河南理工大学路基路面课程设计

河南理工大学路基路面课程设计
路基路面课程设计
Rode Subgrade and Pavement Course Design
作者姓名：专业、班级：
土木本1301班
学号：指导教师：
设计时间：2015.1.22
河南理工大学
Henan Polytechnic University
目录
路基设计------------------------------------------------------------------ 1
1.设计资料：------------------------------------------------------------ 1
2.破裂棱体位置计算------------------------------------------------------ 1
3.荷载当量土柱高度计算-------------------------------------------------- 2
4.土压力作用点位置计算-------------------------------------------------- 3
5.稳定性验算------------------------------------------------------------ 3
6.基地应力和合力偏心矩验算---------------------------------------------- 4
7.截面内力计算---------------------------------------------------------- 5
8.设计图纸及工程量------------------------------------------------------ 5 沥青路面设计-------------------------------------------------------------- 6
1.基本设计资料---------------------------------------------------------- 6
2.沥青路面设计---------------------------------------------------------- 7 2.1.轴载分析---------------------------------------------------------- 7 2.2．结构组合与材料选取----------------------------------------------- 8 2.3计算设计弯沉值和容许弯拉应力-------------------------------------- 9 2.4．路面结构层厚度确定----------------------------------------------- 9 2.5．验算防冻厚度---------------------------------------------------- 10 水泥混凝土路面设计------------------------------------------------------- 11
1 .交通分析------------------------------------------------------------ 11
2 .初拟路面结构-------------------------------------------------------- 12
3 .路面材料参数确定---------------------------------------------------- 12
4 .荷载疲劳应力-------------------------------------------------------- 12
5. 温度疲劳应力-------------------------------------------------------- 13 参考文献----------------------------------------------------------------- 14
路基设计
1.设计资料：
某新建公路K9+985~K10+025路段采用浆砌片石重力式路堤墙，具体设计资料列于下：
（1）路线技术标准，山岭重丘区一般二级公路，路基宽12m ，路面宽7.5m 。

（2）车辆荷载，公路－I 级。

（3）挡墙某处横断面布置及挡墙型式如图
（4）填料为砂性土，其密度=γ18KN/m 3，计算内摩擦角φ=32，填料与墙背间的摩擦角δ=2/φ。

（5）地基为整体性较好的石灰岩，其允许承载力[]0σ=480Kpa ，基底摩擦系数为μ=0.50。

（6）墙身材料采用5号砂浆砌30号片石，砌体a γ=22KN/m 3，砌体容许压应力为
[]610=a σkPa ，容许剪应力为τ=110Kpa ，容许拉应力为wl σ=65 kPa 。

2.破裂棱体位置计算
（1）破裂角θ的计算：假设破裂面交于荷载范围内，则有
’’δφα583332160214o o o o =++-=++=ψ（墙背仰斜1:0.25，故'0214o -=α） 因为o 90<ω
αtan )22(21
)(21o o o h a H H h d b ab B ++-++=
, )(22
1
o H a h H a A o +++=）（
根据路堤挡土墙破裂面交于荷载内部时破裂角的计算公式：
775
.0)25.0673.0)(673.06.1(673.0)'0214tan '5833)(tan '5833tan 32(cot '5833tan )
tan )(tan tan (cot tan )
tan )(tan (cot -tan tan o o o
=+++-=+++-=-++-=+++=o o o o A B αψψφψψψφψθ o 77.37=θ
（2）验算破裂面是否交于荷载范围内
破裂契体长度：o tan tan 6.50.7750.25 3.41m L H
αθ=+=-=（）（） 车辆荷载分布宽度：m N N L 25.975.15.132d m 1b =++⨯=+-+=）（ 所以L L <o ，即破裂面交于荷载范围内，符合假设。

3.荷载当量土柱高度计算
墙高6.5米，按墙高确定附加荷载强度进行计算。

按照线性内插法，计算附加荷载强度2m /k 5.19q N =， 土压力计算
o 11
2)()(2 6.52 1.08)(2 6.5)45.3122o A a H h a H =+++=++⨯+=（
o 11
()(22)tan 22
1
0.5233 1.75 1.08 6.5(6.5222 1.08)tan 1402'2
18.40
o o o B ab b d h H H a h α
=++-++=⨯⨯++⨯-⨯+⨯+⨯-=（）（）
根据路堤挡土墙破裂面交于荷载内部土压力计算公式
o o a o o o o cos cos 37.7732tan 1840.640.77517.25109.81sin sin 37.773358'E A B KN
θϕγθθψ++=-=⨯⨯-=++（）（）
（）（）（）（）
a a cos()109.81cos(142'16)109.76sin()109.81sin(142'16) 3.45o o X o
o
Y E E KN E E KN
αδαδ=+=-+==+=-+=
4.土压力作用点位置计算
1k 12/12 1.08/6.5 1.33o h H =+=+⨯=
1o 1/3/3k 6.5/3 1.08/3 1.33 2.44X Z H h =+=+⨯=（）
1X Z :土压力作用点到墙踵的垂直距离 土压力对墙趾力臂计算 基地倾斜，土压力对墙趾力臂：
11 2.440.2 2.24m X X Z Z h =-=-=
1tan 1.04 2.240.25 1.60Y X Z b Z m α=-=+⨯=
5.稳定性验算
（1）墙体重量及其作用点位置计算
挡墙按单位长度计算，为方便计算从墙趾处沿水平方向把挡土墙分为两部分，上部分为四边形，下部分为三角形：
31111b 1 1.04 6.3 6.55V H m =⨯⨯=⨯⨯=
11a 6.5522144.1G V KN γ=⨯=⨯=
1111/2(tan b )1/2[(0.25 6.3) 1.04] 1.49m G Z H α=+=⨯--⨯+= 3112104.012.004.15.01b 2/1m h V =⨯⨯⨯=⨯⨯⨯= KN V G 29.222104.0a 22=⨯=⨯=γ m Z G 68.004.1651.0b 651.012=⨯=⨯=
（2）抗滑稳定性验算：（基底1:5，''36'1811o o =α）
1o 2o 112[1.1(tan tan )](1.1)tan 0
[1.1144.1 1.4(3.45107.760.1980)]0.5(1.1146.4 1.4 3.45)0.198 1.4109.760
Q Y X Q P Q Y o Q X Q P G E E E G E E E γαγαμγαγγ++-++-+>⨯+⨯+⨯-⨯+⨯+⨯⨯-⨯>所以抗滑稳定性满足要求。

（3）抗倾覆稳定性验算
110.8()0
0.8(144.1 1.25 2.290.68) 1.4(2.24 2.06109.765 1.6)0620
G Q Y X X Y Q P P GZ E Z E Z E Z γγ+-+>⨯+⨯+⨯-⨯+=-< 所以倾覆稳定性不足，应采取改进措施以增强抗倾覆稳定性。

重新拟定b 1＝1.2m 倾斜基地，土压力对墙址力臂：
2.24X Z m =
1tan 1.2 2.240.25 1.76Y X Z b Z m α=-=+⨯=
311111a 1111b 1 1.2 6.37.56227.56166.320.5(tan b ) 1.39G V H m G V KN Z H m
γα=⨯⨯=⨯⨯==⨯=⨯==+= m
b Z KN V G m H b V G 78.02.1651.0651.064.22212.012.02.02.15.015.0112223212=⨯===⨯===⨯⨯⨯=⨯=αγ
1122110.8()0
0.8(144.1 1.49 2.290.68) 1.4(3.45 2.24109.76 1.6)15.30G G Q Y X X Y Q P P G Z G Z E Z E Z E Z γγ++-+>⨯+⨯+⨯-⨯=>（）
所以倾覆稳定性满足要求。

6.基地应力和合力偏心矩验算
（1）合力偏心距验算
o
X Q o Y Q G G E E W E G M M N M
e αγαγγsin cos )(4.12.1111+-++==
上式中弯矩为作用与基底形心的弯矩，所以计算时先要计算对形心的力臂：根据前面计算过的对墙趾的力臂，可以计算对形心的力臂：
11o 22o '/2 1.490.50.99'/20.780.50.28'tan /2 2.240.50.198 2.34'/2 1.760.5 1.26G G G G X X o o Y Y o Z Z B m Z Z B m
Z Z B m Z Z B m
α=-=-==-=-==+⨯=+⨯==-=-=
11221111.2('') 1.4('')()cos sin 1.2(3.45 1.26109.76 2.34) 1.4(144.10.99 2.290.28)
(149.39 1.2 1.4 3.450)0.98 1.4109.760.19
25.36
0.090.25278.664
Y Y X X G G G Q Y o Q X o
o E Z E Z G Z G Z M e N G E W E B m γγαγα-++==+-+⨯⨯-⨯+⨯⨯+⨯=
⨯+⨯-⨯+⨯⨯==<=
所以基底合力偏心矩满足规范的规定。

（1）基地应力验算
1max min 6278.6660.09
(1)(1)1.21
357.6[]610106.8o N e p A B p kPa p kPa
ασ⨯=
±=±=<==
所以基底应力满足要求。

7.截面内力计算
墙面墙背平行，截面最大应力出现在接近基地处，由基地应力验算可知偏心矩及基地应力满足地基承载力，墙身应力也满足，验算内力通过，墙顶顶宽1.2m，墙高6.5m。

8.设计图纸及工程量
（1）挡土墙的平面、立面与横断面图见附图
（2）挡土墙工程数量如下
路肩墙墙体间隔20 米设置沉降缝一道，缝内用沥青麻絮嵌塞；泄水孔尺寸10×10cm，2--3米布置一个，泄水孔应高出地面不小于30 厘米；墙背均应设置50 厘米砂砾透水层，并做土工布封层。

沥青路面设计
1.基本设计资料
（1）自然地理条件
新建高速公路一级，双向四车道，采用沥青路面结构。

土质为粉质土，填方路基高度2m ，中湿状态，年降雨量620mm ，最高气温C o 35，最低气温C o 31-。

多年最大道路冻深120cm,
平均冻结指数C o 880，最大冻结指数d C •o 1225。

（2）土基回弹模量取36a MP 。

（3）确定交通组成和交通量，见表1。

交通量年增长率：前五年：%8=γ；中间五年：
%7=γ；后五年：%6=γ。

沥青路面累计标准轴次按15年计。

表1：交通组成
标准轴载BZZ-100各项参数
2.沥青路面设计
2.1.轴载分析
(1)我国沥青路面设计以双轮组单轴载 100kN 为标准轴载，表示为 B ZZ-100。

标准轴载的计算参数按表2确定。

以弯沉值和沥青层的底层拉应力为设计指标，按照下面的式子进行轴载当量换算：
35.41
21)(P P
n C C N i i k
i ∑=•=
N — 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；
n i — 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）； P — 标准轴载（ k N ）；
P i — 各种被换算车型的轴载（ k N ）；
C 1— 轮组系数，单轮组为 6.4,双轮组为 1.0,四轴组为 0.38； C 2— 轴数系数。

K — 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
)1(2.111-+=m C
式中：m -轴数
表3：轴载换算结果
(2)设计年限内一个车道通过的累计当量标准轴次数按下式计算：
η••⨯-+=1365
]1)1[(N r
r N t e
式中：e N — 设计年限内一个车道的累计当量数；
t — 设计年限，由材料知，t=15年；
1N — 设计端竣工后一年双向日平均当量轴次；
γ— 设计年限内的交通量平均增长率，由材料知，γ=0.087； η— 车道系数，由材料知η=0.5。

715e 1036.15.003.2601087
.0365]1)087.01[(⨯=⨯⨯⨯-+=N
根据路面交通等级：本设计路面交通等级为重交通。

2.2．结构组合与材料选取
根据《公路沥青路面设计规范》，并考虑公路沿途有砂石、碎石、石灰、粉煤 灰供应，采用如下方案：30mm 细粒式沥青混凝土+50mm 中粒式沥青混凝土+60mm 粗粒式沥青混凝土+200mm 石灰粉煤灰碎石+200mm 石灰土。

2.3计算设计弯沉值和容许弯拉应力（结构层底拉应力应用通用软件计算） （1）设计弯沉值根据我国《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）规定的公式计
算：B e d A A A N l s c 2
.0600-=
d l :设计弯沉值（0.01mm ）；
e N :设计年限内一个车道累计当量标准轴载通行次数 e A :公路等级系数，一级公路为1.0； s A :面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；
B A :路面结构类型系数，沥青路面为1。

mm l d 43.22111)1037.1(6002.07=⨯⨯⨯⨯⨯=-
(1)我国《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）规定，沥青面层和基层层底拉应力作为沥青路面结构设计的第二项设计控制指标。

公式如下：
sp σ：路面结构材料的极限抗拉强度（MPa ），由实验室按标准试验测定；
R σ：路面结构材料的容许拉应力（MPa ）； s K ：抗拉强度结构系数。

沥青混凝土面层按照c 22
.0e s /09.0A N K =计算，34.31/1037.109.022.07s =⨯⨯
=）（K 混凝土层按照c 11
.0e s /35.0A N K =计算，13.21/1037.135.011
.07s =⨯⨯
=）（K 表4：路面结构容许弯拉应力
根据设计配合比，选取工程原材料，测定规定温度和期龄的材料劈裂强度。

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。

该结构为半刚性基层，基层类型系数为1，设计弯沉值计算为22.43mm，利用设计程序计算路面结构层厚度。

计算结果见下表。

表5：结构厚度计算结果
2.5．验算防冻厚度
按设计弯沉值计算设计层厚度 :
LD= 23.2 (0.01mm)
H( 5 )= 35 cm LS= 24.4 (0.01mm)
H( 5 )= 40 cm LS= 22.6 (0.01mm)
H( 5 )= 38.3 cm(仅考虑弯沉)
按容许拉应力验算设计层厚度 :
H( 5 )= 38.3 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求)
H( 5 )= 38.3 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求)
H( 5 )= 38.3 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求)
H( 5 )= 38.3 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求)
H( 5 )= 38.3 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求)
路面设计层厚度 :
H( 5 )= 38.3 cm(仅考虑弯沉)
H( 5 )= 38.3 cm(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50 cm
验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求。

水泥混凝土路面设计
1 .交通分析
一级公路设计基准期为30年，交通分析及轴载同沥青路面。

设计车道使用初期标准轴载日作用次数为2601，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.2，交通量年平均增长率为8%，由公式计算设计基准期内设计车道标准荷载立即作用次数：
根据交通荷载分级，1513.26介于100和2000之间，故属于重交通等级。

属于重交通等级。

2 .初拟路面结构
根据一级公路、重交通和中级变异水平等级查表，初步拟定普通混凝土面层厚度为240mm 。

基层选用水泥稳定粒料，厚度0.2m 。

垫层0.15m 低剂量无机结合料稳定土。

混凝土面板尺寸为宽4m ，长5m 。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

3 .路面材料参数确定
根据混凝土弯拉强度标准值和弹性模量标准值，取混凝土面层弯拉强度标准值为5MPa ，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa 。

路基回弹模量为36MPa ，低剂量无机结合料稳定土结合垫层回弹模量为600MPa ，水泥稳定粒料基层回弹模量取1300MPa 。

计算基层顶面当量回弹模量：
MPa h h h E E h E 104815.02.015.06002.013002
22
222212
22121x =+⨯+⨯=++= m
MN h E h E h h h E h E D X ⋅=⨯+⨯++⨯+⨯=++++=--08.3)15.060012.013001(4)15.02.0(1215.0600122.01300)
11(4)(121212331
2
211221322311
m E D h X X X 328.01048/08.312/1233=⨯==
159.4])36
1048(51.11[22.6])(
51.11[22.645
.045.0=⨯-⨯=-=--o x E E a 775.0)36
1048(44.11)(
44.1155
.055.0=⨯-=-=--o X E E b a 59.208)36
1300(36328.0159.4)(
3
/1775.03/1t MP E E E ah E o x o b
x =⨯⨯⨯== 普通混凝土面层相对刚度半径计算：
0.5370.5370.240.683m r h ==⨯=
4 .荷载疲劳应力
标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：
0.620.62ps 0.0770.0770.6830.24 1.063a r h MP σ--==⨯⨯=
因为纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力折减系数为r K =0.87，考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数403.2)1077.4(057.06=⨯==v e f N K 。

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合系数c K =1.3.荷载疲劳应力计算：
a 73.3372.13.1403.287.0MP K K K ps c f r pr =⨯⨯⨯==σσ
5. 温度疲劳应力
Ⅳ区最大温度梯度取92(m C /o ).拟定板长5m ，r l /=5/0.740=6.757,查得混凝土板厚h =0.26m ，x B =0.55，最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为：
5c 110310000.24860.55 1.62a 2
2
c g
tm x E hT B MP ασ-⨯⨯⨯⨯=
=⨯=
根据自然分区为Ⅳ区，查表得回归系数a=0.841,b=0.058,c=1.323,温度疲劳应力系数t K 按照下式计算:
1.323
5 1.62[(
)][0.841()0.058]0.411.625
c tm
r
t tm
r
f K a b f σσ=
-=
⨯-= 计算温度疲劳应力：0.41 1.620.66(a)tr t tm K MP σσ==⨯= 查表确定可靠系数r γ=1.13：
r 1.13(3.730.66) 4.96a 5a pr tr r MP f MP γσσ+=⨯+=<=（）
因此，所选普通混凝土面层厚度0.24m 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。

参考文献
[1]邓学钧路基路面工程(第二版).人民交通出版社，2005
[2]中华人民共和国行业标准：公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006).
[3]中华人民共和国行业标准：公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40-2011).
[4] 中华人民共和国行业标准：<<公路工程技术标准>>(JTGB01—2003)
[5] 中华人民共和国行业标准:公路路基设计规范（JTG D30-2004）。