南京工业大学路基路面工程课程设计.docx

路面 结构与 路基边 坡稳定 性设计交通1001朱天南路面结构设计(一)沥青路面设计1.交通组成与轴载当量计算车辆车型与日交通量的选用如下表所示：交通组成表表1序 号车型前轴重(kN)后轴重(kN)后轴数后轴轮组数后轴距(m)交通量1黄河JN1621151双轮组6502黄河JN162A1双轮组6503解放CA10B1双轮组6504解放CA151双轮组6505解放CA30A2双轮组<3500按交通量年平均增长率5刈，乘以折算系数得设计年年初日平均交通量为8000,设计年限末年日平均交通量为14367,符合二级公路又t日平均交通量 500015000的要求。(1)当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时：设计年限末年日平均当量轴次：一 ?= E?1?2 ?(右)435 = 3663?= 1?设计年限内一个车道上累计当量轴次:?=(1 + ?)?- 1 X365? ?= 622.13 (万次)(2)当进行半刚性基层层底拉应力验算时:设计年限末年日平均当量轴次：?= E?1 ?2 ?(-)8= 4665?= 1?设计年限内一个车道上累计当量轴次:?=(1 + ?)?- 1 X365? ? = 792.31（万次）综上，沥青路面交通属于中等交通等级。2 .路面材料及路面结构的选取与土基模量的确定由于该二级公路路面属于中等交通等级，故采用以下两种方案备选:方案一：双层式沥青面层+半刚性基层方案二：单层式沥青面层+半刚性基层+垫层由于江苏处于IV类区划，故土基模量取36MPa3 .设计弯沉值与容许拉应力的确定路面设计弯沉值？?？按下式计算：? = 600?02? = 28.9（0.01mm结构层容许弯拉应力?按下式计算：其中，对沥青混凝土面层:? = -?= 0.09?022/?对无机结合料稳定集料：?= 0.35?1/?对无极结合料稳定细粒土： ？?？= 045?0?1/?通过查表计算得：细粒式沥青混凝土： ?= 0.47MPa中粒式沥青混凝土： ?= 0.36MPa水泥稳定碎石： ?= 0.33MPa4.结构层厚度确定于结构分析方案一4cm细粒式沥青混凝土 +6cm中粒式沥青混凝土 +35cm水泥稳定碎石，如下图所示细粒式沥青混凝土4 cm中粒式沥青混凝土6 cm水泥稳定碎石35 cm土基路面结构表面弯沉值？?与结构层层底弯拉应力按下式计算:2?= 1000丁 ？? = ?现将结果汇于下表：结构层层底应力与完成值计算表表2序 号结构层材料名称20 c抗压模量(MPa)15c抗压模量(MPa)厚度 (cm)层底拉应力(MPa)容许拉应力(MPa)层顶弯沉值1细粒式沥青混凝土1600220042粗粒式沥青混凝土1400200063水泥稳定碎后17001700354土基36结构表面弯沉值?= 28.5 < ? = 28.9,且各层层底拉应力均小于容许拉应力,故设计合理。(2)方案二10cm细粒式沥青混凝土 +22cm水泥稳定碎石+20cm水泥砂砾土，如下图所示:细粒式沥青混凝土10 cm水泥稳定碎石22 cm水泥砂砾土20 cm土基路面结构表面弯沉值？?与结构层层底弯拉应力计算方法同方案一，并汇于下表:结构层层底应力与完成值计算表表3序 号结构层材料名称20 c抗压模量(MPa)15c抗压模量(MPa)厚度 (cm)层底拉应力(MPa)容许拉应力(MPa)层顶弯沉值1细粒式沥青混凝土1400200020002水泥稳定碎后1500150015003水泥砂砾土1000100010004土基36结构表面弯沉值?= 28.1 < ? = 28.9,且各层层底拉应力均小于容许拉应力, 故设计合理。(二)混凝土路面设计1 .交通分析车辆车型与日交通量的选用如下表所示:交通组成表表4序 号车型前轴重（kN）后轴重（kN）后轴数后轴轮组数后轴距（m）交通量1黄河JN1621151双轮组6502黄河JN162A1双轮组6503解放CA10B1双轮组6504解放CA151双轮组6505解放CA30A2双轮组<3500按交通量年平均增长率5刈，乘以折算系数得设计年年初日平均交通量为8000,设计年限末年日平均交通量为14367,符合二级公路又t日平均交通量 500015000的要求。二级公路的设计基准期为20年，安全等级为三级，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取，交通量年平均增长率取 5%由设计车道使用初期标准轴载日作用次数13473,设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数计算如下：?=(1 + ?)?- 1 X365? ?= 6341.7 (万次)属于特重交通等级，故在设计路面应加厚考虑。2 .初拟路面结构安全等级为三级的道路对应的变异水平等级为中级。根据二级公路、重交通等级与中级变异水平等级，初拟如下两个方案：方案一：24cm混凝土面层+18cmK泥稳定粒料基层+15cm无机结合料稳定土方案一：30cm混凝土面层+20cmC泥稳定粒料基层两方案中普通混凝土板的平面尺寸为X , 纵缝为设拉杆的平缝，横缝为设传力杆的平 缝。3.方案一设计校核（24cm混凝土面层+18cm水泥稳定粒料基层+15cm无机结合料稳 定土）（1）路面材料参数的确定取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa由于施工路段处于江苏IV类区划，故土基模量取 36MPa无机结合料稳定土垫层回弹模量取600MPa水泥稳定粒料基层取 1300MPa基层顶面当量回弹模量计算如下:1013MPa?2?1 + ?2?11300 X 0.182 + 600 X 0.152"?2+?20.182 + 0.152?=1-1?2?2)600 X0.15)?1?1 ?3?2 (?1 + ?2)2, 112 + 12 +4(?1?11300 X 0.183 600 X 0.153Z+ 1212(0.15+ 0.18)214(1300X0.18+=2.57MN m3 7?=，12?/? = 0.312m? - 0.45?= 6.221- 1.51(近)=4.128? - 0.55? = 1 - 1.44(毯)=0.770? 1/30771013 1/3?=?0(存)= 4.128 x0.312. x36 x()=184.35MPa普通混凝土面层的相对刚度半径：? = 0.573?储?/ ? = 0.573 X0.24 乂 3/31000/184.35 = 0.759(2)荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载：? = 0.077?*?- 2 = 0.077 X 0.7590.6 X 0.24- 2 = 1.133MPa由于纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数?= 0.87,考虑设计期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 ？?？ = ? = (6.34 X106)0.057 = 2.44 ,根据公路 等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳破坏影响的综合系数?= 1.20。故疲劳荷载应力为：?pr = ? = 0.87 X2.44 X1.2 X1.133= 2.89MPa(3)温度疲劳应力IV区最大温度梯度取 92( C/m)。板长5日? = 5?0.759 = 6.588 ,查表可知？?？= 0.68,故最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为:tm tm?g?=510 5 X 31000X0.24 X92X0.68= 2.32MPa计算温度疲劳应力系数时，由自然区划IV 得参数？= 0.841 , ?= 0.058 , ?=1.323.?r?tm ?5.02.32=林?（存）-? = 2320.84"（宜i1"3- 0.058 = 0.531故温度疲劳应力:gr = ?t （Ttm = 0.531 X2.32 = 123MPa(4)结构可靠度判别二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级， 目标可靠 度为85%确定可靠度系数？?r = 1.13。由于有?r(?pr + (Ttr ) = 1.13(2.89+ 1.23) = 4.66MPa< ?r = 5.0MPa即所设计的路基路面结构可以承受设计基准期内荷载应力与温度应力的综合疲劳作用，因此设计合理。结构示意图如下:普通混凝土面层240 mm水泥稳定粒料180 mm石灰粉煤灰土150 mm4.方案一设计校核(30cm混凝土面层+20cmC泥稳定粒料基层)(1)路面材料参数的确定取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa由于施工路段处于江苏IV类区划，故土基模量取 ？?0= 36MPq水泥稳定粒料基层取 ？?1 =1300MPa?=? = ?1 = 1300MPa ?3?10.23 X130012o=3.4733 ?=，12?/? = 0.317m? - 0.45?= 6.221- 1.51(欣)=4.350? -。551300 1/3 xF? = 1 - 1.44(磊)=0780?. ? 1/30.78?= ?0(襦)= 4.350 X0.312X36=208.66MPa普通混凝土面层的相对刚度半径：? = 0.573?/ ? = 0.573 X0.30 X 3/31000/208.66 = 0.910(2)荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载：? = 0.077?6?7 2 = 0.077 X 0.9100.6 X0.3-2 = 0.808MPa由于纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数?= 0.87,考虑设计期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 ？?？ = ? = (6.34 X106)0.057 = 2.44 ,根据公路 等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳破坏影响的综合系数 ? = 1.20。故疲劳荷载应力为：?pr = ? = 0.87 X2.44 X1.2 X0.808= 2.06MPa(3)温度疲劳应力IV区最大温度梯度取 92( C/m)。板长5日? = 5?0.759 = 6.588 ,查表可知？?？= 0.68,故最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为:cr tm?g ? _ 10-5 X31000X0.3 X92 x068_ 291Mp计算温度疲劳应力系数时，由自然区划 IV得参数?= 0.841 , ?= 0.058 , ?= 1.323.?r?tm ?5.02.91 1.323?t = ?m?(k)- ?=两0.841 X(百)-0.058 = 0.606故温度疲劳应力:(Ttr = ?t (Ttm = 0.606 X2.91 = 1.76MPa(4)结构可靠度判别二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85%确定可靠度系数？?r = 1.13。由于有?r(?pr + (Ttr ) = 1.13(2.06+ 1.76) = 4.32MPa< ?r = 5.0MPa即所设计的路基路面结构可以承受设计基准期内荷载应力与温度应力的综合疲劳作 用，因此设计合理。结构示意图如下:普通混凝土面层300 mm水泥稳定粒料 200 mm:、路基边坡稳定性设计确定路基边坡率图1路基边坡示意图由于本例中设计的路基属于高路基，根据规范要求应采用折线性边坡。其中上段坡高 8m,坡比 1：;下段坡高17ml坡比1：。路基边坡示意图图如 右图所示：二、稳定性验算1 .当量土柱换算将公路一n级汽车荷载换算成当量土柱高。 路基宽度内能并排两辆重车，则车辆荷载（公路一II级荷载的重车为550kN）换算土柱高为：E?=2 X55019.2 X5.5 X12.8=0.81m2 .绘制滑动曲线用法确定圆心辅助线。将坡顶和坡脚连成一直线，如图中虚线所示。根据该连线的坡 . . 一 " 比，从书中表4-1查得边坡角为？= 30 54 48 ,辅助角？?1 = 25.50 , ?2 = 35 分别自坡脚作？?1和坡顶点作？?2,两直线相交于。点；在坡脚A点作垂线AD=H=25m 过D作连接OE滑动曲线圆心即在EO的延长线上，如下图所示。并依此绘出不同位置的过坡脚的滑动曲线。本计算以第1条滑动曲线为例，R=47.5m图2滑动面计算示意图3 .分条计算稳定系数将圆弧土体分段。本例按第一条滑动曲线分为16段，每个垂直土条的平均宽度为。计算每一分段面积时，将曲线形底部近似取直线，各分段图形简化成矩形、梯形或三角 形，进而求出其近似面积。其中计算面积包括换算土柱部分的面积。各分条的抗滑力矩:? = ? + ? = ?tan ? + ?滑动力矩：? = ? = ?sin ?边坡稳定性系数：一 Z? ? 12? + ? = = E?E?其中，摩擦系数? = tan ? = 0.599现将计算结果汇于下表：土条力矩计算表表5土 条 号土条宽?土条中心高？?？土条重 ?土条对应的圆心角？?？sin ?cos?抗滑力矩?滑动力矩?12345678910111213141516按上表数据计算?= E?E?= 1.43,符合K值在一之间的要求。故可认为 边坡稳定。其余各不同的滑动面计算过程与上类似， 且计算所得K值均符合在一之间的要求，故 认为边坡设计合理。三、课程设计总结通过两周时间的课程设计，我初步掌握了沥青路面与混凝土路面的设计方法，了解了如何进行交通量换算与轴载当量换算，也对二级公路路基路面结构的选取有了一个初步 的认识。通过对路基路面软件HPDS2003学习，也基本理解了软件设计与对层底拉应力、 弯沉值校核的要点。这两周的时间里，通过实践更深刻的理解了以往抽象的理论知识， 同时为将来的设计工作奠定了一定的基础。路面路基工程课程设计是路面路基工程课程的最后一个重要教学环节，也是本专业 第一次也是最重要的一次较全面地运用一年来所学各方面知识进行实践性训练的重要环 节。本次课程设计不仅牵涉到了本学期所学路基路面工程课程的内容，还牵涉到了 以前所学习的材料力学、结构力学等课程内容，可以说它是对一年多来前面所学 各课程的一个很好总结，对不同科目的融会贯通提出了新的要求。两周的时间，是短暂而又漫长的。由于路基路面材料与结构的选取部分内容具有一 定的难度，需要花费相当一部分时间去查找资料以及学习了解相关规范，在加上校核的 反复性，使得整个课程设计的节奏相当紧凑。两周的课程设计，要谈感受，没有人说自己认识不深刻的，它不但花去了我们大量 的劳力精力，更耗费了大量的脑力精力，但相应的，我们得到的也很多。通过这次课程 设计，使我们学到了很多仅靠课本不能学到的知识，还学到了些以前没有讲过的知识； 另外，加深了对以前学过的相关机械设计方面的知识，对今后的社会实践及就业无疑起 到重要作用。一周的时间，大家是繁忙的，但更是充实的。路基路面工程作为一门工程学科的分支，在我国随着交通运输的发展，正在以较快 的速度接近国外同类学科的前沿。在本世纪不论是在中国亦或是其他国家，都将会是一 个重要的科技领域。