东南大学路基路面课程教学设计报告.doc

^` 沥青路面厚度设计 计 算 书 学号： 姓名： 班级： 成绩： 日期： 2014年9月 沥青路面厚度设计 A、基本情况 某地拟新建一条二级公路省道，路线总长21km，双向四车道，路面宽度为16m，该地属公路自然区划IV区，路基为低液限粘土土质，填方路基最大高度2.1m，路床顶距地下水位平均高度1.4m，属中湿状态，根据室内试验法确定土基回弹模量50MPa，年降雨量1200mm，最高气温39℃，最低气温-10℃。 拟采用沥青混凝土路面，根据规范规定，查表得其设计使用期12年。 B、交通荷载情况 根据区域交通分析预测近期交通组成和交通量如表1所示，交通量年平均增长率为4%。 表1 近期交通组成与交通量 车型分类 代表车型 数量（辆/d） 小客车 桑塔纳2000 2280 中客车 江淮AL6600 220 大客车 黄海DD680 450 轻型货车 北京BJ130 260 中型货车 东风EQ140 660 重型货车 黄河JN163 868 铰接挂车 东风SP9250 330 要求：试根据交通荷载等级，选择相应的基层（和底基层）材料进行组合设计，并根据进行沥青路面厚度设计计算，编制计算书（计算书格式及编目示例附后）。 一、基本设计条件与参数 依题意得，基本设计条件如下：新建二级公路，双向四车道，路面宽度16m，公路自然区划IV区，低液限粘土土质，填方路基最大高度2.1m，路床顶距地下水位平均高度1.4m，中湿状态，年降雨量1200mm，最高气温39℃，最低气温-10℃。 基本参数如下：土基回弹模量50MPa，设计使用期12年，交通量年平均增长率为4%。 二、交通量分析 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。 1. 当设计弯沉值为指标时，当量轴次计算公式及计算结果如下： 汽车车型 Pi(kN) C1 C2 ni(次/日) C1C2ni(Pi/P)4.35次/日 黄海DD680 前轴 49.00 1 1 450 20.2100 后轴 91.50 1 1 450 305.7696 东风EQ140 后轴 69.20 1 1 660 133.0471 黄河JN163 前轴 58.6 1 1 868 84.8935 后轴 114.00 1 1 868 1534.8143 东风SP9250 前轴 50.70 1 1 330 17.1909 后轴 113.30 3.4 1 330 1931.4922 （P=100kN） 4027.418 注：轴载小于25kN的轴载作用不计 查《规范》得该公路车道系数为0.4，累计当量轴次计算如下： 属于中等交通。 2. 以半刚性基层层底拉应力为指标计算当量轴次 汽车车型 Pi(kN) C1’ C2’ ni(次/日) C1’C2’ni(Pi/P)8次/日 黄海DD680 后轴 91.50 1 1 450 221.0962 东风EQ140 后轴 69.20 1 1 660 34.7051 黄河JN163 前轴 58.6 1 1 868 12.0698 后轴 114.00 1 1 868 2476.045 东风SP9250 前轴 50.70 1 1 330 1.4407 后轴 113.30 5 1 330 4480.4664 （P=100kN） 7225.823 注：轴载小于50kN的轴载作用不计 查《规范》得车道系数为0.4，累计当量轴次计算如下： 属于重交通。 由1、2计算可得，该设计道路的累积轴载情况属于重交通级别。 3、 结构组合设计 1.初拟结构组合和材料选取 参照《规范》，本道路设计选用6层基本层位，路面结构面层采用沥青混凝土(18cm)，其中表面层采用细粒式密级配沥青混凝土(厚度4cm)，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土(厚度6cm)，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土(厚度8cm)；基层采用水泥稳定碎石（厚度取20cm）；底基层采用石灰土（厚度待定），初拟厚度40cm。 2.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回弹模量和劈裂强度。抗压回弹模量取20℃的模量，得到20℃的抗压回弹模量：细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa，水泥碎石为1500MPa，石灰土550MPa。 弯拉回弹模量和弯拉强度沥青层取15℃的值，分别为2000MPa、 1800MPa、1200MPa、3550MPa、1480MPa。 各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为1.4MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1.0MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为0.8MPa，水泥碎石为0.5MPa，石灰土0.225MPa。 3.土基回弹模量的确定 依题意得土基回弹模量为50MPa。 四、弯沉计算 本公路为二级公路，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。该路面结构属于弹性层状体系，计算较复杂，因此借助计算机软件完成计算任务，计算结果如下： 路面设计弯沉 五、层底拉应力计算 通过电算程序计算得到，各层层底拉应力与容许拉应力计算结果如下： 层位 厚度（cm） 类型 层底拉应力（MPa） 容许拉应力 （MPa） 1 4 细粒式密级配沥青砼 -0.2330 0.5071 2 6 中粒式密级配沥青砼 -0.0397 0.3622 3 8 粗粒式密级配沥青砼 -0.0204 0.2898 4 20 水泥稳定碎石 0.2537 0.2537 5 40 石灰土 0.0888 0.8888 六、设计极限状态验证 极限状态验证如下： 路面厚度验证如下： 因此方案一符合设计要求。 七、设计成果优化 由于设计道路等级仅为二级公路，出于节省沥青用料的目的，新的方案从减少沥青层厚度的角度考虑，同时加厚水泥稳定碎石基层厚度，在保证路面承载能力和满足最小防冻厚度的要求，底基层厚度也可得到一定的缩减。 设计方案如下： 1.初拟结构组合和材料选取 路面结构面层采用沥青混凝土(15cm)，其中表面层采用细粒式密级配沥青混凝土(厚度4cm)，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土(厚度5cm)，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土(厚度6cm)；基层采用水泥稳定碎石（厚度取30cm）；底基层采用石灰土（厚度待定），初拟厚度30cm。 2. 各层材料的抗压模量与劈裂强度与设计弯沉计算同方案一。 路面设计弯沉 五、层底拉应力计算 通过电算程序计算得到，各层层底拉应力与容许拉应力计算结果如下： 层位 厚度（cm） 类型 层底拉应力（MPa） 容许拉应力 （MPa） 1 4 细粒式密级配沥青砼 -0.2331 0.5071 2 6 中粒式密级配沥青砼 -0.0689 0.3622 3 8 粗粒式密级配沥青砼 -0.0433 0.2898 4 20 水泥稳定碎石 0.2537 0.2537 5 40 石灰土 0.0888 0.8888 六、设计极限状态验证 极限状态验证如下： 路面厚度验证如下： 因此方案二符合设计要求。 综上，方案二和方案一都能满足强度和弯沉指标的要求，但方案二中路面结构层总厚度和沥青面层厚度降低，造价更加低廉，因此，在道路要求不高的条件下，可选择方案二。  普通水泥混凝土路面板厚设计 计 算 书 学号： 姓名： 班级： 成绩： 日期： 2014年9月 普通水泥混凝土路面板厚设计 A、基本情况 某地拟新建一条二级公路省道，路线总长21km，双向四车道，路面宽度为16m，该地属公路自然区划IV区，路基为低液限粘土，路床顶距地下水位平均高度1.4m，本地石料以砂岩为主。 拟采用普通水泥混凝土路面，根据规范规定，查表得其设计基准期20年，目标可靠度85%。综合以往工程情况，结合施工企业一般技术、设备和工艺水平，确定其变异水平等级为“中”。 B、交通荷载情况 根据区域交通分析确定：设计车道初始年平均日标准轴载作用次数Ns为3775，交通量年平均增长率为4%；设计荷载选定为单轴双轮100kN，单次极限荷载经调研选定为单轴双轮170kN。 C、其他已知情况 选定平面尺寸：5m长，4m宽。 接缝：缩缝为设传力杆的假缝，纵缝为带拉杆的平头真缝。 路肩：基层材料与路面相同，面层采用与面层同厚度水泥混凝土，与路面板间设拉杆连接。 要求：试根据交通荷载等级，选择相应的基层（和底基层）材料进行组合设计，并根据初估板厚进行板厚设计计算，编制计算书（计算书格式及编目示例附后）。 1、 基本设计条件与参数 依题意得：设计道路为二级公路，路面宽度16m，属公路自然区划IV区，路基为低液限粘土，路床顶距地下水位平均高度1.4m，设计基准期20年，目标可靠度85%，变异水平等级为“中”；设计车道初始年平均日标准轴载作用次数Ns为3775，交通量年平均增长率为4%；设计荷载选定为单轴双轮100kN，单次极限荷载经调研选定为单轴双轮170kN。 2、 交通量分析 由题意可知年交通量平均增长率为4%，由《规范》得临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数为0.39。计算设计基准期内设计车道标准轴载累计作用次数如下： 查表得设计道路交通量等级属于重交通。 三、结构组合设计 参照《规范》，根据二级公路、重交通和中级变异水平，查表得初拟定路面结构组合如下：面层选用普通混凝土，厚度为0.25m；基层选用水泥稳定碎石，厚度为0.20m，底基层选用水泥稳定碎石，厚度为0.20m。 普通混凝土板的尺寸选定为长5m，宽4m。 4、 路基参数计算 1.参数选择 查表得取重交通荷载等级要求路基综合回弹模量该值为80MPa。 查表得水泥混凝土弯拉强度标准值5.0MPa，相应弯拉模量31GPa，泊松比取0.15，线胀系数为1.010-5/℃。 查表得取水泥稳定碎石基层回弹模量为2500MPa，水泥稳定碎石底基层为1500MPa，7d浸水抗压强度分别为5.5MPa和2.5MPa，上层的泊松比取为0.20。 2.综合回弹模量计算 因双层水泥稳定碎石基层，故选择分离式双层板模型。因除路基外只有单层基层，所以： 五、荷载应力计算 1. 上层板在设计荷载作用下的荷载应力计算 上层板弯曲刚度： 下层板弯曲刚度： 双层板总的刚度半径： 标准轴载在临界荷位处产生的的荷载应力按下式计算： 下层板材料为水稳碎石，无需计算其荷载应力。 2. 计算荷载疲劳应力 查《规范》得应力折减系数kr=0.87；二级公路kc =1.05；荷载疲劳应力系数kf： 荷载疲劳应力： 3. 计算轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力 设计轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力： 最重轴载在面层板临界荷位处产生的荷载应力计算公式与σps相同，但要用最重轴载Pm代替式中的设计轴载Ps。最重轴载在临界荷位产生的最大荷载应力： 六、温度应力计算 1. 最大温度梯度时混凝土面层板最大温度应力 计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数BL：面板计算与弹性地基单层板模型相比，温度翘曲应力系数CL计算公式不同，其他都相同，下层板不考虑其温度应力。 查表IV区取最大温度梯度取88℃/m，计算最大温度应力如下： 2. 面层板临界荷位处产生的温度疲劳应力 查表得at、bt和ct分别为0.843、1.323、0.058，计算温度疲劳应力系数如下： 七、设计极限状态验证 极限状态验证如下： 故设计符合要求。 8、 设计成果优化 方案一普通混凝土面层厚度为25cm，疲劳极限状态的综合疲劳应力达4.234MPa，与材料的弯拉强度标准值有一定差距，故方案二可考虑降低面层厚度，取面层厚度为22cm。经计算，极限状态验证如下： 设计满足要求，根据《规范》最终结果需加6mm磨耗层，并向上取整，取23cm。故方案设计如下：面层选用普通混凝土，厚度为0.23m；基层选用水泥稳定碎石，厚度为0.20m，底基层选用水泥稳定碎石，厚度为0.20m。普通混凝土板的尺寸选定为长5m，宽4m。 重力式挡土墙设计 计 算 书 学号： 姓名： 班级： 成绩： 日期： 2014年9月 重力式挡土墙设计 基本情况 二级公路，路基宽8.5m，双车道路面，其中K0+007～K0+027需拟设计路肩式挡土墙，分段长度10m，端部设锥形护坡。要求设置普通重力式挡墙，墙身及基础采用浆砌片石（250#片石，50#砂浆），g砌体＝22kN/m3，浆砌片石扩大基础下采用砂砾石材料（基础埋深为地面以下1m），m＝0.6。墙后填筑普通粘性土，g填土＝18kN/m3，计算内摩擦角f＝30，填土与墙背间的摩擦角d=f/2＝15。地基承载应力标准值为fk=450kPa，圬工砌体的极限抗压强度为700kPa、极限抗弯拉强度为110kPa、极限抗剪切强度为80kPa。 1、 确定墙身断面构造与尺寸 墙身断面如图1所示 图1 重力式挡土墙墙身断面 （单位：cm） 二、土压力计算 库仑法适用条件：墙背倾斜、粗糙，墙后填土不水平，假定破裂面为平面、填料为砂性土（c=0）、破坏土体为刚性。一般粘性土填料的水平填土也可近似用库仑法计算土压力。 边界条件：路肩墙，无内侧边坡，荷载布置在全宽范围，刚好从墙内侧布置，破裂角交于荷载中部。 采用库仑法计算主动土压力： 已知：，， 车辆荷载换算： 则或（舍去），所以， ， 3、 墙体抗滑及抗倾覆稳定性验算 （1）抗滑稳定性验算 需满足： 取单位长度，可得： 故满足抗滑要求 （2）抗倾稳定性验算 需满足： 故满足抗倾稳定性的要求。 4、 基底应力及合力偏心距验算 基底合力偏心距要求：，符合偏心距要求。 故满足地基承载力的要求。 5、 墙身断面强度验算 1.强度计算（取1/2高处的水平断面）进行验算： 则或（舍去），所以，， 又 因此 所以 因为此路肩墙为矮墙，可以不考虑纵向稳定问题。 （2）正截面直接受剪时验算 综上所述，设计挡土墙符合要求。 悬臂式挡土墙设计 计 算 书 学号： 姓名： 班级： 成绩： 日期： 2014年9月 悬臂式挡土墙设计 A、内容要求 悬臂式挡土墙由立臂和墙底板组成，呈倒“T”字型。其具有三个悬臂，即立臂、墙趾板和墙踵板，适用于墙高小于6米的挡土墙，其形式如图2所示。 悬臂式挡土墙的设计，包括墙身构造设计、墙身截面尺寸的拟定、结构稳定性和基底应力验算以及墙身配筋计算等。墙身构造设计是指挡土墙的外形构造设计，一般悬臂式挡土墙的外形即如上图所示；墙身截面尺寸的拟定是指已知部分条件，根据对挡土墙的使用要求设计其它部位的尺寸；结构稳定性和基底应力验算是根据设计的一定尺寸的挡土墙，验算其在荷载、土压力等因素作用下是否满足规范的设计要求等。 B、工程实例 某城市道路拓宽改造工程，采用轻型悬臂式路肩墙，其构造特点、荷载条件、道路状况初步见图3： 图2 轻型悬臂式路肩墙 其它资料： （1）行车荷载：道路行车荷载为汽—20级，换算为汽车等代土层厚H0＝0.96m； （2）墙后填土：墙后填土的容重g1＝15kN/m3，内摩擦角f＝35； （3）墙前填土：墙前填土的容重g2＝18kN/m3； （4）墙底参数：基底摩擦系数m＝0.4，地基承载应力值为f=200kPa； （5）墙体参数：墙体采用30号混凝土浇筑，容重为g3＝25kN/m3。 C、课程设计内容 1）根据以上工程实例资料，参照悬臂式挡墙设计内容要求，设计该挡土墙。 2）将其改为普通重力式挡墙，重新设计该挡土墙，并比较其与悬臂式挡墙在结构形式和计算方法方面的异同。 （一）悬臂式挡土墙设计 一、确定墙身断面构造与尺寸 图3 墙身结构设计图（单位：cm） 墙身断面如图所示，各项数据符合作业设计要求，下面进行挡墙计算。 二、力学计算 1. 土压力计算 墙外土体水平，墙背竖直且光滑，采用朗肯土压力理论进行土压力计算。 汽车等效土层厚度： 地面处水平应力： 悬臂底B点水平应力： 底板C点水平应力： 由于挡土墙所受应力图为梯形，力臂难以确定，故将荷载产生的压力、力臂和土产生的压力、力臂分开计算： 荷载合力： 荷载力臂： 土压力： 土压力臂： 2. 竖向荷载计算 （1）立板自重力 立板重心坐标 （2）底板自重力 底板重心坐标 （3）地面均布荷载及填土的自重力： 地面均布荷载及填土的总重心坐标 三、稳定性计算与分析 1. 抗滑稳定性 竖向力之和 抗滑力 滑移力 故挡土墙抗滑稳定性满足要求。 2. 抗倾覆稳定性 稳定力矩： 倾覆力矩： 故挡土墙抗倾覆稳定性满足要求。 四、基底应力与偏心距计算 1. 偏心距计算 地面承载力采用设计荷载，各项荷载的分项系数查《规范》可得：地面活荷载；土荷载；自重。 竖向荷载引起的弯矩： 水平力引起的弯矩 总竖向力： 初始偏心距： 偏心距： 基底应力计算; 故挡土墙基底应力满足要求。 （二）改为重力式挡土墙 一、确定墙身断面构造与尺寸 图4 重力式挡墙设计构造（单位：cm) 墙身断面如图所示，H=4m，顶宽0.8m，底宽取0.8+4*0.35=2.2m，下面进行挡墙计算。 二、 力学计算 1. 土压力计算 填土表面水平，墙背竖直且光滑，用朗肯土压力理论公式。 力臂大小： 2. 挡土墙自重及重心计算 浆砌块石重度，为简便计算，将挡土墙划分为三角形和矩形，分别计算重心和自重。 三角形自重： 矩形自重： 作用点距墙趾O点的水平距离： ， 三、 稳定性计算 1. 抗滑稳定性计算 故挡土墙抗滑稳定性满足要求。 3.2 抗倾覆稳定性 故挡土墙抗倾覆稳定性满足要求。 四、基底承载力与偏心距计算 总竖向力： 合力作用点距墙趾O点的水平距离： 偏心距： 最大压应力： 最小压应力： 平均压应力： 故基底应力符合要求。 五、墙身强度验算 根据设计要求，仅验算墙身的1/2截面处的强度： 该截面上的水平压力： 水平压力力臂： 截面上的自重（划分为三角形和矩形分别计算）： ， 截面上的竖向力之和： 作用点到截面前缘点O点的水平距离： ， 合力作用点至1/2截面最远处A点水平距离： 偏心距： 截面上的法向应力验算： 故截面强度符合要求。 综上，挡土墙的设计符合要求。 六、重力式挡土墙与悬臂式挡土墙的异同 1. 共同点：均是目前较为常用的挡土墙形式。 2. 不同点： （1）重力式挡土墙：重力式挡土墙依靠墙身自身重力支撑土压力来维持其稳定，形式简单，墙背竖直，施工方便，不需配筋，土压力计算简便。 （2）悬臂式挡土墙：悬臂式挡土墙由立臂和底板构成，有三个悬臂，即立臂、趾板和踵板，墙身断面较小，属于轻型挡墙，但需要配筋，结构的稳定性依靠踵板上的填土重量来保证。