西南交通大学 道路工程 大作业

道路工程
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1．基本资料
（1）设计任务书要求
我国某公路部分路段设计等级为高速公路，设计年限为15年，拟采用沥青路面结构，需进行路面结构设计。

（2）气象资料
该公路地处II2区，年降水量为620mm/年，最高气温35℃，最低气温-31℃，多年平均冻结指数为882℃·d极大冻结指数为1225℃·d。

（3）地质资料与筑路材料
沿线土质为中液限粘性土，填方路基高度1.8m，地下水位距路床底2.4m，一般路基处于中湿状态。

公路沿线有丰富的砂砾，附近有小型采石场和石灰厂，筑路材料丰富。

路面所用水泥和沥青均需外购。

（4）交通资料
据工程可行性报告得知近期交通组成与交通量如表所示；交通量年增长率取7%；不同车型的交通参数如表所示。

2．计算书和设计图纸如下所示：
（1）初步设计两种沥青路面结构
本题是一条设计年限为15年的高速公路，并且要求道路路面面层结构使用沥青混凝土。

由于该条道路施工沿线有丰富的砂砾、小型采石场和石灰厂。

考虑道路施工石灰材料丰富，所以道路基层设计时使用石灰粉煤灰碎石材料，减小筑路材料的运输成本。

根据沥青道路的一般设计方案以及本人的工作经验，现初步设计两种沥青路面结构：方案一的道路面层使用细粒式沥青混凝土，设计厚度为4cm；中粒式沥青混凝土，设计厚度为6cm；粗粒式沥青混凝土，设计厚度为7cm；道路基层使用18cm 水泥混凝土碎石和二灰土。

二灰土的厚度根据题目给定的参数计算确定。

方案一的道路结构图纸如下所示：
方案二的道路面层使用细粒式沥青混凝土，设计厚度为4cm；中粒式沥青混凝土，设计厚度为6cm；大粒径沥青碎石（ATB），设计厚度为10cm；道路基层使用二灰稳定砂粒和20cm的级配碎石。

二灰稳定砂粒的厚度根据题目给定的参数计算确定。

方案二的道路结构图纸如下所示：
（2）交通轴载换算
根据题目参数表格中给出的交通参数进行荷载换算，如下所示：
由课程学习知道轴载换算成标准轴载（P=100KN ）的当量作用次数N 公式如下所示：
N =∑C 1C 2n i k i=1(p
i P
)4.35, 在上式中各参数符号含义分别为：
N ：以设计弯沉值和沥青层底拉应力为指标时的标准轴载的当量轴次（次/天）；
k ：被换算车型的轴载级别；
C 1：被换算车型的各级轴载系数，当轴间距大于3m 时，按单独一个轴载计算，轴载系数即为轴数m ，本题中轴载为4m ； C 2：被换算轴载的轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1.0，四轮组为0.38；
n i ：被换算车型的各级轴载作用次数，次/天；
p i ：被换算车型的各级轴载，KN ；
P ：标准轴载，取P =100kN 。

由不同车型的交通参数表知道本题有7种车型。

由于计算公式和过程相同，现以东风 KM340为例展示计算轴载换算的计算过程，其余车型不再累述，后面将直接给出计算结果：
本题中给出了东风 KM340前轴重24.6kN ，后轴重67.8kN ，
后轴数为1，后轴轮组数为2，因此使用上述公式计算如下：
N=1∗1∗560∗(67.8
100
)
4.35
+1∗6.4∗560∗(
24.6
100
)
4.35
≈111次/天
由不同车型的交通参数表知道本题有7种车型，计算方法与东风KM340相同，利用上述公式计算得到其他6辆车辆的轴载换算结果，如下表所示：
本题给的高速公路设计年限为15年，交通量年增长率为7%。

所以，设计年限内一个车道上累计当量轴次可以使用以下公式进行计算：
N e=[(1+r)t−1]∗365
∗N1∗η
在上述公式中的参数含义如下所示：
r：设计年限内交通量年增长率，统一取7%；
t：设计年限，根据题意，取15年；
N1：各种车型的当量轴次累加值；
η：车道系数，查表，高速公路一般取值0.3.
通过计算，我们可以知道在本题中，N1即上述以弯沉值和沥青层
底拉应力为指标时，各车型的累加值，经计算：
N1=111+583+185+1958+12+13+35
=2897次/天
再代入前面公式，得到：
∗N1∗η，
N e=[(1+r)t−1]∗365
r
∗2897∗0.3，
=[(1+0.07)15−1]∗365
0.07
∗2897∗0.3，
=[2.76−1]∗365
0.07
=0.8*107 次/年。

（3）设计参数
查阅相关规范，可以收集各材料设计参数，利用这些参数进行计算道路路基层的结构厚度。

各层材料参数如下表所示：
（4）确定结构厚度设计方案
查阅规范，确定该高速公路结构设计满足目标可靠度95%的可靠度系数r a按1.10考虑。

计算过程如下所示：
①以弯沉为设计指标
该高速公路为半刚性基层，计算设计弯沉，公式如下：
l d=600∗(N c)−0.2A c A s A B
式中：
高速公路A c取值为1.0；
沥青混凝土A S取值为1.0；
半刚性基层沥青路面A B取1.0。

由此得到：
l d=600∗(0.8∗107)−0.2∗1.0∗1.0∗1.0，=25 cm。

F=1.63(l s
)
0.38
(
E0
)0.36=0.544
经计算，满足设计弯沉指标要求的二灰土基层厚度为23cm，路表计算弯沉为32 cm，则由公式计算：
1.10l s=1.10∗32∗0.544
=19.1 cm<l d, 满足设计要求。

②以半刚性基层层底拉应力为设计指标
半刚性材料容许拉应力采用如下公式计算：
[τR]=τs k r
式中：τs为沥青面层材料60℃抗剪强度，MPa。

k r为抗剪强度结构系数，对于一般路段，k r=1.2MPa. 其中：水泥混凝土碎石上基层层底容许拉应力：
σR=σs
sr
=0.4/(0.35N s0.31/AC)
=0.18(MPa)
满足容许拉应力的二灰土下基层厚度计算，计算结果如下所示：
因此，本题目中的路面结构厚度计算中，二灰土厚度为23cm。

因此道路面层使用细粒式沥青混凝土，设计厚度为4cm；中粒式沥青混凝土，设计厚度为6cm；粗粒式沥青混凝土，设计厚度为7cm；道路上基层使用水泥混凝土碎石，设计厚度为18cm；下基层使用二灰土，厚度为23cm。

路面结构设计图如下所示：
（5）验算与经济评价
本设计的高速公路沿线有丰富的砂砾，附近有小型采石场和石灰厂。

考虑筑路材料，尤其时石灰土丰富。

所以道路设计时应该选用石灰粉煤灰作为下基层，便于材料运输、节约材料运输成本。

此外，由于水泥稳定碎石和石灰粉煤灰碎石都具有良好的板体性结构，承载能力强。

从技术上分析，两者都有施工方便，技术成熟，水稳性好的优点。

但从强度上来分析，石灰粉煤灰后期强度更高，更适合作为本题中高速公路的下基层。

综上所述，本题的路面结构设计中，选用方案一的二灰土为高速公路的下基层材料。

高速公路各层厚度如下：道路面层使用细粒式沥青混凝土，设计厚度为4cm；中粒式沥青混凝土，设计厚度为6cm；粗粒式沥青混凝土，设计厚度为7cm；道路上基层使用水泥混凝土碎石，设计厚度为18cm；下基层使用二灰土，厚度为23cm。