1、汽车与交通学院课程设计说明书课 程 名 称: 路基路面工程课程设计 课 程 代 码: 题 目: 年级/专业/班: 学 生 姓 名: 学 号: 开 始 时 间: 年 5 月 16 日完 成 时 间: 年 5 月 27 日课程设计成绩： 学习态度及平时成绩（30）技术水平与实际能力（20）创新（5）说明书（计算书、图纸、分析报告）撰写质量（45）总 分（100）指导教师签名： 年 月 日目 录金堂大道路面设计- 1 -摘 要 .- 2 -1.基本设计资料分析 - 3 -2.沥青路面设计 - 4 -2.1 轴载分析 - 4 -2.2 沥青路面结构 .- 8 -2.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度 .
2、- 8 -2.4 设计指标的确定 - 8 -2.5 路面结构层厚度的计算 - 10 -2.6 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算 - 11 -3.水泥混凝土路面设计 - 14 -3.1 轴载分析 .- 14 -3.2 初拟路面结构 - 16 -3.3 路面材料确定 - 16 -3.4 载荷疲劳应力 - 17 -3.5 温度应力计算 - 18 -3.6 防冻厚度检验和接缝设计 - 21 -4.沥青和水泥路面设计示意图 - 22 -结 论 .- 23 -致 谢 .- 24 -参考文献 .- 25 -金堂大道路面设计- 2 -摘 要本设计首先对所给资料进行交通分析，并利用轴载换算公式分
3、别计算出沥青和水泥路面的累计当量轴次，然后根据所选材料的性能以及查阅规范先对沥青路面的设计弯沉值以及容许弯拉应力进行求解，并进一步得出沥青层的厚度并算出实际弯沉值与实际弯拉应力从而与规范所定值相比较，从而判定设计是否符合要求。最后，验算冰冻层厚度。收费站采用水泥路面设计，设计步骤同上，最终需要验算综合疲劳应力和最大综合应力是否小于混凝土弯拉应力。关键词： 沥青路面 混泥土路面 设计 金堂大道路面设计- 3 -1.基本设计资料分析道路按一级公路进行设计，年交通量增长率按 6.5%，车道系数 =0.5，公路自然区划 II2区，路面宽度为 B=24.5m，行车道为四车道 27.5m，路基处于中湿路段
4、，采用水泥混凝土路面和沥青混凝土路面两种设计方案。路基土为粉质中液限土，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。表 1-1：交通组成及交通量表车型名称 日交通量奔驰 LPK709 354五十铃 NPR595G 538切贝尔 D350 533太脱拉 138S 390长征 CZ361 693延安 SX161 508会客 HK6670 308贵州 GZ661A 624宇通 ZK6820G 518解放 SP9134B 189湘江 HQP40 78从设计资料可以看得出，本设计路段的交通体，车型多样，且交通量各有不同。路面
5、设计时需要将车辆作用在路面上的车轮荷载换算为标准的当量轴次，从而计算出沥青路面和水泥路面设计时的累计当量轴次，进而判断出此路段处于何种交通状态，以便进一步进行合理的厚度设计，使路面的设计弯沉值、弯拉应力等指标符合规范要求。本次设计资料设计路段为一级公路，年交通量增长率按 6.5%，II 2东北中部山前平原中冻区。金堂大道路面设计- 4 -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 2 确定。表 2-1： 标准轴载计算参数标准轴载名称 BZZ-100 标准轴载名称 BZZ-100标准轴载 P（KN） 10
6、0 单轮当量圆直径 d（mm） 21.30轮胎接地压强P（Mpa）0.70 两轮中心距（cm） 15d1 当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时，各级轴载（包括车轮的前、后轴） 的作用次数 应按下式换算成标准轴载作用次数。 =112()4.35式中： 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； 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日） ； 标准轴载（ ） ；PkN 各种被换算车型的轴载（ ） ；i k 轮组系数，单轮组为 6.4,双轮组为 1.0,四轴组为 0.38；2 轴数系数。1 被换算车型的轴载级别。K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
7、于 3m 时，按双轴或多轴进行计算按下面公式计算： 1.21Cm式中：m轴数。表 2-2： 轴载换算结果金堂大道路面设计- 5 -车型 （ ）iPkN1C2（次/in日）12()4.35前轴 22.00 1 1 354 0.49奔驰 LPK709后轴 44.00 1 1 354 9.95前轴 23.50 1 1 538 0.99五十铃NPR595G 后轴 44.00 1 1 538 15.13前轴 24.00 1 1 433 0.87切贝尔 D350后轴 48.00 1 1 433 17.78前轴 45.40 1 1 390 12.57太脱拉 138S后轴 290.00 2.2 1 390 1
8、1064.27前轴 47.60 1 1 693 27.44长征 CZ361后轴 290.70 2.2 1 693 20334.25前轴 54.64 1 1 508 36.65延安 SX161后轴 291.25 2.2 1 508 15303.12前轴 19.00 1 1 308 0.22会客 HK6670后轴 39.00 1 1 308 5.12前轴 41.40 1 1 624 13.46贵州 GZ661A后轴 45.20 1 1 624 19.73前轴 30.00 1 1 518 2.75宇通 ZK6820G后轴 55.00 1 1 518 38.45前轴 24.80 1 1 189 0.4
9、4解放 SP9134B后轴 72.60 1 1 189 46.94前轴 23.10 1 1 78 0.13湘江 HQP40后轴 73.20 1 1 78 20.08 46970.82则其设计年限内一个车道上的累计量轴次 ：=(1+)1365 1式中 设计年限内一个车道的累计当量次数；金堂大道路面设计- 6 -t 设计年限，由材料知，沥青材料为 t=15 年； 设计端竣工后一年双向日平均当量轴次；1 设计年限内的交通量平均增长率，由材料知 =0.065 车道系数，由材料知 =0.5。畏 畏则： 次=(1+)1365 1=(1+0.065)1513650.06546970.820.5=2.0710
10、8利用公路路面设计程序系统可对上述计算的一个车道上的累计量轴次 进行验算，实际计算和软件计算一致，检验通过。2 以半刚性材料层的层底拉应力为指标的轴载换算方法为：各级轴载（包括车轮的前、后轴） 的作用次数 应按下式换算成标准轴载作用次数。 ， =1,1,2()8式中： 以弯拉应力为指标的标准轴载的当量轴次（次/ 日） ；， 被换算车型的各级轴载换算次数（次/日） ； 标准轴载（ ） ；PkN 各种被换算车型的轴载（ ） ； k轴数系数；,1轮组系数，双轮组为 1.0，单轮组为 18.5，四轮组为 0.09。,2当轴间距离大于 3m 时，按单独的一个轴载计算此时轴数为 ；当轴间距离小于m=13m
11、 时，按双轴或多轴进行计算，轴数系数为：,1=1+2（ 1)根据上述公式，可得轴载换算结果：表 2-3： 轴载换算结果车型 （ ）iPkN1C2（次/in日）12()8前轴 22.00 1 1 354 0.00奔驰 LPK709后轴 44.00 1 1 354 0.50金堂大道路面设计- 7 -前轴 23.50 1 1 538 0.01五十铃NPR595G 后轴 44.00 1 1 538 0.76前轴 24.00 1 1 433 0.00切贝尔 D350后轴 48.00 1 1 433 1.22前轴 45.40 1 1 390 0.70太脱拉 138S后轴 290.00 3 1 390 12
12、8933.54前轴 47.60 1 1 693 1.83长征 CZ361后轴 290.70 3 1 693 243754.56前轴 54.64 1 1 508 4.04延安 SX161后轴 291.25 3 1 508 187537.41前轴 19.00 1 1 308 0.00会客 HK6670后轴 39.00 1 1 308 0.16前轴 41.40 1 1 624 0.54贵州 GZ661A后轴 45.20 1 1 624 1.09前轴 30.00 1 1 518 0.03宇通 ZK6820G后轴 55.00 1 1 518 4.34前轴 24.80 1 1 189 0.00解放 SP9
13、134B后轴 72.60 1 1 189 14.59前轴 23.10 1 1 78 0.00湘江 HQP40后轴 73.20 1 1 78 6.43 ， 560261.74则其设计年限内一个车道上的累计量轴次 为：次=(1+)1365 1=(1+0.065)1513650.065560261.740.5=2.471010利用公路路面设计程序系统可对上述计算的一个车道上的累计量轴次 进行验算，实际计算和软件计算一致，检验通过。综上可分别得出如下表所示的 2 种轴载换算次数，如下表所示：表 2-4 轴载换算次数相应指标 累计当量轴次（次）弯沉值与应力 2.07108金堂大道路面设计- 8 -半刚性
14、基层 2.4710102.2 沥青路面结构根据公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)并考虑公路沿途有砂石、碎石、石灰、粉煤灰供应，基层采用水泥稳定碎石（厚度待定） ，底层采用二灰土（300 ） ，采m用三层式沥青混凝土面层，表层采用细粒式密级配沥青混凝土（40 ） ，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（60 ） ，下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（100 ） 。m2.3 各层材料的抗压模量和劈裂强度土基回弹模量的确定可根据查表法查得。各结构层材料的抗压模量及劈裂强度已参照规范给出的推荐值确定。表 2-5：结构组合参数抗压回弹模量层次材料名厚度(cm) 15C 模量 20C 模量强度劈裂
15、（Mpa）细粒式沥青混凝土 4 2000 1400 1.4中粒式沥青混凝土 6 1800 1200 1.0粗粒式沥青混凝土 10 1400 1000 0.8 水泥稳定碎石 待定 1500 1500 0.6 水泥粉煤灰碎石 35 1500 1500 0.4 土基 30 30 2.4 设计指标的确定1设计弯沉值 dl金堂大道路面设计- 9 -公路为一级公路，则公路等级系数 取 1.0；面层是沥青混凝土，则面层类型的系数 取 1.0；路面结构为半刚性基层沥青路面，则路面结构类型系数 取 1.0。 =6000.2式中： 设计弯沉值 设计年限内的累计当量年标准轴载作用次数 公路等级系数，一级公路为 1.
16、0 面层类型系数，沥青混凝土面层为 1.0 基层类型系数，半刚性基层为 1.0，柔性基层沥青路面为 1.6，若基层由半刚性基层与柔性基层组合而成，通过线性内插确定。所以 =6000.2=600(2.07108)0.21.01.01.0=13.03(2) 各层材料按容许层底拉应力 ，按下列公式计算：=式中 ： 路面结构材料的极限抗拉强度（Mpa） ； 路面结构材料的容许拉应力，即该材料能承受设计年限 次加载的疲劳 弯拉应力（Mpa） ； 抗拉强度结构系数。对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数：=0.090.22 =0.09(2.07108)0.221.0 =6.07对无机结合料稳定集料类的抗拉强度
17、结构系数：=0.350.11 =0.35(2.07108)0.111.0 =2.87对无机结合料稳定细土类的抗拉强度结构系数：=0.450.11 =0.45(2.07108)0.111.0 =3.69表 2-6： 结构层容许弯拉应力金堂大道路面设计- 10 -材料名称 （Mpa） （Mpa ）细粒沥青混凝土 1.4 6.07 0.23中粒沥青混凝土 1.0 6.07 0.16粗粒沥青混凝土 0.8 6.07 0.13水泥稳定碎石 0.6 2.87 0.17水泥粉煤灰碎石 0.4 3.69 0.112.5 路面结构层厚度的计算1理论弯沉系数的确定 =100021= 12000=(1,2,1 ;2
18、1,32,01)式中： 当量圆半径；F 弯沉综合修正系数， =1.63(2000)0.38(0)0.36令 ,则 F=1.63*13.07/(2000*10.65)0.38（30/0.70) 0.36=0.38=13.071400/(200010.650.700.38)=3.23=120002确定设计层厚度采用三层体系表面弯沉系数，由诺谟图算设计层厚度。h/=4/10.65=0.376 E2/E1=1200/1400=0.857；由三层体系弯沉系数诺谟图查得： =6.22。h/=4/10.65=0.376 =30/1200=0.025；20/E由三层体系弯沉系数诺谟图查得 K1=1.460。又
19、因为 ， ， ，由上查图2=1=3.01/(6.221.460)=0.3302=0.025=0.3765（诺谟图）得：H/=7.8，H= 10.657.8=83 。金堂大道路面设计- 11 -图 2-1：相关诺莫图由 可知：12.423nkkEHh=6+102.410001200+42.415001200+352.415001200=52.75+1.14因为 H=83cm，可知 h4=27.5cm，故取 h4=28cm。如图所示：_ _h1=4cm E1=2000MPa h=4cm E1=2000Mpa h2=6cm E2=1600MPa h3=10cm E3=1200MPa H=？ cm E
20、2=1800MPah4=28cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =30 MPa E0=30MPa 图 2-2： 各层层厚与回弹模量2.6 沥青混凝土面层和半刚性基层、底基层层底拉应力验算1沥青混凝土面层层底拉应力验算（模量采用 15C 时的抗压回弹模量）金堂大道路面设计- 12 -_ _h1=4cm E1=2000MPa h=22.5cm E1=1400Mpa h2=6cm E2=1800MPa h3=10cm E3=1200MPa H=50.3cm E2=1000MPah4=28cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =30
21、 MPa E0=30MPa 图 2-3： 各层层厚与回弹模量= =1=420001200+618001200+1012001200=22.5= =+10.9+1=280.936003600+350.924003600=50.3= =2.11， 22.510.65 21360E查三层连续体系上层底面拉应力系数诺莫图，知 ，故 ，所以满07m0.340.390.540.62则： 次=(1+)1365 1=(1+0.065)3013650.06575.120.2=4.73105利用公路路面设计程序系统可对上述计算的一个车道上的累计量轴次 进行验算，实际计算和软件计算一致，检验通过。3.2 初拟路面结
22、构因为一个车道上的累计量轴次 次，故可知交通属于中等交通。由以上=4.73105可知相应于安全等级为三级的变异水平等级为中级，根据一级公路、中等交通等级和中级变异水平等级。查规范知：初拟普通混凝土面层厚为 250mm；基层选用沥青混凝土，厚为 60mm；底基层材料选用水泥稳定粒料（水泥用量 5%） ，厚为 180mm,垫层为 150mm 低剂量无机混合料稳定土。普通混凝土板的平面尺寸为宽 3.75m；长为 4.5m。金堂大道路面设计- 17 -3.3 路面材料确定查表取普通混凝土弯拉强度标准值为 4.5Mpa, 相应弯拉弹性模量标准值为 29Gpa。路基回弹模量取 30Mpa, 低剂量无机混合
23、料稳定土垫层回弹模量取 600Mpa, 沥青混凝土基层回弹模量取 1000Mpa，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=211+222+23321+22+23 =0.1821300+0.0621000+0.1526000.182+0.062+0.152 =1012=311+322+33312 +(1+2+3)24 ( 111+22+33)1=0.0631000+0.1831300+0.15360012+(0.06+0.18+0.15)24 ( 10.061000+0.181300+0.15600)1=15.42MN=(12 )13=(15.42121012)13
24、=0.574.29=6.2211.51(0)0.45=6.2211.51(101230)0.45=11.44(0)0.55=11.44(101230)0.55=0.79=0(0)13=4.290.570.830(101230)13=265.24基层顶面的当量回弹模量(MPa)；路床顶面的回弹模量(MPa)； 0基层和底基层或垫层的当量回弹模量(MPa) ； 、 基层和底基层或垫层的回弹模量(MPa) ； 1 2基层和底基层或垫层的当量厚度(m)； 基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度(MNm)计算；、 基层和底基层或垫层的厚度(m)；1 2金堂大道路面设计- 18 -普通混凝土面层的相对刚度半径为
25、：=0.537()13=0.5370.25(31000265.24)13=0.6563.4 载荷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：=0.0770.62 = =0.057式中: 混凝土板的相对刚度半径（m） ；H 混凝土板的厚度（m） ； 水泥混凝土的弯沉弹性模量（Mpa） ； 标准轴载 Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（Mpa） ； 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设杆拉的平缝，=0.87 0.92，纵缝为不设杆拉的平缝或自由边界 =1.0，纵缝 为设杆拉的企口缝， =0.76 0.84， ； 考虑偏载和动载因素对路面疲
26、劳损坏影响综合系数，按公路等级查下表 4-3；表 3-3：综合系数 公路等级 高速公路 一级公路 二级公路 三、四级公路kc 1.15 1.10 1.05 1.00 标准轴载 Ps在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力（Mpa） 。 =0.0770.62=0.07700.6560.60.252=0.957因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数 Kr=0.87=0.057 =(4.73105)0.057=2.11金堂大道路面设计- 19 -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 ,=1.10则荷载疲劳应力为：；=2.110.9571.10.87=1.93由表 7
27、可知最重荷载 为 182.5KN，则利用公式：=1.471030.720.94可得 ；=1.471030.6560.70.252182.50.94=2.33则最重轴载在临界荷位产生的最大荷载应力； ， =0.871.102.33=2.223.5 温度应力计算面层板最大温度应力=3= 4.530.656=2.28（ ）面层板的温度翘曲应力系数=1sinh2.28cos2.28+cosh2.28sin2.28cos2.28sin2.28+sinh2.28cosh2.28=14.8(1)+4.90.04(1)0.04+4.84.9=0.79则 =1.774.480.131(1)=1.774.480.
28、250.790.131(10.79)=0.42所以可利用上述计算数据与下列相关系数以及最大温度应力公式：,=2式中： 混凝土的线膨胀系数，根据粗集料的岩性按表 11 取用； 公路所在地 50 年一遇的最大温度梯度，按表 4-4 取用；由表 4-4 知，II 区温度梯度范围为取 83-88( ，取 88 ；采用石灰岩粗集料，由/) /表 4-5 知水泥混凝土的线性膨胀系数为 。7106/表 3-4;水泥混凝土膨胀系数经验参考值公路自然区划 、 、 金堂大道路面设计- 20 -温度梯度 (/) 83-88 90-95 86-92 93-98表 3-5 水泥混凝土膨胀系数经验参考值计算得到最大温度应
29、力:,=2 =7106290000.25880.422 =0.93则可以确定温度疲劳应力系数 ,计算公式如下：= ,(, )可得 =,(,)=4.50.930.828(0.934.5)1.3230.041=0.3式中： 、 、 回归系数，按所在地区的公路自然区划查表 4-6 混凝土弯拉强度设计值，可查表 4-7表 3-6: 回归系数 a，b 和 c公路自然区系数 0.828 0.855 0.841 0.871 0.837 0.834 1.323 1.355 1.323 1.287 1.382 1.270 0.041 0.041 0.058 0.071 0.038 0.052表 3-7:混凝土弯
30、拉强度标准值交通等级 极重、特重、重中等 轻 轻水泥混凝土的弯拉强度标准值（ ）=5.0 4.5 4.0 4.0粗集料类型 石英岩 砂岩 页岩 花岗岩 玄武岩 石灰岩水泥混凝土线膨胀系数（ 106/）12 12 11 10 9 7金堂大道路面设计- 21 -温度疲劳应力系数求得后，可运用温度疲劳应力计算公式： =,计算得 =,=0.30.93=0.279 最后，进行设计状态的验证。一级公路的目标可靠度为 90%。则查表 4-8 可得可靠度系数 。=1.25表 3-8:可靠度系数 目标可靠度（%）变异水平等级95 90 85 80低 1.20-1.33 1.09-1.16 1.04-1.08 -中 1.33-1.50 1.16-1.23 1.08-1.13 1.04-1.07高 - 1.23-1.33 1.13-1.18 1.07-1.11所验极限状态如下：,满足要求。(+)=1.23(1.93+0.279)=2.71(JTGB012003) 5. 中华人民共和国行业标准：公路路基设计规范（JTGD30-2004）,北京：人民交通出版社，20046.同济大学出版社：道路工程 ，1995 年 8 月第一版
