[课程设计]路基路面工程课程设计计算书

路基路面工程课程设计计算书
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完成时间：2010年6月24日
路面结构设计的计算
基本资料：某地区规划修建一条四车道的一级公路，沿线筑路材料的情况：石料：本地区山丘均产花岗岩、流纹岩和凝灰熔岩；储量丰富，岩体完整。

石料强度高。

砂：海岛沿岸多处沙滩可供取砂，运输较方便。

土料：沿线丘岗均有砖红色亚粘土和黄褐色砂砾质粘土可供路基用土。

此公路的设计年限为20年，拟采用沥青路面结构进行设计。

一、轴载分析。

1、设计年限内交通量的平均增长率：1234
4
γγγγγ+++=
由主要预测年交通量表可算得：
2000年到2005年的年增长率：5
112266(1)18293γ+=，可算得：18.3%γ= 2005年到2010年的年增长率：5
218293(1)26204γ+=，可算得：27.5%γ= 2010年到2015年的年增长率：5
326204(1)35207γ+=，可算得：3 6.1%γ= 2015年到2020年的年增长率：5
435207(1)55224γ+=，可算得：49.4%γ=
故1234
8.3%7.5% 6.1%9.4%
7.8%4
4
γγγγγ++++++=
=
=
2、设计年限内一个车道的累计当量轴次的计算。

路面设计采用双轮组单轴载100KN 为标准轴载，以BZZ —100表示。

1） 当以设计弯沉值为设计指标时，换算成标准轴载P 的当量作用次数N 的公式为：
4.35121
N=()k
i i i P
C C n P =∑
预测交通组成表
对于跃进NJ130：
前轴：i P =16.20KN<25KN ，省略不算
后轴：1C =1, 2C =1, i P =38.30KN ，P=100KN, i n =702 4.354.35
1238.30(
)11702()10.8100
i i P N C C n P ==⨯⨯⨯=次/d
对于解放CA10B ：
前轴：i P =19.40KN<25KN,省略不算。

后轴：1C =1, 2C =1, i P =60.85KN ，P=100KN, i n =962 4.354.35
1260.85()11962()110.8100
i i P N C C n P ==⨯⨯⨯=次/d
对于黄河JN150:
前轴：1C =1, 2C =6.4, i P =49.00KN ，P=100KN, i n =661 4.354.35
1249.00(
)1 6.4661()190.0100
i i P N C C n P ==⨯⨯⨯=次/d
后轴：1C =1, 2C =1, i P =101.60KN ，P=100KN, i n =661 4.354.35
12101.60()11661()708.3100
i i P N C C n P ==⨯⨯⨯=次/d
最终可汇成下表：
轴载换算结果表（弯沉）
设计年限内一个方向上一个车道的累计当量轴次的计算：设计年限为t=20年， γ=7.8%，双向四车道，故车道系数η选为0.4。

故
201[(1)1]365
[(10.078)1]365
1019.0.466651060.078
t e N N γηγ
+-⨯+-⨯=
⨯⨯=⨯⨯=次
2） 当进行半刚性基层层底拉应力验算时，换算成标准轴载P 的当量作用次数N 的公式
为： 8121
()k
i i i P
N C C n P
==
∑
同理，计算结果可如下表所示：
轴载换算结果（半刚性基层层底拉应力）
设计年限内一个方向上一个车道的累计当量轴次的计算：
201[(1)1]365
[(10.078)1]365
768.60.450228460.078
t e N N γηγ
+-⨯+-⨯=
⨯⨯=⨯⨯=次
二、拟定路面结构组合方案及厚度。

组合方案，拟定了两种，其简图如下所示：
方案一： 方案二：
细粒式沥青混凝土 h 1=4cm 中粒式沥青混凝土 h 2=5cm 粗粒式沥青混凝土 h 3=6cm 水泥稳定碎石 h 4=20cm 石灰土 h 5=? 级配碎、砾石 h 6=12cm
土基
细粒式沥青混凝土 h 1=4cm 中粒式沥青混凝土 h 2=6cm 粗粒式沥青混凝土 h 3=8cm 水泥稳定碎石 h 4=？ 二灰土 h 5=16cm 填隙碎石 h 6=10cm
土基
三、各层材料的抗压模量与劈裂强度、土基的回弹模量的确定。

1） 确定各层材料的抗压模量与劈裂强度。

查表可得下列设计参数，汇表如下：
2） 确定土基的回弹模量。

该路段处于7IV 区，为黏质土，且稠度为1.00 。

查《公路沥青路面设计规范》可得土基回弹模量为34.5MPa
四、设计指标的确定。

对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构底层拉应力验算。

1、设计弯沉值的计算:
0.2L 600d e c s b N A A A -=
该公路为一级公路，故公路等级系数c A =1.0，且是沥青混凝土面层，故面层类型系数
s A =1.0。

方案一：半刚性基层上设置40mm+50mm+60mm=150mm<160mml 沥青混合料结构层，
b A =1.0。

故 0.20.2
L 6006006665106 1.0 1.0 1.025.91d e c s b N A A A --==⨯⨯⨯⨯= mm
方案二：半刚性基层上设置40mm+60mm+80mm=180mm,介于160mm 和260mm 之间的沥青混合料结构层，故由线性内插可求得b A =1.12。

故0.20.2
L 6006006665106 1.0 1.0 1.1229.01d e c s b N A A A mm --==⨯⨯⨯⨯=
2、各层材料的容许层底拉应力的计算。

容许拉应力sp
R s
K σσ=
细粒式沥青混凝土：
0.220.22
0.090.09 1.05022846 2.68
1.0
a e
s
c
A N
K A⨯⨯
===
1.4
0.5224
2.68
sp
R
s
K
σ
σ===MPa
中粒式沥青混凝土：
0.220.22
0.090.09 1.05022846 2.68
1.0
a e
s
c
A N
K A⨯⨯
===
1.0
0.3731
2.68
sp
R
s
K
σ
σ===MPa
粗粒式沥青混凝土：
0.220.22
0.090.09 1.15022846 2.95
1.0
a e
s
c
A N
K A⨯⨯
===
0.8
0.2712
2.95
sp
R
s
K
σ
σ===MPa
水泥稳定碎石：
0.110.11
0.350.355022846 1.91
1.0
e
s
c
N
K A⨯
===
0.5
0.2618
1.91
sp
R
s
K
σ
σ===MPa
石灰土：
0.110.11
0.450.455022846 2.46
1.0
e
s
c
N
K A⨯
===
0.225
0.0915
2.46
sp
R
s
K
σ
σ===MPa
二灰土：
0.110.11
0.450.455022846 2.46
1.0
e
s
c
N
K A⨯
===
0.25
0.1016
2.46
sp
R
s
K
σ
σ===MPa
计算结果列于下表：
五、确定设计层的厚度。

1、方案一计算:(采用三层体系为计算体系)
1）令实际弯沉s d l l =，则弯沉综合修正系数
0.380.36
00.380.361.63(
)()200025.9134.5
1.63()()0.52
200010.650.7s l E
F p
δ==⨯=⨯
弹性三层体系的实际弯沉1
21000
s l p l F E δ
α= 故理论弯沉系数125.911400
4.68200020000.710.650.52
s l l E p F αδ⨯=
==⨯⨯⨯
2）将多层体系照弯沉等效的原则换算为按三层体系，如下图所示：
则中层厚度的换算公式为：
6
2234563
55562012(38.50.7)k k H h h h h h h h h h cm ==+=+=+=+∑
3）1
4
0.3810.65
h h
δ
δ
=
== 0
234.50.03
1200
E E == 查三层体系表面弯沉系数诺谟图可得1K =1.44
E 1 h 1 E 2 h 2 E 3 h 3 E 4 h 4 E 5 h 5 E 6 h 6
E 0
E 1 h 1
E 2 H E 0
2
1
1200
0.91400
E E == ，查诺谟图可得α=5.8
由三层体系表面弯沉系数诺谟图上的计算理论弯沉的公式可得：12l K K αα= 故21 4.68
0.565.8 1.44
l K K αα=
==⨯ 再查诺谟图可得 4.8H
δ=
故 4.810.6551.1H cm =⨯=
故538.50.7H h =+=51.1 由此可解得：518h cm = 2、方案二计算：(采用三层体系为计算体系)
1）令实际弯沉s d l l =，则弯沉综合修正系数
0.380.36
00.380.36
1.63(
)()200029.0134.51.63()()0.54
200010.650.7s l E
F p
δ==⨯=⨯
弹性三层体系的实际弯沉1
21000
s l p l F E δ
α= 故理论弯沉系数129.011400
5.04200020000.710.650.54
s l l E p F αδ⨯=
==⨯⨯⨯
2）将多层体系照弯沉等效的原则换算为按三层体系，如下图所示：
E 1 h 1 E 2 h 2 E 3 h 3 E 4 h 4 E 5 h 5 E 6 h 6
E 0
E 1 h 1
E 2 H E 0
则中层厚度的换算公式为：
6
2234563
44681610(31.8 1.1)k k H h h h h h h h h h cm ==+=+=+=+∑
3）1
4
0.3810.65
h h
δ
δ
=
== 0
2
34.50.03
1200
E E == 查三层体系表面弯沉系数诺谟图可得1K =1.44
2
1
1200
0.91400
E E == ，查诺谟图可得α=5.8
由三层体系表面弯沉系数诺谟图上的计算理论弯沉的公式可得：12l K K αα= 故21 5.04
0.605.8 1.44
l K K αα=
==⨯ 再查诺谟图可得 4.3H
δ=
故 4.310.6545.8H cm =⨯=
故431.8 1.145.8H h =+= 由此可解得：413h cm =
六、层底弯拉应力验算。

公路为一级公路，故对沥青混凝土面层、半刚性基层、底基层都应进行拉应力的验算。

1、方案一的层底拉应力的验算。

（采用三层体系验算多层路面的结构层底部拉应力） 1） 验算沥青混凝土面层底面的弯拉应力。

将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
3
1
16.2k h h h h h cm =====∑
6
4
45620181227.4k k H h h h h cm
=====∑
由三层体系上层底面最大拉应力系数计算诺谟图可得，12p m m σσ-
= 16.2
1.510.65
h
δ==
2
4
1
3
1500
1.51000
E E E E =
==
2
4
34.50.021500
E E E E =
==
查诺谟图可得：1 1.09m = ， 0.13σ-
=
又因为27.4
2.610.65
H
δ
== 查诺谟图可得：20.78m =
故沥青混凝土面层底面的最大拉应力
E 1 h 1 E 2 h 2 E 3 h 3 E 4 h 4 E 5 h 5 E 6 h 6
E 0
E 3 h
E 4 H E 0
122）验算半刚性基层底面的弯拉应力。

将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
4
1
33.2k h h h h h h cm =====∑
6
565181222.4k k H h h h cm =====∑
由三层体系上层底面最大拉应力系数计算诺谟图可得，12p m m σσ-
= 33.2
3.110.65
h
δ
==
5
2
1
4
550
0.41500
E E E E =
==
2
5
34.5
0.06550
E E E E =
==
查诺谟图可得：1 1.3m = ， 0.14
σ-
= 又因为22.4
2.110.65
H
δ
== 查诺谟图可得：20.93m =
故半刚性基层底面的最大拉应力
E 1 h 1 E 2 h 2 E 3 h 3 E 4 h 4 E 5 h 5 E 6 h 6
E 0
E 4 h E 5 H E 0
123）验算底基层底面的弯拉应力。

将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
5
1
72.9k h h h h h h h cm =====∑
由三层体系上层底面最大拉应力系数计算诺谟图可得，12p m m σσ-
= 72.9
6.810.65
h
δ==
6
2
1
5
225
0.4550
E E E E =
==
2
6
34.5
0.15225
E E E E =
==
查诺谟图可得：1 1.08m = ， 0.08
σ-
= 又因为6
12
1.110.65h H
δ
δ=
== 查诺谟图可得：2 1.18m =
故半刚性基层底面的最大拉应力
120.70.08 1.1 1.180.0727p m m MPa σσ-
==⨯⨯⨯= <容许拉应力0.0915MPa
2方案二的层底拉应力的验算。

（采用三层体系验算多层路面的结构层底部拉应力） 1) 验算沥青混凝土面层底面的弯拉应力。

E 1 h 1 E 2 h 2 E 3 h 3 E 4 h 4 E 5 h 5 E 6 h 6
E 0
E 5 h
E 6 h 6 E 0
将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
3
1
19.3k h h h h h cm =====∑
6
456413161021.8k k H h h h h cm =====∑
由三层体系上层底面最大拉应力系数计算诺谟图可得，12p m m σσ-
= 19.3 1.810.65
h
δ== 2
4
1
3
1500
1.51000
E E E E =
==
2
434.50.021500
E E E E =
==
查诺谟图可得：1 1.27m = ， 0.11σ-
=
又因为21.8
2.010.65
H
δ
== 查诺谟图可得：2 1.0m =
故沥青混凝土面层底面的最大拉应力
120.70.11 1.27 1.00.0978p m m MPa σσ-
==⨯⨯⨯= <容许拉应力0.2712MPa
E 1 h 1 E 2 h 2 E 3 h 3 E 4 h 4 E 5 h 5 E 6 h 6
E 0
E 3 h
E 4 H E 0
2）验算半刚性基层底面的弯拉应力。

将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
4
1
28.8k h h h h h h cm =====∑
6
565161019.0k k H h h h cm =====∑
由三层体系上层底面最大拉应力系数计算诺谟图可得，12p m m σσ-
= 28.8 2.710.65
h
δ== 5
2
1
4
750
0.51500
E E E E =
==
2
5
34.5
0.05750
E E E E =
==
查诺谟图可得：1 1.35m = ， 0.13σ-
=
又因为19.0
1.810.65
H
δ
== 查诺谟图可得：2 1.18m =
故半刚性基层底面的最大拉应力
120.70.13 1.35 1.180.1450p m m MPa σσ-
==⨯⨯⨯=<容许拉应力0.2618MPa
E 1 h 1 E 2 h 2 E 3 h 3 E 4 h 4 E 5 h 5 E 6 h 6
E 0
E 4 h E 5 H E 0
3）验算底基层底面的弯拉应力。

将多层路面按照拉应力相等的原则换算为弹性三层体系，如下图所示：
5
1
56.7k h h h h h h h cm =====∑
由三层体系上层底面最大拉应力系数计算诺谟图可得，12p m m σσ-
= 56.7
5.310.65
h
δ
==
6
2
1
5
250
0.3750
E E E E =
==
2
6
34.5
0.14250
E E E E =
==
查诺谟图可得：1 1.09m = ， 0.1
σ-
= 又因为6
10
0.910.65h H
δ
δ=
== 查诺谟图可得：2 1.17m =
故半刚性基层底面的最大拉应力
120.70.1 1.09 1.170.0893p m m MPa σσ-
==⨯⨯⨯= <容许拉应力0.1016MPa
E 1 h 1 E 2 h 2 E 3 h 3 E 4 h 4 E 5 h 5 E 6 h 6
E 0
E 5 h
E 6 h 6 E 0
综上所算得的结果，汇制成下表：
由表可知，方案一和方案二都满足层底弯拉应力的要求。

综上可得：路面结构设计的方案一和方案二均可行。