1、商州至陕豫界高速公路张乡村至口前段设计（K 0+000K1+400）摘 要：本设计为商周至陕豫界高速公路张乡村至口前段设计。设计车速100km/h，路基宽 26m，公路汽车设计荷载采用公路 -I级，设计路线全长 7.5 公里。本设计包括路线的纵断面、横断面、边坡防护与加固、排水系统、涵洞、水泥混凝土路面设计、沥青混凝土路面设计和施工组织设计。纵断面设计是根据道路等级、沿线自然条件和构造物控制标高等，确定路线合适的标高、各坡段的纵坡度和坡长，并设计竖曲线。横断面设计是根据设计资料说明，并参照“标准横断面图” ，画出路幅宽度，填或挖的边坡线，在需要设置各种支挡工程和防护工程的地方画出该工程结构的断
2、面示意图。边坡防护与加固设计是根据边坡的高度，路基横断面形式进行植草或圬工防护。排水系统设计是根据横断面沟底标高确定流水方向，并设置涵洞。路面设计是根据公路等级、交通量进行路面结构设计。施工组织设计是根据沿线路段自然条件和工程量来确定施工进度和布置施工总平面图。关键词：高速公路、路基、路面、排水、防护2The highway of Shangzhou to Shanyujie and Zhangxiang country to Koqian sectional design（K0+000K1+400）ABSTRACT：This design is the highway of Shangzho
3、u to Shanyujie and Zhangxiang country to Koqian sectional design. Design speed is 100km/h, subgrade width is 26 M, highway vehicle design load by road-I level, the total length of this highway is 7.5 kilometers.The design includ the vertical section cross-sectional of the line design, slope protecti
4、on and reinforcement, drainage systems, the culvert road design and the construction organization design . The profile design is based on grade of the road, the natural conditions and structures control elevation to determine the appropriate elevation of the road, the different slope of the vertical
5、 slope and the slope length and design of vertical curve. The main content of cross-sectional design is based on design information, in the light of the “standard cross-sectional map“, drawing a way width, filling or digging slope of the slope, the need to set all kinds of support Engineering and pr
6、otection engineering block where to draw the project structure of the cross-section diagram. Slope protection and reinforcement design is based on the height of the slope, cross-sectional form of grass embankment or masonry protection. Drainage system design is based on cross-sectional elevation of
7、the ditch to determine the direction of flow, and set the culvert. Cement concrete pavement design is based on road grade, traffic volume pavement structure design. Construction design is based on the natural conditions along the roads and the construction quantities to determine the layout of the c
8、onstruction progress and the overall plan.Keywords : Highway；Subgrade；Pavement；Drainage；Protection湖南工程学院 2012 届毕业设计（论文）商州至陕豫界高速公路张乡村至口前段设计（K0+000K1+400 ） 3I第一章 设计说明书1.1 工程概况1.1.1 概述商州至陕豫界高速公路张乡村至口前段全长 7.5公里，里程桩号为 K0+000至K7+501.052，本设计段为第一段（K0+000K1+400） ，计车速 100km/h，路基宽 26m，本段主要工程内容包括路基、路面、涵洞、排水、防护。
9、地质状况：本设计路段属秦岭山区。受复杂地质构造变动与内外地质应力长期作用，形成了山间盆地河谷丘陵为主的地貌。总体地势西北高，东南低；河谷两侧高，向丹江河谷降低。地貌单元为古溶原，溶原面积广阔，中间偶见风化溶蚀残余的石灰岩孤山，呈馒头状山包，高差不大，一般小于 50m，基岩呈裸露或半裸露状。气候状况：本路线段属北温带亚湿润气候与北亚热带湿润气候过渡带，四季分明，冬春长，夏秋短，水热同季，垂直差异明显，具山地气候特点。年平均气温12.813.8，降水量比较丰富，降雨量 725毫米，降水主要集中在夏秋两季。夏季间有冰雹，霜期始于 10月下旬，终于次年 3月底，冻土深度 8.616.8cm。地震情况：
10、属秦岭山地，第三纪以来区域新构造活动比较强烈，总体以断块、地垒式抬升为特征，其间还有山间盆地形成。抬升表现为多级夷平面、多级（高低漫滩与一四级）基座式阶地，还有峡谷、河流袭夺（截弯取直）及历史地震等现象。据国家质量技术监督局中国地震动参数区划图 （GB18306-2001） ，本线路地震烈度为：商州区属度区，丹凤县属度区。1.1.2 主要技术指标1.公路等级：高速公路；2.设计速度：100km/h；3.路基宽度：双向四车道，宽 26m；4.采用的路面方案：一、水泥混凝土路面，设计年限 30年；二、沥青混凝土路面，设计年限 15年。5.道路的使用性质和交通量：4方案一、水泥混凝土路面段基准期内设
11、计车道标准轴载的作用次数 为：，属于eN重交通等级；方案二、沥青混凝土路面段基准期内设计车道标准轴载的作用次数 为：，属于重交通等级；6.路线设计起始点及设计高程：起点桩号：K0+000 设计高程：650.0m终点桩号：K1+400 设计高程：671.1m1.2 路线平面设计说明1.2.1 技术标准1.圆曲线半径 1400m；2.缓和曲线长 100m；1.2.2 本路段平面设计结合以上标准，对路段进行实际设计，具体参数如表 1所示： 表 1 平曲线表交点 桩号 转角值(m)半径(m)缓和曲线长(m)缓和曲线参数(m)切线长 T(m)曲线长E(m)JD0 K0+000JD1 K1+248.618
12、523248.81400 100 374.166 741.261 1383.9631.3 路线纵断面设计说明1.3.1 本路段纵断面设计及技术标准1.3.1.1 技术标准1.最大纵坡为 1.643%；2.最大超高为 3%；湖南工程学院 2012 届毕业设计（论文）商州至陕豫界高速公路张乡村至口前段设计（K0+000K1+400 ） 5I3.竖曲线半径：凸形曲线半径为 18000m；1.3.1.2 本路段纵断面设计结合以上标准，对路段进行实际设计，本路段最大纵坡坡度为 1.643%，为单坡路段，具体参数如表 1.3.1所示： 表 2 竖曲线要素表编号 桩号设计高程(m)坡长(m) 半径(m) 直
13、坡长(m) 切线长 T(m) 外距 E(m)1 K0+000 650.02 K1+400 671.12 1400 18000 1139.6 260.36 1.881.3.2 纵断面设计算例设计标高计算公式坡线标高=变坡点标高+ xi（1.3.1）或坡线标高=变坡点标高- i（1.3.2）式中：x计算点到变坡点的距离，m；i坡线的纵坡，%；升坡段取正，降坡段取负。竖曲线要素的计算公式：L=R （1.3.3）T=L/2 （1.3.4）2TER（1.3.5）6式中：R竖曲线半径，m；L竖曲线的曲线长，m；T竖曲线的切线长，m；E竖曲线的外距，m；两相邻纵坡的代数差，以小数计；h竖曲线上任意点到切线的
14、纵距；x竖曲线上任意点与竖曲线始点的水平距离，m。竖曲线要素的计算（示例）：以变坡点 1为例，变坡点桩号为 K1+400，高程为671.12m，i 1=1.643%，i 2=1.250%，竖曲线半径 R=18000m。计算桩号 K1+200的高程。各变坡点竖曲线要素计算过程如下：= i 2i 1 =0.01250.01643=-0.02893,为凸形L=R=180000.02893=520.74 mT=L/2=260.37 m （1.3.6）= 1.88 18029.6RTE（1.3.7）设计高程的计算:竖曲线起点桩号=变坡点桩号-T=（K1+400）260.37= K1+139.643竖曲线
15、起点高程671.12260.37 0.01643668.80 m竖曲线终点桩号=变坡点桩号+T=（K1+400）+260.37= K1+660.357竖曲线终点高程671.12260.37 0.0125667.87 m桩号 K1+200处：横距：x=（K1+200）（K1+139.643）=60.357 m竖距： =0.101m1802357.6Rxy切线高程=671.12（260.3760.357）0.01643=667.83 m设计高程=671.12-0.101=671.02 m1.3.3 纵断面图绘制纵断面上的设计标高采用路基边缘标高，按设计资料给定的中桩高度及对应的里13 路基设计表
16、414 路基土石方数量计算表 4湖南工程学院 2012 届毕业设计（论文）商州至陕豫界高速公路张乡村至口前段设计（K0+000K1+400 ） 7I程桩号，点绘出路线纵断面地面线。按照上述原则和计算结果，进行纵坡及竖曲线设计。在图上标明坡度和坡长，竖曲线位置及要素，涵洞位置、类型、水准点位置。在图框栏里标出直线、平曲线的平面形式，标明平曲线起终点，及圆缓、缓圆、曲中点。路面超高方式的绘制：1.按比例绘制一条水平基线，代表路中心线，并认为基线路面横坡度为零。2.绘制两侧路面边缘线，用实线绘出路线前进方向右侧路面边缘线，用虚线绘出左侧路面边缘线，若路面边缘线高出路中线，则绘于基线上方，反之，绘于下
17、方。3.标注路拱横坡度：向前进的方向右侧倾斜的路拱坡度为正，向左倾斜为负。算出超高起点至同坡度起点的长度（计算所得为 49.5m） 。连接曲线起点和超高起点至同坡度起点长度的终点，坡度与路拱横坡度相同。再连接圆曲线起点与超高起点至同坡度起点长度的终点，坡度与超高横坡度相同。此为由直线进入圆曲线的部分。同理，可绘出从圆曲线到直线的另一部分。完成上述工作后，在图上标明地质概况、地面高程、设计高程、里程桩号等。1.4 路基横断面设计说明公路横断面设计是根据行车对公路的要求，结合当地的地形、地质、水文等自然条件，来确定横断面的形式、各组成部分的位置及尺寸。1.4.1 公路横断面的组成1.平曲线的始终点
18、桩号、各桩号的超高值；2.各桩号的填挖高；3.路基宽度；4.路基边坡坡度；5.边坡的型式和断面尺寸；6.支挡构造物、涵洞。1.4.2 路基横断面形状及高度确定依据1.本公路等级属高速公路，采用高速路基标准横断面型式，路基宽度 26m，行车道为 23.5m，硬路肩 3.0m，土路肩 0.75m。2.本路段路拱横坡度采用 2%。为保证施工简便，利于机械化，硬路肩横坡与路拱相同，为 2%，因土路肩横坡应比路拱横坡大 1%2%，本设计采用土路肩横坡 3%。83.本地区表层土壤为粘性土。填挖方路基边坡采用 1:1.5（H8m） 、1:1.75（8m16m）4.填土高度小于 1.0m的矮路堤以及路堑，水流
19、量没什么变化时，应设置边沟，边沟为浆砌片石边沟，截面为梯形，底宽为 0.6m，深度为 0.6m，坡度 1:1。边坡纵坡与路线纵坡一致。1.4.3 路基横断面图绘制1.横断面图按 1:200的比例绘制，点绘出横断面地面线。2.应根据平纵设计的成果，在各桩号的地面横断面上，逐桩号标注其填挖高度，路基宽度和超高值。3.计算填挖面积，并分别标于横断面上。1.4.4 路基防护设计路基防护措施根据地质、地貌、水文、填挖高度等情况确定。1一般地段若路基填土高度 H1.25ihbcLKssncota 50.96171.237tan02.8按照上述方法一一计算出 o2、o3、o4、o5 处的稳定系数分别为1.3
20、2、1.29、1.33、1.37.故取 Ks=1.29为最小的稳定系数，此时由于 Ks1.25,所以边坡稳定性满足要求。1.9 路面设计说明1.9.1 水泥混凝土路面设计1.9.1.1 设计资料本路线段属北温带亚湿润气候与北亚热带湿润气候过渡带，年平均气 12.813.8，降水量比较丰富，降雨量 725毫米，夏季间有冰雹，霜期始于 10月下旬，终于次年 3月底，冻土深度 8.616.8cm。公路自然区划为 III区，路基土质为粘性土，路基土为干燥状态。本路段公路技术等级为高速公路，路面宽度为 26m，其中，单向行车道宽23.75m，硬路肩 3.0m，土路肩宽 0.75m。1.9.1.2 交通分
21、析由公路水泥混凝土路面设计规范JTG.D40-2002 表 3.0.1得对应于高速公路的设计基准期为 30年，安全等级为一级，目标可靠度为 95%，目标可靠指标为 1.64，变异水平等级是低级，取相应的可靠度系数为 1.20。由表 3.0.8得最大的温度梯度为92/ m ，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取 0.22，交通量年平均增长率位7.3%。1、标准轴载和轴载当量换算计算公式为： （18.1）niPiN116s)0(式中：i轮-轴型系数，单轮单轴组 i=1；单轮双轮组 i=2220 ；双轮43.0Pi双轮组 i=1.0710-5 ；2.0Pi计算结果见表 1.8.1：表 4 轴载当量换算
22、计算表湖南工程学院 2012 届毕业设计（论文）商州至陕豫界高速公路张乡村至口前段设计（K0+000K1+400 ） 25I车型 车轴 （KNiP）后轴数交通量Ni(次/日）i Ns前轴 23 1 2900 576.5 0.00 小客车后轴 11.5 1 2900 1 0.00 前轴 16.50 1 700 665 0.00 中客车SH130 后轴 23.00 1 700 1 0.00 前轴 28.70 1 650 524.2 0.00 大客车CA50 后轴 68.20 1 650 1 1.42 前轴 25.55 1 1600 551 0.00 小货车BJ130 后轴 55.1 1 1600
23、1 0.12 前轴 28.70 1 720 524.2 0.00 中货车CA50 后轴 68.20 1 720 1 1.58 前轴 23.70 1 800 569 0.00 中货车EQ140 后轴 69.20 1 800 1 2.21 前轴 49.00 1 700 416.5 3.22 大货车JN150 后轴 101.60 1 700 1 902.40 前轴 50.20 1 900 412 6.03 特大车日野KB222 后轴 104.30 1 900 1 1765.19 前轴 51.40 1 88 408 0.85 太脱拉 138后轴 160.00 2 88 0 0.00 考虑到方向系数为
24、0.5，则设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数 Ns= 26830.5=13422、标准轴载和轴载当量换算设计基准期内混凝土面板临界荷载处所承载的标准轴载累计当量作用次数 Ne,计算公式如下：（18.2）3651)(ertgNs式中： 标准轴载累计当量作用次数；et设计基准期，为 30年；交通年增长率，为 7.3%；rg临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按表取 0.22；由上计算公式所得基准期内设计车道标准轴载的作用次数 为：次，由规范中表eN3.0.5得该公路属重交通等级。1.9.1.3 初拟路面结构由交通分析资料可知，相应于安全等级为一级，变异水平等级是低级的重交通水26泥混凝土路面，
25、查路基路面工程表 16-17可以初拟混凝土面层厚度不小于 0.24m, 垫层厚度一般为 0.15m，基层采用厚度为 0.150.25m 的水泥稳定粒料基层。考虑到标准横断面的布置，单幅路面宽度 10.5m，路基宽度为 13m；其中行车道宽为 3.752=7.5m，硬路肩为 3m，土路肩为 0.75m。则面板采用 3.53=10.5m的三块相同宽度进行布置，面板长度选择 4m。故有横缝为设传力杆的平缝，其间距为 3.5m；纵缝为设拉杆平头缝，其间距为 4m。面板的长宽比为 1.141.3；面板的面积为 1425。硬路肩水泥混凝土面层的厚度与行车道面层等厚，其基层与行车道基层相同。1.9.1.4
26、路面材料参数确定按规范上表 3.0.6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。由于路基土质为粘性土，查课本上表 16-26得路基回弹模量取 45MPa。1.9.1.5 方案设计1、方案一面层为 26cm普通混凝土面层,回弹模量为 31000MPa；基层为厚 15cm水泥稳定碎石基层，回弹模量取 1300Mpa；垫层采用 15cm厚的级配碎石，回弹模量取 250Mpa。按公路水泥混凝土路面设计规范中式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：MPa （18.3）7501.05.3210221 hEx（18.4）1212134hEDx= 133 5
27、.0315.05.0.25.05.0 = 1.007 MN.m= = 0.25m （18.5）31xxEDh31750.= =3.57 （18.6）4.0.2.6ax 45.0751.26湖南工程学院 2012 届毕业设计（论文）商州至陕豫界高速公路张乡村至口前段设计（K0+000K1+400 ） 27I= =0.69 （18.7）5.04.1Ebx 5.047.1=3.57 45 =158MPa （18.8）30ahxbxt 069.2315式中：Et基层顶面的当量回弹模量(MPa)；E0路床顶面的回弹模量(MPa)；Ex基层和底基层或垫层的当量回弹模量(MPa)；E1、E2基层和底基层或垫
28、层的回弹模量(MPa)；hx基层和底基层或垫层的当量厚度(m)；Dx基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度(MN-m)；h1、h2基层和底基层或垫层的厚度(m)；a、b与 ExE0 有关的回归系数；则普通混凝土面层的相对刚度半径 =0.5370.26 = 0.81m （18.9） 3/157.0Etchr 31580式中：r 混凝土板的相对刚度半径(m)；h混凝土板的厚度(m)；Ec水泥混凝土的弯拉弹性模量(MPa)；Et基层顶面当量回弹模量(MPa)荷载疲劳应力计算：标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力计算为=0.077 =1.01MPa （18.10）0.627psrh6.0182因为纵缝为设
29、拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数 =0.87。考虑设计基准期rk内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 = =2.52。根据公路等级，nfekN057.412由规范中表 B.1.2查得综合系数 =1.30。c标准轴载 PS 在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按规范中式（B.1.2）确定。= 0.872.521.301.01=2.87MPa prfcpsk（18.11）式中：pr标准轴载 PS 在临界荷位处产生的荷载疲劳应力(MPa)；ps标准轴载 PS 在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力(MPa)kr考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时，28kr=0.870.92(刚性和半刚
30、性基层取低值，柔性基层取高值)；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时， kr =1.0；纵缝为设拉杆的企口缝时，kr=0.760.84； kf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；kc考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，根据公路等级，由规范上表 B.1.2，取 Kc=1.30。温度疲劳应力计算：查公路水泥混凝土路面设计规范上表 3.0.8该公路为 III区，取最大温度梯度 92(m)，板长为 4.0m， = 4.0/0.67=5.97。lr由规范上图 B.2.2可查得温度应力系数 Bx=0.57,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力按下式计算：（18.12）02cgtmx
31、EhTB=1 310000.26920.57/2 51= 2.11 MPa式中：tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)；c混凝土的线膨胀系数(1)，通常可取为 1 ；510Tg最大温度梯度；Bx综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，可按 l r 和 h 查用温度应力系数 Bx图确定；l 板长，即横缝间距(m)；查公路水泥混凝土路面设计规范上表 B.2.83得 a=0.855，b=0.041，c=1.355（18.13）()ctmrttrfab= 5/2.110.855 -0.041 1.352=0.532在临界荷位处的温度疲劳应力按下式确定： = 0.5322.11=1.12
32、 MPa trtm式中：tr临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)；tm最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)；湖南工程学院 2012 届毕业设计（论文）商州至陕豫界高速公路张乡村至口前段设计（K0+000K1+400 ） 29Ikt考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为 95。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查公路水泥混凝土路面设计规范表 3.0.3确定可靠度系数 =1.20。 r水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，其表达式采用下式：（18.14） rptr
33、f式中：r可靠度系数；pr行车荷载疲劳应力（MPa） ；tr温度梯度疲劳应力（MPa） ，计算方法见符录 B.2；fr水泥混凝土弯拉强度标准值（MPa） ，取 5.0Mpa；计算得：=1.20 （2.87+1.12）=4.79MPa =5.0Mpa rptrrf因而，所选普通混凝土面层厚度(0.26m)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。2、方案二面层为厚 26cm普通混凝土面层,基层为厚 6cm中粒式沥青混凝土基层，回弹模量取 1400Mpa；底基层采用厚 15cm的水泥稳定碎石，回弹模量取 1300Mpa，垫层采用,15cm厚的低剂量（8%）石灰土，回弹模量取 600Mp
34、a。按公路水泥混凝土路面设计规范中式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：MPa 5091.05.36102221 hEx1212134hEDx= 133 5.0315.065.0.5.05.06 = 1.92 MN.m= = 0.29m 312xxEDh319502.= =3.84 4.06ax 45.0951.630= =0.73 5.04.1Ebx 5.049.1=3.84 45 =193.5MPa 30ahxbxt 73.02315式中：Et基层顶面的当量回弹模量(MPa)；E0路床顶面的回弹模量(MPa)；Ex基层和底基层或垫层的当量回弹模量(MPa)；E1、E2基层和底基层或
35、垫层的回弹模量(MPa)；hx基层和底基层或垫层的当量厚度(m)；Dx基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度(MN-m)；h1、h2基层和底基层或垫层的厚度(m)；a、b与 ExE0 有关的回归系数；荷载疲劳应力计算：普通混凝土面层与中粒式沥青混凝土基层组成分离式复合式面层，此时Ku=0，hx=0。复合式混凝土面层的截面总刚度为 KuhEchEhDcc 102012013023014g 06.1406.366.6. 133 =45.4则复合式混凝土面层的相对刚度半径 =1.23 = 0.76m 32.1rEtDg319.54式中：rg 混凝土板的相对刚度半径(m)；h混凝土板的厚度(m)；Ec水泥混凝土的弯拉弹性模量(MPa)；Et基层顶面当量回弹模量(MPa)标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力计算为：a97.04.5126376.0.1207. .06.1ps MPDhErgc gcgxKu5026.02ps 4.5606.0
