高速公路路基路面综合设计方案.doc

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CHENGNAN COLLEGE OF CUST

毕业设计（论文）

题目： 湖南省永州至蓝山高速公路
K78+600～K80+700段路基路面综合设计

摘要

本次毕业设计主要任务是对永州至蓝山高速公路K78+600-K80+700段进行路基路面综合设计。该路段全长2100m，双向四车道，设计车速100Km/h，路基宽26m，属于比较典型的山区高速公路。
我们所做的工作主要包括：路线设计、路基工程设计、路基工程设计和桥梁涵洞的布设四部分。整个设计过程严格按照最新规范，手册进行，设计过程力求原理、方法和公式计算准确，对应的图纸、表格满足相关编制办法的要求。
此外，英文翻译及计算机程序设计也是本次设计的重要组成。
本次设计不但让我们熟悉了公路设计的基本原理、方法和设计步骤，而且也让我们对大学四年所学知识进行了一次全面的总结。

关键词：毕业设计；永州至蓝山高速公路；路基路面；翻译；编程

Abstract

The main task of this graduation design is the comprehensive design of subgrade and pavement of Yongzhou to Lanshan Expressway K68+100-K70+200. The section of full-length 2100m, two-way four driveway, design speed of 100Km\/h, the roadbed width 26m, belongs to the typical mountainous expressway.
Our work mainly includes: route design, subgrade engineering design, design of subgrade and Bridge Culvert layout four. The whole design process is strictly in accordance with the latest specification manual, design process, to principle, method and accurate calculating formula, the corresponding drawings, form to meet the relevant measures for requirements.
In addition, English translation and computer program design is the design of the important.
The design not only makes us familiar with the basic principles, methods and steps of design of highway design, but also let us to the university four years learning conducted a comprehensive summary.

Keywords: graduation design; Yongzhou to Lanshan Expressway Subgrade and pavement; translation; programming;

目录

第一章 线形设计 6
1.1 平面线形设计 6
1.2 纵断面设计 7
1.3 平纵线形组合设计 8
第二章 边坡稳定性分析 9
2.1 汽车荷载当量换算 9
2.2 简化Bishop 法求稳定系数K.................................................................10
第三章 挡土墙设计与验算………………………………………….....21
3. 1 设计资料............................................................................................................21
3. 2 墙背土压力计算................................................................................................22
3.3 墙身截面性质计算。.............................................................................................26
第四章 排水设计..................................................................................29.
4. 1 路基排水设计规定...........................................................................................29
4. 2 排水设施的设置................................................................................................30
4. 3 路基排水综合设计............................................................................................30
4. 4 路堑边沟验算....................................................................................................30
4.5 拦水带设计验算沟渠横断面设计按照最佳横断面法（即固定了纵坡和允许最大流速） 31
第五章 水泥混凝土路面 32
5.1 水泥混凝土路面设计总则 32
5.2 结构组合设计原则 32
5.3 交通量计算 32
5.4 交通参数分析 33
5.5 路面结构组合设计 33
5.6 路面结构计算 33
5.7 水泥混凝土路面结构设计及方案比选原则与总结 54
第六章 沥青路面设计 57
6.1 据交通量确定累计标准轴次 57
6.2 沥青路面结构组合设计 57
6.3 沥青路面结构计算 58
6.4 沥青路面方案比选 77
参考文献 78
致 谢 81

第一章线形设计
1.1 平面线形设计
道路平面线形设计，是根据汽车行驶的力学性质和行驶的轨迹要求，合理地确定各线形的几何参数，保持线形的连续性和均衡性，避免采用长直线，并注意使线形与地形、地物、环境和景观等协调。在设计中注意直线的长度符合规范要求，对于同反向曲线间的直线要满足直线最小长度要求。规范规定当设计速度≥60Km时，同向直线最小长度以不小于设计速度的六倍为宜。对于反向曲线间的直线不应小于设计速度的两倍为宜。对于圆曲线半径的选择应遵循如下原则：在地形条件许可的情况，应力求是半径尽可能接近不设超高最小半径；选取半径时，最大半径值一般不应超过10000m.
1.1.1 平曲线要素的计算
已知：JD1桩号为: K79+002.560，圆曲线半径R=1600m，转角α= 39°36′51.7″(Y)，缓和曲线Ls=260。
计算：
切线角：β0=28.6479×Ls/R =28.6479×260/1600 =4.655°
切线增值：q=Ls/2=260/2=130m
内移值：p=Ls²/(24R)= 260²/(24×1600) =1.76m
切线总长：T=(R+p)tgα/2+q=（1600+1.76）×0.827+130=1454.655m
曲线总长：Lh=(α2β0)Rπ/180+2Ls=(39°36′51.7″2×4.655°)1600π/180+520=1366.257m
超距：D=2TL=2×1454.6551366.257=1383.053m
各主点桩号：
直缓点桩号：ZH=JDT= K79+002.5601454.655= K77+547.905
缓圆点桩号：HY=ZH+Ls= K77+547.905+260= K77+807.905
圆缓点桩号为：YH=HY+Lh2Ls= K77+807.905+13666.257520 = K78+654.162
缓直点桩号为：HZ=YH+Ls= K78+654.162+260= K78+914.162
曲中点桩号为：QZ=HZLh/2= K78+914.1621366.257/2=K78+231.0335
∴交点桩号：JD=QZ+= K79+002.560（校核）。
∴验算与交点桩号一样，设计合格。
1.2 纵断面设计
1.2.1 纵坡设计的原则
纵断面设计首先要注意坡度的选择符合各级道路规定的最大坡度。本次设计公路为100Km/h，根据规定允许最大坡度为6%,合成坡度不能大于10.5%。其次为了保证排水，防止水渗入路基影响稳定性，应设置不小于0.3%的纵坡，最小合成坡度不宜小于0.5%。
相邻竖曲线衔接时应注意：
（1）同向竖曲线：特别是两同向凹曲线间如果直线坡段不长，应合并为单曲线或复曲线形式的竖曲线，避免出现断背曲线。
（2）反向竖曲线：反向竖曲线间应设置一段直线坡段，直线坡段的长度一般不小于设计速度的3秒行程。以使汽车从失重渡到增重有一个缓和段。
本组设计从K78+600- K80+700共2100m设置5个变坡点。变坡点的桩号为K78+640 ，设计高程为285.22，竖曲线半径R1=571.1442m，i1= 3.98%，i2=-0.940%， w1= i1i2 = 4.92%为凸形曲线。
竖曲线一：
曲线长 L1=R1w1=574.1442×3%=40.848m
切线长 T1=L1/2=40.848÷2=20.424m
外距 E1=T/(2R1)=20.424² ÷（2×571.1442）=0.365m
变坡点2的桩号为K78+980，设计高程为282.02，竖曲线半径R2=12000m，i1=-0.940%，i2=2.830%，w1= i1i2=-3.77%为凹曲线。
竖曲线二：
曲线长 L2=R2w1=12000×3.77%=452.4m
切线长 T1=L1/2=452.4÷2=226.2m
外距 E1=T/(2R1)=226.2² ÷（2×12000）=2.13m
变坡点3的桩号为K79+380，设计高程为293.3408，竖曲线半径R3=20000m，i1=2.830%，i2=1.156%，w1= i1i2=1.674%为凸曲线。
竖曲线三：
曲线长 L2=R2w1=20000×1.674%=334.8m
切线长 T1=L1/2=334.8÷2=167.4m
外距 E1=T/(2R1)=167.4² ÷（2×20000）=0.7m
变坡点4的桩号为K80+020，设计高程为300.7388，竖曲线半径R4=10000m，i1=1.156%，i2=-1.032%，w1= i1i2=2.188%为凸曲线。
竖曲线四：
曲线长 L1=R4w1=10000×2.188%=218.8m
切线长 T1=L1/2=218.8÷2=109.4m
外距 E1=T/(2R1)=109.4² ÷（2×10000）=0.598m
变坡点5的桩号为K80+580，设计高程为294.9586，竖曲线半径R5=3000m，i1=-1.032%，i2=4.525%，w1= i1i2=-5.557%为凹曲线。
竖曲线五：
曲线长 L1=R5w1=3000×5.557%=166.71m
切线长 T1=L1/2=218.8÷2=83.355m
外距 E1=T/(2R1)=83.355² ÷（2×3000）=1.158m
1.2.2 竖曲线要点桩号及高程的计算
竖曲线一：
起点桩号 = K78+640T1= K78+619.576
终点桩号 = K78+640T1= K78+660.424
变坡点一对应桩号设计高程 = 284.85
竖曲线一起点设计高程 = 283.78m
竖曲线一终点设计高程 = 285.23m
竖曲线二：
起点桩号 = K78+980T= K78+753.8
终点桩号 = K78+980T= K79+206.2
变坡点一对应桩号设计高程 = 282.0218
竖曲线一起点设计高程 = 284.12m
竖曲线一终点设计高程 = 288.41m
竖曲线三：
起点桩号 = K79+380T= K79+212.6
终点桩号 = K79+380T= K79+547.4
变坡点一对应桩号设计高程 = 293.3408
竖曲线一起点设计高程 = 288.64m
竖曲线一终点设计高程 = 295.25m
竖曲线四：
起点桩号 = K80+020T= K79+910.6
终点桩号 = K80+020T= K80+129.4
变坡点一对应桩号设计高程 = 300.7388
竖曲线一起点设计高程 = 299.41m
竖曲线一终点设计高程 = 299.58m
竖曲线五：
起点桩号 = K80+580T= K80+496.645
终点桩号 = K80+580T= K80+663.355
变坡点一对应桩号设计高程 = 294.9586
竖曲线一起点设计高程 = 295.86m
竖曲线一终点设计高程 = 298.82m
1.3 平纵线形组合设计
尽管平纵线形设计均是按照标准进行设计，但若平纵线形组合不好，不仅有限于其优点的发挥，而且会加剧两方面的缺点，造成行车上的危险，也就不能获得最优的立体线形、平纵线形的合理设计。
因此平纵组合设计要注意以下几点要求：（1）当竖曲线与平曲线组合时，竖曲线宜包含在平曲线之内，切平曲线应稍长与竖曲线。这种布置的优点是：当车辆驶入凹行曲线的顶点之前，即能清楚的看到平曲线的始端，辩明转弯的走向，不致因判断错误而发生交通事故。（2）要保持平曲线和竖曲线大小的均衡，这样有利于驾驶员视觉上的均衡。（3）要选择适当的合成坡度。
本段设计中竖曲线变坡点的起点和终点基本落在平面曲线的缓和曲线内，平纵组合符合设计要求。

第二章 边坡稳定性分析

取K75+920段横断面做路堤边坡稳定性验算。路基左侧填土高度12.49m，顶宽26m，路基填土为粘性土，土粘聚力为20kPa，内摩擦角为25°，边坡坡度采用1：1.5。由于填方边坡要受到路基顶部车辆荷载的影响，在进行稳定性验算时要先化为换算土柱高度。容重为=18KN/m3，荷载为公路I级。
其横截面初步拟定如图1所示：

图2-1 K21+940横断面图
2.1 汽车荷载当量换算
将车辆荷载换算成土柱高（当量高度）。车辆按最不利情况排列，即假设一辆车停在硬路肩上，另两辆以最小间距d=0.6m与它并排。按以下公式换算土柱高度为：
=
式中：
N——横向分布并列的车辆数，因为按最不利布载，中线每边各布3 辆，取N=4；
Q——每一辆重车的重力（标准车辆荷载为550KN）；
L——前后轮最大轴距，按《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）规定对于标准车辆荷载为12.8m；
r——路基填料的容重；
B——荷载横向分布宽度，表示如下：
B=Nb+（N-1）m+d
式中：
b——后轮轮距，取1.8m；
m——相邻两辆车后轮的中心间距，取1.3m；
d——轮胎着地宽度，取0.6m
则：B=Nb+（N-1）m+d=31.8+(3-1)1.3+0.6=8.6m
故按双向布6辆车，布满行车道时，h=(3×550)/(18×8.6×12.8)=0.83m
2.2 简化Bishop 法求稳定系数K
2.2.1 最危险圆弧圆心位置的确定
以坡脚为坐标原点，按4.5H 法初定滑动圆心辅助线：
（1）由表查得：=26°， =35°,以坡角为圆心将AB线逆时针旋转26°，再以B点为圆心，BC为基线，旋转35°，两直线交于F点；
（2）量得坡角到路面的距离h=12.49m，由坡角向下做垂线，量取路堤高
H=12.49+0.83=13.32m得D点；
（3）由C 点向右引水平线，在水平线上截取4.5H=53.28m得E点；
（4）连接点E、F得直线EF，即为滑动圆心辅助线；
（5）绘出五条不同的位置的滑动曲线；
（6）将圆弧范围土体分成若干段；
（7）算出滑动曲线每一分段中点与圆心竖曲线之间的偏角α;
sinα=
式中：
X—分段中心距圆心竖直线的水平距离，圆心竖曲线左侧为负，右侧为正；
R—滑动曲线半径m
最危险滑动面圆心的确定如图2所示：

图2-2 最危险圆弧圆心位置的确定图示
2.2.2 用简化毕绍普法求稳定系数FS
通过计算选中的五个圆心点对应的安全系数Ki,得到最小值K 和对应的圆心点，再进行验算。计算Ki 时，采用简化bishop 法，并假设滑动面通过坡脚。简化bishop 法需要迭代，先假设一个K 值进行反复带入计算（具体迭代过程见表）。简化毕肖普法的计算公式如下：

----第i土条底滑面的倾角；
----第i土条垂直方向外力；
----系数，按计算；
----第i土条滑弧面所在地基土层的内磨檫角和粘结力；
----滑动圆弧全长；
----第i土条宽度；
----第i土条路堤部分的重力；
----第i条土地基部分的重力；
U----地基平均固结度，根据地基情况，此处取U=1。
(1)在圆心辅助线上取圆心点O1，作半径为R1=29.51m圆弧滑动面，对滑动面范围内的土体按断面形式将滑动面分为11个土条，如图2-3 验算其稳定性，计算结果见表2-1。

2-3 圆心为O1的滑动面示意图
表2-1 土坡稳定性计算表
土条号
li
面积
Wi
sinα
cosα
wi*sinα
Wi*tanφ
ci*li*cosα
1
4.19
7.72
138.96
-0.33
0.9455
-45.856
64.755
79.232
2
4.09
21.12
380.16
-0.19
0.982
-72.230
177.15
80.327
3
3.94
32.08
577.44
-0.05
0.9986
-28.872
269.08
78.6896
4
1.12
10.7
192.6
0.04
0.9994
7.704
89.75
22.3865
5
1.5
14.73
265.14
0.07
0.9976
18.559
123.55
29.928
6
4.02
43.04
774.72
0.16
0.9877
123.955
361.01
79.4110
7
4.24
50.16
902.88
0.29
0.9563
261.835
420.74
81.0942
8
4.41
54.48
980.64
0.44
0.8988
431.481
456.97
79.2741
9
4.94
50.52
909.36
0.57
0.8192
518.335
423.76
80.9369
10
5.66
37.64
677.52
0.707
0.7071
479.006
315.72
80.0437
11
8.58
18.57
334.26
0.848
0.5299
283.452
155.76
90.9308

1977.37

mi(=cosα+sinα*tanφ/K)
(Wi*tanφ+c*li*cosα)/mi
R
φ
tanφ
K1=1
K2=1.8
K3=1.921

K=1
K2=1.8
K3=1.921

0.7917
0.86
0.865448

181.86
167.41
166.3743

29.51
25
0.466
0.8934
0.93
0.935909

288.18
276.02
275.1144

25
0.466
0.9753
0.98
0.986471

356.58
352.83
352.5464

25
0.466
1.0180
1.0
1.009103

110.15
111.05
111.1265

25
0.466
1.0302
1.01
1.014581

148.98
151.10
151.2775

25
0.466
1.0622
1.02
1.026513

414.61
427.96
429.055

25
0.466
1.0914
1.03
1.02664

459.792
486.56
488.8101

25
0.466
1.1038
1.0127
1.005536

485.80
529.52
533.3

25
0.466
1.0848
0.96
0.957472

465.23
522.04
527.1161

25
0.466
1.0365
0.89
0.878605

381.80
444.61
450.4502

25
0.466
0.9250
0.74
0.73561

266.67
329.17
335.3627

25
0.466

3559.71
3798.3
3820.533

1.8002
1.92
1.932128

mi(=cosα+sinα*tanφ/K)
(Wi*tanφ+c*li*cosα)/mi
R
φ
tanφ
K1=1.932
K2=1.933
K3=1.933

K=1.932
K2=1.933
K3=1.933

0.86590
0.865945
0.865945

166.286
166.27
166.2788

29.51
25
0.466
0.93617
0.936196
0.936196

275.037
275.03
275.0303

25
0.466
0.98654
0.986546
0.986546

352.521
352.51
352.5194

25
0.466
1.00904
1.009043
1.009043

111.132
111.13
111.1332

25
0.466
1.01448
1.014475
1.014475

151.291
151.29
151.2932

25
0.466
1.02629
1.026272
1.026272

429.147
429.15
429.1557

25
0.466
1.02624
1.026212
1.026212

489.000
489.01
489.0181

25
0.466
1.00492
1.004873
1.004873

533.622
533.65
533.6517

25
0.466
0.95668
0.956613
0.956613

527.549
527.58
527.589

25
0.466
0.87762
0.877541
0.877541

450.951
450.99
450.9968

25
0.466
0.73443
0.734332
0.734332

335.897
335.94
335.9459

25
0.466

3822.44
3822.6
3822.612

1.93309
1.9331
1.933179

用迭代法试算假定计算结果Fs 与假定接近，故得土坡的稳定安全系数Fs1=1.843。
一、 在滑动圆弧圆心辅助线上取同一圆心点O2，作半径为R2=30.86m的圆弧滑动面，按断面形式将滑动面分为10条，如图2-4验算其稳定性，计算结果见表2-2。
图2-4 圆心为O2的滑动面示意图
表2-2 土坡稳定性计算表
土条号
li
面积
Wi
sinα
cosα
wi*sinα
Wi*tanφ
ci*li*cosα
1
4.07
6.322
138.96
-0.19
0.981784
-26.4024
64.75536
79.91722
2
4.01
17.4
313.2
-0.05
0.998749
-15.66
145.9512
80.09969
3
4.01
26.44
475.92
0.07
0.997547
33.3144
221.7787
80.00327
4
1.07
8.24
148.25
0.16
0.987117
23.72
69.0845
21.1243
5
1.53
11.76
211.68
0.19
0.981784
40.2192
98.64288
30.04259
6
4.18
33.8
608.4
0.29
0.957027
176.436
283.5144
80.00743
7
4.4
38.64
695.52
0.42
0.907524
292.1184
324.1123
79.86212
8
4.77
40.44
727.92
0.54
0.841665
393.0768
339.2107
80.29484
9
5.43
33.72
606.96
0.67
0.742361
406.6632
282.8434
80.62042
10
8.02
16.81
302.55
0.81
0.58643
245.0655
140.9883
94.06335

1568.551

mi(=cosα+sinα*tanφ/K)
(Wi*tanφ+c*li*cosα)/mi
R
φ
tanφ
K1=1
K2=1.634
K3=1.744

K=1
K2=1.634
K3=1.744
30.86

0.893244
0.927598
0.931016

161.963
155.96
155.3922

25
0.466
0.975449
0.98449
0.985389

231.740
229.61
229.4027

25
0.466
1.030167
1.01751
1.016251

292.944
296.58
296.9561

25
0.466
1.061677
1.032747
1.029869

84.9682
87.3483
87.59248

25
0.466
1.070324
1.03597
1.032552

120.230
124.217
124.6285

25
0.466
1.092167
1.039732
1.034515

332.844
349.630
351.3934

25
0.466
1.103244
1.027304
1.019749

366.169
393.237
396.1509

25
0.466
1.093305
0.995667
0.985954

383.704
421.331
425.4819

25
0.466
1.054581
0.933438
0.921386

344.652
389.381
394.4749

25
0.466
0.96389
0.817434
0.802863

243.857
287.548
292.7667

25
0.466

2563.07
2734.86
2754.24

1.63404
1.74355
1.755913

mi(=cosα+sinα*tanφ/K)
(Wi*tanφ+c*li*cosα)/mi
R
φ
tanφ
K1=1.756
K2=1..757
K3=1.757

K=1.756
K2=1.757
K3=1.757
30.86

0.931363
0.931391
0.931391

155.3343
155.3295
155.3295

25
0.466
0.98548
0.985488
0.985488

229.3814
229.3797
229.3797

25
0.466
1.016123
1.016113
1.016113

296.9935
296.9966
296.9966

25
0.466
1.029577
1.029553
1.029553

87.61733
87.61939
87.61939

25
0.466
1.032206
1.032177
1.032177

124.6704
124.6739
124.6739

25
0.466
1.033986
1.033942
1.033942

351.5734
351.5883
351.5883

25
0.466
1.018982
1.018919
1.018919

396.4491
396.4737
396.4737

25
0.466
0.984968
0.984886
0.984886

425.9078
425.9431
425.9431

25
0.466
0.920163
0.920062
0.920062

394.9994
395.0428
395.0428

25
0.466
0.801384
0.801262
0.801262

293.307
293.3518
293.3518

25
0.466

2756.234
2756.399
2756.399

1.757184
1.75729
1.75729

用迭代法试算假定计算结果Fs 与假定接近，故得土坡的稳定安全系数Fs2=1.757。

二、 在滑动圆弧圆心辅助线上取同一圆心点O3，作半径为R3=29.04m 的圆弧滑动面，按断面形式将滑动面分为13个土条，如图2-5计算其稳定性，计算结果如下表：
图2-5 圆心为O3的滑动面示意图
表2-3 土坡稳定性计算表
土条号
li
面积
Wi
sinα
cosα
wi*sinα
Wi*tanφ
ci*li*cosα
1
4.42
8.48
172.14
-0.42
0.90752
-72.2988
80.21724
100.2814
2
4.14
23.6
479.08
-0.28
0.96
-134.142
223.2513
99.36
3
4.04
36.12
733.24
-0.14
0.99015
-102.654
341.6898
100.0053
4
1.07
11.48
233.07
-0.05
0.99874
-11.6535
108.6106
26.71654
5
1.5
16.65
338
-0.02
0.9998
-6.76
157.508
37.4925
6
1.41
16.52
335.28
0.04
0.9992
13.4112
156.2405
30.99517
7
4.06
52.56
1066.97
0.14
0.99015
149.3758
497.208
88.44033
8
4.15
59.69
1211.67
0.28
0.96
339.2676
564.6382
87.648
9
4.37
64.44
1308.13
0.41
0.91208
536.3333
609.5886
87.6879
10
4.78
57.76
1172.53
0.545
0.83843
639.0289
546.399
88.16993
11
5.5
45.52
924.06
0.68
0.73321
628.3608
430.612
88.71867
12
7.3
27
548.1
0.82
0.57236
449.442
255.4146
91.92158
13
3.73
2.47
50.04
0.92
0.39191
46.0368
23.31864
32.16082

2473.748

mi(=cosα+sinα*tanφ/K)
(Wi*tanφ+c*li*cosα)/mi
R
φ
tanφ
K1=1
K2=1.966
K3=2..083

K=1
K2=1.966
K3=2..083

0.711804
0.80797
0.813563

253.579
2