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1、河北大学 本科生课程设计 道路工程课程路面结构设计 (第 5 小组) 学 院 建筑工程学院 学科门类 工科 专 业 土木工程 学 号 姓 名 小组成员 指导教师 杨三强 2016年 5 月 12日 道路工程
2、设计说明书 一、所分配地区简介 华北地区简介：华北地区，属于自然地理分区，不是行政区，不随着行政区划调整而改变，按照地理教科书，华北地区，一般指秦岭-淮河线以北，长城以南的中国的广大区域；北与东北地区、内蒙古地区相接。大致以≥10℃积温3200℃（西北段为3000℃）等值线、1月平均气温-10℃（西北段为-8℃）等值线为界。 自然区划属于西北地区，地理上的气候学的现代华北为“暖温带半湿润大陆性气候”，四季分明，光照充足；冬季寒冷干燥且较长，夏季高温降水相对较多，春秋季较短。但华北平原的热量和雨水明显多于黄土高原。华北的土壤皆为河流冲积黄色旱作类型，是中国小麦的主产区。 气候特点：冬
3、季这里受来自高纬内陆偏北风的影响，盛行极地大陆气团，寒冷干燥；夏季受极地海洋气团或变性热带海洋气团影响，盛行东和东南风，暖热多雨，雨热同季。年降水量多为500~1000mm，约有2\3集中于夏季（夏季高温多雨，冬季寒冷干燥）。全年四季分明，天气多变，随着纬度的增高，冬、夏气温变幅相应增大，而降水逐渐减少。冬季寒冷干燥：最冷月均温在0摄氏度以下，冬季寒冷，成因有：本地纬度较高、离冬季风源地近、地形较低平坦地势西高东低使冬季风得以加强。春季干旱多风沙，夏季炎热多雨，冬季较寒冷，干燥少雪；秋季是最好的季节，秋高气爽，温润宜人。年平均气温为11.7度，极端最低气温-27.4℃(1966年2月22日)。
4、极端最高气温40.6℃(1961年6月10日)。年平均降水量为640毫米，是华北平原降水最多的地方之一。主要降水集中在七、八月份，且多雷雨和大到暴雨，全年无霜期为180-200天。 石保二级公路的设计资料：通过主要的城市定州市和新乐市，拟设计出石家庄到保定的高速公路。设计路线的全场为126.9公里，为双车道公路，设计速度为80Km/h。双车道二级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量 5000 --15000 辆。高速公路地处Ⅱ4区，为双向四车道，拟采用沥青路面结构，进行施工图设计，沿线土质为中液限粘性土，年降雨量为640mm/年，最高气温37℃，最低气温-21℃，多年平均冻结指
5、数为113℃•d，最大冻结指数为184℃•d。 交通量资料 根据交通调查进行综合分析，预测其交通增长率前五年为8.0% 、之后五年为7.2%，最后五年为5.0%。 石保高速公路属于四车道高速公路，应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量 25000 到55000 辆。 初拟路面结构 拟定采用半刚性基层沥青路面。根据结构层的最小施工厚度、材料、水文、交通量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： 4cm细粒式沥青混凝土 + 6cm中粒式沥青混凝土 + 7cm粗粒式沥青混凝土 + 56cm水泥稳定碎石 基层+ 二灰土底基层，以二灰土为设计层。 路面材料配合
6、比设计与设计参数的确定 试验材料的确定 半刚性基层所用集料与结合料取自沿线料场，沥青选用重交通90#石油沥青，上面层采用SBS改性沥青，技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》相关规定。 设计路段路基处于中湿状态，路基土为中液限粘质土，查表法可得土基回弹模量值为35.5MPa。 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 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 2000
7、2 黄海DD690 56 104 2 双轮组 >3 2500 3 东风CS938 24 70 2 双轮组 >3 2000 4 平板车 100 100 3 四轮组 <3 2500 5 其他车 50 50 1 单轮组
8、 1000 设计年限 15 车道系数 .4 序号 分段时间(年) 交通量年增长率 1 5 8 ％ 2 5 7.2 ％ 3 5 5 ％ 一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量 Nh= 4000 ,属特重交通等级 当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时
9、 : 路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 30664 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 1.139923E+08 属特重交通等级 当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时 : 路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 57434 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 2.135088E+08 属特重交通等级 路面设计交通等级为特重交通等级 公路等级 高速公路 公路等级系数 1 面层类型系数 1 路面结构类型系数 1 路面设计弯沉值 : 14.7 (0.01mm) 第一层：细粒式沥青混凝土OGFC。厚度确定：根
10、据经验宜为最大粒径的2-3倍，故选为40mm厚。 第二层：选用中粒式沥青混凝土AC-16。厚度确定：根据经验宜为最大粒径的2-3倍，故选为60mm厚。 第三层：选用密集配沥青稳定碎石AC-25。厚度确定：根据经验宜为最大粒径的2-3倍，故选为70mm厚。 第一层和第二层沥青选用：根据《中国沥青路面气候分区图》，可知该地区为2-2区， 根据《公路沥青路面施工技术规范》表4.2.1-1，选用90号沥青。 第三层：根据原路面的回弹模量选择水泥稳定碎石，厚度选取在150~250mm之间。故取200mm。 公路等级 高速公路 公路等级系数 1 面层类型系数 1
11、 路面结构类型系数 1 层位 结 构 层 材 料 名 称 劈裂强度(MPa) 容许拉应力(MPa) 1 中粒式沥青混凝土 1 .19 2 粗粒式沥青混凝土 .8 .15 3 粗粒式沥青混凝土 .6 .11 4 水泥稳定碎石 .6 .21 5 石灰土
12、 .25 .07 验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 560 mm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 . 新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 14.7 (0.01mm) 路面设计层层位 : 4 设计层最小厚度 : 150 (mm) 层位 结 构 层
13、 材 料 名 称 厚度 20℃平均抗压 标准差 15℃平均抗压 标准差 容许应力 (mm) 模量(MPa) (MPa) 模量(MPa) (MPa) (MPa) 1 细粒式沥青混凝土 40 1400 0 2000 0 .8 2 中粒式沥青混凝土 60 1200 0 1600 0 .7
14、3 粗粒式沥青混凝土 70 900 0 1200 0 .6 4 水泥稳定碎石 ? 1500 0 1500 0 .14 5 石灰土 200 550 0 550 0 .08 6 新建路基 35.5 按设计
15、弯沉值计算设计层厚度 : LD= 14.7 (0.01mm) H( 4 )= 550 mm LS= 14.8 (0.01mm) H( 4 )= 600 mm LS= 13.8 (0.01mm) H( 4 )= 555 mm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力计算设计层厚度 : H( 4 )= 555 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 555 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 555 mm(第 3 层底面拉应力计算满足
16、要求) H( 4 )= 555 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 555 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 555 mm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 555 mm(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 560 mm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 . 通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下: ----------------------
17、 细粒式沥青混凝土 40 mm ---------------------------------------- 中粒式沥青混凝土 60 mm ---------------------------------------- 粗粒式沥青混凝土 70 mm ----------------------------------------
18、 水泥稳定碎石 560 mm ---------------------------------------- 石灰土 200 mm ---------------------------------------- 新建路基 交工验收弯沉值和层底拉应力计算 公 路 等 级 : 高速公路 新建路面的层数 : 5
19、 标 准 轴 载 : BZZ-100 层位 结 构 层 材 料 名 称 厚度 20℃平均抗压 标准差 15℃平均抗压 标准差 综合影响系数 (mm) 模量(MPa) (MPa) 模量(MPa) (MPa) 1 细粒式沥青混凝土 40 1400 0 2000 0 1 2 中粒式沥青混凝土 60 1200 0
20、1600 0 1 3 粗粒式沥青混凝土 70 900 0 1200 0 1 4 水泥稳定碎石 560 1500 0 1500 0 1 5 石灰土 200 550 0 550 0 1 6 新建路基
21、 35.5 1 计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 14.6 (0.01mm) 第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 15.4 (0.01mm) 第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 16.6 (0.01mm) 第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 18.1 (0.01mm) 第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 145.2 (0.01mm)
22、 路基顶面交工验收弯沉值 LS= 262.4 (0.01mm)( 根据“公路沥青路面设计规范”公式计算) LS= 327.1 (0.01mm)( 根据“公路路面基层施工技术规范”公式计算) 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :(未考虑综合影响系数) 第 1 层底面最大拉应力 σ( 1 )=-.157 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 σ( 2 )=-.025 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 σ( 3 )=-.033 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 σ( 4 )= .064 (MPa)
23、 第 5 层底面最大拉应力 σ( 5 )= .034 (MPa) 设计依据：新建或改建公路的路面设计应根据《工程可行性研究报告》的有关交通量预测资料或现有交通量观测站实测十年以上的交通量资料，考虑各种车型的交通组成（或比例），并实测或收集大客车、小货车、中货车、大型货车、拖挂车等的轴载谱分布，或论证地确定各种车型的代表轴重；再将不同车型的轴重换算成标准轴载的当量轴次，求得交工后第一年双向日平均当量轴次(N1)。 设计年限内交通量的平均增长率( r )应根据《工程可行性研究报告》中有关预测的交通量增长率，分析论证确定设计交通量的平均增长率。 表3.1.6 车道系数 车 道 特
24、征 车道系数 双向单车道 1.0 双向两车道 0.6～0.7 双向四车道 0.4～0.5 双向六车道 0.3～0.4 双向八车道 0.25～0.35 半刚性材料基层、底基层的一层压实厚度宜为180～200mm，并不得分层铺筑小于15cm的薄层，对半刚性材料的上基层厚度不宜小于180mm。 当采用半刚性基层沥青路面时，高速公路、一级公路的沥青层厚度可为120~180mm；二级公路的沥青层厚度宜为60~120mm 冻土是指含有水份的土壤因温度下降到0℃或以下时而呈冻结的状态。 石家庄站平均于11月13日土壤开始出现夜冻现象，至3月13日终止冻结。 历年最大冻土深
25、度为56厘米，发生在1984年2月10～13日。 二级公路的路面设计年限应为12年，有特殊使用要求时可适当延长。 表3.1.8 交通等级 交通等级 BZZ-100KN累计标准 轴次Ne(万次/车道) 中型以上货车及大客车（日/辆） A 特轻交通 <100 <300 B 轻交通 100～400 300～1000 C 中交通 400～1200 1000～4000 D 重交通 1200～2500 4000～10000 E 特重交通 >2500 >10000 表4.1.3 沥青混合料结构层的最小压实厚度与适宜厚度 沥青混合料类型 公称最
26、大粒径 （mm） 最小压实厚度 （mm） 适宜厚度 （mm） 砂粒式沥青砼 4.75 10 15～25 细粒式沥青砼 9.5 20 20～25 细粒式沥青砼 13.2 30 30～40 中粒式沥青砼 16 40 40～60 中粒式沥青砼 19 50 60～80 粗粒式沥青砼 26.5 60 70～100 粗粒式大粒径沥青碎石 26.5 70 80～120 粗粒式大粒径沥青碎石 31.5 90 100～150 特粗式大粒径沥青碎石 37.5 100 120～150 表4.1.5 结构层最小压实厚度与适宜厚
27、度 结 构 层 类 型 最小压实厚度 （mm） 适宜厚度 （mm） 上拌下贯沥青碎石 60 60～100 沥 青 贯入式碎石 40 40～80 沥青表处 10 10～30 水泥稳定类 150* 180～200 石灰稳定类 150* 180～200 石灰粉煤灰稳定类 150* 180～200 贫混凝土 150 180～240 级配碎、砾石 80 100～200 泥 结 碎 石 80 100～150 填 隙 碎 石 100 100～120 注：*为半刚性基层补强的最小厚度。 垫层采用未筛分碎石和天然砂砾时，应根据
28、结构层厚度（h）确定最大粒径，一般最大粒径应在1/3-2/3h之间，以保证集料骨架的形成，提高结构层的稳定性。 一条公路应采用同一净高 高速公路 一级公路 二级公路的净高应为 5.00m 三级公路 四级公路的净高应为 4.50m 检修道 人行道与行车道分开设置时 其净高应为 2.50m 表E.1 沥青混合材料设计参数 材 料 名 称 抗压模量E(MPa) 劈裂强度 备 注 20℃ 15℃（弯沉） 15℃（拉应力） 15℃ 细粒式沥青混凝土 密级配 1200-1600 1800-2200 1.2-1.6 AC-10,AC-13 开级配 700
29、1000 1000-1400 0.6-1.0 OGFC 沥青玛蹄脂碎石 1200-1600 1200-1500 1.4-1.9 SMA 中粒式沥青混凝土 1000-1400 1600-2000 0.8-1.2 AC-16 AC-20 密级配粗粒式沥青混凝土 800-1200 1000-1400 0.6-1.0 AC-25 大粒径沥青 碎石基层 密级配 1000-1400 1200-1600 0.6-1.0 LSM25-35 半开级配 600-800 — — AM25-35 沥青贯入式 400-600
30、— — 注：沥青为90#或70# 表E.2 基层、底基层材料设计参数 材料名称 配合比或规格 要求 抗压模量E(MPa) 弯沉计算 劈裂强度 σ(Mpa) 抗压模量E(MPa) 拉应力 二灰砂砾 7:13:80 1100-1500 0.6-0.8 二灰碎石 8:17:80 1300-1700 0.5-0.8 水泥砂砾 5%-6% 1100-1500 0.4-0.6 水泥碎石 5%-6% 1300-1700 0.4-0.6 石灰水泥粉煤灰砂砾 6:3:16:75 1200-1600 0.4-0.6
31、石灰水泥碎石 5:3:92 1000-1400 0.35-0.5 石灰土碎石 粒料>60% 700-1100 0.3-0.4 碎石灰土 粒料>40-50% 600-900 0.25-0.35 水泥石灰砂砾土 4:3:25:68 800-1200 0.3-0.4 二灰土 10:30:60 600-900 0.2-0.3 石灰土 8%-12% 400-700 0.2-0.25 石灰土处理路基 4%-7% 200-350 — 级配碎石 上基层级配 300-350 — 300-800 底基层、垫层
32、200-250 填隙碎石 底基层 200-280 — 未筛分碎石 做底基层用 180-220 — 级配砂砾、天然砂砾 做底基层用 150-200 中粗砂 垫层 80-100 — 表B.2 1960--2000年各省气候统计资料 站 名 省 份 纬 度 气 温 最高、最低气温 冻结指数 最低气温 最高气温 98%保证率 多年平均 标准差 最热7天 多年平均 标准差 最高气温 最低气温 多年平均 极大值 西沙 海南 16.83 18 1 33 1 35 16 - - 石家庄 河北 38.03 -15 3 35 1 37 -21 113 184 围场 河北 41.93 -26 2 29 2 33 -30 1083 1233 张家口 河北 40.78 -21 2 33 2 37 -25 599 708 道路工程设计过程截屏
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