
0.06
二灰碎石
0.6
2.54
0.24
4、计算路表弯沉lr和底层拉应力σm
通过计算，两个设计方案中的设计层厚度未定，先假设初始厚度，若计算不满足不等式，再调整厚度，直至满足为止。
lr≤la
σm≤σR
5、结构厚度计算结果
一方案
假设设计层二灰土厚度：Hs=50cm，设计弯沉：ld=16.280.01mm
路表计算弯沉：lr=12.800.01mm
一方案计算表
表六
序号
结构层材料
15°C材料模量MPa
20°C材料模量MPa
材料厚度cm
泊松比
弯拉应力MPa
容许弯拉应力MPa
1
细粒沥青混凝土
2000
1400
3
0.35
满足
0.29
2
中粒沥青混凝土
1800
1200
5
0.35
满足
0.21
3
粗粒沥青混凝土
1400
1000
7
0.35
满足
0.15
4
二灰碎石

1500
40
0.25
满足
0.06
5
二灰土

750
50
0.35
满足
0.24
6
土基

35

0.4

二方案
设计层二灰土厚度：Hs=80 cm,设计弯沉：ld=18.850.01mm
路表计算弯沉：ls=14.510.01mm
二方案计算表
表七
序号
结构层材料
15°C材料模量MPa
20°C材料模量MPa
材料厚度cm
泊松比
弯拉应力MPa
容许弯拉应力MPa
1
细粒沥青混凝土
2000
1400
4
0.35
满足
0.29
2
中粒沥青混凝土
1800
1200
6
0.35
满足
0.21
3
水泥稳定碎石

1500
80
0.35
满足
0.20
4
级配碎石

250
40
0.25

5
土基

6、验算防冻层厚度
根据查表所列的路面最小防冻厚度要求与该路状况做对比。
方案一沥青层厚度15cm,总厚度为115cm。根据表8-14规定，最小防冻层厚度为45～55。
方案二沥青层厚度10cm,总厚度为130cm。根据表8-14规定，最小防冻层厚度为50～60。
以上路面结构厚度均满足最小防冻厚度要求。
附录
沥青路面结构示意图

参考文献
[1]《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）；人民交通出版社；
[2]《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）；人民交通出版社；
[3]《公路挡土墙设计与施工技术细则》（JTG D30-2004）；人民交通出版社；
[4]《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）；人民交通出版社；
[5] 黄晓明,等.路基路面工程.4版.北京:人民交通出版社股份有限公司,2014.8
20