路基路面课程课设高速公路沥青及水泥混凝土路面设计道路桥梁方向.doc

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1、路基路面工程课程设计任务书目录1 设计资料11.1工程概况11.2设计资料 11.3 设计目任务 12 交通量分析23 沥青路面设计24 水泥混凝土路面设计114.1 混凝土路面设计基准期114.2 标准轴载及轴载当量换算114.3 拟定路面结构124. 4 方案一计算(手算) 134 确定材料参数134计算荷载疲劳应力144计算温度疲劳应力154.5方案二计算（软件计算）164.6接缝设计175 方案比选186 总结体会197 参考文献191 设计资料1.1 工程概况拟设计路面属某段高速公路.路段位于平原微丘区,公路自然区划为2 区,地震烈度为六级,设计标高,地下水位。1.2 设计资料所经地

2、区多处为粘性土。根据最新路网规划,预测使用初期2012年平均日交通量见下表：表1-1交通组成及交通量表车型双向交通量小客车SH130912大客车SH141173跃进牌NJ130647东风牌EQ140344黄河牌JN150420日野KB22286太894交通量年平均增长率脱拉13（）7.2 1.3 设计目任务（1）根据所给资料,利用 HPDS2006公路路面设计程序系统进行路面结构设计(沥青路面水泥路面至少各2种不同路面结构各，其中水泥路面结构手工完成一个方案计算)。(2)进行水泥混凝土路面及沥青路面结构,厚度设计,水泥混凝土路面级构组合设计、板厚度设计、接缝设计等，并比选按方案。2 交通量分析

3、公路工程技术标准规定：四车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车年平均日交通量 25000 -55000 辆六车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车年平均日交通量 45000 -80000 辆八车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车年平均日交通量 60000 -100000 辆表2-1 交通量及换算系数车型小客车SH-130大客车SH-141跃进牌NJ-131东风牌EQ-140黄河牌JN-150日野KB222太脱拉138交通量（辆/日）8761694722702708177换算系数2.0换算交通量（pcu/d）9121736473444208694将上表折成小客车，对所给交通量进行换

4、算：N= 912+1731.5+（647+344+420+86+94）,设计年限为30年时，N= Nd= N0(1+)n-1远期交通量32690辆，故设计为四车道高速公路即可满足交通量要求。3沥青路面设计设计年限内车道累计轴次根据公路沥青路面设计规范规定.路面设计以双轮组单轴载 100KN为标准轴载。标准轴载计算参数按表3-1确定表3-1 标准轴载计算参数标准轴载名称BZZ-100标准轴载名称BZZ-100标准轴载P（KN）100单轮当量圆直径d（mm）轮胎接地压强P（Mpa）两轮中心距（cm）15d轴载换算（弯沉及沥青层弯拉应力分析）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

5、轴轴载大于25kN各级轴载作用次数均换算成标准轴载当量作用次数。式中： 以设计弯沉值与沥青层层底拉应力为指标时标准轴载当量次数； 被换算车型各级轴载换算次数（次/日）； 标准轴载（）； 各种被换算车型轴载（）； C1 轮组系数，单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轴组为0.38； C2 轴数系数。 被换算车型轴载级别。当轴间距离大于3m时，按单独一个轴载计算；当轴间距离小于3m时，双轴或多轴轴数系数按下面公式计算：式中：m轴数。则其设计年限内一个车道上累计量轴次： 式中 设计年限内一个车道累计当量次数； t 设计年限，由材料知，t=15年； 设计端竣工后一年双向日平均当量轴次； 设计年限内交通量

6、平均增长率，由材料知，=； 车道系数，由材料知=0.45。则：次 轴载换算（半刚性层弯拉应力分析）验算半刚性基层层底拉应力累计当量轴次时，凡轴载大于50KN各级轴载作用次数均按下式换算成标准轴载当量作用次数。式中： 以设计弯沉值与沥青层层底拉应力为指标时标准轴载当量次数； 被换算车型各级轴载换算次数（次/日）； 标准轴载（）； 各种被换算车型轴载（）； 轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。 轴数系数；则其设计年限内一个车道上累计量轴次为： 次。 确定路面等级与面层类型路面等级、面层类型应及公路等级、交通量相适应。路面等级、面层类型选择应根据 公路等级及使用要求、 设计

7、年限内标准轴载累积当量轴次、筑路材料与施工机械设备等因 素按下表确定。 土基回弹模量确定路段位于平原微丘区,公路自然区划为2 区,地震烈度为六级,设计标高,地下水位。由公路沥青路面 设计规范JTG D50-2004附录 F 知此高度为 H2（2.0），属于中湿路基 路面结构方案设计方案一 * *新建路面设计成果文件汇总*一、轴载换算及设计弯沉值与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交通SH1411双轮组1732跃进NJ1311双轮组6473东风EQ1401双轮组3444东风KM340 491双轮组6005黄河JN1501双轮组4206

8、日野KB222 1双轮组867太脱拉13880 2双轮组394设计年限 15 5 表3-2 车型载重一个车道上大客车及中型以上各种货车日平均交通量N= 503 ,属轻交通等级当以设计弯沉值与沥青层层底拉应力为指标时 :路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 916 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 3839494 属中等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 : 705 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 2955069 属轻交通等级路面设计交通等级为中等交通等级公路等 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

9、计弯沉值 : 28.9 ()表3-3 劈裂强度容许拉应力层位结构层材料名称劈裂强度(MPa)容许拉应力(MPa)1细粒式沥青混凝土2中粒式沥青混凝土3粗粒式沥青混凝土4水泥稳定碎石5级配碎石6粗砂0二、新建路面结构厚度计算 新建路面层数 : 6 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 28.9 () 路面设计层层位 : 5 设计层最小厚度 : 150 (mm) 表3-4 厚度计算 层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MPa) (20)抗压模量(MPa) (15)容许应力(MPa)1细粒式沥青混凝土4140020002中粒式沥青混凝土6120016003粗粒式沥青混凝土129

10、0012004水泥稳定碎石15150015005级配碎石?5505506粗砂1501001507新建路基15036 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 28.9 () H( 5 )= 150 mm LS= 30.6 () H( 5 )= 200 mm LS= 28 () H( 5 )= 182 mm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力计算设计层厚度 : H( 5 )= 182 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 182 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 182 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 182 mm(第 4 层底面拉应力

11、计算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 182 mm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 182 mm(同时考虑弯沉与拉应力) 验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 600 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以及设计人员对路面厚度进一步修改, 最后得到路面结构设计结果如下: 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 120 mm 水泥稳定碎石 150 mm 级配碎石 190 mm 粗砂 150 mm 新建路基三、交工验收弯沉值与层底拉应力计算表3-5 弯沉值与层底拉应力 层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(MP

12、a) (20)抗压模量(MPa) (15)容许应力(MPa)1细粒式沥青混凝土4140020002中粒式沥青混凝土6120016003粗粒式沥青混凝土1290012004水泥稳定碎石15150015005级配碎石?5505506粗砂1501001507新建路基15036 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= 28.5 () 第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 32 () 第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 38 () 第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 53.1 () 第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 117.1

13、() 第 6 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 318 () 路基顶面交工验收弯沉值 LS= 258.8 () 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 ( 1 )=-0.231 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-0.044 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )=-0.002 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= 0.135 (MPa) 方案二 *新建路面设计成果文件汇总*一、 轴载换算及设计弯沉值与容许拉应力计算表3-6 轴载换算及设计弯沉值与容许拉应力序号车 型 名称前轴重(kN)后轴重(kN)后轴数

14、后轴轮组数后轴距(m)交通量1交通SH1411双轮组1732跃进NJ1311双轮组6473东风EQ1401双轮组3444东风KM340 491双轮组6005黄河JN1501双轮组4206 日野KB222 1双轮组867太脱拉13880 2双轮组394设计年限 15 车道系数 0.45 一个车道上大客车及中型以上各种货车日平均交通量N= 503 ,属轻交通等级当以设计弯沉值与沥青层层底拉应力为指标时 :路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 916 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 3839494 属中等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 :

15、 705 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 2955069 属轻交通等级路面设计交通等级为中等交通等级公路等级 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 : 28.9 ()表3-7 裂强度容许拉应力层位结构层材料名称劈裂强度(MPa)容许拉应力(MPa)1细粒式沥青混凝土2中粒式沥青混凝土3水泥稳定碎石4石灰土5粗砂二、新建路面结构厚度计算 新建路面层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 28.9 () 路面设计层层位 : 5 设计层最小厚度 : 150 (mm)表3-8 结构厚度层位结构层材料名称厚度(cm)抗压模量(

16、MPa) (20)抗压模量(MPa) (15)容许应力(MPa)1细粒式沥青混凝土6140020002中粒式沥青混凝土8120016003水泥碎石土2090012004石灰土15150015005粗砂?5505506新建路基15036 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 28.9 () H( 5 )= 150 mm LS= 1.8 () 由于设计层厚度 H( 5 )=Hmin时 LS7m行车道宽7m =11436313=1143104次 因为交通量10010411431042000104次，故可知交通属于重交通等级4.3拟定路面结构由上述及表16-20知相应于安全等级一级变异水平等级为低级

17、，根据高速公路重交通等级与低级变异水平等级查表16-17得初拟普通混凝土面层厚度大于240mm。普通混凝土板平面尺寸为宽，长5m，拟定各结构层厚：方案一：拟普通混凝土面层厚为260mm；基层选用水泥稳定粒料，厚为190mm；二级自然区划及规范知垫层为160mm天然砂砾（表4-3）方案二:面层初拟255mm，基层选用水泥稳定粒料，厚h1=200mm，垫层选用天然砂砾厚h2=160mm （表4-4） 表4-3 方案一层位基（垫）层材料名称厚度(cm)回弹模量(MPa)1水泥稳定粒料 1915002天然砂砾162003土基2030表4-4 方案二层位结构层材料名称厚度(cm) 回弹模量(MPa)1中

18、粒式沥青混凝土512002水泥稳定粒料1815003 中、粗砂15904土基304.4方案一计算(手算) 4 确定材料参数取普通混凝土面层弯拉强度标准值为5.0Mpa，相应弯拉弹性模量标准值为31Gpa；路基回弹模量为29Mpa；低剂量无机结合稳定土垫层回弹模量去600Mpa；水泥稳定粒料基层回弹模量取1300Mpa。基层顶面当量回弹模量值计算如下：表4-5 基层顶面当量回弹模量层位基（垫）层材料名称厚度(cm)回弹模量(MPa)1水泥稳定粒料 1915002天然砂砾162003土基2030=960.6 Mpa =3m= Mpa普通混凝土面层相对刚度半径为：4计算荷载疲劳应力根据高速公路、重交

19、通，初拟普通混凝土面层厚度为6m。由下列公式求得： 式中 混凝土板相对刚度半径（m）； H 混凝土板厚度（m）； Ec 水泥混凝土弯沉弹性模量（Mpa）； p 标准轴载Ps在临界荷位处产生荷载疲劳应力（Mpa）； kr 考虑接缝传荷能力应力折减系数，纵缝为设杆拉平缝，kr=0.87 0.92，纵缝为不设杆拉平缝或自由边界kr=1.0，纵缝为设杆拉企口缝，kr=0.76 0.84，； kc 考虑偏载与动载因素对路面疲劳损坏影响综合系数，按公路等级查下表4-6；表4-6 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kcps 标准轴载Ps在四边自由板临界荷载处产生荷载应力（MPa）。

20、根据公路等级，考虑偏载与动载等因素对路面疲劳损坏影响综与系数,则荷载疲劳应力为：MPa 4计算温度疲劳应力由路基路面工程知，II区最大温度梯度取88/m。板长4.5mL/r=4.5/0.760=5.92；已知混凝土板厚6m，Bx=0.58，则可知最大温度梯度时混凝土板温度翘曲应力：式中： c 混凝土温度线膨胀系数 ； Tg 最大温度梯度，Tg=88c/m； Bx 综合温度翘区应力与内应力温度应力系数； tm 最大温度梯度时土板温度翘取应力（Mpa）。温度疲劳系数 ，式中a，b与c为回归系数，按所在地区公路自然区划查下表4-7。表4-7 回归系数a，b与c系数公路自然区abc则温度疲劳应力： 综

21、合，高速公路安全等级为一级，相应于一级安全等级变异水平等级为低级，目标可靠度为95。再根据查得目标可靠度与变异水平等级，确定可靠度系数。，故设计混凝土面层厚为260mm满足要求。由公路水泥混凝土路面设计规范知，路面防冻厚度满足要求。方案二计算（软件计算） *新建路面设计成果文件汇总*水泥混凝土路面设计 设 计 内 容 : 新建单层水泥混凝土路面设计 公 路 等 级 : 高速公路 变异水平等级 : 低 级 可 靠 度 系 数 : 1.25 面 层 类 型 : 普通混凝土面层表4-8 轴载交通量序号路面行驶车辆名称单轴单轮组个数轴载总重单轴双轮组个数轴载总重双轴双轮组个数轴载总重交通量1单后轴货车

22、11001732单后轴货车11006473单后轴货车1003444单后轴货车1491004205单后轴货车1100866双后轴货车100116094行驶方向分配系数 1 车道分配系数 .9 轮迹横向分布系数 0 .22 交通量年平均增长率 7.2 混凝土弯拉强度 5 MPa 混凝土弯拉模量 31000 MPa混凝土面层板长度 5 m 地区公路自然区划 面层最大温度梯度 88 /m 接缝应力折减系数 .87 基(垫)层类型-新建公路土基上修筑基(垫)层表 4-9基(垫)层层位基（垫）层材料名称厚度(mm)回弹模量(MPa)1中粒式沥青混凝土5012002水泥稳定粒料18015003中、粗砂150

23、904土基30基层顶面当量回弹模量 ET= 155.8 MPaHB= 250 r= .784 SPS= 1.06 SPR= 2.9 BX= .61 STM= 2.07 KT= .52 STR= 1.08 SCR= 3.98 GSCR= 4.98 RE=-.4 %设计车道使用初期标准轴载日作用次数 : 643 路面设计基准期 : 30 年设计基准期内标准轴载累计作用次数 : 5056355 路面承受交通等级 :重交通等级基层顶面当量回弹模量 : 155.8 MPa混凝土面层设计厚度 : 250 mm验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 600 mm新建基(垫)层总厚度 380 mm验算结果表明

24、, 路面总厚度满足路面防冻要求 . 通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步修改,最后得到路面结构设计结果如下: 普通混凝土面层 250 mm 中粒式沥青混凝土 50 mm 水泥稳定粒料 180 mm 中、粗砂 150 mm 土基接缝设置 横缝本水泥混凝土路面设计横缝采用三种：胀缝、缩缝、施工缝。设置胀缝时，由于是高速公路，长远考虑，要设置传力杆，传力杆长度50cm，传力杆直径38cm,半段涂以沥青、套上朔料套筒。缩缝采用假缝形式，只在板上部设施缝隙，缝宽7mm，深度为板厚1/5设置施工缝时，每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝，位置应选在缩缝或胀缝处，设在缩缝处施工

25、缝，采用加传力杆平缝形式，设在胀缝处施工缝，其构造及胀缝相同（图4-1）。传力杆长40cm，直径20mm。图4-1 横向施工缝构造图 纵缝纵向缩缝采用假缝形式，纵向施工缝采用平头缝形式，纵缝均设置拉杆，拉杆长60cm，拉杆直径20mm，间距。纵缝间距。缝上部留有缝隙，内浇注填缝料，缝及横缝一般做成垂直正交，使混凝土具有90角隅。5 方案比选5.1 沥青路面方案比选方案一面层设三层：分别为细粒式沥青混凝土、中粒式沥青混凝土、粗粒式沥青混凝土，面层厚度，层数共6 层，结构总厚度为61.0cm，方案二面层设为二层：细粒式沥青混凝土、中粒式沥青混凝土，层数共5层，结构总厚度为64cm，我国沥青路面以弯

26、沉值与弯拉应力为设计指标，回弹弯沉值越大，对路面寿命影响越大，方案一抗弯能力大于方案二，从材料经济角度分析，方案二材料更易获得，比如石灰土肯定比级配碎石容易获得，从施工角度分析，方案二材料少，施工更易于方案二，综上所述在两个方案都能够满足现有交通情况及当地条件下，选方案二更优一些。5.2 水泥混凝土路面方案比选方案一路基潮湿故选用砂性材料，砂砾材料来源广，透水性好，层数少，施工方便，且能够保证路面刚度，总来说方案一优于方案二。5.3 综合比选（1） 稳定性，混凝土路面水稳性、热稳性均较好，特别是它强度随着时间延长而逐渐提高，沥青则出现“老化”现象。 （2）舒适性，有高度减振性，可使车辆平稳而快

27、速行驶，沥青路面摩阻系数大于水泥路面，汽车耗油更多，水泥混凝土路面有接缝，如果车速过快，给人带来不适。（3）施工周期，沥青路面在铺筑不久后就可以通车，而水泥必须经过28 天才能达到一定强度，时间久。（4）养护方面，两种路面养护费用比较虽然沥青路面比水泥路面有养护更方便、通车更快特点，但其养护费用及建造费用是成正比，目前国内许多高速公路沥青路面出现了建得起、养不起尴尬局面，路面质量问题严重。（5） 对周围环境影响，沥青路面对公路周围土地、地下水等会造成污染，沥青自然分解及降解需要几十年，而水泥路面对环境影响要小得多。我国很多地方生产水泥，选用水利路面可带动地方经济。（6）在经济成本上比较，随着经济发展与沥青炼制技术提高，在造价方面沥青路面已经减少，水泥混凝土路面对水与水泥需求量大，这给水泥供应不足与缺水地区（北方）带来困难。综上所述，虽然沥青路面具有修复快，乘坐舒服，对路基、地基变形或不均匀沉降适应性强等一些特点。但水泥路面稳定性好平整度保持期长，使