《路基路面工程》課程設計指導書I、設計目的《路基路面工程》是高等學校土木工程領域中公路工程、城市道路工程、橋梁隧道工程、機場工程等專業的重要必修課。課程涉及內容廣泛并與工程實踐聯系密切，具有一定的地區特點。本課程是一門理論與實踐并重、工程性較強的課程，講授本課程除了系統的課堂教學之外，應配合組織實地參觀、實物鑒別、課程設計及施工實習等輔助教學環節，以提高學生的感性認識和系統的接受能力。路基路面課程設計是學生在學習完《路基路面工程》課程后的、教學計劃中的一個重要環節，是學生在今后做好畢業設計的前提條件。課程設計的主要目的是：.使學生鞏固已學專業知識，系統地了解和掌握本專業工作的程序和內容，并進一步學會綜合運用所學到的理論知識。.通過查閱有關資料，提高學生查閱科技文獻、專業技術資料和編寫設計文件的能力。.進一步培養學生設計、繪圖和運算等基本技能。使學生能獨立解決與本專業有關的一些問題。路基路面課程設計的內容很多，主要包括：一般路基設計、特殊路段路基設計、路基防護及支擋結構設計、路基排水設計和路面設計等。根據教學條件和時間限制，主要安排路面設計，以培養學生的設計能力。II、設計原始資料某地區擬新建一條汽車專用二級公路，經調查得，沿線所在地區的地質資料為：0?1.2m為普通粘土（II級），1.2m以下為次堅石（V級）；地下水平均埋深2.5m；多年平均最大凍深2.0m；該路路基平均填土高度1.5m；近期交通量如下表所示。交通量年平均增長率為5%?10%（自己擬定），沿線各種材料供應充足，施工工期為一年，試設計該路路面。要求按柔性路面（使用年限15年）或剛性路面（使用年限25年）進行設計。交通量表（僅作參考，自己擬定）車型黃河JN150躍進NJ130解放CA10B東風EQ140上海SH130日野KF300D小汽車輛/日500?800300?900650?900800?1400400?800300?600800?1200III、設計內容及步驟路面設計的主要內容包括：原材料的選擇、混合料配合比設計和設計參數的測試與確定，路面類型、路面結構層組合與厚度計算，以及路面結構的方案比選等。下面分別介紹瀝青路面和水泥混凝土路面的設計步驟。一、瀝青路面的設計步驟：1)根據設計任務書的要求及交通量的大小，確定路面等級和面TOC\o"1-5"\h\z層類型，計算設計年限內一個車道的累計當量軸次Ne和設計彎沉值1d。 6軸載換算公式：N=WCCn[P丫351 .112 P)\o"CurrentDocument"it i I累計當量軸次：N=H+"T4365Nne y 1設計彎沉值： l6600N-o-2aaAb進行路段劃分，根據各路段所處自然區劃、路基土類型與干濕類型，確定各路段土基回彈模量值E0。根據已有經驗和規范推薦的路面結構，擬定幾種可能的路面結構組合與厚度方案，確定各結構層材料的設計參數。根據設計彎沉值計算路面厚度，驗算瀝青混凝土面層和半剛性基層材料的基層、底基層的拉應力。若不滿足要求，或調整路面結構層厚度，或變更路面結構組合，或調整材料配合比，提高材料極限抗拉強度，再重新計算。各層材料的容許層底拉應力：箕=0$p/Ks式中：。p為各層材料的劈裂強度；R*SKS為抗拉強度系數，對于瀝青混凝土面層：K=0.09A?N0.22/AS S aec對無機結合料穩定集料類：K=0.35N0.11/AS ec對無機結合料穩定細粒土類：K=0.45N0.11/AS ec對于季節性冰凍地區的高級和次高級路面，尚應驗算防凍厚度是否滿足要求。為了防止高溫季節道路交叉口、停車場等汽車經常啟動、制動地方瀝青面層產生推擠和擁包等破壞現象，尚應驗算瀝青面層材料的剪應力是否滿足要求。進行技術經濟比較，確定采用的路面結構方案。二、水泥混凝土路面的設計步驟：進行交通量分析，計算設計年限內一個車道的標準軸載累計作用次數Ne。(P、16軸載換算公式：N量aN-P-ls，人100)[)1標準軸載累計作用次數：N=V+'*T上365Nne y S根據道路的交通繁重程度，結合當地環境條件和材料供應情況，進行路面結構層組合設計。它包括：土基、墊層、基層和面層的結構組合設計，各層的路面結構類型、彈性模量和厚度。按照設計標準的要求，確定滿足設計年限內使用要求所需的混凝土面層的厚度。根據混凝土面層板內產生的荷載應力和溫度應力作出板的平面尺寸設計，確定接縫的位置，設計接縫的構造，并采取有效措施提高接縫的傳荷能力。路肩設計。高速公路和二級公路中間帶和路肩路緣帶的結構應與行車道的混凝土路面相同，并與行車道部分的混凝土面板澆筑成整體。路肩可采用水泥混凝土面層或瀝青混合料面層，其基(墊)層結構應滿足行車道路面結構和排水的要求。一般公路的混凝土路面應設置路緣石或加固路肩，路肩加固可采用瀝青混合料或其它材料。普通混凝土路面的鋼筋配筋率設計。當混凝土路面板較長或交通量較大時、地基有不均勻沉降或板的形狀不規則時，可沿板的自由邊緣加設補強鋼筋，在角隅處加設發針形鋼筋或鋼筋網，以阻止可能出現的裂縫。IV、設計要求.設計任務下達后，即應著手進行設計資料的收集及調查分析工作。.應充分發揮獨立工作的能力和鉆研精神，要發揚理論聯系實際的學風，培養分析問題和解決問題的能力。在設計階段，除參考已學教材外，還應進一步查閱有關規范、文獻和其他書籍，擴大知識面，培養綜合運用專業知識解決工程實際問題的能力。.文字說明要求簡潔扼要，能說明問題。圖紙規格和表達圖式應采用規定或慣用符號。.遵守紀律，團結友愛，每天按時到設計室，設計室要保持肅靜和清潔。.在課程設計結束后，按時上交結構設計圖及設計說明書一本。水泥混凝土路面設計一、交通分析1、軸載分析路面設計以雙輪組單軸載100KN為標準軸載。以設計彎沉值為指標及驗算瀝青層層底拉應力中的累計當量軸次（1）軸載換算軸載換算采用如下計算公式：N=ZaN（P/100）6I=1計算結果如下表表1車型Pi（KN）a.Ni（輛/日）標準軸載作用次數Ns黃河JN150前軸49.0018000.0后軸101.6018001031.3解放CA10B后軸60.85180092.2江淮HF150后軸101.51400507.6N=XaN(P/10旅s iiii=11631.1（2）累計當量軸次根據設計任務書，使用年限為25年，查公路水泥混凝土路面設計規范二級公路車輪輪跡橫向分布系數n取0.39。使用期內的交通量平均增長率為y=8%。累計當量軸次：N=N［（1+￥>Tb365n=―叱0.08）2°T卜365x0.39=1.06x107次e 丫 0.08屬重交通等級。二、初擬路面結構初擬普通混凝土面層厚度為25cm，取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為fm=5.0MPa相應彎拉彈性模量標準值為E=30x103MPa?；鶎舆x用水泥穩定

粒料（水泥用量5%）,厚18cm。墊層為15cm低劑量無機混合料穩定土，普通混凝土板的平面尺寸為寬4.5m，長5.0m.縱縫為設拉桿平縫，平縫為設傳力桿的假縫。三.路面材料參數確定查表取普通混凝土彎拉強度標準值為5.0Mpa,相應彎拉彈性模量標準值為31Gpa。路基回彈模量取30Mpa,低劑量無機混合料穩定土墊層回彈模量取600Mpa,水泥穩定粒料基層回彈模量取1400Mpa。h、h、2E+h2E.

h2+h2=1013MPa1300x0.182+600x=1013MPa0.182+0.152Eh3―1~^12EhEh3―1~^12Eh3 (h+h)f1+—2-^-+—1 2- 12 4IEh11+4;221300x0.183 十12600x0.153(0.18+0.15%( 1 1 丫1 + 1 + 12 4 ^1300x0.18600x0.15)=2.57MN?mh=城12D/E="12x2.57/1013=0.312(m)a=6.221-1.51AzrAEIE)

007a=6.221-1.51AzrAEIE)

007-0.45=6.22x1-1.51x（1013），45、可）=4.293b=1-1.44(E=ahbE-0-55-1-1.44x(吧I-0.55=0.7921/3=4.293x0.3120.792x30x(101311/3——I =165MPaI30普通混凝土面層的相對剛度半徑計算為r=0.537hE/E=0.537x0.22x3；31000/165=0.677m四、荷載疲勞應力標準軸載在臨界荷界處產生的荷載應力計算為。 =0.077r0.6h-2=0.077x0.6770.6x0.25-2=0.975MPaps因縱縫為設拉桿平縫，接縫傳荷能力的應力折減系數Kr=0.87。考慮設計基準期內荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數K=Nn=(1.06x107)0.057=2.51fe

考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數K=1.20荷載疲勞應力計算為o=KKKa=0.87x2.51x1.20x0.975=2.56MPa五、溫度疲勞應力最大溫度梯度標準值Tg公路自然區劃n,vIIIW,W皿最大溫度梯度(°C1m)83?8890?9586?9293?98由上林知，n區最大溫度梯度取88(°C/m)，板長5m,l/r—5/0.677—7.393"通混凝土板厚h=0.25m,Bx=0.71。最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應力計算aEhT 1x10-5x31000x0.25x88-ccn為o= _g~B= x0.71=2.42MPatm 2 x 2溫度疲勞應力系數k,經計算查表可得，自然區劃為n區，式中a=0.828,b=0.014,c=1.323,K為K.匚K-mtK.匚K-mtotm5.02.130.828x- -0.041=0.648I5.0)溫度疲勞應力為o=Ko=0.648x2.42=1.57(MPa)查表得二級公路的安全等級為三級，相應于三級安全等級的變異水平等級為中級，目標可靠度為85%,根據查得的目標可靠度和變異水平等級，查表確定可靠度系數yr=1.13yQ+o)=1.13x(2.62+1.57)=4.73MPaf=5.0MPa因此所選混凝土面層厚度25cm可以承受設計基準期內荷載應力和溫度應力的綜合疲勞作用。五、路肩設計高速公路和一級公路中間帶和路肩路緣帶的結構應與行車道的混凝土路面相同，本公路為二級公路，故采用與行車道相同的混凝土路面，并與行車道部分的混凝土面板澆筑成整體，具體平面布置見混凝土路面設計結構圖。六、配筋設計混凝土板縱橫向自由邊邊緣下的基礎，如可能產生較大變形時，可沿板邊緣加設計補強鋼筋、角隅處加設發針形鋼筋，或鋼筋網。邊緣補強鋼筋、發針形鋼筋、鋼筋網布置見附圖。瀝青路面設計一.軸載分析路面設計以雙輪組單軸載100KN為標準軸載。.以設計彎沉值為指標及驗算瀝青層層底拉應力中的累計當量軸次軸載換算：計算結果如下表所示：軸載換算結果表（彎沉）車型Pi(KN)C1C2（輛/日）(p)4.35CCnr12(P)(輛/日)黃河JN150前軸49.01130013.5后軸101.611300321.5日野KF300D前軸40.75114509.0后軸79.012.2450355.1解放CA10B后軸60.851180092.2

尼桑CK201前軸49.851140019.3后軸100.011400400, /P、4.35N=￡CCn-」12(P)i=11210.6注：軸載小于25KN的軸載作用不計。累計當量軸次根據公路瀝青路面設計規范，二公路瀝青路面的設計年限取12四車道的車道系數n為0.4-0.5,取0.46交通量平均增長率為7%。累計當量軸次：N二［（"Ib365N「二四°.⑺12Tb365x1210.6x0.46二3636001次e 丫 1 0.07.驗算半剛性基層層底拉應力中的累計當量軸次⑺軸載換算驗算半剛性基層層底拉應力，采用如下計算公式：N=￡c；C,2n（P）8i=1軸載換算結果表（半剛性基層層底拉應力） 表2車型Pi（KN）qc2ni（輛/日），P、C,C'n(—i-)812iP(輛/日)黃河JN150后軸101.6011300321.5解放CA10B后軸60.851180092.2尼桑CK201后軸100.0011400400日野KF300D后軸2X79.0031450355.1N'=￡cCn(p)812ipi=11168.8注：軸載小于50KN的軸載作用不計。⑵累計當量軸次N二匹）Tb365N「二四0.⑺12Tb365X1168.8X0.46二3510456次e 丫 1 0.07二.確定路面等級和面層類型根據設計任務書的要求及交通量設計年限內累計標準軸次Ne=3636001次，由公路瀝青路面設計規范表“路面類型的選擇”二級公路路面等級為高級路面，面層類型為瀝青混凝土。三.路段的劃分及土基回彈模量的確定該路段處于東北地區n2區，為普通粘性土，路基臨界高度H=2.5+1.5=4m>H1=2.7m,故路基為干燥類型，查公路瀝青路面設計規范表“土基干濕狀態的稠度建議值”查得路基土處于干燥狀態稠度①三1.10,取1.15,查公路瀝青路面設計規范表“二級自然區劃各土組土基回彈模量參考值（MPa）”查得土基回彈模量E, 0為31.5MPa。3）結構組合與材料選取由1）步的計算得到設計年限內一個行車道上的累計標準軸次約為3000萬次左右〉1200萬次。根據公路瀝青路面設計規范推薦結構，并考慮到公路沿途各種材料供應充足，路面結構面層采用瀝青混凝土（17cm）,基層采用水泥穩定集料（30cm）,底基層采用石灰土（厚度待定）。公路瀝青路面設計規范規定高速公路、二級公路的面層由二層至三層組成。查公路瀝青路面設計規范的第四節瀝青路面的瀝青路面的4.2高級路面中的表4.2.1“瀝青混合料類型的選擇（方孔篩）”，采用三層式瀝青面層，表面層采用細粒式密級配瀝青混凝土（厚度4cm）,中面層采用中粒式密級配瀝青混凝土（厚度5cm）,下面層采用粗粒式密級配瀝青混凝土（厚度8cm）。各層瀝青混合料礦料級配及瀝青用量范圍（查公路瀝青路面設計規范附錄B“各種瀝青面層的級配、材料規格及用量表”）結果列表如下：級配類型通過一F列篩】孔（方彳t篩，mm）日勺質量百分率（％）瀝青用量（%）37.531.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗粒AC-30110090807065605045403020151055中粒AC-2011009080706555453025151055本工程瀝表均采用道路石油瀝青，瀝混合力行，由于沒有實驗條件，配合比設計在此不做，料的配合比設計應按工這里只把一些技術指,『歇爾試驗進標列于下表。試驗項目瀝青混合料類型高速公路、一級公路擊實次數（次）瀝青混凝土兩面各75穩定度（KN）I型瀝青混凝土80流值（0.1m）I型瀝青混凝土30空隙率（％）I型瀝青混凝土5瀝青飽和度（％）I型瀝青混凝土80四.各層材料的抗壓模量與劈裂強度查規范表“瀝青混合料材料設計參數參考值”及表“基層材料設計參數”，得到各層材料的抗壓模量和襞裂強度?？箟耗Ａ咳?0℃的模量，各值均取規范給定范圍的中值，因此得到20℃的抗壓模量:細粒式密級配瀝青混凝土為1400MPa，中粒式密級配瀝青混凝土為1200MPa，粗粒式密級配瀝青混凝土為1000MPa，水泥穩定集料(水泥碎石)為1500MPa，石灰土為550MPa。各層材料的襞裂強度：細粒式密級配瀝青混凝土為1.4MPa，中粒式密級配瀝青混凝土為1.0MPa，粗粒式密級配瀝青混凝土為0.8MPa，水泥穩定集料為0.5MPa，石灰土為0.225MPa。五.計算設計彎沉值ld路面設計彎沉值根據公式：600N”24A4計算。該公路為二級公路，公路等級系數取AC1.0；面層為瀝青混凝土，面層類型系數取AS1.0；半剛性基層，底基層總厚度大于20cm,基層類型系數Ab取1.0；則設計彎沉值為：ld=600N-0-2AAA,=600x3636001-0.2x1.0x1.0x1.0=29.24(0.01mm)六.確定石灰土厚度.計算綜合修正系韌：(l ^0-38(EV36 ( 2924V38(315V36F=1.63s 0 =1.63x2 =0.524(20005)(P) (2000x10.65)10.70).計算理論彎沉系數%1=Ip5axFE11xE???a=——，取l=L=L=29.24(0.01m)2p5F sd_」xE_29.24x0.001x1400_524―2P5F_2x0.7x10.65x0.524-.3.計算底基層厚度這是個六層體系，求算某層厚度時，須先把所擬定的結構按照彎沉等效換算法換算成當量三層體系，求出其中層厚度H,然后按當量厚度換算公式求出h5(1)求H：由已知參數求得：-_/_0.376,幺_1200_0.857查“三層體系表面彎5 10.65勺1400沉系數諾謨圖”得a=6.4；h4 E 315-_――_0.376,E_3心_0.026，查“三層體系表面彎沉系數諾謨圖”5 10.65 E2 1200得K1=1.54

由式a=aKK，得K=^^=口=0.53查表面彎沉系數諾謨圖得L12 2axK6.4x1.541H/d=6.7,H=6.7X10.65=71.355(cm)(2)由多層路面結構的等效換算求工一， 一5， 一 一將多層體系按照等效彎沉的原則換算為三層體系。第一層為原第一層，其厚度為h1=4cm,彈性模量為E1=1400MP/第二層厚度按式H二”舊"互計算即：H二5+824巫+3024畫+〃24亙2 3k2.4E2 41200 41200h5411200=45.34+0.722h5 、、一???h『(71.355-45.34)/0.722=36.03(cm)，這里取h5=36(cm)七.驗算半剛性基層、底基層層底的拉應力瀝青面層層底受壓應力故此處不作驗算人計算容許層底拉應力★水泥穩定集料容許層底拉應力計算:K=K=0.35N0.11/A=0.35X35104560.11/1.0=1.84SS ec/Ks=0.5/1.84=0.272MPa★石灰土容許層根拉應力計算：ecK=0.45N0.11/A=0.45X35104560.11ec%=。/Ks=0.225/2.36=0.0953MPa2、基層、底基層底彎拉應力驗算二'Eh=京h:一k二'Eh=京h:一k4Ek=1 4/ 1400u ，1200o350=4x4 +5x4 +8x4, +30=44.89(cm)41500 \1500 41500中層模量為E=550Mp,厚度為H=36(cm)⑵基層水泥穩定集料層層底拉應力驗算15500二0367查h44.89,…H15500二0367查由-= =4.215,—= =3.380,i= =0.057，一610.65 6 10.65E550E“三層連續體系上層底面拉應力系數諾謨圖”得m1=1.3,m2=0.8g=0.13貝Uom=P。m1m2=0.7X0.13X1.3X0.8=0.0946MPa<oR=0.272MPa滿足。⑶底基層石灰土層層底拉應力驗算550=0367查h 44.89 H550=0367查由—= =4.215,—= =3.380,-0-= =0.057,-26 10.65 6 10.65 E2 550 勺

“三層連續體系中層底面拉應力系數諾謨圖”得n1=1.07,n2=0.41,7=0.221，則%=P7n1n2=0.7X0.221X1.07X0.41=0.0679MPa<%=0.0953MPa八，防凍厚度驗算雖然本路段處于季節性凍地區，但是為干燥路段，路面厚度83cm>（45?55）滿足要求（查規范表5.25）。九.瀝青面層材料的剪應力驗算1、確定剪應力和抗剪強度路面結構等效換算（六層換算成三層）h=h=4cm111000” 11000” .1500“ '550…,、24 +30x24 +36x2』 =71.4\cm)41200什1200 2t1200H=h+￡h—==5+8x2 k2.4Ek=3 2計算剪應力和正應力：由h= =由h= =0.376,H=^14=6.7,610.65 6 10.65E1200E] 1400E315 .=0.857,t=——=0.026，查三E12