路基路面工程课程设计论文

路基路面工程课程设计 学 院： 指导老师： 班 级：学 号： 姓 名： 课程设计任务书课程设计名称公路路面工程课程设计专业班级（学生人数）土木工程2009030-037110指导老师 本学期承担相应课程教学任务情况承担路基路面工程教学课程设计目的及任务一、 设计的任务与目的；本课程设计为柔性路面设计是路基路面工程课程的主要教学环节之一。本设计主要结合公路设计资料，分析工程的特点和当地实际情况，综合运用所学的专业技术知识，完成相应的路面设计。本课程设计的内容是让学生对给定的地质条件、交通量设计计算某公路路面结构，主要包括路基设计和路面结构层组合和厚度设计。其目的是让学生更好的掌握路基路面工程课程的内容，系统的巩固所学的理论知识，培养学生将理论知识应用到实践中，初步掌握路基路面结构设计的基本原理，使学生能熟练道路路基路面结构设计的方法、步骤和内容，并通过设计过程，培养学生的计算、绘图、独立思考和独立工作的能力。二、 设计内容；1. 工程概况拟设计道路路线位于微丘区，公路自然区划为1区。地震烈度为六级。设计标高243.50m，地下水位1.5m。平均稠度为1.08，季节性冰冻地区，冻结深度为1.2m，所经地区多处为粉性土。2. 设计资料交通量根据学生班级及学号尾号按照表1、2采用。3. 设计任务与内容3.1 编写设计说明书，水泥混凝土路面及沥青路面结构、厚度设计，水泥混凝土路面板接缝审计等。3.2 对所选定的路面结构方案，绘制路面结构图，包括沥青路面结构设计图，水泥混凝土路面结构设计图及其接缝设计图等。需用标准A3图纸。课程设计要求（1） 要求综合应用有关基础课、技术基础课及专业课所学的知识，依照颁布的有关设计规范，独立完成本设计中的各项设计任务。（2） 掌握路面设计参数的选用及计算。（3） 说明设计原则，考虑设计问题的条件与原因，说明材料规格、施工技术、施工方法、程序、要求、质量控制标准等。设计图表中要有说明。（4） 要求能独立的、认真的完成设计的内容，设计思想正确合理，图纸清晰正确，设计计算无误，纹理通顺，字迹端正。（5） 设计文件要求设计部分：设计计算与说明书，内容包括：目录、设计内容介绍、指导书、设计计算书等。提交设计要求的相关图纸。所要提交的设计文件，应充分考虑施工的可行性，并注重经济性，选择最佳的设计方案，必要时可进行讨论。（6） 装订顺序1）封面；2）任务书；3）设计说明书；4）路面结构设计图。课程设计目标提交成果：1、 设计任务书；2、 设计说明书；3、 路面结构CAD设计图；参考文献及资料公路路基设计规范JTJ013-95；公路沥青路面设计规范JTJ014-97；公路水泥混凝土路面设计规范JTGD40-2002；公路水泥混凝土路面施工技术规范JTGF30-2003；路面工程方福森著 人民交通出版社 1995年；路基路面工程邓学均著 人民交通出版社 2006年；目录目录1 基本设计资料12 沥青路面设计12.1轴载分析12.2结构组合与材料选取42.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度42.4 设计指标的确定52.5 路面结构层厚度的计算62.6 高等级公路沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算7 2.7 抗剪性检验.83 水泥混凝土路面设计93.1 交通量分析103.2 初拟路面结构113.3 确定材料参数113.4 计算荷载疲劳应力123.5 计算温度疲劳应力12参考文献141 基本设计资料拟设计道路路线位于微丘区，公路自然划分为II1区。地震烈度为六级。设计标高243.50m,地下水位1.5m。平均稠度为1.08，季节性冰冻地区，冻结深度为1.2m，所经地区多处为粉性土。表1-1交通组成及交通量表车型双向交通量小客车3100风潮HDF650600三菱PV413720黄河JN162A1500江淮HFF3150C07810雷诺JN75750山西SX341800 东风YCY-900800 尤尼克276680 交通量年平均增长率(%)10.22 沥青路面设计 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，表示为BZZ-100。标准轴载的计算参数按表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）21.30轮胎接地压强P（Mpa）0.70两轮中心距（cm）15d1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（）； 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。 被换算车型的轴载级别。当轴间距离大于3m时，按单独的一个轴载计算；当轴间距离小于3m时，双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算：式中：m轴数。表2-2 轴载换算结果车型（）（次/日）风潮HDF650前轴13.5016.4600后轴27.0011600三菱PV413前轴49.5016.4720220.12后轴101.002.217201654.1黄河JN162A前轴62.2816.415001223074后轴116.221115002884.45江淮HFF3150C07前轴49.2016.4810236.98后轴96.3011810687.48雷诺JN75前轴30.5016.4750后轴58.501175072.81山西SX341前轴23.7016.4800后轴68.7011800156.26东风YCY-900前轴25.0016.4800后轴78.5021800549.00 尤尼克2766前轴67.0016.48089.68后轴102.504.6180409.73N8184.45则其设计年限内一个车道上的累计量轴次： 式中 设计年限内一个车道的累计当量次数； 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； 设计年限内的交通量平均增长率，由材料知，=0.102； 车道系数，由材料知=0.45。则次。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（）； 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；表2-3 轴载换算结果车型（）（次/日）风潮HDF650前轴13.50118.5600后轴27.0011600三菱PV413前轴49.50118.5720后轴101.00317201715.25黄河JN162A前轴62.28118.51500217.30后轴116.221115004992.7江淮HFF3150C07前轴49.20118.5810后轴96.3011810599.09雷诺JN75前轴30.50118.5750后轴58.501175010.29山西SX341前轴23.70118.5800后轴68.701180039.70东风YCY-900前轴25.00118.5800后轴78.5021800223.76 尤尼克2766前轴67.00118.58020.79后轴102.507180448.37N8267.25则其设计年限内一个车道上的累计量轴次为： 次。2.2 结构组合与材料选取根据公路沥青路面设计规范，路面结构层采用沥青混凝土（200），基层采用水泥稳定碎石（厚度待定），底层采用二灰土（350），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（70），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 土基回弹模量的确定可根据查表法查得。各结构层材料的抗压模量及劈裂强度已 参照规范给出的推荐值确定。见表2-4。表2-4 结构组合参数层次材料名厚度(cm)抗压回弹模量强度劈裂（Mpa）15C模量20C模量细粒式沥青混凝土4200014001.4中粒式沥青混凝土6180012001.0粗粒式沥青混凝土9120010000.8 水泥稳定碎石待定360015000.5二灰土4524007500.252.4 设计指标的确定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各层材料按容许层底拉应力，按下列公式计算： 式中 ： 路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa）； 路面结构材料的容许拉应力，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。 对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数： 对无机结合料稳定集料类的抗拉强度结构系数： 对无机结合料稳定细土类的抗拉强度结构系数： 表2-5 结构层容许弯拉应力材料名称（Mpa）（Mpa）细粒沥青混凝土1.44.310.32中粒沥青混凝土1.04.310.23粗粒沥青混凝土0.84.310.19水泥稳定碎石0.52.420.21二灰土0.253.120.082.5 路面结构层厚度的计算1理论弯沉系数的确定式中： 当量圆半径；F 弯沉综合修正系数， 。因此： F=1.6317.77/2000/10.65 0.38(50/0.70) 0.36=0.51 =17.771400/(200010.650.70.51)=3.272确定设计层厚度采用三层体系表面弯沉系数，由诺莫图算设计层厚度。h/=4/10.65=0.376 E2/E1=1200/1400=0.857；由三层体系弯沉系数诺莫图查得：=6.22。h/=4/10.65=0.376 =50/1200=0.042；由三层体系弯沉系数诺莫图查得K1=1.16。又因为K2= /(K1）=3.27/（6.221.16）=0.453，=0.042，由上查表得：H/=5.62，H= 10.655.62=59.85由可知：H=7+9（1000/1200）1/2.41+h4(1500/1200) 1/2.4+45（750/1200）1/2.4=44.1+1.1h4，因为H=59.85cm，可知h4=14.31cm，故取h4=15cm。如图所示： _ _h1=4cm E1=2000MPa h=4cm E1=2000Mpa h2=7cm E2=1800MPa h3=9cm E3=1200MPa H=？cm E2=1800MPah4=15cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =50 MPa E0=50MPa 2.6 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算1沥青混凝土面层层底拉应力验算 _ _h1=4cm E1=2000MPa h=22.7cm E1=1400Mpa h2=7cm E2=1800MPa h3=9cm E3=1200MPa H=46.7cm E2=1000MPah4=15cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =35 MPa E0=50MPa h=22.7H=15(3600/3600)1/0.9+35(2400/3600)1/0.9=39.38cmh/=22.7/10.65=2.13 E2/E1=3600/1200=3查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图，知，故m<R=0.32满足要求。2水泥稳定碎石层层底拉应力验算 _ _h1=4cm E1=2000MPa h=30.4cm E1=3600Mpa h2=7cm E2=1800MPa h3=9cm E3=1200MPa H=35cm E2=2400MPah4=15cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =50 MPa E0=50MPa h=28.1cm ， =35cm由H/=35/10.65=3.286385, =50/2400=0.02083,查表得=0.291MpaH/=3.286385, E2/E1=2400/3600=0.67,查表得n1=2.10H/=3.286385, h/=30.44/10.65=2.85,查表得 n2=0.446由公式m=Pn1n2得m=0.70.2912.100.446=0.191Mpa<R=0.50Mpa满足要求。3二灰土土层层底拉应力验算_ _h1=4cm E1=2000MPa h=30.76cm E1=3600Mpa h2=7cm E2=1800MPa h3=9cm E3=1200MPa H=35cm E2=2400MPah4=15cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =50 MPa E0=50MPa =30.76cm由H/=3.29，=0.02083，可知=0.221Mpa； 由H/=3.29，E2/E1=2400/3600=0.67，可知； 由H/=3.29，E2/E1=2400/3600=0.67，h/=30.76/10.65=2.89，可知n2=0.446由公式m=Pn1n2得m=0.70.0.2210.4461.14=0.078Mpa<R=0.080Mpa，故满足要求。2.7对沥青路面进行剪应力验算对于沥青路面层的剪应力验算时，要求面层在车轮的垂直荷载与水平荷载共同作用下，其破坏面上可能产生的剪应力，应不超过材料的容许剪应力R。在路面设计中通常表示为：R:确定剪应力和抗剪强度；路面结构等效转换； h=h1=4cm；H=h2+h3(E3/E2) 1/2.4+h4(E4/E2) 1/2.4=74.08cm;计算剪应力和正应力； h/=0.376，E2/E1=0.857，E0/E2=0.028，H/=6.956，查图得： m=0.429, 1=0.86，2=1.122；1=1.126, 1=1.041, 2=0.960,所以有：m（0.3）=pm12=0.70.4290.861.120=0.290MPa1（0.3）=p112=0.71.12561.0410.960=0.788MPa缓慢制动时 m（0.2）=m（0.3）+1.3（f-0.3）p=0.290+1.3（0.2-0.3）0.7=0.199MPa 1（0.2）=1（0.3）+0.46（f-0.3）p=0.786+0.46（0.2-0.3）0.7=0.7538MPa选取沥青混凝土面层c=0.2Mpa,=37,则 =m（0.2）cos=0.159Mpa =1-m(1+sin)=0.435Mpa因而 =c+tan=0.528Mpa;紧急制动时 m（0.5）=m（0.3）+1.3（f-0.3）p=0.290+1.3（0.5-0.3）0.7=0.472Mpa 1（0.5）=1（0.3）+0.46（f-0.3）p=0.788+0.46（0.5-0.3）0.7=0.852Mpa=0.472cos37=0.377(Mpa) =0.852-0.472(1+sin37)= 0.096Mpa因而 =c+tan=0.275Mpa:确定容许剪应力；停车站在设计年限内停车标准轴载数现按双车道总累计轴载数的15%计，即Nt=0.1543833869=6575080.35次。缓慢制动时 Kt(0.2)=0.35Nt0.15/Ac=0.356575080.350.15/1.0=3.69 R=/Kt(0.2)=0.528/3.69=0.143Mpa)紧急制动时 Kt(0.5)=1.2/Ac=1.2/1.0=1.2 R=/Kt(0.5)=0.275/1.2=0.229(Mpa):验算剪切条件；对于缓慢制动=0.157(Mpa)>R；对于紧急制动 =0.375(Mpa)>R；两种情况均不能满足其剪应力的要求。3 水泥混凝土路面设计3.1 交通量分析由于路面有一个收费站，各种油类对沥青会有不同程度的污染且宜有车辙，其要求采用水泥混凝土路面。所以，进行普通水泥混凝土路面设计。 1标准轴载与轴载换算 我国公路水泥混凝土路面设计规范以汽车轴重为100kN的单轴荷载作为设计标准轴载，表示为BZZ100。凡前、后轴载大于40KN（单轴）的轴数均应换算成标准轴数，换算公式为： 式中： 100KN的单轴双轮组标准轴数的通行次数； 各类轴轮型；级轴载的总重（KN）； 轴型和轴载级位数； 各类轴轮型i级轴载的通行次数； 轴轮型系数。 表3-1 轴载换算结果车型（kN）（次/日）北京BJ130前轴13.55724600后轴27.201600切贝尔D420前轴28.20528720后轴54.801 7200.048解放CA10B前轴19.406201500后轴60.85115000.530黄河JN235前轴55.0039681022.490后轴104.003.810-68100黄河JN360前轴50.004137504.726后轴110.003.810-67500黄海DD690前轴56.0039380029.410后轴104.003.810-68000华龙SK171A前轴35.30480800后轴76.6008000罗曼SQ9251前轴50.00413800.504后轴111.300800N57.708则设计年限内设计车道的标准轴载累计作用次数:式中： 标准轴载累计当量作用次数； t 设计基准年限20年； 交通量年平均增长率，由材料知，=0.102； 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，如下表3-2。表3-2 混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.170.22二级及二级以下公路行车道宽>7m0.340.390.540.62行车道宽7m调查分析双向交通的分布情况，选取交通量方向分布系数，一般取0.5，车道数为2，所以交通量车道分布系数取0.9。Ns=0.50.921.5=9.68次 查公路水泥砼路面设计规范(JTG D40-2002)，设计为二级公路 =133288.52次。3.2 初拟路面结构 因为交通量3104133288.52100104次，故可知交通属于中交通。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，根据二级公路、中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h=240mm；基层选用石灰粉煤灰稳定粒料，厚为h1=200mm；底层为h2=200mm的级配石。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m；长为5.0m。3.3 确定材料参数取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为4.5Mpa，相应弯拉弹性模量标准值为28Gpa；路基回弹模量为E0=50Mpa；水泥稳定粒料基层回弹模量取E1=1500Mpa；低剂量无机结合稳定土垫层回弹模量去E2=250Mpa。基层顶面当量的回弹模量值计算如下： =(0.2021500+0.202250)/( 0.202+0.202)=791.86MPa =2.88 =(122.88/791.86)2=0.352m =6.221-1.51(791.86/50)-0.45=3.51 =1-1.44(791.86/50)-0.55=0.685 =3.510.3520.68550(791.86/50)1/3=215.55MPa普通混凝土面层的相对刚度半径为：r=0.537h(Ec/E0)1/3=0.5370.24(28000/215.55)1/3=0.653m3.4 计算荷载疲劳应力根据一级公路、重交通，由路基路面工程查得初拟普通混凝土面层厚度为0.25m。由下列公式求得： 式中 混凝土板的相对刚度半径（m）； H 混凝土板的厚度（m）； Ec 水泥混凝土的弯沉弹性模量（Mpa）； p 标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（Mpa）； kr 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设杆拉的平缝，kr=0.87 0.92，纵缝为不设杆拉的平缝或自由边界kr=1.0，纵缝为设杆拉的企口缝，kr=0.76 0.84，； kc 考虑偏载和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3-3；表3-3 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kc1.301.251.201.10ps 标准轴载Ps在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力（Mpa）。 =0.770.6530.60.24-2= 1.035MPa，=1.959根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综和系数kc=1.30,则荷载疲劳应力为：=0.871.9591.301.035=2.293MPa 3.5 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5m，L/r=5/0.653=7.657；已知混凝土板厚0.24m，Bx=0.59。 则可知最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力： 式中： c 混凝土的温度线膨胀系数 ； Tg 最大温度梯度，Tg=83c/m； Bx 综合温度翘区应力和内应力的温度应力系数； tm 最大温度梯度时土板的温度翘取应力（Mpa）。 =110-5280000.24880.59/2=1.752MPa 温度疲劳系数 ，式中a，b和c为回归系数，按所在地区公路自然区划查下表 3-4。表3-4 回归系数a，b和c系数公路自然区a0.8280.8550.8410.8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821.270 =4.5/1.7520.828(1.752/4.5)1.323-0.041=0.505则温度疲劳应力：tr=kttm =0.0501.752=0.885二级公路的目标可靠度为85。再根据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数。rr=1.15rr (pr +tr)=1.15(2.293+0.885)=3.655Mpa<fr=4.5MPa，故满足要求。因而，所选的普通混凝土厚度h=240可以承受设计基准期内的荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。 3.6接缝设计2接缝设计为避免由温度产生的应力破坏，所以，在混凝土板中设置横缝与纵缝，这段路为中等交通，缝中设拉杆，拉杆长0.5m，直径22mm，每隔40cm设置一个。横向胀缝缝隙宽20mm，缝隙上部5cm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。横向缩缝缩缝采用假缝，缝隙宽5mm，深度为5cm.施工缝施工缝采用平头缝或企口缝的构造形式，缝上深5cm，宽为5mm的沟槽内浇填缝料。横缝的布置缩缝间距一般为5m，混凝土路面设置胀缝。纵缝的设置在平行于混凝土路面行车方向设置纵缝，缝间距3.75cm，设置为假缝带拉杆形式，缝的上部留有5cm的缝隙，内浇注填缝料，缝与横缝一般做成垂直正交，使混凝土具有90的角隅。参考文献1.公路路基设计规范JTJ013-95；2.公路沥青路面设计规范JTJ014-97；3.公路水泥混凝土路面设计规范JTGD40-2002；4.公路水泥混凝土路面施工技术规范JTGF30-2003；5.路面工程方福森著 人民交通出版社 1995年；6.路基路面工程邓学均著 人民交通出版社 2006年；