自然区划-IV区一级公路路面结构设计.doc

1、公路自然区划区一级公路路面结构设计The Design On The Road Surface Structure Of A Class-A Highway In Rank Nature Division For Highway 目 录1 引言12 新建沥青路面设计及计算22.1 基本资料22.1.1 自然地理条件22.1.2 土基回弹模量22.1.3 交通量及其年增长率和设计年限22.2.4 设计轴载22.2 初拟路面结构52.3 路面材料配合比设计与设计参数的确定62.3.1 试验材料的确定62.3.2 路面材料配合比设计62.3.3 路面材料抗压回弹模量的确定62.3.4 路面材料劈裂强

2、度测定62.4 路面结构层厚度确定72.4.1 方案一的结构层厚度计算72.4.2 方案二的结构层厚度计算82.4.3 方案三的结构厚度验算92.4.4 验算防冻厚度102.4.5计算机计算过程对比113 新建普通混凝土路面设计及计算163.1 基本资料163.1.1 自然地理条件163.1.2 土基回弹模量163.1.3 交通量及其年增长率和设计年限163.1.4 设计轴载163.2 初拟路面结构183.3 路面材料参数确定183.4 荷载疲劳应力193.5 温度疲劳应力203.6 可靠度系数确定203.7 极限状态方程验算203.8 计算机软件计算结果对比20致 谢22参 考 文 献23公

3、路自然区划IV区一级公路路面结构设计1 引言某地（IV区）拟建一级公路，设计年限为15年，土基为粉质土，确定土基的稠度为1.10，回弹模量取36MPa，路基干湿状态为中湿状态。有关资料如下：1.初始条件：在双轮组（或多轮组）货车型号中自行选取，型号不少于7种（如表1），日交通量自拟，保证计算的交通等级属于重交通或特重交通。表1 交通组成 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(辆/日)北京BJ13013.5527.2012010000成都CD130 13.6027.2012010000江淮HF140A 18.9041.801205000切贝尔D420 2

4、8.2054.801204000星牌STAR2000 37.0076.001204000黄河QD35249.8095.801201000东风EQ15526.5056.702206002公路技术等级为一级，为双向四车道。3交通组成如表1（示例）所示，交通量年增长率：前五（十）年：= 8%；中间五（十）年：= 7%；后五（十）年：= 6%。拟采用沥青路面结构和混凝土路面结构两种路面类型进行施工图设计。2 新建沥青路面设计及计算2.1 基本资料2.1.1 自然地理条件新建一级公路地处IV区，为双向四车道，拟采用沥青路面结构进行施工图设计；沿线土质为粉质土，属中湿状态。2.1.2 土基回弹模量设计路段

5、路基处于中湿状态，路基土为粉质土，土基的稠度为1.10，根据室内实验法确定土基回弹模量设计值为36MPa。2.1.3 交通量及其年增长率和设计年限根据工程可行性研究报告可知该路段所在地区近期交通组成与交通量，见表2-1。预测交通量为6.0%。沥青路面累计标准轴次按15年计。表2-1 近期交通组成与交通量车 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(辆/日)北京BJ130 13.5527.2012010000成都CD130 13.6027.2012010000江淮HF140A18.9041.801205000切贝尔D420 28.2054.801204000星牌

6、STAR2000 37.0076.001204000 黄河QD352 -49.8095.801201000 东风EQ155 26.5056.702206002.2.4 设计轴载（1）当以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时，按P379, 式14-5计算：N1前=16.410000=10.71，N1后=1110000=34.70N2前=16.410000=10.89，N2后=1110000=34.70；N3前=16.45000=22.79，N3后=115000=112.48；N4前=16.44000=103.94，N4后=114000=292.25；N5前=16.44000=338.78，N5

7、后=114000=1212.27；N6前=16.41000=308.41，N6后=111000=829.74；N7前=16.4600=11.90，N7后= .2.21600=111.86N=+=3435.42查P379,表14-3，取车道系数=0.5，按P379,式14-6计算可得：累计当量轴次： Ne1=3653435.420.5=14593198.67总累计当量轴次：Ne =14593198.671459万（2） 当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时，按P378, 式14-1计算：N1前=118.510000=0.02，N1后=1110000=0.30；N2前=118.510000

8、=0.02，N2后=1110000=0.30；N3前=118.55000=0.15，N3后=115000=4.66；N4前=118.54000=2.96，N4后=114000=32.53；N5前=118.54000=25.99，N5后=114000=445.21；N6前=118.51000=69.99，N6后=111000=709.46；N7前=118.5600=0.27，N7后= 31600=19.23N=+=1310.55查P379,表14-3，取车道系数=0.5 。按P379,式14-6计算可得：累计当量轴次：Ne1=3651310.550.5=18908771.33总累计当量轴次：Ne

9、=18908771.331891万1.2101459万/1891万2.510，属于重交通。累计轴次计算结果见表2-2。表2-2 轴载换算与累计轴次型号前轴载(KN)后轴载(KN)后轴数轮组数后轴距(m)交通量(辆/日)北京BJ13013.5527.201双-10000成都CD13013.6027.201双-10000江淮HF140A18.9041.801双-5000切贝尔D42028.2054.801双-4000星牌STAR200037.0076.001双4000黄河QD35249.8095.801双-1000东风EQ15526.5056.702双-600换算方法弯沉以及沥青层拉应力指标半刚性

10、层拉应力指标累计交通轴次1459万1891万（3） 计算机软件对比（见图2-1）图2-1 计算机软件轴载换算与累计轴次计算轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算 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 北京BJ130 13.55 27.2 1 双轮组 10000 2 成都CD130 13.6 27.2 1 双轮组 10000 3 江淮HF140A 18.9 41.8 1 双轮组 5000 4 切贝尔D420 28.2 54.8 1 双轮组 4000 5 星牌STAR2000 37 76 1 双轮组 4000 6 黄河QD352 49.8

11、 95.8 1 双轮组 1000 7 东风EQ155 26.5 56.7 2 双轮组 3 600 设计年限 15 车道系数 .45 交通量平均年增长率 6 一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量 Nh= 6570 ,属特重交通等级 当以设计弯沉值和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 : 3435 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 1.313227E+07 属重交通等级 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 : 1311 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 5012056 属中等交通等级 路面设计交通等级

12、为特重交通等级 公路等级 一级公路 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 : 22.6 (0.01mm) 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 1.2 .36 2 中粒式沥青混凝土 1 .3 3 粗粒式沥青混凝土 .8 .24 4 水泥稳定砂砾 .5 .26 5 水泥稳定碎石 .6 .31 2.2 初拟路面结构根据本地区的路用材料，结合已有工程经验与典型结构，拟定了三个结构组合方案。按计算法确定方案一、方案二的路面厚度；按验算法验算方案三的结构厚度。根据结构层的最小施工厚度、材料、交通量以及施工机具

13、功能等因素，初步确定路面结构组合与各层厚度如下：方案一：4cm细粒式沥青混凝土+6cm中粒式沥青混凝土+7cm粗粒式沥青混凝土+40cm水泥石灰沙砾土+？水泥稳定碎石层，以水泥稳定碎石层为设计层。方案二： 4cm 细粒式沥青混凝土+7cm中粒式沥青混凝土+18cm密级配沥青碎石+？水泥稳定砂砾+20cm级配砾石垫层，以水泥稳定砂砾为设计层。方案三：4cm细粒式沥青混凝土+7cm中粒式沥青混凝土+213cm密级配沥青碎石+32cm级配碎石。2.3 路面材料配合比设计与设计参数的确定2.3.1 试验材料的确定 半刚性基层所用集料取自沿线料场，结合料沥青选用A级90号，上面层采用SBS改性沥青，技术

14、指标据符合公路沥青路面施工技术规范（JTG F40204）相关规定。2.3.2 路面材料配合比设计(略)2.3.3 路面材料抗压回弹模量的确定（1）根据设计及配合比，选取工程用各种原材料制作，测定设计参数。 按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTJ05794）中规定的项目顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量。（2）按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ0522000）中规定的方法测定沥青混合料的抗压回弹模量，测定20、15的抗压回弹模量，各种材料的试验结果与设计参数见表2-3和表2-4。2.3.4 路面材料劈裂强度测定根据设计配合比，选取工程用各种原材料，测定规定温度和龄期的材料劈裂

15、强度。按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程与公路工程无机结合料稳定材料试验规程中规定的方法进行测定，结果见表2-5。表2-3 沥青材料抗压回弹模量测定与参数取值材料名称20抗压回弹模量（MPa）15抗压回弹模量（MPa）方差2方差2+2细粒式沥青混凝土19112011589268034419923368细粒式沥青混凝土14251051215217518718012549细粒式沥青混凝土9785586813206012001440密级配沥青碎石12481161016171515614032027表2-5 路面材料劈裂强度材料名称细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土密级配沥青碎石水泥稳

16、定碎石水泥稳定沙砾水泥石灰沙砾土二灰稳定沙砾劈裂强度（Mpa）1.21.00.80.60.60.50.40.6表2-4 半刚性材料及其他材料抗压回弹模量测定与参数取值材料名称抗压模量（MPa）方差2+2水泥稳定碎石318878210244752水泥石灰沙砾土15912501091291水泥稳定沙砾261723421483086级配碎石400级配沙砾2502.4 路面结构层厚度确定2.4.1 方案一的结构层厚度计算该结构为半刚性基层，沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，基层类型系数为1.0，用P390, 式14-21计算设计弯沉值可得：=600=60014593198.671.

17、01.01.0=22.15（0.01mm）故设计弯沉值为22.15（0.01mm）。用P392, 式14-22、式14-23a、式14-23b计算容许拉应力可得：细粒式沥青混凝土：=0.35（MPa）中粒式沥青混凝土：=0.29（MPa）粗粒式沥青混凝土：=0.24（MPa）水泥石灰沙砾土：=0.14（MPa）水泥稳定碎石层：=0.21（MPa）计算机计算过程如图2-2所示：利用设计程序计算出满足设计弯沉指标要求的水泥石灰沙砾土层厚度为15cm；满足层底拉应力要求的水泥石灰沙砾土层厚度为15cm。设计厚度取水泥石灰沙砾土层为15cm，路表计算弯沉为14.7（0.01mm）。计算机计算过程见图2

18、-3。各结构层的验算见表2-6。计算机验算过程见图2-4。表2-6 结构厚度计算结果新建路面结构厚度计算 公 路 等 级 : 一级公路 新建路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 22.15 (0.01mm) 路面设计层层位 : 4 设计层最小厚度 : 150 (mm) 层位 结 构 层 材 料 名 称 厚度 20平均抗压 标准差 15平均抗压 标准差 容许应力 (mm) 模量(MPa) (MPa) 模量(MPa) (MPa) (MPa) 1 细粒式沥青混凝土 40 1400 0 2000 0 .35 2 中粒式沥青混凝土 60 1200 0 1600 0

19、.29 3 粗粒式沥青混凝土 70 900 0 1200 0 .24 4 石灰粉煤灰碎石 ? 1500 0 1500 0 .14 5 石灰土 250 550 0 550 0 .21 6 新建路基 36 按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 22.15 (0.01mm) H( 4 )= 150 mm LS= 2.2 (0.01mm) 由于设计层厚度 H( 4 )=Hmin时 LS=LD, 故弯沉计算已满足要求 . H( 4 )= 150 mm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力计算设计层厚度 : H( 4 )= 150 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 150 mm(第 2 层

20、底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 150 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 150 mm ( 4 )= .147 MPa H( 4 )= 200 mm ( 4 )= .13 MPa H( 4 )= 171 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 171 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 4 )= 150 mm(仅考虑弯沉) H( 4 )= 171 mm(同时考虑弯沉和拉应力) 验算路面防冻厚度 : 路面最小防冻厚度 500 mm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 . 2.4.2 方案二的结构层厚度计算该结

21、构为柔性基层与半刚性基层组合，沥青层较厚。沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，根据工程经验，按内插法确定基层类型系数，为1.45，用P390, 式14-21计算设计弯沉值可得：=600=60014593198.671.01.01.45=32.11（0.01mm）故设计弯沉值为32.11（0.01mm）。用P392, 式14-22、式14-23a、式14-23b计算容许拉应力可得：细粒式沥青混凝土：=0.35（MPa）中粒式沥青混凝土：=0.29（MPa）密级配沥青碎石：=0.21（MPa）水泥稳定砂砾：=0.23（MPa） 计算机计算过程如图2-5所示。利用设计程序计算出满足

22、设计弯沉指标要求的水泥稳定沙砾层厚度为15cm；满足层底拉应力要求的水泥稳定沙砾层厚度为17.5cm。.设计厚度取水泥稳定沙砾层18cm，路表计算弯沉值为22.6（0.01mm）。计算机计算过程见图2-6。各结构层的验算结果见表2-7。计算机验算过程见图2-7。表2-7 结构厚度计算结果序号结构层材料名称20抗压模量（MPa）15抗压模量（MPa）劈裂强度（MPa）厚度（cm）层底拉应力（MPa）容许拉应力（MPa）均值标准差均值标准差1细粒式沥青混凝土199120126083441.240.2350.352中粒式沥青混凝土142510521751871.070.050.293密级配沥青碎石1

23、24811617151560.6180.0060.214水泥稳定砂砾261723426172340.5180.2250.235级配砂砾2500206土基3602.4.3 方案三的结构厚度验算该结构为比较方案，其结构层为柔性基层，沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，基层类型系数为1.6，用P390, 式14-21计算设计弯沉值可得：=600=60014593198.671.01.01.6=35.44（0.01mm）故设计弯沉值为35.44（0.01mm）。用P392, 式14-22、式14-23a、式14-23b计算容许拉应力可得：细粒式沥青混凝土：=0.35（MPa）中粒式沥

24、青混凝土：=0.29（MPa）密级配沥青碎石：=0.21（MPa）计算机计算过程见图2-8。利用设计程序验算结构是否满足设计弯沉与容许拉应力的要求，验算结果见表2-8。该结构路表计算弯沉为25.90（0.1mm），小于设计弯沉值，符合要求；各结构层的层底拉应力验算结果均满足要求。计算机验算过程见图2-9。表2-8 结构厚度计算结果序号结构层材料名称20抗压模量（MPa）15抗压模量（MPa）劈裂强度（MPa）厚度（cm）层底拉应力（MPa）容许拉应力（MPa）均值标准差均值标准差1细粒式沥青混凝土199120126083441.240.2610.352中粒式沥青混凝土1425105217518

25、71.070.0420.293密级配沥青碎石124811617151560.6260.1760.214级配碎石3500325土基3602.4.4 验算防冻厚度 因所设计路面结构位于公路自然区划区东南湿热区，气温高，热季长，不会出现冻胀和翻浆现象，故不需进行防冻厚度验算。2.4.5计算机计算过程对比图2-2方案一计算机软件设计弯沉及容许拉应力计算图2-4 方案一计算机软件计算弯沉及层底拉应力计算图2-3方案一计算机软件设计层厚度计算图2-5 方案二计算机软件设计弯沉及容许拉应力计算图2-7方案二计算机软件计算弯沉及层底拉应力计算图2-6 方案二计算机软件设计层厚度计算图2-8 方案三计算机软件设

26、计弯沉及容许拉应力计算图2-9 方案三计算机软件计算弯沉及层底拉应力计算3 新建普通混凝土路面设计及计算3.1 基本资料3.1.1 自然地理条件新建一级公路地处IV区，为双向四车道，拟采用普通混凝土路面结构进行施工图设计；沿线土质为粉质土，属中湿状态。3.1.2 土基回弹模量设计路段路基处于中湿状态，路基土为粉质土，土基的稠度为1.10，根据室内实验法确定土基回弹模量设计值为36MPa。3.1.3 交通量及其年增长率和设计年限根据工程可行性研究报告可知该路段所在地区近期交通组成与交通量，见表3-1.预测交通量增长率前十年为8.0%，中十年为7.0%，后十年为6.0%。混凝土路面累计标准轴次按3

27、0年计。表3-1 近期交通组成与交通量型号前轴载(KN)后轴载(KN)后轴数轮组数后轴距(m)交通量(辆/日)北京BJ13013.5527.201双-10000成都CD13013.6027.201双-10000江淮HF140A18.9041.801双-5000切贝尔D420 28.2054.801双-4000星牌STAR200037.0076.001双4000黄河QD35149.8095.801双-1000东风EQ15526.5056.702双-6003.1.4 设计轴载（1）按P457, 式16-1计算可得：N1前=（2.221013.55）10000=9.310，N1后=110000=9.

28、010；N2前=（2.221013.60）10000=9.910，N2后=110000=9.010；N3前=（2.221018.9）5000=8.310，N3后=15000=4.310N4前=（2.221028.2）4000=3.410，N4后=14000=3.010；N5前=（2.221037.0）4000=2.010，N5后=14000=5.010N6前=（2.221049.8）1000=5.910，N6后=11000=5.010；N7前=（2.221026.5）600=1.910，N7后=2（1.071056.7）600=6.010由于公路通行车辆在横断面上分布是不均匀的，根据统计规律，

29、车道数不同，分布概率也不一样，为安全考虑，将分布概率集中的车道作为设计车道。因此，上述调查获得的双向年平均日货车交通量，还应乘以方向系数（通常为0.5）和车道分布系数才能得到设计车道在设计基准期初期的年平均日货车交通量。车道分布系数查P458，表16-2，取0.9。N=0.50.9（+）=0.50.9555.9=250.155查P459,表16-3，取车道系数=0.2，按P458,式16-4计算可得：累计当量轴次： Ne1=365250.1550.2=1443706.442总累计当量轴次：Ne=1443706.442144万10010144万200010，属于重交通，累计轴次计算结果见表3-2

30、。表3-2 轴载换算与累计轴次型号前轴载(KN)后轴载(KN)后轴数轮组数后轴距(m)交通量(辆/日)北京BJ13013.5527.201双-10000成都CD130 13.6027.201双-10000江淮HF140A18.9041.801双-5000切贝尔D42028.2054.801双-4000星牌STAR200037.0076.001双4000黄河QD35149.8095.801双-1000东风EQ15526.5056.702双-600累计交通轴次144万3.2 初拟路面结构 由P479，表16-20可知，一级公路对应的变异水平等级为低中级。根据一级公路，重交通等级和低中级变异水平等级

31、，查P477，表16-17，初拟普通混凝土面层厚度为0.242m。考虑到排水需求，基层选用多孔隙水泥碎石，厚0.12mm。垫层为0.15m天然砂砾。普通混凝土板的尺寸为宽4.5m，长5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。3.3 路面材料参数确定按P480，表16-23和P481，表16-25，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31Gpa。已知路基回弹模量为36 Mpa。查P482，表16-27多孔隙水泥碎石基层回弹模量取1500MPa，天然砂砾垫层回弹模量取150MPa。按P481，式16-53计算基层顶面当量回弹模量如下：E=676.829Mpa

32、D=+（）=+（） =0.623MNmh=0.223（m）a=6.2211.51=6.2211.51=3.712b=1-1.44=11.44=0.713E=121.893MPa普通混凝土面层的相对刚度半径按P481，式16-52b计算为r =0.537h=0.5370.25=0.851m3.4 荷载疲劳应力按P481，式16-52a，标准轴载在临界荷位处差生的荷载应力计算为 =0.077=0.077=1.118MPa因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数K=0.90。考虑荷载基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数K=（4.074501）=2.381。根据公路等级，由P481，表16

33、-24，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数K=1.25。按P481，式16-49，荷载疲劳应力计算为=KKK=0.902.3811.251.118=2.995MPa3.5 温度疲劳应力由P483，表16-28，IV区最大温度梯度取92（/m）。板长5m，l/r =5/0.833=6.00，由P483，图16-14可查普通混凝土板厚0.22m，=0.6。按P483，式16-56，最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为=2.07 MPa温度疲劳应力系数K，按P483，式16-57计算，查P484，表16-29可得，自然区划为IV区，式中a=0.841，b=0.058，c=1.32

34、3，K为K=0.49再由P483，式16-55计算温度疲劳应力为=K=0.492.07=1.01 MPa3.6 可靠度系数确定 查P479，表16-20，公路一级的安全等级为二级，相当于二级安全等级的变异水平系数为低中级，目标可靠度为90%。再查P480，16-22，确定可靠度系数=1.16。3.7 极限状态方程验算按P480，式16-48有（+）=1.16（3.25+1.01）=4.94 MPa=5.0 MPa因此，所选普通混凝土面层厚度（0.242m）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。故所设计方案可以采用。3.8 计算机软件计算结果对比图3-1 计算机软件计算结果图3-

35、1 计算机软件计算结果（续）致 谢在这次课程设计撰写过程中，我得到了许多人的帮助。首先我要感谢老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次课程设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了很多理论上的难题，让我把设计做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己将理论运用于实践中的能力。其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。最后，再一次感谢所有帮助过我的良师益友和同学。参 考 文 献1 邓学钧，路基路面工程，人民交通出版社，2005；2 严家伋，道路建筑材料，人民交通出版社，2003；3 交通部行业标准，沥青路面设计规范JTGD50-2004，人民交通出版社，1997；4 交通部行业标准，公路工程技术标准JTG B01-2003，人民交通出版社，2004；5 交通部行业标准，公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004，人民交通出版社，2005；6交通部行业标准，公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40-2002，人民交通出版社，2003；7交通部行业标准，公路路基设计规范JTG D30-2004，人民交通出版社，2005；8交通部第二公路勘察设计院主编路基（第二版）北京：人民交通出版社，1996。 17