沥青、混泥土路面课程设计

沥青、混泥土路面课程设计
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湘潭大学
课程名称： 路基路面工程 学 院： 土木工程与力学学院 专 业： 土 木 工 程 学 号： 2012800118 年 级： 2012级 学生姓名： 陈龙 指导教师： 王志超
目录
1 基本设计资料 ...................................................................... 0 2 沥青路面设计 . 0
2.1轴载分析 ................................................................... 0 2.2 结构组合与材料选取 ......................................................... 3 2.3 计算设计弯沉d
l 和结构强度系数K (4)
2.4 确定设计参数
01,,sp
E E σ ..................................................... 4 2.5 计算确定容许弯拉应力
R
σ (5)
2.6 计算路表弯沉s l
和底层拉应力
m
σ (6)
2.7 厚度计算 ........................................................................................................................................ 6 2.8 防冻层厚度检验............................................................................................................................. 9 2.9 方案技术经济比较 ......................................................................................................................... 9 3 水泥混凝土路面设计 (10)
3.1 交通量分析 ................................................................................................................................ 10 3.3 初拟路面结构............................................................................................................................. 12 3.3 确定材料参数............................................................................................................................. 12 3.4计算地基综合回弹模量 (12)
3.5 计算荷载疲劳应力 (13)
...................................................................................................................... 错误!未定义书签。

...................................................................................................................... 错误!未定义书签。

3.6 计算温度疲劳应力 (14)
3.7设计方案优化 (15)
3.8防冻厚度检验和接缝设计 (15)
3.9 结构设计图 (16)
参考文献 (17)
1 基本设计资料
该路段设计年限15年，交通量年平均增长6.11%，车道系数η=0.45，该路段处于中国公路自然区划IV5区，路面宽度为B=24.5m，行车道为四车道2×
7.5m，此公路设有一个收费站，且处于中湿路段，设计任务书要求收费站采用水
泥混凝土路面，其他路段采用沥青混凝土路面。

路基土为粉质中砂性土，潮湿路段E0=19Mpa，中湿路段E0=29Mpa，干燥路段E0=30Mpa，沿线有砂石，且有碎石、石灰、粉煤灰供应。

注：上表为双向交通量调查结果（学号末位是1的同学，用第一组、以此类推，其中，平均年增长率6.xx，“xx”代表学号的倒数第三位、第二位数字。

陈龙，学号为“2012800118”的同学，就选用第八组数据，年平均增长率取“6.11”）。

2 沥青路面设计
2.1轴载分析
我国沥青路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载，表示为BZZ-100。

标准轴载的计算参数按表3-1确定。

表3-1 标准轴载计算参数
﹙1﹚当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时，凡前、后轴轴载大于25kN 的各级轴载i P 的作用次数i n 均换算成标准轴载P 的当量作用次数N 。

式中：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； i n — 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）；
P — 标准轴载（kN ）；i P — 各种被换算车型的轴载（kN ）； 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：
()11 1.21C m =+-式中：m —轴数。

则其设计年限内一个车道上的累计量轴次e N ：
式中 e N — 设计年限内一个车道的累计当量次数；
t — 设计年限，由材料知，t=20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。

则：1077.845.07.2274087
.0365
]1)061.01([365
]1)1([6151⨯=⨯⨯⨯-+=⨯⨯-+=
ηγ
γN N t e 次。

﹙2﹚验算半刚性基层层底拉应力的累计当量轴次时，凡轴载大于50KN 的各级轴载i P 的作用次数i n 均按下式换算成标准轴载P 的当量作用次数'N 。

式中：'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； i n — 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日）；
P — 标准轴载（kN ）；i P — 各种被换算车型的轴载（kN ）； '1C —轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09。

'
2C —轴数系数；
则其设计年限内一个车道上的累计量轴次'e N 为： 1066.345.038.95010611
.0365
]1)0611.01([365
]1)1([7151⨯=⨯⨯⨯-+=⨯⨯-+=
ηγ
γN N t e 次。

2.2 结构组合与材料选取
初拟采用两种路面结构
根据交通状况，结构层的最小施工厚度等因素综合考虑，初拟各结构层厚度如下： 一方案:
细粒式沥青混凝土 3cm 中粒式沥青混凝土 5cm 粗粒式沥青混凝土 7cm 二灰碎石 20cm 二灰土 以二灰土为设计层 二方案:
细粒式沥青混凝土 4cm 中粒式沥青混凝土 6cm 水泥稳定碎石 级配碎石 20cm
以水泥稳定碎石为设计层
2.3 计算设计弯沉d l 和结构强度系数K
0.2210.09/s e c K A N A = （用于沥青层）
0.1120.35/e c K N A = （用于二灰碎石和水泥碎石） 0.1130.45/e c K N A = （用于二灰土）
取A c =1.0,面层为沥青混凝土,A s =1.0,半刚性基层,底基层总厚度大于20cm,A b =1.0 计算结果如下：
L d =600*8769584-0.2*1.0*1.0*1.0=24.5(0.01mm)(方案一) L d =600*36630320-0.2*1.0*1.0*1.0=18.4(0.01mm)(方案二)
细粒式沥青混凝土 K 1=0.09*1.0*87695840.22/1.0=3.03 中粒式沥青混凝土 K 1=0.09*1.0*87695840.22/1.0=3.03 粗粒式沥青混凝土 K 1=0.09*1.1*87695840.22/1.0=3.33 水泥碎石,二灰碎石:
K 2=0.35*366303230.11/1.0=2.38
石灰土:
K 2=0.45*36630323
0.11
/1.0=3.06
2.4 确定设计参数01,,sp E E σ
资料给出:
E =120MPa 泊松比为0.35
按试验规程规定的方法试验确定20℃的沥青混合料和其他结构层材料的抗压回弹模量E1。

15℃沥青混合料和其他结构层材料的弯拉回弹模量值E1，以及沥青混合料15℃弯拉强度和半刚性材料的弯拉强度值σsp，列于下表：
2.5 计算确定容许弯拉应力R
2.6 计算路表弯沉s l和底层拉应力m
通过计算机程序计算，输入各项参数可得到计算结果，两个设计方案中的设计层厚度未定，先假设初始厚度，若计算不满足不等式，再调整厚度，
直至满足为止。

2.7 厚度计算
方案一厚度计算
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 : 24.5 (0.01mm)
路面设计层层位 : 5
设计层最小厚度 : 100 (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 30 1400 0 2000 0 0.8
2 中粒式沥青混凝土 50 1200 0 1600 0 0.7
3 粗粒式沥青混凝土 70 1000 0 1200 0 0.6
4 石灰粉煤灰碎石 200 1500 0 1500 0 0.14
5 石灰土
750 0 550 0 0.08
6 新建路基 120
按设计弯沉值计算设计层厚度 :
LD= 24.5 (0.01mm)
H( 5 )= 100 mm LS= 21 (0.01mm)
由于设计层厚度 H( 5 )=Hmin时 LS<=LD,
故弯沉计算已满足要求 .
H( 5 )= 100 mm(仅考虑弯沉)
按容许拉应力计算设计层厚度:
H( 5 )= 100 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 100 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 100 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 100 mm σ( 4 )= .159 MPa
H( 5 )= 150 mm σ( 4 )= .136 MPa
H( 5 )= 141 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求)
H( 5 )= 141 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求)
路面设计层厚度 :
H( 5 )= 100 mm(仅考虑弯沉)
H( 5 )= 141 mm(同时考虑弯沉和拉应力)
故去设计厚度为150mm
方案二厚度计算
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 : 4
标准轴载 : BZZ-100
路面设计弯沉值 : 18.4 (0.01mm)
路面设计层层位 : 3
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 0.8
2 中粒式沥青混凝土 60 1200 0 1600 0 0.7
3 水泥稳定碎石 1500 0 1500 0 0.6
4 级配碎石 200 250 0 250 0
5 新建路基 120
按设计弯沉值计算设计层厚度 :
LD= 18.4 (0.01mm)
H( 3 )= 250 mm LS= 21.1 (0.01mm)
H( 3 )= 300 mm LS= 18.4 (0.01mm)
H( 3 )= 300 mm(仅考虑弯沉)
按容许拉应力计算设计层厚度 :
H( 3 )= 300 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求)
H( 3 )= 300 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求)
H( 3 )= 300 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求)
路面设计层厚度 :
H( 3 )= 300 mm(仅考虑弯沉)
H( 3 )= 300 mm(同时考虑弯沉和拉应力)
交工验收弯沉值和层底拉应力计算
公路等级 : 一级公路
新建路面的层数 : 5
标准轴载 : BZZ-100
层位结构层材料名称厚度 20℃平均抗压标准差 15℃平均抗压标准差综合影响系数
(mm) 模量(MPa) (MPa) 模量(MPa) (MPa)
1 细粒式沥青混凝土 30 1400 0 2000 0 1
2 中粒式沥青混凝土 50 1200 0 1600 0 1
3 粗粒式沥青混凝土 70 1000 0 1200 0 1
4 石灰粉煤灰碎石 200 1500 0 1500 0 1
5 石灰土 150 750 0 750 0 1
6 新建路基 120 1
计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值 :
第 1 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 19.2 (0.01mm)
第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 20.6 (0.01mm)
第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 23.4 (0.01mm)
第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 28.2 (0.01mm)
第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 74.4 (0.01mm)
路基顶面交工验收弯沉值 LS= 77.6 (0.01mm)( 根据“公路沥青路面设计规范”公式计算) LS= 104.4 (0.01mm)( 根据“公路路面基层施工技术规范”公式计算)
计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :(未考虑综合影响系数)
第 1 层底面最大拉应力σ( 1 )=-.231 (MPa)
第 2 层底面最大拉应力σ( 2 )=-.072 (MPa)
第 3 层底面最大拉应力σ( 3 )=-.035 (MPa)
第 4 层底面最大拉应力σ( 4 )= .109 (MPa)
第 5 层底面最大拉应力σ( 5 )= .086 (MPa)
2.8 防冻层厚度检验
根据查表所列的路面最小防冻厚度要求与该路状况作对比。

IV5区，最低气温7°，可不考虑防冻要求。

2.9 方案技术经济比较
经工程预算分析：
一方案经济预算
二方案经济预算
可以看出，A方案造价较低，再结合本地区降雨量大，容易引起水损害，同时考虑路面长期使用，建议采用A方案，即组合式基层沥青路面。

C 水泥混凝土路面设计
3.1 交通量分析
由于路面有一个收费站，各种油类对沥青会有不同程度的污染且宜有车辙，其要求采用水泥混凝土路面。

所以，进行普通水泥混凝土路面设计。

﹙1﹚标准轴载与轴载换算
我国公路水泥混凝土路面设计规范以汽车轴重为100kN的单轴荷载作为设计标准轴载，表示为BZZ—100。

凡前、后轴载大于50KN（单轴）的轴数均应换算成标准轴数，换算公式为：
N— 100KN的单轴—双轮组标准轴数的通行次数；
式中：
s
P—各类轴—轮型；级轴载的总重（KN）；
i
n—轴型和轴载级位数；
N—各类轴—轮型i级轴载的通行次数；
i
—轴—轮型系数。

i
则设计年限内设计车道的标准轴载累计作用次数:γ
η
γ⨯⨯-+=365]1)1[(t s e N N
式中： e N — 标准轴载累计当量作用次数； t — 设计基准年限；
γ — 交通量年平均增长率，由材料知，γ=0.0611； η — 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，如下表3-2。

γ
η
γ⨯⨯-+=
365]1)1[(t s e N N =1219447.092次。

3.2可靠度设计标准及变异系数范围、可靠度系数的选用
3.3 初拟路面结构
因为交通量100×104
＜280.04×104
＜2000×104
次，故可知交通属于重交通。

由以上可知相应于安全等级为二级，变异水平等级为低级，根据一级公路、重交通等级和低级变异水平等级。

查规范知：初拟普通混凝土面层厚为250mm ；基层选用水泥稳定粒料，厚为200mm ；垫层为150mm 的低剂量无机结合稳定土。

普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m ；长为4.5m 。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

3.3 确定材料参数
普通混凝土设计弯拉强度r f （MPa ）
5.0 钢纤维混凝土设计弯拉强度r
f （MPa ）
6.0
故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 ；路基回弹模量为120Mpa ；低剂量无机结合稳定土垫层回弹模量去600Mpa ；水泥稳定粒料基层回弹模量取1300Mpa 。

3.4计算地基综合回弹模量
基层顶面当量的回弹模量值计算如下：
2
2
2122
2121h h E h E h E x ++==22
2213000.26000.1510480.20.15MPa ⨯+⨯=+ =
332113000.26000.15(0.20.15)11()12413000.26000.15
-⨯+⨯+++⨯⨯ =3.08MN m
31
)12(X
x x E D h ==1
312 3.08(
)1048⨯=0.328m
])(
51.11[22.645.00--=E E a x =68.2])120
1048(51.11[22.645
.0=⨯-⨯- 55
.00
)
(
44.11--=E E b x =0.56 31
0)(E E E ah E x b
x t ==354.75MPa
3.5 计算荷载疲劳应力
根据一级公路、重交通，由《路基路面工程》查得初拟普通混凝土面层厚度为0.25m 。

由下列公式求得：
普通混凝土面层的相对刚度半径为：
式中 γ— 混凝土板的相对刚度半径（m ）； h — 混凝土板的厚度（m ）；
E c — 水泥混凝土的弯沉弹性模量（Mpa ）；
σp — 标准轴载P s 在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（MPa ）； k r — 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设杆拉的平缝，
k r =0.87 ～0.92，纵缝为不设杆拉的平缝或自由边界k r =1.0，纵缝为设杆拉的企口缝，k r =0.76 ～0.84，；
k c — 考虑偏载和动载因素对路面疲劳损坏影响综合系数，按公路等级
查下表3-3；
（1）标准轴载P s 在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力（Mpa ）。

a 549.110025.0855.01047.11047.194.02-7.03-94
.027.03-MP p h s
ps =⨯⨯⨯⨯=⨯⨯=-γσ，
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和系数1.1=c k , （2）荷载疲劳应力为：ps c r f p k k k σσ==2.49×0.87×1.1×1.549=3.69MPa （1）σpr — 最重轴载P s 在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力（Mpa ） （2）最重荷载产生的最大荷载应力m ax .p σ
3.6 计算温度疲劳应力
3.6.1 面层板最大应力
由《路基路面工程》知，Ⅳ区最大温度梯度取88﹙℃/m ﹚。

板长4.5m ，L/r=4.5/0.850=5.29；已知混凝土板厚0.25m ，Bx=0.397。

则可知最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：2
x
g c c tm B hT E ασ=
式中： αc — 混凝土的温度线膨胀系数 ；
T g — 最大温度梯度，T g =88°c/m ；
B x — 综合温度翘区应力和内应力的温度应力系数； σtm — 最大温度梯度时土板的温度翘取应力（Mpa ）。

3.6.2 面层板温度疲劳应力 温度疲劳系数 ])(
[b f a f k c r
tm
tm
r
t -=σσ，式中a ，b 和c 为回归系数，按所在地区公路自
然区划查下表 3-4。

则温度疲劳应力：MPa k t t tr 46.035.1337.0max ,=⨯==σσ
综合，一级公路的安全等级为二级，相应于二级的安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为90﹪。

再根据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数
16.1=γ。

()a 581.4)46.069.3(16.1pr MP MPa tr ＜=+⨯=+σσγ，
()a 525.4)35.131.2(16.1max ,max p MP MPa t ＜，=+⨯=+σσγ，故满足要求。

3.7设计方案优化
与基层混凝土弯拉强度的相对误差（％）1—4.81/5=3.8%
结构厚度进一步优化的空间不大，取计算值为250mm 。

根据规范加6mm 磨耗层，并按10mm 取整，故最后设计值为260mm 。

3.8防冻厚度检验和接缝设计
﹙1﹚防冻厚度检验
由《公路水泥混凝土路面设计规范》知，路面防冻厚度为0.5m ，而设计路面总厚度为0.61m ，由于0.5<0.61，故满足设计要求。

﹙2﹚接缝设计
为避免由温度产生的应力破坏，所以，在混凝土板中设置横缝与纵缝，这段路为重交通，缝中设拉杆，拉杆长0.5m ，直径22mm ，每隔40cm 设置一个。

① 横向胀缝
缝隙宽20mm ，缝隙上部5cm 深度内浇填缝料拉杆的半段固定在混凝土内，另 一半涂以沥青，套上长约10cm 的塑料套筒，筒底与杆端之间留有3cm 空隙，用木屑与弹性材料填充。

②横向缩缝
缩缝采用假缝，缝隙宽5mm，深度为5cm.
③施工缝
施工缝采用平头缝或企口缝的构造形式，缝上深5cm，宽为5mm的沟槽，内浇
填缝料。

④横缝的布置
缩缝间距一般为5m，混凝土路面设置胀缝。

⑤纵缝的设置
在平行于混凝土路面行车方向设置纵缝，缝间距3.75cm，设置为假缝带拉杆形式，
缝的上部留有5cm的缝隙，内浇注填缝料，缝与横缝一般做成垂直正交，使混凝土具有90°的角隅。

3.9 结构设计图
通通过对设计层厚度取整以及对路面厚度进一步的修改,
最后得到路面结构设计结果如下:
---------------------------------------
普通混凝土面层 254 mm+6mm防磨层
---------------------------------------
多孔隙水泥碎石 120 mm
---------------------------------------
水泥稳定粒料 200 mm
---------------------------------------
石灰粉煤灰土 150 mm
---------------------------------------
土基
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).北京：人民交
通出版社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 D40-2002).北京：
人民交通出版社2002
4. 中华人民共和国行业标准：<<公路工程技术标准>>(JTGB01—2003)
5. <<公路路基设计手册>>。