路基路面工程课程设计

路基路面工程 课程设计

计 算 书

班级：X三 XX：李四 学号：王五

一、原始资料

某高速公路地处公路自然区划Ⅱ区，土基干湿类型为中湿。由交通调查某公路竣工初年的交通组成如下表，预测交通增长率为8％。

东风EQ140 黄河JN150 黄河JN162 交通141 长征CZ361 XXSX161 BJ130 跃进NJ130 车型 前轴重 （KN） 23.70 49.00 59.50 25.55 47.60 . 13.55 15.30 后轴重 后轴（KN） 数 69.20 101.60 115.00 55.10 2*90.70 2*91.25 27.20 38.30 1 1 1 1 2 2 1 1 后轴轮组数 双 双 双 双 双 双 双 双 后轴交通量 距 （次*日-1（cm） ） 300 200 50 250 132.0 70 135.0 60 50 60 二、沥青混凝土路面设计

1、轴载分析

根据设计规X，公路等级为高速公路，设计年限取为15年，按双向四车道设计，车道系数是0.40-0.50，取0.45。

将交通组成数据输入东南大学HPDS2011软件，获得累计当量轴次与交通等级：

当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，设计年限内一个车道上的累计当量轴次为321万次，属中等交通等级。

当以半刚性材料结构层层底拉应力为指标时，设计年限内一个车道上的累计当量轴次为277万次，属轻交通等级。

一个车道上大客车以与中型以上各种货车的日平均车数为418辆，属轻交通等级。

依据我国沥青路面交通等级划分规定，该高速公路为中等交通等级。 2、初拟路面结构组合设计

根据本地区的路用材料，结合已有工程经验与典型结构，拟定了两个结构组合方案。根据结构层的最小施工厚度、材料、水文、交通量一集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：

方案一：柔性基层沥青路面

细粒式沥青混凝土AC-13（4cm）+中粒式沥青混凝土AC-20（6cm）+密级配沥青碎石ATB-30（14cm）+贯入式沥青碎石（厚度待定）+级配碎石（20cm），以贯入式沥青碎石为设计层。

方案二：半刚性基层沥青路面

细粒式沥青混凝土AC-13（4cm）+中粒式沥青混凝土AC-20（6cm）+粗粒式沥青混凝土AC-25（8cm）+水泥稳定碎石（厚度待定）+水泥石灰砂砾土（20cm），以水泥稳定碎石为设计层。

3、各层材料抗压模量与劈裂强度确定

高等级公路规X规定材料设计参数需试验确定，本课程设计由于条件，材料设计参数直接取用沥青路面设计规X中建议数值，得到各层材料抗压模量与劈裂强度。

资料汇总

材料名称 AC-13 AC-20 AC-25 ATB-30 贯入式沥青碎石 级配碎石 水泥稳定碎石 水泥石灰砂砾土

抗压回弹模量（MPa） 20℃ 1400 1200 1000 1200 500 225 1300 1000 15℃ 2000 1800 1200 1400 500 225 3600 1850 劈裂强度(MPa) 1.4 1.0 0.8 0.8 — — 0.5 0.35 4、土基回弹模量确定

该路段处于Ⅱ2区，粉质土，路基处于中湿状态，稠度取为1.0，查《二级自然区划各土组土基回弹模量参考值表》得土基回弹模量为29MPa，根据《公路沥青路面设计规X》规定，土基回弹模量应大于30MPa，取31MPa。

5、路面结构层厚度确定确定 （1）方案一的结构厚度确定

该结构为柔性基层沥青路面，公路等级系数为1.0，面层系数为1.0，路面结构类型系数为1.6，设计弯沉值为48.00（0.01mm）。利用东南大学HPDS2011软件计算出满足设计弯沉指标要求的结构层厚度为7.4cm，同时满足层底拉应力

要求。设计厚度取贯入式沥青碎石层为8cm。各结构层验算结果见下表。

结构厚度计算结果

结构层材料名称 AC-13 AC-20 ATB-30 贯入式沥青碎石 级配碎石 土基

抗压回弹模量（MPa） 20℃ 15℃ 1400 2000 1200 1800 1200 1400 500 225 31 500 225 — 劈裂强度（MPa） 1.4 1.0 0.8 — — — 厚度（cm） 4 6 14 8 20 — 层底拉应容许拉应力力（MPa） （MPa） -0.33 0.58 -0.05 0.41 0.24 0.33 — — — — — — （2）方案二的结构厚度确定

该结构为半刚性基层沥青路面，公路等级系数为1.0，面层系数为1.0，路面结构类型系数为1.0，设计弯沉值为30.00（0.01mm）。利用东南大学HPDS2011软件计算出满足设计弯沉指标要求的结构层厚度为16.1cm；满足层底拉应力要求的结构层厚度为23.4cm。设计厚度取水泥稳定碎石层为24cm。各结构层验算结果见下表。

结构厚度计算结果

结构层材料名称 AC-13 AC-20 AC-25 水泥稳定碎石 水泥石灰砂砾土 土基

抗压回弹模量（MPa） 20℃ 15℃ 1400 2000 1200 1800 1000 1400 1500 1000 31 3600 1850 — 劈裂强度（MPa） 1.4 1.0 0.8 0.5 0.35 — 厚度（cm） 4 6 8 24 20 — 层底拉应容许拉应力力（MPa） （MPa） -0.16 0.58 -0.07 0.41 -0.08 0.33 0.13 0.15 — 0.28 0.15 — 6、方案确定

方案一沥青层厚度24cm，总厚度为52cm；方案二沥青层厚度18cm，总厚度62cm。考虑建设成本和实际需求，选择方案二作为最终方案。

7、路面结构图绘制

路面结构图、分隔带细部构造图、路缘石大样图与工程数量统计表。

三、水泥混凝土路面设计

1、交通量分析

根据水泥混凝土路面设计轴载换算方法，忽略小客车和车辆前轴对路面结构

P计算的影响，计算各车型的轴载换算系数ii，得到标准轴载作用次数见

10016下表：

车型 东风EQ140 JN150 黄河JN162 交通141 长征CZ361 XXSX61 BJ130 跃进NJ130

通过次数 （次/日） 300 200 50 250 70 60 50 60 后轴重（KN） 69.20 101.60 115.00 55.10 90.70 91.20 27.20 38.30 i(Pi16) 100标准轴次 （次/日） 0.9 257.8 467.9 0.0175 标准轴次合计（次/日） 0.003 1.2 9.358 0.00007 8.3107 9.1107 5.81105 726.62 5.46105 4.49108 1.26105 91010 2.1107 2、累计当量轴次计算

根据现行《公路水泥混凝土路面设计规X》（JTGD40-2002），次路面设计基准期为30年，交通量方向系数取为0.5，交通量车道系数为0.7，车辆路基横向分布系数选为0.22，计算设计年限累计当量轴次为：

tNs1gr1365Ne0.50.9gr30726.6210.0813650.220.50.9

0.0829.7104因此，可以判断该水泥混凝土路面交通为中等交通等级。 3、初拟路面结构组合设计

根据公路等级、路基干湿状态、公路交通等级与所在地区的气候条件、材料调查，拟定面层采用普通混凝土路面结构，厚度初定为26cm；基层采用石灰粉

煤灰稳定粒料20cm，底基层采用级配碎石20cm。

4、路面分块布置与接缝设计

拟定行车道混凝土板的平面尺寸为4.5m5.0m，两侧硬路肩与行车道之间砌筑水泥混凝土路缘石，硬路肩与行车道采用相同面层厚度。

在设计中，横向施工缝为设传力杆平缝，横向缩缝为设传力杆的假缝，在邻近桥梁或固定建筑物处，或与其他类型路面相连处、小半径曲线和纵坡变换处，应设置横向胀缝。纵缝施工缝和缩缝均为设拉杆的平头缝。纵缝与横缝尽可能垂直正交，避免板块形成错缝和锐角形式。

5、混凝土面板弯拉应力与厚度设计 （1）基层顶面当量回弹模量

根据自然区划、干湿状态和土基组成，取土基顶面回弹模量E040MPa。查《规X》附录E，取石灰粉煤灰稳定粒料回弹模量E11750MPa，级配碎石底基层回弹模量E2215MPa。

2h12E1h2E22021750202215Ex982.5MPa2222h1h22020hE1hE2h1h211Dx12124Eh11E2h23132221175020360020320201112124175020600205.14MNmhx312DxEx3125.14982.50.397m10.450.45Ex982.5a6.2211.516.2211.513.99640E0Eb11.44xE0EbEtahxE0xE0

0.55982.511.44400.7520.550.75213133.9960.397982.54040232MPa

（2）荷载疲劳应力

根据《规X》中相关规定，中等交通等级的水泥混凝土弯拉强度标准值为

fr4.5MPa,相应抗压强度取35.8MPa，弯拉弹性模量取Ec29GPa。计算混凝

土相对刚性半径为：

Er0.537hcEt13290000.5370.26232130.698m

临界荷位处产生的荷载应力为：

ps0.077r0.60h20.0770.6980.600.2620.918MPa

因为纵缝为设拉杆的平头缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr0.87。按公路等级，偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数取Kc1.30。计算疲劳应力系数为：

KfN29.710ve40.0571.799

计算临界荷位作用下混凝土板荷载疲劳应力为：

prKrKfKcps0.871.7991.300.9181.868MPa

（3）温度疲劳应力

自然区划Ⅱ2区的最大温度梯度取Tg88℃/m，温度线膨胀系数取

c1.0105/℃，板长为5m，

l5.07.163，查《温度应力系数图》得r0.698h0.26m，Bx0.60。计算最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：

tmcEchTg21105290000.2688Bx0.601.991MPa

2在自然区划Ⅱ2区中，回归系数a0.828，b0.041，c1.323， 温度疲劳应力系数为：

c1.3234.5frtm1.991aKtb0.8280.0410.4 tmfr1.9914.5计算温度疲劳应力为：

trKttm0.41.9911.083MPa

（4）综合疲劳应力验算

根据《规X》规定，高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变

异水平为低级，目标可靠度为95%，确定可靠度系数r1.20。验算：

rprtr1.201.8681.0833.1MPaMPa

因而，所选用普通混凝土面层厚度26cm可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

6、方案确定

根据《规X》规定，水泥混凝土面层的设计厚度依据计算厚度加6mm磨耗层后，按10mm向上取整。最终确定面层采用普通混凝土路面结构，厚度为27cm；基层采用石灰粉煤灰稳定粒料20cm，底基层采用级配碎石20cm。

7、路面补强设计 （1）边缘钢筋

11采用直径14mm的螺纹钢筋，设在板的下部h~h（h为混凝土板厚），且

43距离边缘和板底厚度均不小于5cm，两根钢筋的间距不应小于10cm。纵向边缘钢筋只设在一块板内，不穿过缩缝，以免妨碍板的翘曲。为加固锚固能力，钢筋两端应向上弯起。

（2）角隅钢筋

设在胀缝两侧板的角隅处，用两根直径14mm长2.4m的螺纹钢筋弯成需要的形状，角隅钢筋设在板的上部，距板顶面不小于5cm，距胀缝和板边缘各为10cm。

8、设计图纸绘制

路面结构图、分隔带大样图、道牙构造图、路肩大样图、横纵缝平面布置图与接缝构造和补强设计详图