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沥青路面课程设计实例

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2020年4月19日
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路面工程课程设计任务书
一、设计资料
东北某地（II4）拟建二级公路，全长40km（K0～k40），除由于 K31＋150～k33＋350路段纵坡较大（一般为5%左右），采用水泥混凝土路面外，其余均采用沥青类路面，其中K15＋600～k22＋440路段为老路改造，采用补强措施，有关资料如下：
1．公路技术等级为一级公路，路面宽度为9.0m。
2．交通状况，经调查交通量为4100辆/日，交通组成如表2所示，交通量年平均增长率γ= 4.9%。
交通组成 表1
黄河JN150
解放 CA10B
东风EQ140
太脱拉138
小汽车
25%
50%
15%
3%
7%
汽车参数 表2
车 型
总重
(KN)
载重
(KN)
前轴重
(KN)
后轴重
(KN)
后轴数
后轮
轮组数
前轮
轮组数
轴 距
(cm)
JN150
150.6
82.6
49
101.6
l
双
单

CA10B
80.25
40
19.40
60.85
1
双
单

EQ140
92.90
50.00
23.70
69.20
1
双
单

太脱拉138
211.4
120.00
51.40
2×80
2
双
单
132
3．路基土质为粘性土，干湿状态为潮湿，道路冻深为160cm。
4．K15+600～K22＋440路段原路面为沥青路面，沥青面层厚度h＝3cm，路面实测弯沉值分别为：72、81、78、64、66、65、68、75、72、71、66、73、68、77、74、74、81、82、78、79（0.01mm）等共20测点，弯沉测定采用标准轴载，测定时路表温度为27.5℃，前5小时的平均温度为25℃（注：季节影响系数以kl=1.08，温度影响系数K2=1.0）。
二、设计要求
1．交通分析；
2．拟定路面结构，并说明选用该种路面结构的原因；确定材料参数及水泥混凝土路面板的平面设计；
3．计算或验算路面结构层厚度；
①沥青路面可采用手工计算和计算机计算两种方式之一，并分析其结果以及说明理由；
②拟定几种沥青路面厚度，采用计算机计算，分析沥青面层变化对基层厚度的影响，基层厚度变化对底基层厚度的影响；
③对于水泥混凝土路面采用手工计算；
4．绘制路面结构图及水泥混凝土路面平面布置图，接缝构造图；
5．编写设计说明书。
三、提交的设计文件
1．路面结构图；
2．水泥混凝土路面平面布置图，接缝构造图；
3．设计计算说明书。
路面课程设计计划书
第一步，根据设计题目，利用各种途径查阅专业资料，如设计规范、教材等；第二步，根据设计指导书及老师的现场答疑指导进行各部分的设计计算；第三步，编制设计计算说明书，并将其提交给指导老师检查认可；
学生应在指导教师的指导下，独立完成设计内容；内容上要求条理清晰，尽量采用简图和表格形式；外观上要求字体工整，纸张和封面统一。
具体要求如下：
（1）初步掌握路面工程设计的内容、设计计算步骤及方法；
（2）能够比较全面地收集和查询有关技术资料；
（3）合理拟定路面的设计方案；
（4）独立完成路面结构设计的计算和验算；
（5）能够分析路面设计时存在的问题并能加以解决。
第二步，课程设计内容和时间安排
（1）布置设计任务。教师提供路基路面课程设计的基本资料，并交待课程设计的目的、方法、要求等。0.5天
（2）路面设计资料分析、确定路面等级和面层类型 1.5天
（3）路面结构设计、路面结构参数及设计参数确定，应拟定三种可能的路面结构组合与厚度方案；路面厚度计算和应力验算，提出合理的路面合理的路面结构型式。整理及编写整理路面工程课程设计的设计报告、计算书整理 3天

4 考核内容与方法
4.1 课程设计考核方式
课程设计成绩以设计成果的质量为主，结合平时的考差进行评定。凡成绩不及格者，必须重修。平时考查主要检查学生的出勤情况、学习态度、是否独立完成设计等几方面。设计成果的检查，着重检查设计图纸和计算书的完整性和正确性。成绩的评定要按课程的目的要求，突出学生独立解决工程实际问题的能力和创新性的评定。课程设计的成绩按优秀、良好、中等、及格和不及格五级评定。
4.2 课程设计成绩评定标准
（1）优
①能够熟练综合运用所学知识，全面独立完成设计任务，设计过程中能够提出自己的看法；
②设计方案合理，设计计算正确，数据可靠；
③图面质量整洁，能很好地表示设计意图；
④计算书表示清楚，文字通顺，书写工整。
（2）良
①能综合运用所学知识，全面完成设计任务；
②设计方案合理，设计计算基本正确，；
③图面质量整洁，能够较好地表示设计意图；
④计算书表示清楚，文字通顺，书写工整。
（3）中
①能运用所学知识，按期完成设计任务；
②能基本掌握设计与计算方法；
③图面质量一般，能较好地表示设计意图；
④计算书表示一般，有多处不够确切。
（4）及格
①基本能运用所学知识，按期完成设计任务；
②设计与计算没有原则性错误；
③图面质量不够完整，基本能表示设计意图；
④计算书表示一般，有多处错误存在。
（5）不及格
①运用所学知识能力差，不能按期完成设计任务；
②设计与计算有严重错误；
③图面不整洁，不能表示设计意图；
③计算书不完整，有多处错误存在。

沥青混凝土路面厚度计算书

一、 设计资料（见任务书）

二、交通分析
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：

计算结果如表1所示
表1 轴载换算结果表（弯沉）
车型

黄河JN150
前轴
49
1.0
6.4
820
235.69
后轴
101.6
1.0
1.0
820
878.62
解放CA10B
前轴
19.04
1.0
6.4
1845
－
后轴
60.85
1.0
1.0
1845
212.58
东风EQ140
前轴
23.70
1.0
6.4
820
－
后轴
69.20
1.0
1.0
820
165.30
太脱拉138
前轴
51.4
1.0
6.4
205
72.55
后轴
80
2.2
1.0
205
170.85
总和
1735.59
注：小于25KN的轴载不计。
（2）累计当量轴次。
根据设计规范，二级公路沥青路面的设计年限取 ，二车道的车道系数是0.6～0.7,取0.65。

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

计算结果如表2所示。
表2 轴载换算结果表（弯沉）

车型

黄河JN150
前轴
49
1.0
18.5
820
－
后轴
101.6
1.0
1.0
820
931.03
解放CA10B
前轴
19.04
1.0
18.5
1845
－
后轴
60.85
1.0
1.0
1845
34.68
东风EQ140
前轴
23.70
1.0
18.5
820
－
后轴
69.20
1.0
1.0
820
43.12
太脱拉138
前轴
51.4
1.0
18.5
205
18.48
后轴
80
3.0
1.0
205
103.18
总和
1130
（2）累计当量轴次

根据公路沥青路面设计规范(JTG D50- )P14表3.1.8《交通分级》可确定轴载等级为：中等交通等级。

三、初拟路面结构
计算得设计年限内一个行车道上的累计标准轴载次约为650万次左右。初步拟定路面结构面层采用沥青混凝土，二级公路沥青层推荐厚度5～10cm取10cm。基层采用水泥稳定碎石（取25cm），底基层采用石灰土（厚度待定）。对于的一、二级公路，路面面层多为双层结构，上层为密级配的细粒式或中粒式沥青混凝土（取密级配的细粒式厚4cm），下层为粗粒式沥青混凝土、沥青碎石或沥青贯入式（取粗粒式沥青混凝土厚6cm）。
四、各层材料的抗压模量与劈裂强度
查表得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取的模量，各值均取规范给定范围的中值，因此得到的抗压模量：细粒式密级配的沥青混凝土为1400MPa，粗粒式密级配的沥青混凝土为1000MPa，水泥碎石为1500MPa，石灰土550MPa。各层材料的劈裂强度：细粒式密级配的沥青混凝土为1.4MPa，粗粒式密级配的沥青混凝土为0.8MPa，水泥稳定碎石为0.5MPa，石灰土为0.225MPa。
五、土基回弹模量的确定
该路段处于区，为粘性土，干湿为潮湿，查表的稠度为0.80～0.95，查表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值”查的土基回弹模量为22.0MPa。规范规定士基因弹模量值应大于30MPa。潮湿、过湿状态的路基，应采取换填砂、砂砾、碎石渗水性材料处理地基，根据各种路基处理措施，确定土基回弹模量设计值。
六、设计标准的确定
1.设计弯沉值。
路面设计弯沉值根据公式 计算。该公路为二级公路。公路等级系数取1.1，面层是沥青混凝土。面层类型系数取1.0，半刚性基层、底基层总厚度大于20cm，基层类型系数取1.0。
设计弯沉值为

2.各层材料的容许层底拉应力为

细粒式密级配的沥青混凝土：

粗粒式密级配的沥青混凝土：

水泥碎石：

石灰土：

3.设计资料总结
设计弯沉值为28.6（0.01mm），相关设计资料汇总如表3.
表3 设计资料汇总表

材料名称

细粒式沥青混凝土
4
1800
1400
1.4
0.5426
粗粒式沥青混凝土
6
1200
1000
0.8
0.2817
水泥碎石
25

1500
0.5
0.2793
石灰土
？

550
0.225
0.0978
土基
－

33.5
－
－
4.确定石灰土层厚度
经过计算机设计计算得到，石灰土的厚度为 25cm ，实际路面的路表实测弯沉值为 28.6（0.01mm），各层层底拉应力验算满足要求。
5.防冻层厚度检验
路面防冻最小厚度，路基类型为潮湿冻深150cm，查表的防冻最小厚度为60cm。满足防冻要求。

7.2.1 路面结构设计步骤
新建沥青路面按以下步骤进行路面结构设计：
(1) 根据设计任务书和路面等级及面层类型，计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值。
(2) 按路基土类型和干湿状态，将路基划分为几个路段，确定路段回弹模量值。
(3) 根据已有经验和规范推荐的路面结构，拟定几中可能的路面结构组合及厚度方案，根据选用的材料进行配合比实验及测定结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度，确定各结构层材料设计参数。
(4) 根据设计弯沉值计算路面厚度。对二级公路沥青混凝土面层和半刚性基层材料的基层、底基层，应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求。如不满足要求，或调整路面结构层厚度，或变更路面结构层组合，或调整材料配合比，提高材料极限抗拉强度，再重新计算。
7.2.2 路面结构层计算

该路位于中原黄河冲积平原区，地质条件一般为a）第一层：冲积土；b）第二层：粘质土；c）第三层：岩石。平原区二级汽车专用沥青混凝土公路，路面使用年限为 ，年预测平均增长率为6%。
（1）轴载分析
本设计的累计当量轴次的计算以双轮组单轴载100kN为标准轴载，以BZZ-100表示。标准轴载的计算参数按表7-1确定。
表7-1 标准轴载计算参数
标 准 轴 载
BZZ-100
标 准 轴 载
BZZ-100
标准轴载P（kN）
100
单轮传压面当量圆直径d(cm)
21.30
轮胎接地压力p（MPa）
0.70
两轮中心距（cm)
1.5d
表7-2 起始年交通量表
车型
小汽车
解放CA15
东风EQ140
黄河JN162
数量
（辆/d）
1500
800
600
200
1）以设计弯沉为指标及验算沥青层层底拉应力
① 轴载换算
各级轴载换算采用如下计算公式：
（7-1）
式中：N1—标准轴载的当量轴次，次/日；
ni—被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日；
P—标准轴载，kN；
Pi—被换算车辆的各级轴载，kN；
k—被换算车辆类型；
C1—轴数系数，C1=1+1.2（m-1），m是轴数。当轴间距大于3m时，按单独的一个轴载计算，当轴间距小于3m时，应考虑轴系数；
C2—轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1.0，四轮组为0.38。
计算结果如下表7-3所示。

表7-3 轴载换算结果表（弯沉）
车 型
Pi
(KN)
Ci
C2
ni

解放CA15
前轴
20.97
1
1
800
—
后轴
70.38
1
1
800
173.58
东风EQ140
前轴
23.70
1
1
600
—
后轴
69.20
1
1
600
120.95
黄河JN162
后轴
59.50
1
1
200
20.90
后轴
115.00
1
1
200
367.34

682.77
注：轴载小于25kN的轴载作用不计。
② 累计当量轴次为：
（7-2）
式中：Ne—累计当量轴次；
η—车道系数，规范规定二级公路η值为0.60~0.70，取0.60；
t—路面使用年限，二级公路取 ；
—年预测平均增长率，二级路取6%；
N1—标准轴载的当量轴次，次/日。
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：
N1'=∑C1'*C2'*ni(pi/p)8 （7-3）
计算结果如表7-4所示。
表7-4 轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）
车　 型
Pi（kN）
C1'
C2'
ni(次/日)
C1'*C2'*ni(pi/p)8
(次/日)
解放CA15
后轴
70.38
1
1
800
48.16
东风EQ140
后轴
69.20
1
1
600
31.55
黄河JN162
前轴
59.50
1
18.5
200
3.14
后轴
115.50
1
1
200
61180
N1'=∑C1'*C2'*ni(pi/p)8
694.65
注：轴载小于50kN的轴载作用不计。
② 累计当量轴次
参数值同上，累计当量轴次Ne'为：

（7-4）
（2）路面结构组合材料选取
经计算路面设计使用年限内一个车道上累计标准轴次为250万次左右，根据规范推荐结构，并考虑到当地材料供用条件，决定面层采用沥青混凝土路面（6cm），基层采用水泥混凝土稳定基层（水泥碎石15cm），底基层采用石灰稳定土（厚度待定）。
（3）各层材料的抗压模量与劈裂强度的选定
查邓学均主编的《路基路面工程》表14-13、14-14，得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。路面设计弯沉值计算路面结构厚度时，取20℃的抗压模量，中粒式密级配沥青混凝土E1=1400Mpa，验算层底弯拉应力时，取15℃的抗压模量，中粒式沥青混凝土E1=1800 Mpa。水泥稳定碎石E2=1300 Mpa；石灰稳定土E3=600 Mpa。各层材料劈裂强度：中粒式沥青混凝土=1.2 Mpa；水泥稳定碎石=0.5 Mpa；石灰稳定土=0.35 MPa。
（4）土基回弹模量的确定
该路段处于Ⅳ2区，为粘质土，稠度0.9，查邓学均主编的《路基路面工程》表14-9得土基回弹模量E0=23.0Mpa。
（5）设计指标的确定
① 设计弯沉值
（7-5）
式中：—路面设计弯沉值（0.01mm）；
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；
Ab—基层类型系数，对半刚性基层、底基层总厚度等于或大于
20cm时，Ab =1.0；
因此：=-0.21.11.01.0=34.61（0.01mm）
② 各层材料容许层底拉应力
（7-6）
式中：—路面结构层材料的容许拉应力，MPa；
—结构层材料的极限抗拉强度，MPa由实验确定。中国公路沥青路面设计规范采用极限劈裂强度；
—抗拉强度结构系数。
沥青混凝土面层：
=2.10
=1.2/2.10=0.57MPa
水泥稳定碎石：
=1.61
=0.5/1.61=0.31MPa
石灰土：
=2.07
=0.35/2.07=0.17 MPa
式中：Aa—沥青混合料级配系数；细、中粒式沥青混凝土为1.0，粗粒式沥青混凝土为1.1；
Ac—公路等级系数，二级公路取1.1。
（6）设计资料总结
经计算路面设计弯沉值为34.61（0.01mm），相关设计资料汇总如表7-5。
表7-5 设计资料汇总表
材料名称
h（cm）
20℃抗压摸量（MPa）
容许拉应力（MPa）
沥青混凝土（E1）
6
1400
0.57
水泥稳定碎石（E2）
15
1300
0.31
石灰土（E3）
？
600
0.17
（7）确定石灰土层厚度
① 计算容许弯沉值
cm （7-7）
式中：—容许回弹弯沉值，cm；
Ne—累计当量轴载作用次数；
B—回归系数，取1.1；
β—随N改变的变化率。
② 计算弯沉综合修正系数F
=0.627 （7-8）
式中：F—弯沉综合修正系数
—路面实测弯沉值，在计算路面厚度时，可用容许弯沉值；
、—标准车型的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径（cm），
一般 取0.7MPa，取10.65cm；
E0—土基回弹模量。
③ 计算理论弯沉系数
=9.43 （7-9）
用三层体系为计算体系，将四层体系按照弯沉等效的原则换算为三层体系。换算图式如图7-1所示。

图7-1 多层体系换算示意图
由已知参数求得：
；；；
查邓学均主编的《路基路面工程》P360页图14-14三层体系表面弯沉系数诺谟图，可得=5.80，K1=1.87。
由公式 （7-10）
得： =0.87
由K2=0.87，，，查诺谟图得：
则 H=3.3×10.65==35.15cm；
④ 计算石灰土底基层厚度h3
根据公式 27.80 cm （7-11）
取最小厚度h3=28.0 cm。
由于本路段属于Ⅳ2区，常年无冻土出现，因此不必进行防冻验算。
（8）各层底弯拉应力的验算
先把四层体系换算成当量三层体系，此时第一层用15℃抗压模量，其余各层抗压模量不变，换算成当量层三层体系如图7-2所示。

图7-2 体系换算示意图
① 确定允许弯拉应力
查表知沥青混凝土和石灰土的抗弯拉强度分别为：
MPa，MPa；
沥青混凝土和石灰土的抗拉强度结构系数分别为：
(7-12)
(7-13)
其容许弯拉应力分别为：
MPa (7-14)
MPa (7-15)
② 验算弯拉应力
沥青混凝土层和水泥稳定碎石的计算回弹模量分为E1=1800MPa，E2=1300MPa，石灰土为E3=600 MPa。
a）结构上层等效换算：cm
换算公式为：
cm (7-16)
又 ，=0.72，换算后的三层体系其上层及中
下层间均是连续接触，查诺谟图知为负值，故为负值。
(7-17)
(7-18)
即面层设计满足要求。
b）验算石灰土层的弯拉应力
= 21.5cm (7-19)
由，=2.63，查诺谟图可得；
又，查诺谟图可得=1.04；以及，查诺谟图可得。
MPa (7-20)
可见，设计满足要求。故h3=28cm也满足要求。
综上所述，路面结构各层厚度分别取h1=6cm，h2=15cm，h3=28cm。经过上述的设计，计算及验算，最终拟定路面结构图如图7-3所示。