课程设计路基路面工程.doc

《路基路面工程》课程设计

驻马店市（Ⅳ2）某一级公路
桩号 K23+152-K23+178

系 院：建筑工程学院
学生姓名：姚增峰
学 号：
专 业：土木工程
年 级：09级
完毕日期：2023.12.21
指导教师：王 明

《路基路面工程》课程设计任务书

一、驻马店市（Ⅳ2）某一级公路在桩号 K23+152~K23+178 段。设计资料：
1、路基：填土为密实粘性土，允许承载力 [σ]=250KPa，f=0.40。
2、墙后填料：粘土，φ=23，γ=17.64 KN/m，C=18.72KPa。
3、挡土墙墙身材料：5号砂浆砌片石，γa=22.3KN/m，δ= φ/2，[σ]=2450 KMpa。
4、设计荷载：汽车 -20 级，挂车 -100。
5、路基宽度自拟 ，边坡坡度自拟。
6、路槽地面距地下水位1.3m,地面地下水位为0.9m。
二  路状调查资料：
1 交通调查
在不利季节调查的双向四车道平均日交通量：
序号
车 型
总重（ KN ）
后轴重（ KN ）
后轴数
辆 / 日
1
解放 CA-10 B
80.25
60.0
1
900
2
黄河 JN-150
150.60
101.6
1
360
3
日野 KB-211
147.55
100
1
123
4
太脱拉 138
211.40
160
2
174
5
东风 EQ-140
90.0
69.3
1
1030
6
黄河 JN362
190.0
127
1
121
7
跃进 230
48.5
33.3
1
1350
预计未来使用期内，交通量年平均增长率为 4-6% ，。
  2  材料调查
沿线可采集各种砂、石料；附近有矿渣、炉渣可运用；水泥、石灰、沥青等材料本地可供应。
三 规定
1所有参与课程设计的同学共分六组，每组排列序号；以上交通量是第6号同学的基准交通量。其他同学，序号每增长或者减收1，相应的每种交通量增长或者减少值为5。
2交通年增长率自己拟定。
3每个学生设计3个路面结构方案比选，选出各项指标最优者。
（1）
构层结类型
厚度(cm)
20°抗压模量（Mpa）
15°抗压模量（Mpa）
劈裂强度
（Mpa）
备注
中粒式沥青混凝土

粗粒式沥青混凝土

沥青碎石

二灰稳定碎石

石灰土（8~12%）

路基 E0

（2）
构层结类型
厚度(cm)
20°抗压模量（Mpa）
15°抗压模量（Mpa）
劈裂强度
（Mpa）
备注
中粒式沥青混凝土

粗粒式沥青混凝土

沥青碎石

二灰稳定碎石

水泥土

路基 E0

（3）
构层结类型
厚度(cm)
20°抗压模量（Mpa）
15°抗压模量（Mpa）
劈裂强度
（Mpa）
备注
细粒式沥青混凝土

中粒式沥青混凝土

水泥稳定砂粒

石灰土（8~12%）

级配碎砾石

路基 E0

（4）
构层结类型
厚度(cm)
20°抗压模量（Mpa）
15°抗压模量（Mpa）
劈裂强度
（Mpa）
备注
细粒式沥青混凝土

中粒式沥青混凝土

粗粒式沥青混凝土

水泥稳定碎石

水泥土

路基 E0

（5）
构层结类型
厚度(cm)
20°抗压模量（Mpa）
15°抗压模量（Mpa）
劈裂强度
（Mpa）
备注
细粒式沥青混凝土

中粒式沥青混凝土

粗粒式沥青混凝土

水泥稳定碎石

二灰土

路基 E0

（6）
构层结类型
厚度(cm)
20°抗压模量（Mpa）
15°抗压模量（Mpa）
劈裂强度
（Mpa）
备注
细粒式沥青混凝土

中粒式沥青混凝土

粗粒式沥青混凝土

石灰水泥稳定碎石

石灰土（8~12%）

路基 E0
以上路面类型所涉及的各个参数，每个人自己拟定，第一组选（1），第二组选（2），以下类推。沥青混凝土c=0.2~0.3Mpa,内摩擦角为20~35°。
四 设计内容及环节：
（一）沥青混凝土路面
1交通量计算;2设计弯沉值;3拟定路面结构组合，选择计算层，拟定已知各个结构层适宜厚度;4拟定土基回弹模量;5拟定路面格结构层的抗压强度、劈裂强度;6根据弯沉值，计算未知结构层厚度;7根据拟定的各个结构层，进行结构层的换算;8进行各个结构层的弯拉应力计算与验算;9进行结构层的剪应力验算;10各项设计参数都验算合格，进行设计参数汇总，拟定设计方案。
（二）水泥混凝土路面
1拟定路面结构组合;2混凝土面板厚度设计（交通量分析计算；路面结构材料模量拟定；荷载疲劳应力计算；温度疲劳应力计算；面板厚度拟定）；3面板尺寸和接缝的设计；4路肩设计；5普通混凝土路面配筋设计；6各项设计参数都验算合格，进行设计参数汇总，拟定设计方案。
（三）图纸
1用CAD画出沥青混凝土路面结构、水泥混凝土路面结构以及两者衔接处的结构图，规定比例合适，尺寸标注对的
五 规定
1设计必须准时按规定完毕；
2每位同学独立完毕，不得抄袭雷同；
3遵守纪律，准时参与辅导课；
六  推荐参考资料
1 《路基路面工程》教材；
2 《公路路基设计规范》（ JTG D30-2023 ）人民交通出版社， 2023. 北京
3 《公路沥青路面设计规范》 JTJ 014-97), 人民交通出版社， 1997. 北京
4 《公路路基设计手册》，人民交通出版社， 1996. 北京
5 〈公路水泥混凝土路面设计规范〉（ JTJ D40-2023 ）人民交通出版社 2023. 北京。
6 〈公路设计手册 - 路面〉人民交通出版社， 1999.. 北京。

1 基本设计资料
在不利季节调查的双向四车道平均日交通量：
序号
车 型
总重（ KN ）
后轴重（ KN ）
后轴数
辆 / 日
1
解放 CA-10 B
80.25
60.0
1
900
2
黄河 JN-150
150.60
101.6
1
360
3
日野 KB-211
147.55
100
1
123
4
太脱拉 138
211.40
160
2
174
5
东风 EQ-140
90.0
69.3
1
1030
6
黄河 JN362
190.0
127
1
121
7
跃进 230
48.5
33.3
1
1350

该路段为一级公路，沥青混凝土路面设计年限2023，水泥混凝土路面设计基如期为30年，交通量年平均增长5%，车道系数η=0.45，该路段处在中国公路自然区划IV2区，路面宽度设计为B=18m，行车道为四车道2×7.5m。查表知，此公路处在中湿路段，路基土为粉质中液限土，潮湿路段E0=19Mpa，中湿路段E0=29Mpa，干燥路段E0=30Mpa，沿线有砂石，且有碎石、石灰、粉煤灰供应。

2 沥青混凝土路面设计
2.1轴载分析
我国沥青路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载，表达为BZZ-100。
﹙1﹚当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时，凡前、后轴轴载大于25kN的各级轴载的作用次数均换算成标准轴载的当量作用次数。

式中：— 以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载的当量次数；
— 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）；
— 标准轴载（）；
— 各种被换算车型的轴载（）；
C2— 轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轴组为0.38；
C1— 轴数系数。当轴间距离大于3m时，按单独的一个轴载计算；当间距离小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算：1+1.2(m-1),m—轴数。
— 被换算车辆的类型数。
轴载换算结果
车型
（）

（次/日）

解放CA10B
前轴
20.25
1
6.4
895
—
后轴
60
1
1
895
97.0
黄河JN150
前轴
49.0
1
6.4
355
102.0
后轴
101.6
1
1
355
380.4
日野KB-211
前轴
47.55
1
6.4
118
29.8
后轴
100
1
1
118
118.0
太脱拉138
前轴
51.4
1
6.4
169
59.8
后轴
160
2.2
1
169
2872.3
东风EQ-140
前轴
20.7
1
6.4
1025
---
后轴
69.3
1
1
1025
207.9
黄河JN362
前轴
63.0
1
6.4
116
99.5
后轴
127
1
1
116
328.1
跃进230
前轴
15.2
1
6.4
1345
---
后轴
33.3
1
1
1345
11.3
∑N
4306.1

则其设计年限内一个车道上的累计量轴次：

＝15262023次
﹙2﹚验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次时，凡轴载大于50KN的各级轴载的作用次数均按下式换算成标准轴载的当量作用次数。

式中：— 以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载的当量次数；
— 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）；
— 标准轴载（）；
— 各种被换算车型的轴载（）；
—轴数系数；
—轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09；
轴载换算结果
车型
（）

（次/日）

解放CA10B
前轴
20.25
1
18.5
895
—
后轴
60.0
1
1
895
15.0
黄河JN150
前轴
49.0
1
18.5
355
—
后轴
101.6
1
1
355
403.1
日野KB-211
前轴
47.55
1
18.5
118
—
后轴
100
1
1
118
118
太拖拉138
前轴
51.4
1
18.5
169
15.2
后轴
160
3
1
169
21775.5
东风EQ-140
前轴
20.7
1
18.5
1025
—
后轴
69.3
1
1
1025
54.5
黄河JN362
前轴
63.0
1
18.5
116
53.3
后轴
12.7
1
1
116
--
∑N
22434.6

则其设计年限内一个车道上的累计量轴次为：

＝79514483次
2.2 结构组合与材料选取
根据《公路沥青路面设计规范》，并考虑公路沿途有砂石、碎石、石灰、粉煤灰供应，路面结构层采用沥青混凝土（190），基层采用水泥稳定碎石（300），底层采用二灰土（厚度待定），采用三层式沥青混凝土面层，表层采用细粒式密级配沥青混凝土（40），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（60），下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（90）。
2.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度
该路属于区，路基填土为密实粘性土，路槽底距地下水位高度为1.3m，由表1-6路基临界高度参考值，知此高度介于之间，属于中湿路基；由表1-4路基干湿类型和表1-5各自然区划土基干湿分界稠度知，路基平均稠度介于之间，取ω=1.0，查表12-8二级自然区划各土组土基回弹模量参考值知，=27.0MPa.
查表12-12沥青混合料设计参数参考值和表12-13基层材料设计参数得，按设计弯沉计算厚度时采用20℃抗压模量，验算面层弯拉应力时采用15℃抗压模量为计算值。各结构层材料的抗压模量及劈裂强度值如下图所示：

结构组合参数
层次
材料名
厚度
(cm)
抗压回弹模量
劈裂强度
（Mpa）
15°C模量
20°C模量
①
细粒式沥青混凝土
4
2023
1400
1.4
②
中粒式沥青混凝土
6
1800
1200
1.0
③
粗粒式沥青混凝土
9
1400
1000
0.8
④
水泥稳定碎石
30
1500
1500
0.5
⑤
二灰土
待定
750
750
0.25
⑥
土基
—
30
30
—
2.4 设计指标的拟定
﹙1﹚设计弯沉值
公路为一级，则公路等级系数取1.0；面层是沥青混凝土，则面层类型的系数取1.0；路面结构为半刚性基层沥青路面，则路面结构类型系数取1.0。

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
所以
﹙2﹚各层材料按允许层底拉应力，按下列公式计算：

式中 ： — 路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa）；
— 路面结构材料的允许拉应力，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。
细粒式密级配沥青混凝土：
=0.09=0.09×1.0×/1.0=3.42
=1.4/3.42=0.409MPa
中粒式密级配沥青混凝土：
=0.09=0.09×1.0×/1.0=3.42
=1.0/3.42=0.292MPa
粗粒式密级配沥青混凝土：
=0.09=0.09×1.1×/1.0=3.77
=0.8/3.77=0.212MPa
水泥碎石：
=0.35=0.35×/1.0=2.59
=0.5/2.59=0.193MPa
二灰土：
=0.45=0.45×/1.0=3.33
=0.25/3.33=0.075MPa
设计参数汇总表
层次
材料名
厚度
(cm)
抗压回弹模量
允许拉应力
（Mpa）
15°C模量
20°C模量
①
细粒式沥青混凝土
4
2023
1400
0.409
②
中粒式沥青混凝土
6
1800
1200
0.292
③
粗粒式沥青混凝土
9
1400
1000
0.212
④
水泥稳定碎石
30
1500
1500
0.193
⑤
二灰土
待定
750
750
0.075
⑥
土基
—
30
30
—

2.4 路面结构层厚度的计算
各层体系弯沉等效换算公式

H=
标准轴载BZZ—100，轮胎接地压强p=0.7MPa，当量圆半径

由于：
得到：
查图得： α＝6.2
由表面弯沉系数：,得0.22
查图得：当0.22时

=9.4
得：
所以取石灰层的厚度为65cm。

2.5验算各层层底拉应力
1）计算方法：
①、对多层路面体系进行等效换算
求第i层的层底拉应力，则：
上层：
下层：
②、计算
由公式：或求各层层底拉应力
式中： p——轮胎接地压强p=0.7MPa；
、、、、——由查“三层连续体系上（中）层底面拉应力系数图”得到；

2）计算
①、多层路面体系进行等效换算
层
位
i
多层体系
等效三层体系
每一层底
弯拉应力
每二层底
弯拉应力
每三层底
弯拉应力
每四层底
弯拉应力
每五层底
弯拉应力

MPa

cm

MPa

cm

MPa

cm

MPa

cm

MPa

cm

MPa

cm
1
1400
4
1400
4
1200
10.16
1000
19.63
1500
47.74
1500
47.74
2
1200
6
1200
90.35
3
1000
9
1000
103.29
4
1500
30
1500
60.09
5
750
65
750
65
750
65
6
30

30

30

30

30

30

②、计算各层层底的弯拉应力
第一层底部弯拉应力：

查图得：，，
所以：第一层底部弯拉应力 （符合）
第二层底部弯拉应力：

查图得：，，
所以：第二层底部弯拉应力 （符合）

第三层底部弯拉应力：

查图得：，，
所以：第三层底部弯拉应力 （符合）
第四层底部弯拉应力：

查表得： =0.42
=0.7×0.085×1.46×0.42=0.036MPa<0.193MPa(符合)
第四层底部弯拉应力：

查表得：0.028 1.06 =0.34
=0.7×0.028×1.06×0.34=0.007MPa<0.075MPa(符合)
所以：上述设计结果满足设计规定。

3、水泥砼路面设计
3.1、交通量分析
1）计算方法：
水泥砼路面结构设计以100单轴双轮组荷载为标准轴载。凡前、后轴载大于40KN（单轴）的轴数均应换算成标准轴数，不同轴—轮型和轴载的作用次数，按下式换算为标准轴载的作用次数。

式中：——100的单轴—双轮组标准轴载的通行次数；
——各类轴—轮型；及轴载的总重（）；
——轴型和轴载的通行次数；
——各类轴—轮型i级轴载的通行次数；
——轴—轮型系数。 单轴—双轮组：，单轴—单轮组： ，双轴—双轮组：，三轴—双轮组：

轴载换算结果
车型
（kN）

（次/日）

解放CA10B
前轴
20.25
-
895
—
后轴
60
1
895
0.252
黄河JN150
前轴
49.0
416.46
355
1.633
后轴
101.6
1
355
457.644
日野KB-211
前轴
47.55
421.87
118
0.340
后轴
100
1
118
118
太拖拉138
前轴
51.4
407.98
169
1.637
后轴
160
0.35×
169
1.091
东风EQ-140
前轴
20.7
-
1025
---
后轴
69.3
1
1025
2.900
黄河JN362
前轴
63.0
373.80
116
26.702
后轴
127
1
116
5312.73
跃进230
前轴
15.2
-
1345
---
后轴
33.3
1
1345
---
∑N
5922.9

标准轴载累计当量作用次数

式中：——标准轴载累计当量作用次数；
r——设计基如期（年），1级公路为30年；
——交通量年平均增长率；取为5％；
——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，查表14-4，本设计为一级公路，取。
公路等级
纵缝边沿处
高速公路、一级公路、收费站
0.17～0.22
二级及二级以下公路
行车道宽>7m
0.34～0.39
0.54～0.62
行车道宽≤7m
=9329960次
3.2 初拟路面结构
由于交通量100×104＜932.996×104＜2023×104次，故可知交通属于重交通。由以上可知相应于安全等级为二级的变异水平等级为中级，根据一级公路、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250mm；基层选用水泥稳定粒料，厚度为220mm；垫层为150mm的低剂量无机结合稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m；长为5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。
3.3 拟定材料参数
1）计算方法：
新建公路的基层顶面当量回弹模量值：

式中：——路床顶面的回弹模量(MPa),查表16-26的参考值；
——基层和底基层或垫层的当量回弹模量(MPa)；
、——基层和底基层或垫层的回弹模量（MPa），查表16-27的参考值；
——基层和底基层或垫层的当量厚度（m）；
——基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度（）；
——基层和底基层或垫层的厚度；
a、b——与有关的回归系数。
砼板的相对刚度半径（m）；

式中：h——砼板的厚度（m）；
——水泥砼的弯拉弹性模量（MPa），

2）计算：
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；路基回弹模量为30Mpa；低剂量无机结合稳定土垫层回弹模量取600Mpa；水泥稳定粒料基层回弹模量取1300Mpa。
计算基层顶面当量回弹模量如下：

普通砼面层的相对刚度半径：

3.4、荷载疲劳应力
1）计算方法
标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算

式中：——考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝：，纵缝为不设拉杆的平缝或自由边界： ，纵缝为设拉杆的企口缝：；
——考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数；
——考虑设基如期内标准轴载荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按下式计算：
式中：——设计基如期内标准轴载累计作用次数；
——与混合料有关的指数，普通砼取0.057；
——标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力（MPa），按下式计算：
式中：——砼板的相对半径（m）；
——砼板的厚度（m）；
2）计算
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。考虑设计基如期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数
=

根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏的影响的综合系数
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
荷载疲劳应力计算为
=0.87×2.496×1.25×1.087=2.951MPa
3.5、温度疲劳应力
1）计算方法
在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算：

式中：——最大温度梯度时砼板的温度翘曲应力（MPa），按下式计算：

式中：——砼的温度线膨胀系数，通常可取；
——最大温度梯度，按表14-3取用；
——综合温度翘曲应力和内应力作用的温度系数，查图14-13；
——砼板厚度（m）；
——考虑温度应力累计疲劳作用于的疲劳系数，按下式计算：

式中：a,b,c——回归系数，按所在地区的公路自然区划查表14-10拟定；
2）计算
由表14-3，Ⅳ区最大温度梯度取92（）。板长5m，，由图14-13，可查普通砼板厚，。
最大温度梯度时砼板的温度翘曲应力计算为

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
温度疲劳应力系数，查表可得，自然区划为Ⅳ区，式中，，，

温度疲劳应力为

3.6 面板厚度拟定
水泥砼路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，极限状态方程式如下：

——可靠度系数，依据所选目的可靠度及变异水平等级按表14-12拟定；
——水泥砼弯拉强度标准值（MPa）；
查表14-7，一级公路的安全等级为二级，相应于二级安全等级的变异水平为中级，目的可靠度为90%。再据查得的目的可靠度和变异水平等级，查表16-22，拟定可靠度系数
则：
因而，所选用的普通砼面层厚度（0.25m）可以承受设计基如期内荷载应力和温度应力的综合作用，即：初拟路面结构符合规范规定。

3.7接缝设计
为避免由温度产生的应力破坏，所以，在混凝土板中设立横缝与纵缝，这段路为重交通，缝中设滑动传力杆，拉杆长0.45m，直径28mm，每隔30cm设立一个。
1) 横向胀缝
缝隙宽20mm，缝隙上部3cm深度内浇填缝料拉杆的半段固定在混凝土内，另
一半涂以沥青，套上长约10cm的塑料套筒，筒底与杆端之间留有3cm空隙，用木屑与弹性材料填充。
2) 横向缩缝
缩缝采用假缝，缝隙宽5mm，深度为5cm,间距为5m.
3) 施工缝
施工缝采用平头缝或企口缝的构造形式，缝宽为5mm, 在深度为5cm的沟槽内浇灌填缝料。
4) 横缝的布置
缩缝间距一般为5m，混凝土路面设立胀缝。
5) 纵缝的设立
在平行于混凝土路面行车方向设立纵缝，缝间距3.75m，设立为假缝带拉杆形式，缝的上部留有5cm的缝隙，内浇注填缝料，纵缝与横缝一般做成垂直正交，使混凝土板具有90°的角隅。
3.7 配筋设计
为防止基础产生较大的塑性变形，在混凝土路面的自由边沿和角隅处设立补强钢筋。
a) 边沿钢筋
用两根直径为12mm的螺纹钢筋设立在板的下部70mm处，距板顶、板底均不小于50mm，两根钢筋的间距为100mm。在横向胀缝两侧板边沿以及混凝土路面的起、终端处也设立横向边沿钢筋；
b) 角隅钢筋
用两根直径为16mm的螺纹钢筋，布置在板的上部，距板顶不小于50mm，距板边100mm。此外，钢筋保护层的最小厚度不应小于50mm。

参考文献
1.《路基路面工程》，人民交通出版社
2.《结构设计原理》，人民交通出版社
3.《道路桥梁勘测》，人民交通出版社
4.中华人民共和国行业标准：公路沥青路面设计规范(JTG D50-2023).北京：人民交通出版社2023
5.中华人民共和国行业标准：公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40-2023).北京：人民交通出版社2023
6.中华人民共和国行业标准：<<公路工程技术标准>>(JTGB01—2023)
7. <<公路路基设计手册>>