1、 金堂大道路面設計汽車與交通學院課程設計說明書課 程 名 稱: 路基路面工程課程設計 課 程 代 碼: 題 目: 年級/專業/班: 學 生 姓 名: 學 號: 開 始 時 間: 年 5 月 16 日完 成 時 間: 年 5 月 27 日課程設計成績： 學習態度及平時成績（30）技術水平與實際能力（20）創新（5）說明書（計算書、圖紙、分析報告）撰寫質量（45）總 分（100）指導教師簽名： 年 月 日目 錄摘 要- 2 -1.基本設計資料分析- 3 -2.瀝青路面設計- 4 -2.1軸載分析- 4 -2.2 瀝青路面結構- 8 -2.3 各層材料的抗壓模量和劈裂強度- 8 -2.4設計指標的確

2、定- 8 -2.5路面結構層厚度的計算- 10 -2.6瀝青混凝土面層和半剛性基層、底基層層底拉應力驗算- 11 -3.水泥混凝土路面設計- 14 -3.1 軸載分析- 14 -3.2初擬路面結構- 16 -3.3路面材料確定- 16 -3.4載荷疲勞應力- 17 -3.5溫度應力計算- 18 -3.6防凍厚度檢驗和接縫設計- 21 -4.瀝青和水泥路面設計示意圖- 22 -結 論- 23 -致 謝- 24 -參考文獻- 25 -摘 要本設計首先對所給資料進行交通分析，并利用軸載換算公式分別計算出瀝青和水泥路面的累計當量軸次，然后根據所選材料的性能以及查閱規范先對瀝青路面的設計彎沉值以及容許彎

3、拉應力進行求解，并進一步得出瀝青層的厚度并算出實際彎沉值與實際彎拉應力從而與規范所定值相比較，從而判定設計是否符合要求。最后，驗算冰凍層厚度。收費站采用水泥路面設計，設計步驟同上，最終需要驗算綜合疲勞應力和最大綜合應力是否小于混凝土彎拉應力。關鍵詞： 瀝青路面 混泥土路面 設計 1.基本設計資料分析道路按一級公路進行設計，年交通量增長率按6.5%，車道系數=0.5，公路自然區劃II2區，路面寬度為B=24.5m，行車道為四車道27.5m，路基處于中濕路段，采用水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面兩種設計方案。路基土為粉質中液限土，潮濕路段E0=19Mpa，中濕路段E0=29Mpa，干燥路段E0=30

4、Mpa，沿線有砂石，且有碎石、石灰、粉煤灰供應。表1-1：交通組成及交通量表車型名稱日交通量奔馳LPK709354五十鈴NPR595G538切貝爾D350533太脫拉138S390長征CZ361693延安SX161508會客HK6670308貴州GZ661A624宇通ZK6820G518解放SP9134B189湘江HQP4078從設計資料可以看得出，本設計路段的交通體，車型多樣，且交通量各有不同。路面設計時需要將車輛作用在路面上的車輪荷載換算為標準的當量軸次，從而計算出瀝青路面和水泥路面設計時的累計當量軸次，進而判斷出此路段處于何種交通狀態，以便進一步進行合理的厚度設計，使路面的設計彎沉值、彎

5、拉應力等指標符合規范要求。本次設計資料設計路段為一級公路，年交通量增長率按6.5%，II2東北中部山前平原中凍區。2.瀝青路面設計2.1軸載分析我國瀝青路面設計以雙輪組單軸載100kN為標準軸載，表示為BZZ-100。標準軸載的計算參數按表2確定。表2-1： 標準軸載計算參數標準軸載名稱BZZ-100標準軸載名稱BZZ-100標準軸載P（KN）100單輪當量圓直徑d（mm）21.30輪胎接地壓強P（Mpa）0.70兩輪中心距（cm）15d1 當以設計彎沉值設計指標及瀝青基層層底拉應力驗算時，各級軸載（包括車輪的前、后軸）Pi的作用次數ni應按下式換算成標準軸載作用次數。Ns=i=1KC1*C2

6、*ni*PiP4.35式中：Ns 以設計彎沉值和瀝青層層底拉應力為指標時的標準軸載的當量次數； ni 被換算車型的各級軸載換算次數（次/日）； 標準軸載（）； 各種被換算車型的軸載（）； C2 輪組系數，單輪組為6.4,雙輪組為1.0,四軸組為0.38； C1 軸數系數。 被換算車型的軸載級別。當軸間距離大于3m時，按單獨的一個軸載計算；當軸間距離小于3m時，按雙軸或多軸進行計算按下面公式計算：式中：m軸數。表2-2： 軸載換算結果車型（）（次/日）C1C2niPiP4.35奔馳LPK709前軸22.00113540.49后軸44.00113549.95五十鈴NPR595G前軸23.50115

7、380.99后軸44.001153815.13切貝爾D350前軸24.00114330.87后軸48.001143317.78太脫拉138S前軸45.401139012.57后軸290.002.2139011064.27長征CZ361前軸47.601169327.44后軸290.702.2169320334.25延安SX161前軸54.641150836.65后軸291.252.2150815303.12會客HK6670前軸19.00113080.22后軸39.00113085.12貴州GZ661A前軸41.401162413.46后軸45.201162419.73宇通ZK6820G前軸30.

8、00115182.75后軸55.001151838.45解放SP9134B前軸24.80111890.44后軸72.601118946.94湘江HQP40前軸23.1011780.13后軸73.20117820.08Ns46970.82則其設計年限內一個車道上的累計量軸次Ne：Ne=1+t-1*365*N1* 式中 Ne 設計年限內一個車道的累計當量次數； t 設計年限，由材料知，瀝青材料為t=15年；N1 設計端竣工后一年雙向日平均當量軸次； 設計年限內的交通量平均增長率，由材料知=0.065 車道系數，由材料知=0.5。則：Ne=1+t-1*365*N1*=1+0.06515-1*3650

9、.065*46970.82*0.5=2.07*108次利用公路路面設計程序系統可對上述計算的一個車道上的累計量軸次Ne進行驗算，實際計算和軟件計算一致，檢驗通過。2 以半剛性材料層的層底拉應力為指標的軸載換算方法為：各級軸載（包括車輪的前、后軸）Pi的作用次數ni應按下式換算成標準軸載作用次數。Ns，=i=1kC1,C2,niPiP8式中：Ns， 以彎拉應力為指標的標準軸載的當量軸次（次/日）； ni 被換算車型的各級軸載換算次數（次/日）； 標準軸載（）； Pi 各種被換算車型的軸載（）； C1,軸數系數； C2,輪組系數，雙輪組為1.0，單輪組為18.5，四輪組為0.09。當軸間距離大于3

10、m時，按單獨的一個軸載計算此時軸數為m=1；當軸間距離小于3m時，按雙軸或多軸進行計算，軸數系數為：C1,=1+2*（m-1)根據上述公式，可得軸載換算結果：表2-3： 軸載換算結果車型（）（次/日）C1C2niPiP8奔馳LPK709前軸22.00113540.00后軸44.00113540.50五十鈴NPR595G前軸23.50115380.01后軸44.00115380.76切貝爾D350前軸24.00114330.00后軸48.00114331.22太脫拉138S前軸45.40113900.70后軸290.0031390128933.54長征CZ361前軸47.60116931.83后

11、軸290.7031693243754.56延安SX161前軸54.64115084.04后軸291.2531508187537.41會客HK6670前軸19.00113080.00后軸39.00113080.16貴州GZ661A前軸41.40116240.54后軸45.20116241.09宇通ZK6820G前軸30.00115180.03后軸55.00115184.34解放SP9134B前軸24.80111890.00后軸72.601118914.59湘江HQP40前軸23.1011780.00后軸73.2011786.43Ns，560261.74則其設計年限內一個車道上的累計量軸次Ne為：

12、Ne=1+t-1*365*N1*=1+0.06515-1*3650.065*560261.74*0.5=2.47*1010 次利用公路路面設計程序系統可對上述計算的一個車道上的累計量軸次Ne進行驗算，實際計算和軟件計算一致，檢驗通過。 綜上可分別得出如下表所示的2種軸載換算次數，如下表所示：表2-4 軸載換算次數相應指標累計當量軸次（次）彎沉值與應力2.07*108半剛性基層2.47*10102.2 瀝青路面結構根據公路瀝青路面設計規范(JTG D50-2006)并考慮公路沿途有砂石、碎石、石灰、粉煤灰供應，基層采用水泥穩定碎石（厚度待定），底層采用二灰土（300），采用三層式瀝青混凝土面層，

13、表層采用細粒式密級配瀝青混凝土（40），中面層采用中粒式密級配瀝青混凝土（60），下面層采用粗粒式密級配瀝青混凝土（100）。2.3 各層材料的抗壓模量和劈裂強度土基回彈模量的確定可根據查表法查得。各結構層材料的抗壓模量及劈裂強度已參照規范給出的推薦值確定。表2-5：結構組合參數層次材料名厚度(cm)抗壓回彈模量強度劈裂（Mpa）15C模量20C模量細粒式瀝青混凝土4200014001.4中粒式瀝青混凝土6180012001.0粗粒式瀝青混凝土10140010000.8 水泥穩定碎石待定150015000.6水泥粉煤灰碎石35150015000.4土基30302.4設計指標的確定1設計彎沉值公

14、路為一級公路，則公路等級系數Ac取1.0；面層是瀝青混凝土，則面層類型的系數As取1.0；路面結構為半剛性基層瀝青路面，則路面結構類型系數AB取1.0。ld=600Ne-0.2AcAsAB式中： ld 設計彎沉值Ne 設計年限內的累計當量年標準軸載作用次數Ac 公路等級系數，一級公路為1.0As 面層類型系數，瀝青混凝土面層為1.0AB 基層類型系數，半剛性基層為1.0，柔性基層瀝青路面為1.6，若基層由半剛性基層與柔性基層組合而成，通過線性內插確定。所以 ld=600Ne-0.2AcAsAB=600*2.07*108-0.2*1.0*1.0*1.0=13.03mm(2) 各層材料按容許層底拉

15、應力R，按下列公式計算：R=spKs式中 ： sp 路面結構材料的極限抗拉強度（Mpa）；R 路面結構材料的容許拉應力，即該材料能承受設計年限Ne次加載的疲勞 彎拉應力（Mpa）； Ks 抗拉強度結構系數。 對瀝青混凝土面層的抗拉強度結構系數： Ks=0.09Ne0.22Ac=0.09*2.07*1080.221.0=6.07 對無機結合料穩定集料類的抗拉強度結構系數： Ks=0.35Ne0.11Ac=0.35*2.07*1080.111.0=2.87 對無機結合料穩定細土類的抗拉強度結構系數： Ks=0.45Ne0.11Ac=0.45*2.07*1080.111.0=3.69表2-6： 結構

16、層容許彎拉應力材料名稱sp（Mpa）KsR（Mpa）細粒瀝青混凝土1.46.070.23中粒瀝青混凝土1.06.070.16粗粒瀝青混凝土0.86.070.13水泥穩定碎石0.62.870.17水泥粉煤灰碎石0.43.690.112.5路面結構層厚度的計算1理論彎沉系數的確定c ls=10002PE1Fc c=lsE12000PF=f(h1,h2,hn-1;E2E1,E3E2,E0En-1)式中： 當量圓半徑；F 彎沉綜合修正系數，F=1.63ls20000.38(E0P)0.36 令ls=ld,則F=1.63*13.07/(2000*10.65)0.38（30/0.70) 0.36=0.38

17、c=lsE12000PF=13.071400/(200010.650.700.38)=3.232確定設計層厚度采用三層體系表面彎沉系數，由諾謨圖算設計層厚度。h/=4/10.65=0.376 E2/E1=1200/1400=0.857；由三層體系彎沉系數諾謨圖查得：=6.22。h/=4/10.65=0.376 =30/1200=0.025；由三層體系彎沉系數諾謨圖查得K1=1.460。又因為k2=cK1=3.01/(6.22*1.460)=0.33，E0E2=0.025，h=0.376，由上查圖5（諾謨圖）得：H/=7.8，H= 10.657.8=83。圖2-1：相關諾莫圖由可知：H=6+10

18、2.410001200+h42.415001200+352.415001200=52.75+1.1h4因為H=83cm，可知h4=27.5cm，故取h4=28cm。如圖所示： _ _h1=4cm E1=2000MPa h=4cm E1=2000Mpa h2=6cm E2=1600MPa h3=10cm E3=1200MPa H=？cm E2=1800MPah4=28cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =30 MPa E0=30MPa 圖2-2： 各層層厚與回彈模量2.6瀝青混凝土面層和半剛性基層、底基層層底拉應力驗算1瀝青混凝土面層層底拉應力驗算（模量采用1

19、5C時的抗壓回彈模量） _ _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 MPa E0=30MPa 圖2-3： 各層層厚與回彈模量h=k=1ihkEkEi=420001200+618001200+1012001200=22.5H=k=i+1ihk0.9EkEi+1=280.936003600+350.924003600=50.3h = 22.510.65=2.11

20、，查三層連續體系上層底面拉應力系數諾莫圖，知，故mR=0.28MPa，所以滿足要求。2水泥穩定碎石層層底拉應力驗算 _ _h1=4cm E1=2000MPa h=40.99 cm E1=3600Mpa h2=6cm E2=1800MPa h3=10cm E3=1200MPa H=35cm E2=2400MPah4=28cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0 =30 MPa E0=30MPa 圖2-4： 各層層厚與回彈模量h=40.99cm ， =35cm由H/=35/10.65=3.286385, =30/2400=0.0125,查表得=0.05MpaH/=3.

21、286385, E2/E1=2400/3600=0.67,查表得n1=2.1H/=3.286385, h/=40.99/10.65=3.8488,查表得 n2=0.62故半剛性基層底面最大拉應力，由公式m=Pn1n2得m=0.70.052.10.62=0.046MpaR=0.19Mpa滿足要求。3水泥粉煤灰碎石層層底拉應力驗算_ _h1=4cm E1=2000MPa h=44.09cm E1=3600Mpa h2=6cm E2=1800MPa h3=10cm E3=1200MPa H=35cm E2=2400MPah4=28cm E4=3600MPa h5=35cm E5=2400MPa E0

22、 =30 MPa E0=30MPa 圖2-5： 各層層厚與回彈模量 =44.09cm由，可知； 由，可知n1=1.14 由，h = 44.0910.65=4.13，可知n2=0.56故半剛性基層底面的最大拉應力,由公式：m=Pn1n2=0.70.160.541.14=0.0697m0.340.390.540.62則：Ne=1+t-1*365*N1*=1+0.06530-1*3650.065*75.12*0.2=4.73105次利用公路路面設計程序系統可對上述計算的一個車道上的累計量軸次Ne進行驗算，實際計算和軟件計算一致，檢驗通過。3.2初擬路面結構因為一個車道上的累計量軸次Ne=4.7310

23、5次，故可知交通屬于中等交通。由以上可知相應于安全等級為三級的變異水平等級為中級，根據一級公路、中等交通等級和中級變異水平等級。查規范知：初擬普通混凝土面層厚為250mm；基層選用瀝青混凝土，厚為60mm；底基層材料選用水泥穩定粒料（水泥用量5%），厚為180mm,墊層為150mm低劑量無機混合料穩定土。普通混凝土板的平面尺寸為寬3.75m；長為4.5m。3.3路面材料確定查表取普通混凝土彎拉強度標準值為4.5Mpa,相應彎拉彈性模量標準值為29Gpa。路基回彈模量取30Mpa,低劑量無機混合料穩定土墊層回彈模量取600Mpa, 瀝青混凝土基層回彈模量取1000Mpa，水泥穩定粒料基層回彈模量

24、取1300Mpa。計算基層頂面當量回彈模量Ex=h12E1+h22E2+h32E3h12+h22+h32=0.182*1300+0.062*1000+0.152*6000.182+0.062+0.152=1012MPaDx=h13E1+h23E2+h33E312+h1+h2+h324(1E1h1+E2h2+E3h3)-1=0.063*1000+0.183*1300+0.153*60012+0.06+0.18+0.1524(10.06*1000+0.18*1300+0.15*600)-1=15.42MNmhx=(Dx*12Ex)13=(15.42*121012)13=0.57ma=6.221-1

25、.51(ExE0)-0.45=6.221-1.51(101230)-0.45=4.29b=1-1.44ExE0-0.55=1-1.44101230-0.55=0.79Et=a*hxb*E0*ExE013=4.29*0.570.8*30*10123013=265.24MPaEt基層頂面的當量回彈模量(MPa)；E0路床頂面的回彈模量(MPa)； Ex基層和底基層或墊層的當量回彈模量(MPa)； E1、E2基層和底基層或墊層的回彈模量(MPa)； hx基層和底基層或墊層的當量厚度(m)； Dx基層和底基層或墊層的當量彎曲剛度(MNm)計算；h1、h2基層和底基層或墊層的厚度(m)；普通混凝土面層的

26、相對剛度半徑為：r=0.537*h*EcEt13=0.537*0.25*(31000265.24)13=0.656m3.4載荷疲勞應力根據一級公路、重交通，由路基路面工程查得初擬普通混凝土面層厚度為0.25m。由下列公式求得： ps=0.0770.6h-2 pr=kfkckrps kf=Ne0.057 式中: r 混凝土板的相對剛度半徑（m）； H 混凝土板的厚度（m）； Ec 水泥混凝土的彎沉彈性模量（Mpa）； pr 標準軸載Ps在臨界荷位處產生的荷載疲勞應力（Mpa）； kr 考慮接縫傳荷能力的應力折減系數，縱縫為設桿拉的平縫，kr=0.87 0.92，縱縫為不設桿拉的平縫或自由邊界kr

27、=1.0，縱縫為設桿拉的企口縫，kr=0.76 0.84，； kc 考慮偏載和動載因素對路面疲勞損壞影響綜合系數，按公路等級查下表4-3；表3-3：綜合系數kc 公路等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路kc1.151.101.051.00ps 標準軸載Ps在四邊自由板的臨界荷載處產生的荷載應力（Mpa）。 ps=0.077r0.6h-2=0.0770*0.6560.6*0.25-2=0.957MPa因縱縫為設拉桿平縫，接縫傳荷能力的應力折減系數Kr=0.87 kf=Ne0.057=(4.73105)0.057=2.11根據公路等級，考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜和系數kc=1.

28、10,則荷載疲勞應力為： pr=kfkckrps=2.11*0.957*1.1*0.87=1.93MPa；由表7可知最重荷載Pm為182.5KN，則利用公式：pm=1.47*10-3r0.7hc-2Pm0.94可得pm=1.47*10-3*0.6560.7*0.25-2*182.50.94=2.33MPa；則最重軸載在臨界荷位產生的最大荷載應力 p，max=krkcpm=0.87*1.10*2.33=2.22MPa；3.5溫度應力計算面層板最大溫度應力t=L3r=4.53*0.656=2.28rad面層板的溫度翹曲應力系數CL=1-sinh2.28*cos2.28+cosh2.28*sin2.

29、28cos2.28*sin2.28+sinh2.28*cosh2.28=1-4.8*1+4.9*0.041*0.04+4.8*4.9=0.79則BL=1.77e-4.48*hcCL-0.1311-CL=1.77e-4.48*0.250.79-0.1311-0.79=0.42所以可利用上述計算數據與下列相關系數以及最大溫度應力公式：t,max=cEchcTgBL2式中： c混凝土的線膨脹系數，根據粗集料的巖性按表11取用； Tg公路所在地50年一遇的最大溫度梯度，按表4-4取用；由表4-4知，II區溫度梯度范圍為取83-88(/m)，取88/m；采用石灰巖粗集料，由表4-5知水泥混凝土的線性膨脹

30、系數為7*10-6/。表3-4;水泥混凝土膨脹系數經驗參考值公路自然區劃、溫度梯度Tg(/m)83-8890-9586-9293-98表3-5水泥混凝土膨脹系數經驗參考值粗集料類型石英巖砂巖頁巖花崗巖玄武巖石灰巖水泥混凝土線膨脹系數（10-6/）1212111097計算得到最大溫度應力:t,max=cEchcTgBL2=7*10-6*29000*0.25*88*0.422=0.93MPa則可以確定溫度疲勞應力系數kt,計算公式如下：kt=frt,maxtt,maxfrbt-ct可得kt=frt,maxtt,maxfrbt-ct=4.50.930.8280.934.51.323-0.041=0.

31、3式中：t、bt、ct回歸系數，按所在地區的公路自然區劃查表4-6 fr混凝土彎拉強度設計值，可查表4-7表3-6: 回歸系數a，b和c系數公路自然區t0.8280.8550.8410.8710.8370.834bt1.3231.3551.3231.2871.3821.270ct0.0410.0410.0580.0710.0380.052表3-7:混凝土彎拉強度標準值交通等級極重、特重、重中等輕輕水泥混凝土的彎拉強度標準值（MPa）=5.04.54.04.0溫度疲勞應力系數求得后，可運用溫度疲勞應力計算公式：tr=ktt,max計算得tr=ktt,max=0.3*0.93=0.279 MPa最

32、后，進行設計狀態的驗證。一級公路的目標可靠度為90%。則查表4-8可得可靠度系數r=1.25。表3-8:可靠度系數r變異水平等級目標可靠度（%）95908580低1.20-1.331.09-1.161.04-1.08-中1.33-1.501.16-1.231.08-1.131.04-1.07高-1.23-1.331.13-1.181.07-1.11所驗極限狀態如下：rpr+tr=1.23*1.93+0.279=2.71MPafr=4.5MParp,max+t,max=1.23*2.22+0.93=3.87MPafr=4.5MPa,滿足要求。盡管上述已滿足要求，但疲勞極限狀態的綜合疲勞應力為2.

33、71MPa，與材料的彎拉強度標準值相差較大，所以結構厚度需要進一步進行優化。將面層厚度減小為230mm,通過上述各公式，再計算：rpr+tr=1.23*2.90+0.56=4.26MPafr=4.5MParp,max+t,max=1.23*2.15+1.25=4.2MPafr=4.5MPa，滿足要求。通過此次的計算可知計算值和材料彎拉強度相差很小，滿足要求。利用公路路面設計程序系統可對上述計算的各結構層再進行相應的驗算。3.6防凍厚度檢驗和接縫設計1防凍厚度檢驗由公路水泥混凝土路面設計規范（JTG D40-2011）知，路面防凍厚度為0.50m，而設計路面總厚度為0.60m，由于0.500.6，故滿足設計要求。2接縫設計 為避免由溫度產生的應力破壞，所以，在混凝土板中設置橫縫與縱縫，這段路為極重交通，縫中設拉桿，拉桿長0.5m，直徑22mm，每隔40cm設置一個。 橫向脹縫：縫隙寬20mm，縫隙上部5cm深度內澆填縫料拉桿的