Gjc路基路面工程課程設計

1、UNIVERSITYOFTBCHNOLOGY路基路面工程課程設計學生姓名：顧 學長班級：交通 1204學號：P1804120406指導教師：袁國林南京工業(yè)大學交通工程學院二0五年0六月路面結(jié)構(gòu)與路基邊坡穩(wěn)定性設計任務書一.路面結(jié)構(gòu)設計江蘇省某地區(qū)欲修建一條二級公路，該條公路上通過的交通流由下列車型組成黃河JN162 黃河JN162A 解放CA10B解放CA15解放CA30A東風EQ140延安SX161 長征XD160長征XD980交通SH141南陽351 日野KB222 日野ZM440菲亞特682N3菲亞特650E 三菱T653B 黃河JN163 江淮HF150解放SP9200 湘江HQP40

2、東風EQ155 桑塔納3000根據(jù)公路工程技術標準有關二級公路應滿足的交通量大小的規(guī)定，并依據(jù)所提供的交 通流的車型組成，自行選擇各種車型的數(shù)量。在道路使用年限內(nèi)，交通量的年增長率為5%每位學生根據(jù)自己所選定的交通量，依據(jù)公路瀝青路面設計規(guī)范、公路水泥混凝土路面設計規(guī)范中有關瀝青路面、水泥混凝土路面設計的基本原理和方法，進行能滿足二級 公路需求的瀝青路面及水泥混凝土路面設計。（每種路面結(jié)構(gòu)設計兩個方案）。二.高路基邊坡設計（選做）一高路堤，頂寬8.5m,高25m填料的容重r=19.2KN/m3，單位粘聚力c=42.5kPa,內(nèi)摩 擦角=150。為保證該路基邊坡的穩(wěn)定，試對該路基邊坡進行設計。、

3、路面結(jié)構(gòu)設計(一)瀝青路面設計1. 交通組成與軸載當量計算車輛車型與日交通量的選用如下表所示：交通組成表序 號車型前軸重(kN)后軸重(kN)后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距(m)交誦量1黃河JN16259.51151雙輪組6002黃河JN162A62.28116.221雙輪組6003解放CA10B19.460.851雙輪組6004解放CA1520.9770.381雙輪組6005解放CA30A29.536.752雙輪組<3600按交通量年平均增長率5燦，乘以折算系數(shù)得設計年年初日平均交通量為5355,設計年限末年日平均交通量為7912,符合二級公路對日平均交通量 500015000的要求。(1)當

4、以設計彎沉值為指標及瀝青層層底拉應力驗算時:設計年限末年日平均當量軸次:?4 35?=刀?-?)4'35 = 3389?=1?設計年限內(nèi)一個車道上累計當量軸次：?（1+?- 1 x365? ? 933.52 （萬次）(2)當進行半剛性基層層底拉應力驗算時：設計年限末年日平均當量軸次：亍？? ，?8?=刀? )8 = 4307?=1 v?設計年限內(nèi)一個車道上累計當量軸次：(1 + ?- 1 X365十、_?=?= 1186.39 (萬次)綜上，瀝青路面交通屬于中等交通等級。2. 路面材料及路面結(jié)構(gòu)的選取與土基模量的確定由于該二級公路路面屬于中等交通等級，故采用以下兩種方案備選：方案一：雙

5、層式瀝青面層+ 半剛性基層方案二：單層式瀝青面層+半剛性基層+墊層由于江蘇處于IV類區(qū)劃，故土基模量取 36MPa3. 設計彎沉值與容許拉應力的確定路面設計彎沉值按下式計算：?= 600?芻2 ?= 26.6(0.01mm)結(jié)構(gòu)層容許彎拉應力？?按下式計算： ?= ?其中，對瀝青混凝土面層：？?= 0.09?f?22 /?對無機結(jié)合料穩(wěn)定集料：？?= 0.35?%11/?對無極結(jié)合料穩(wěn)定細粒土： ？?= 0.45?%11/?通過查表計算得：細粒式瀝青混凝土： ？?= 0.43MPa中粒式瀝青混凝土： ？?= 0.36MPa水泥穩(wěn)定碎石： ？?= 0.31MPa水泥石灰砂礫土 ？?= 0.16M

6、Pa4. 結(jié)構(gòu)層厚度確定于結(jié)構(gòu)分析方案一4cm細粒式瀝青混凝土 +6cm中粒式瀝青混凝土 +35cm水泥穩(wěn)定碎石+?水泥石灰沙礫土, 如下圖所示。細粒式瀝青混凝土4 cm中粒式瀝青混凝土8 cm水泥穩(wěn)定碎石25 cm水泥石灰沙礫土35 cm土基路面結(jié)構(gòu)表面彎沉值？?與結(jié)構(gòu)層層底彎拉應力按下式計算:2?= 1000? = ?現(xiàn)將結(jié)果匯于下表：結(jié)構(gòu)層層底應力與完成值計算表序 號結(jié)構(gòu)層材料名稱20 C抗壓模量(MPa)15 C抗壓模量(MPa)厚度(cm)層底拉應力(MPa)容許拉應力(MPa)層頂彎沉值(0.01mm)1細粒式瀝青混凝土160022004-0.2520.4728.52粗粒式瀝青混凝

7、土140020006-0.0940.3632.43水泥穩(wěn)定碎2460.3339.24級配碎石150015003053.95十基36結(jié)構(gòu)表面彎沉值？?= 16 < ?= 26.6，且各層層底拉應力均小于容許拉應力，故設計合理。(2)方案二4cm細粒式瀝青混凝土 +6cm中粒式瀝青混凝土 +25cm水泥穩(wěn)定砂礫+?級配碎石，如下圖所示：細粒式瀝青混凝土10 cm中粒式瀝青混凝土06 cm水泥穩(wěn)定砂礫25 cm級配碎石30cm土基路面結(jié)構(gòu)表面彎沉值與結(jié)構(gòu)層層底彎拉應力計算方法同方案一，并匯于下表:結(jié)構(gòu)層層底應力與完成值計算表序 號結(jié)構(gòu)層材料名稱20 C抗壓模量(MPa

8、)15 C抗壓模量(MPa)厚度(cm)層底拉應力(MPa)容許拉應力(MPa)層頂彎沉值(0.01mm)1細粒式瀝青混凝土140020002000-0.660.4728.12水泥穩(wěn)定碎石1500150015000.950.3337.83水泥砂礫土1000100010000.1540.17111.84級配碎石150015003053.95十基36結(jié)構(gòu)表面彎沉值？?= 18.3 < ?= 26.6，且各層層底拉應力均小于容許拉應力，故設計合(二)混凝土路面設計1. 交通分析車輛車型與日交通量的選用如下表所示:交通組成表序 號車型前軸重(kN)后軸重(kN)后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距(m)交誦量

9、1黃河JN16259.51151雙輪組6002黃河JN162A62.28116.221雙輪組6003解放CA10B19.460.851雙輪組6004解放CA1520.9770.381雙輪組6005解放CA30A29.536.752雙輪組<3600按交通量年平均增長率5%計，乘以折算系數(shù)得設計年年初日平均交通量為5355,設計年限末年日平均交通量為7912,符合二級公路對日平均交通量 500015000的要求。二級公路的設計基準期為20年，安全等級為三級，臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù) 取0.39,交通量年平均增長率取 5%。由設計車道使用初期標準軸載日作用次數(shù)9199,設計基準期內(nèi)設計

10、車道標準荷載累計作用次數(shù)計算如下：(1 + g?y?- 1 X365仏?=丄?= 5772.9 (萬次)g?屬于特重交通等級，故在設計路面應加厚考慮。2. 初擬路面結(jié)構(gòu)安全等級為三級的道路對應的變異水平等級為中級。根據(jù)二級公路、重交通等級與中級 變異水平等級，初擬如下兩個方案：方案一：28cm混凝土面層+20cm水泥穩(wěn)定粒料基層+15cm無機結(jié)合料穩(wěn)定土方案二：35cm混凝土面層+18cm水泥穩(wěn)定粒料基層+10cm無機結(jié)合料穩(wěn)定土兩方案中普通混凝土板的平面尺寸為 3.5mX5.0m,縱縫為設拉桿的平縫，橫縫為設傳力桿 的平縫。3. 方案一設計校核（28cm混凝土面層+20cm水泥穩(wěn)定粒料基層+

11、15cm無機結(jié)合料穩(wěn)定土）（1）路面材料參數(shù)的確定取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為 5.0MPa,相應彎拉彈性模量標準值為 31GPa。由 于施工路段處于江蘇IV類區(qū)劃，故土基模量取36MPa，無機結(jié)合料穩(wěn)定土墊層回彈模量取 600MPa，水泥穩(wěn)定粒料基層取 1300MPa。基層頂面當量回彈模量計算如下： 計算地基綜合回彈模量：首先選擇模型：因水泥穩(wěn)定粒料基層屬于粒料類材料，因此選擇彈性地基上的單層板模 型。因除路基外只有單層基層，所以，Ex=1300MPa,hx = 0.2m,a= 0.86 + 0.261n0.2 = 0.442,地基綜合回彈模量：Ex 1300 0442"(E

12、0)Z”2 x36 = 1757(MPa) 荷載應力計算設計軸載（100kN ）在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應力？?板的彎曲剛度:?31000 X0.283?=2 =尹=58.01(MN. m)12(1 - ?)12 X(1 - 0.152)面板的相對剛度半徑：r = 1.213卷?1.213 58.01X V =165.70.853荷載應力:?= 1.47 X10-3 ?7 ? ?94 = 1.47 X10-3X0.8530.7 X0.28-2 X1000.94 = 1.273MPa確定三個修正系數(shù)kr,kc,kf：應力折減系數(shù)kr，由路肩情況決定：采用混凝土路肩時取0.87 （路肩面

13、層與路面面層等 厚）考慮理論與實際差異及動載等因素影響的綜合系數(shù)Kc,按二級公路查表9-27為1.05荷載疲勞應力系數(shù)Kf，與累計軸次Ne有關，由下面的公式確定：Kf= Ne = 57721853 0.057 = 2.75計算荷載疲勞應力：qpr = krkckf ops = 0.87 X1.05 X2.75 x 1.273 = 3.2(MPa)面層板在最重軸載作用下的荷載應力計算最重軸載(或稱極限荷載)在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應力？?？qm = 1.47 X10-3 r°.7hc2 pm.94 = 1.47 X10-3 X0.8530.7 X0.28-2 X 116.22

14、0.94 = 1.466MPa 最重荷載在臨界荷位產(chǎn)生的最大荷載應力q,max :q,max = krkc qm = 0.87 X 1.05 X 1.466 = 1.339MPa 溫度應力計算面層板最大溫度應力?maxt = 3r3 X 0.853 =1.954(rad)面層板的溫度翹曲應力系數(shù)C：Cl = 1 -sinht. cost+ cosht. sint cost. sint + sinht. coshtsinh2.325 Xcos2.325+ cosh2.325 Xsin2.325cos2.325 X sin2.325 + sinh2.325 Xcosh2.325 = 0.83計算綜

15、合溫度翹曲應力和內(nèi)應力的溫度應力系數(shù) Bl：Bl = 1.77e-4.48h cC- 0.131(1 - C)=1.77?于48 X 0.24 X0.83 - 0.131 X(1 - 0.83) = 0.48IV區(qū)最大溫度梯度取88( r /m),最大溫度應力:a Ec hcTg c q,max =?Bl =面層板溫度疲勞應力？?？1 X10-5 X 31000 X0.24 X882><048=1確定溫度疲勞應力系數(shù)？?？IV區(qū),查表得?分別為0.843,1.323,0.058計算溫度疲勞應力系數(shù)? ?= ? ?«?)-?:? ? J 1.32351.57=1 570.8

16、43 X( 5 )- 0.058 = 0.3951.5 75計算溫度疲勞應力？?otr = kt ot,max = 0.395 X 1.57 = 0.62(MPa) 設計極限狀態(tài)驗證二級公路的安全等級為三級，相應于三級安全等級的變異水平等級為中級，目標可靠度 為85%，確定可靠度系數(shù)?r?= 1.13。彈性地基上單層板模型，只需要檢驗單層板的極限狀態(tài)：y( or + Or) = 1.13 X(3.2 + 0.62) = 4.32(MPa) < 5MPaY( o,max + o,max ) = 1.13 X(1.339 + 1.57) =3.287Mpa<5MPa即所設計的路基路面結(jié)

17、構(gòu)可以承受設計基準期內(nèi)荷載應力與溫度應力的綜合疲勞 作用，因此設計合理。結(jié)構(gòu)示意圖如下：普通混凝土面層280 mm水泥穩(wěn)定粒料200 mm石灰粉煤灰土150 mm土基4. 方案二設計校核(35cm混凝土面層+18cm水泥穩(wěn)定粒料基層+10cm無機結(jié)合料穩(wěn)定土)(1)路面材料參數(shù)的確定取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為 5.0MPa,相應彎拉彈性模量標準值為 31GPa。由 于施工路段處于江蘇 IV類區(qū)劃，故土基模量取 ？= 36MPa，水泥穩(wěn)定粒料基層取 ？= 1300MPa。 計算地基綜合回彈模量：首先選擇模型：因水泥穩(wěn)定粒料基層屬于粒料類材料，因此選擇彈性地基上的單層板模 型。因除路基外只

18、有單層基層，所以,Ex=1300MPa,hx = 0.18m, a= 0.86 + 0.26In0.18 = 0.414, 地基綜合回彈模量：Et =(才)E = ()0.414 X36 = 158.92(MPa)E036 荷載應力計算設計軸載(100kN )在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應力？?板的彎曲剛度：?31000 X0.353?= 12(1 - ?) = 12 X (1 - 0.152) = 113.31(MN. m) 面板的相對剛度半徑：=1.081r = 1.2/a?= 1.21 X V113.31?158.92荷載應力：?= 1.47 X10-3 ?7?另94 = 1.47

19、 X10-3 X1.081°7 X0.35-2 X1000.94 = 0.961MPa 確定三個修正系數(shù)kr,kc,kf：應力折減系數(shù)kr，由路肩情況決定：采用混凝土路肩時取0.87 (路肩面層與路面面層等厚)?？紤]理論與實際差異及動載等因素影響的綜合系數(shù)Kc,按二級公路查表9-27為1.05。荷載疲勞應力系數(shù)Kf，與累計軸次Ne有關，由下面的公式確定：Kf = Ne = 57721853 0.057 = 2.75計算荷載疲勞應力：cpr = krkckf Ops = 0.87 X1.05 X2.75 X0.961 = 2.414(MPa)面層板在最重軸載作用下的荷載應力計算最重軸載

20、(或稱極限荷載)在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應力？?？Opm = 1.47 X10-3 r0'7hC2 鏟=1.47 X10-3 X1.081 0'7 X0.35-2 X 116.220'94 = 1.107MPa 最重荷載在臨界荷位產(chǎn)生的最大荷載應力cp,max :op,max = krkc cpm = 0.87 X 1.05 X 1.107 = 1.011MPa 溫度應力計算面層板最大溫度應力?maxt = 3r_5=3 X 1.081=1.542(rad)面層板的溫度翹曲應力系數(shù)C：Cl = 1 -sinht. cost + cosht. sint =1 c

21、ost. sint + sinht. coshtsinh2.325 Xcos2.325 + cosh2.325 Xsin2.325cos2.325 X sin2.325 + sinh2.325 Xcosh2.325=0.542計算綜合溫度翹曲應力和內(nèi)應力的溫度應力系數(shù) Bl:Bl = 1.77e-4.48h cC- 0.131(1 - C)=1.77?嚴 X 0.35 X0.542 - 0.131 X(1 - 0.542) = 0.267IV區(qū)最大溫度梯度取88( r /m),最大溫度應力:aEc hc Tgot,max =2B L -面層板溫度疲勞應力？?？1 X 10-5 X 31000

22、X0.35 X88= 2X0.267 = 1.27MPa確定溫度疲勞應力系數(shù)？?？IV區(qū),查表得?分別為0.843,1.323,0.058計算溫度疲勞應力系數(shù)? ?= ? ?«?)-?:? ? J 51.27 1.323=0.843 x()- 0.058 = 0.3131.275計算溫度疲勞應力？?？ctr = kt q,max = 0.313 x 1.27 = 0.398(MPa) 設計極限狀態(tài)驗證二級公路的安全等級為三級，相應于三級安全等級的變異水平等級為中級，目標可靠度 為85%，確定可靠度系數(shù)?r?= 1.13。彈性地基上單層板模型，只需要檢驗單層板的極限狀態(tài)：Y( cr +

23、 Cr) = 1.13 x(2.414 + 0.398) = 3.172(MPa) < 5MPaY( ©max + c,max ) = 1.13 x (1.011 + 1.27)=2.578Mpa<5MPa即所設計的路基路面結(jié)構(gòu)可以承受設計基準期內(nèi)荷載應力與溫度應力的綜合疲勞作用, 因此設計合理。結(jié)構(gòu)示意圖如下：普通混凝土面層350 mm水泥穩(wěn)定粒料180 mm無機結(jié)合料穩(wěn)定土100mm土基確定路基邊坡率、路基邊坡穩(wěn)定性設計由于本例中設計的路基屬于高路基，根據(jù)規(guī)范要求應采用折線性邊坡。其中上段坡高8m,坡比1:1.5;下段坡高17m,坡比1:1.75。路基邊坡示意 圖圖如

24、右圖所示：路基邊坡示意圖穩(wěn)定性驗算1. 當量土柱換算（公將公路一U級汽車荷載換算成當量土柱咼。路基寬度內(nèi)能并排兩輛重車，則車輛荷載 路一U級荷載的重車為550kN）換算土柱高為:E?2 X550?19.2 X5.5 X12.82. 繪制滑動曲線用4.5H法確定圓心輔助線。將坡頂和坡腳連成一直線，如圖中虛線所示。根據(jù)該連線的坡比，從書中表4-1查得邊坡角為？?= 30° 5448，輔助角?= 25.5 ° , ? = 35。，分別自 坡腳作?和坡頂點作?，兩直線相交于O點；在坡腳A點作垂線AD=H=25m，過D作連 接OE，滑動曲線圓心即在EO的延長線上，如下圖所示。并依此繪

25、出不同位置的過坡腳的滑動曲線。本計算以第1條滑動曲線為例，R=47.5m。圖2滑動面計算示意圖3. 分條計算穩(wěn)定系數(shù)將圓弧土體分段。本例按第一條滑動曲線分為16段，每個垂直土條的平均寬度為3.025m 計算每一分段面積時，將曲線形底部近似取直線，各分段圖形簡化成矩形、梯形或三角形， 進而求出其近似面積。其中計算面積包括換算土柱部分的面積。各分條的抗滑力矩：?= ?+ ? ?tan?b ?滑動力矩：?= ?= ?/?si n?邊坡穩(wěn)定性系數(shù)：E? ?更？?計? ?= =E?3?E?其中，摩擦系數(shù)？?= tan?= 0.599現(xiàn)將計算結(jié)果匯于下表：土條力矩計算表土 條 號土條寬?土條中心高？?？土條重?土條對應的圓心角?sin ?cos?抗滑力矩?滑動力矩?12.162.6107.831.00100.8420.5393675.2424312.54922.006.4245.760.93740.806