南京工業(yè)大學(xué)路基路面工程課程設(shè)計報告書

1、. . .路面結(jié)構(gòu)與路基邊坡穩(wěn)定性設(shè)計交通1001 朱天南一、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計（一）瀝青路面設(shè)計1.交通組成與軸載當量計算車輛車型與日交通量的選用如下表所示：交通組成表 表1序號車型前軸重(kN)后軸重(kN)后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距(m)交通量1黃河JN16259.51151雙輪組6502黃河JN162A62.28116.221雙輪組6503解放CA10B19.460.851雙輪組6504解放CA1520.9770.381雙輪組6505解放CA30A29.536.752雙輪組3500按交通量年平均增長率5%計，乘以折算系數(shù)得設(shè)計年年初日平均交通量為8000，設(shè)計年限末年日平均交通量為14367，符

2、合二級公路對日平均交通量500015000的要求。(1) 當以設(shè)計彎沉值為指標及瀝青層層底拉應(yīng)力驗算時：設(shè)計年限末年日平均當量軸次：N=i=1KC1C2nI(PiP)4.35=3663 設(shè)計年限內(nèi)一個車道上累計當量軸次：Ne=1+rt-1365rN=622.13（萬次）(2) 當進行半剛性基層層底拉應(yīng)力驗算時：設(shè)計年限末年日平均當量軸次：N=i=1KC1C2nI(PiP)8=4665設(shè)計年限內(nèi)一個車道上累計當量軸次：Ne=1+rt-1365rN=792.31（萬次）綜上，瀝青路面交通屬于中等交通等級。2. 路面材料及路面結(jié)構(gòu)的選取與土基模量的確定由于該二級公路路面屬于中等交通等級，故采用以下兩

3、種方案備選：方案一：雙層式瀝青面層+半剛性基層方案二：單層式瀝青面層+半剛性基層+墊層由于江蘇處于IV類區(qū)劃，故土基模量取36MPa。3. 設(shè)計彎沉值與容許拉應(yīng)力的確定路面設(shè)計彎沉值 ld 按下式計算：ld=600Ne-0.2ACASAB=28.9(0.01mm)結(jié)構(gòu)層容許彎拉應(yīng)力 R 按下式計算：R=SPKS其中，對瀝青混凝土面層： KS=0.09Ne0.22/AC對無機結(jié)合料穩(wěn)定集料： KS=0.35Ne0.11/AC對無極結(jié)合料穩(wěn)定細粒土：KS=0.45Ne0.11/AC通過查表計算得：細粒式瀝青混凝土：R=0.47MPa中粒式瀝青混凝土：R=0.36MPa水泥穩(wěn)定碎石： R=0.33M

4、Pa4. 結(jié)構(gòu)層厚度確定于結(jié)構(gòu)分析(1) 方案一4cm細粒式瀝青混凝土+6cm中粒式瀝青混凝土+35cm水泥穩(wěn)定碎石，如下圖所示。- 細粒式瀝青混凝土 4 cm - 中粒式瀝青混凝土 6 cm - 水泥穩(wěn)定碎石 35 cm - 土基路面結(jié)構(gòu)表面彎沉值 ls 與結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力按下式計算：ls=10002PE1cFm=pm現(xiàn)將結(jié)果匯于下表：結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力與完成值計算表 表2序號結(jié)構(gòu)層材料名稱20抗壓模量(MPa)15抗壓模量(MPa)厚度(cm)層底拉應(yīng)力(MPa)容許拉應(yīng)力(MPa)層頂彎沉值(0.01mm)1細粒式瀝青混凝土160022004-0.2520.4728.52粗粒式瀝青混凝土1

5、40020006-0.0940.3632.43水泥穩(wěn)定碎2460.3339.24土基36結(jié)構(gòu)表面彎沉值 ls=28.5ld=28.9，且各層層底拉應(yīng)力均小于容許拉應(yīng)力，故設(shè)計合理。(2) 方案二10cm細粒式瀝青混凝土+22cm水泥穩(wěn)定碎石+20cm水泥砂礫土，如下圖所示： - 細粒式瀝青混凝土 10 cm - 水泥穩(wěn)定碎石 22 cm - 水泥砂礫土 20 cm - 土基路面結(jié)構(gòu)表面彎沉值 ls 與結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力計算方法同方案一，并匯于下表：結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力與完成值計算表 表3序號結(jié)構(gòu)層材料名稱20抗壓模量(MPa)15抗壓模量(MPa)厚度(cm)層底拉應(yīng)力(M

6、Pa)容許拉應(yīng)力(MPa)層頂彎沉值(0.01mm)1細粒式瀝青混凝土140020002000-0.660.4728.12水泥穩(wěn)定碎石1500150015000.950.3337.83水泥砂礫土1000100010000.1540.17111.84土基36結(jié)構(gòu)表面彎沉值 ls=28.1ld=28.9，且各層層底拉應(yīng)力均小于容許拉應(yīng)力，故設(shè)計合理。（二）混凝土路面設(shè)計1.交通分析車輛車型與日交通量的選用如下表所示：交通組成表 表4序號車型前軸重(kN)后軸重(kN)后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距(m)交通量1黃河JN16259.51151雙輪組6502黃河JN162A62.28116.221雙輪組650

7、3解放CA10B19.460.851雙輪組6504解放CA1520.9770.381雙輪組6505解放CA30A29.536.752雙輪組3500按交通量年平均增長率5%計，乘以折算系數(shù)得設(shè)計年年初日平均交通量為8000，設(shè)計年限末年日平均交通量為14367，符合二級公路對日平均交通量500015000的要求。二級公路的設(shè)計基準期為20年，安全等級為三級，臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)取0.39，交通量年平均增長率取5%。由設(shè)計車道使用初期標準軸載日作用次數(shù)13473，設(shè)計基準期內(nèi)設(shè)計車道標準荷載累計作用次數(shù)計算如下：Ne=1+grt-1365grNs=6341.7（萬次）屬于特重交通等級，

8、故在設(shè)計路面應(yīng)加厚考慮。2. 初擬路面結(jié)構(gòu)安全等級為三級的道路對應(yīng)的變異水平等級為中級。根據(jù)二級公路、重交通等級與中級變異水平等級，初擬如下兩個方案：方案一：24cm混凝土面層+18cm水泥穩(wěn)定粒料基層+15cm無機結(jié)合料穩(wěn)定土方案一：30cm混凝土面層+20cm水泥穩(wěn)定粒料基層兩方案中普通混凝土板的平面尺寸為4.5m5.0m，縱縫為設(shè)拉桿的平縫，橫縫為設(shè)傳力桿的平縫。3. 方案一設(shè)計校核(24cm混凝土面層+18cm水泥穩(wěn)定粒料基層+15cm無機結(jié)合料穩(wěn)定土)(1) 路面材料參數(shù)的確定取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為5.0MPa，相應(yīng)彎拉彈性模量標準值為31GPa。由于施工路段處于江蘇IV

9、類區(qū)劃，故土基模量取36MPa，無機結(jié)合料穩(wěn)定土墊層回彈模量取600MPa，水泥穩(wěn)定粒料基層取1300MPa?；鶎禹斆娈斄炕貜椖Ａ坑嬎闳缦拢篍x=h12E1+h22E1h12+h22=13000.182+6000.1520.182+0.152=1013MPaDx=h13E112+h23E212+h1+h2241E1h1+1E2h2-1=13000.18312+6000.15312+0.15+0.1824113000.18+16000.15-1=2.57MNmhx=312Dx/Ex=0.312ma=6.221-1.51ExE0-0.45=4.128b=1-1.44ExE0-0.55=0.770E

10、t=ahxbE0ExE01/3=4.1280.3120.77361013361/3=184.35MPa普通混凝土面層的相對剛度半徑：r=0.573h3Ec/Et=0.5730.24331000/184.35=0.759(2) 荷載疲勞應(yīng)力標準軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載：ps=0.077r0.6h-2=0.0770.7590.60.24-2=1.133MPa由于縱縫為設(shè)拉桿平縫，接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù) Kr=0.87 ，考慮設(shè)計期內(nèi)荷載應(yīng)力累計疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù) Kf=Ne=(6.34106)0.057=2.44 ，根據(jù)公路等級，考慮偏載和動載等因素對路面疲勞破壞影響的綜合系數(shù) Kc=1

11、.20 。故疲勞荷載應(yīng)力為：pr=KrKfKcps=0.872.441.21.133=2.89MPa(3) 溫度疲勞應(yīng)力IV區(qū)最大溫度梯度取92(/m)。板長5m，lr=50.759=6.588 ,查表可知 Bx=0.68 ，故最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力為：tm=cEchTg2Bx=10-5310000.249220.68=2.32MPa計算溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)時，由自然區(qū)劃IV得參數(shù) a=0.841 ，b=0.058 , c=1.323 .Kt=frtmatmfrc-b=5.02.320.8412.325.01.323-0.058=0.531故溫度疲勞應(yīng)力：tr=Kttm=0.5312

12、.32=1.23MPa(4) 結(jié)構(gòu)可靠度判別二級公路的安全等級為三級，相應(yīng)于三級安全等級的變異水平等級為中級，目標可靠度為85%，確定可靠度系數(shù) r=1.13 。由于有rpr+tr=1.132.89+1.23=4.66MPafr=5.0MPa即所設(shè)計的路基路面結(jié)構(gòu)可以承受設(shè)計基準期內(nèi)荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力的綜合疲勞作用，因此設(shè)計合理。結(jié)構(gòu)示意圖如下： - 普通混凝土面層 240 mm - 水泥穩(wěn)定粒料 180 mm - 石灰粉煤灰土 150 mm - 土基4. 方案一設(shè)計校核（30cm混凝土面層+20cm水泥穩(wěn)定粒料基層）(1) 路面材料參數(shù)的確定取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為5.0MPa，相

13、應(yīng)彎拉彈性模量標準值為31GPa。由于施工路段處于江蘇IV類區(qū)劃，故土基模量取 E0=36MPa ，水泥穩(wěn)定粒料基層取 E1=1300MPa 。Ex=E1=1300MPaDx=h13E112=0.2313003=3.47hx=312Dx/Ex=0.317ma=6.221-1.51ExE0-0.45=4.350b=1-1.44ExE0-0.55=0.780Et=ahxbE0ExE01/3=4.3500.3120.78361300361/3=208.66MPa普通混凝土面層的相對剛度半徑：r=0.573h3Ec/Et=0.5730.30331000/208.66=0.910(2) 荷載疲勞應(yīng)力標準

14、軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載：ps=0.077r0.6h-2=0.0770.9100.60.3-2=0.808MPa由于縱縫為設(shè)拉桿平縫，接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù) Kr=0.87 ，考慮設(shè)計期內(nèi)荷載應(yīng)力累計疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù) Kf=Ne=(6.34106)0.057=2.44 ，根據(jù)公路等級，考慮偏載和動載等因素對路面疲勞破壞影響的綜合系數(shù) Kc=1.20 。故疲勞荷載應(yīng)力為：pr=KrKfKcps=0.872.441.20.808=2.06MPa(3) 溫度疲勞應(yīng)力IV區(qū)最大溫度梯度取92(/m)。板長5m，lr=50.759=6.588 ,查表可知 Bx=0.68 ，故最大溫度梯度時混

15、凝土板的溫度翹曲應(yīng)力為：tm=cEchTg2Bx=10-5310000.39220.68=2.91MPa計算溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)時，由自然區(qū)劃IV得參數(shù) a=0.841 ，b=0.058 , c=1.323 .Kt=frtmatmfrc-b=5.02.910.8412.915.01.323-0.058=0.606故溫度疲勞應(yīng)力：tr=Kttm=0.6062.91=1.76MPa(4) 結(jié)構(gòu)可靠度判別二級公路的安全等級為三級，相應(yīng)于三級安全等級的變異水平等級為中級，目標可靠度為85%，確定可靠度系數(shù) r=1.13 。由于有rpr+tr=1.132.06+1.76=4.32MPafr=5.0MPa即所

16、設(shè)計的路基路面結(jié)構(gòu)可以承受設(shè)計基準期內(nèi)荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力的綜合疲勞作用，因此設(shè)計合理。結(jié)構(gòu)示意圖如下： - 普通混凝土面層 300 mm - 水泥穩(wěn)定粒料 200 mm - 土基二、路基邊坡穩(wěn)定性設(shè)計一、 確定路基邊坡率由于本例中設(shè)計的路基屬于高路基，根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)采用折線性邊坡。其中上段坡高8m，坡比1:1.5；下段坡高17m，坡比1:1.75。路基邊坡示意圖圖如右圖所示：圖1 路基邊坡示意圖二、 穩(wěn)定性驗算1. 當量土柱換算將公路級汽車荷載換算成當量土柱高。路基寬度內(nèi)能并排兩輛重車，則車輛荷載(公路級荷載的重車為550kN)換算土柱高為：h0=GLB=255019.25.512.8=0.8

17、1m2. 繪制滑動曲線用4.5H法確定圓心輔助線。將坡頂和坡腳連成一直線，如圖中虛線所示。根據(jù)該連線的坡比，從書中表4-1查得邊坡角為 =305448，輔助角 1=25.5，2=35，分別自坡腳作 1 和坡頂點作 2 ，兩直線相交于O點；在坡腳A點作垂線AD=H=25m，過D作連接OE，滑動曲線圓心即在EO的延長線上，如下圖所示。并依此繪出不同位置的過坡腳的滑動曲線。本計算以第1條滑動曲線為例，R=47.5m。圖2 滑動面計算示意圖3. 分條計算穩(wěn)定系數(shù)將圓弧土體分段。本例按第一條滑動曲線分為16段，每個垂直土條的平均寬度為3.025m。計算每一分段面積時，將曲線形底部近似取直線，各分段圖形簡

18、化成矩形、梯形或三角形，進而求出其近似面積。其中計算面積包括換算土柱部分的面積。各分條的抗滑力矩：MRi=fRNi+cLi=fQiRtani+cRi滑動力矩：MTi=RTi=QiRsini邊坡穩(wěn)定性系數(shù)：K=MRiMTi=fNi+cLTi其中，摩擦系數(shù) f=tan=0.599現(xiàn)將計算結(jié)果匯于下表：土條力矩計算表 表5土條號土條寬Bi土條中心高Hi土條重Qi土條對應(yīng)的圓心角isinicosi抗滑力矩MRi滑動力矩MTi12.162.6107.831.00100.8420.5393675.2424312.54922.006.4245.760.93740.8060.5926029.8189408.9

19、2232.7510.31544.370.85720.7560.65511865.3119548.2542.7513.21697.490.77400.6990.71515749.3423158.3551.0014.1270.720.71950.6590.7527243.9478474.21364.0014.81136.640.65100.6060.79527030.832718.1874.0014.81136.640.54920.5220.85328683.5328182.9984.0014.41105.920.44780.4330.90129257.5622746.0194.0013.6104

20、4.480.36180.3540.93528514.4617562.93104.0012.6967.680.27240.2690.96327058.6212364.53114.0011.4875.520.18610.1850.98324847.827693.632124.009.8752.640.10120.1010.99521501.793610.79132.808.1435.460.00300.0031.00012391.4962.05248143.206.4393.22-0.0340-0.0340.99911108.96-635.044154.004.3330.24-0.1102-0.1100.9949113.361-1725.5163.751.5108.00-0.1779-0.1770.9842664.085-908.01按上表數(shù)據(jù)計算 K=MRiMTi=1.43 ，符合K值在1.251.50之間的要求。故可認為邊坡穩(wěn)定。其余各不同的滑動面計算過程與上類似，且計算所得K值均符合在1.251.50之間的要求，故認為邊坡設(shè)計合理。三、課程設(shè)計總結(jié)通過兩周時間的課程設(shè)計，我初步掌握了瀝青路面與混凝土路面的設(shè)計方法，了解了如何進行交通量換算與軸載當量換算，也對二級公路路基路面結(jié)構(gòu)的選