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.- 河南城建学院河南城建学院 《《路基路面工程路基路面工程》》课程设计说明书课程设计说明书 课 程 名 称: 路基路面工程设计 题 目: 沥青路面设计 专 业: 交通工程 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 李惠霞、尹振羽、张会远 设 计 教 室: 10 号楼 B503 开 始 时 间: 2013 年 12 月 23 日 完 成 时 间: 2013 年 12 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）说明书撰写质量（45） 总 分 （100） 等级 .- 指导教师签名： 年 月 日 .- 目 录 1.1. 设计任务书设计任务书 ..........................................................................................................................1 1 1.1 初始条件.............................................................1 1.2 主要任务.............................................................1 2.2. 设计方案的拟定及说明设计方案的拟定及说明 ......................................................................................................2 2 2.1 土基回弹模量.........................................................2 2.2 当量轴载换算公式.....................................................2 2.3 设计方案拟定.........................................................3 2.4 设计方案说明.........................................................4 3.3.拟定面层及基层参数计算拟定面层及基层参数计算 ....................................................................................................6 6 3.1 拟定柔性面层当量标准轴换算...........................................6 3.2 拟定半刚性基层当量轴载换算...........................................6 4.4. 路面弯沉值计算路面弯沉值计算 ..................................................................................................................8 8 4.1 路面设计弯沉值计算...................................................8 4.2 拟定路面弯沉值计算...................................................8 5.5. 拟定路面及基层各层层底拉应力计算拟定路面及基层各层层底拉应力计算 ............................................................................1010 5.1 层底拉应力计算公式..................................................10 5.2 拟定方案各参数......................................................11 5.3 新建路面面层结构厚度计算及验算......................................12 5.4 路基结构厚度计算及验算..............................................15 6.6.设计小结设计小结 ..............................................................................................................................1919 参考文献 .................................................................20 .- 1.设计任务书 1.1 初始条件 河南某地区（II4 区）某新建双向 4 车道一级公路，拟采用沥青混凝土路面，路基 土为高液限粘土，地下水位为－1m，路基填土高度 1. 0m，为中湿状态。预计通车初年 的交通量如下： 表 1—1 车型黄河 JN150 解放 CA10B 长征 CZ160 上海 SH130 小汽车 桑塔纳 2000 交通量(辆/d) 8201000380220200 交通量年平均增长率 7.1％，沿线可开采碎石、砂砾，并有粉煤灰、石灰、水泥等 材料供应。 1.2 主要任务 (1)确定路面等级和面层类型； (2)确定土基的回弹模量； (3)路面结构组合设计； (4)根据设计弯沉值计算路面厚度(采用沥青路面设计专用程序，输入设计弯沉值 及设计参数汇总表的设计参数后，对需进行厚度计算的结构层进行厚度计算，并进行 各层底拉应力验算)。 .- 2.设计方案的拟定及说明 2.1 土基回弹模量 设计路段路基处于中湿状态，路基土为粘质土，土基的稠度为 1. 05，根 据室内实验法确定土基回弹模量设计值为 39MPa。 2.2 当量轴载换算公式 1).当以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时， 4.35 i 2 1 1 ) P p ( i k i nCCN N ——标准轴载的当量轴次（次/日） ； ——各种被换算车辆的作用次数（次/日） ； i n ——标准轴载（kN） ；P ——各种被换算车型的轴载（kN） ； i P ——轴数系数； 1 C ——轮组系数，双轮组为 1，单轮组为 6.4，四轮组 2 C 0.38。当轴间距大于 3m 时，按单独的一个轴计算，此时轴系数 为 1；当轴间距小于 3m 时，双轴或多轴系数按下式计算： 1)-(21+1 1 mC 式中：m——轴数 2). 当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时，按 下式完成当量轴载换算： 8 2 1 1 )( p p nCCN i i K i 式中： ——轴数系数 1 C ——轮组系数，双轮组为 1.0，单轮组为 18.5，四轮组 2 C 0.09。 轴间距划分同式（） ，对于轴间距小于 3m 的双轴及多轴的轴 数系数按下式计算： 1)-(2+1 1 mC .- 式中：m——轴数 3). 设计年限内累计当量标准轴载数： e N r 3651、r、1 N t e 1 N ——设计年限内一个车道通过量的累计标准当量轴次(次)； e N t——设计年限(年)； ——路面营运第一年双向日平均当量轴次(次/日)； 1 N r——设计年限内交通量平均增长率(％)； ——与车道数有关的车辆横向分布系数，简称车道系数， 见下表 2－1： 表 2－1 车道特征车道系数 双向单车道 1.00 双向两车道 0.60~0.70 双向四车道 0.40~0.50 双向六车道 0.30~0.40 双向八车道 0.25~0.35 2.3 设计方案拟定 根据本地区的路用材料，结合已有工程经验与典型结构，拟定了二个结构 组合方案。按计算法确定方案一的路面厚度；按验算法验算方案二的结构厚度。 根据结构层的最小施工厚度、材料、交通量以及施工机具功能等因素，初步确 定路面结构组合与各层厚度如下： 方案一：4cm 细粒式沥青混凝土+6cm 中粒式沥青混凝土+?cm 粗粒式沥青混 凝土+20cm 水泥稳定碎石＋20cm 水泥稳定砂砾＋15cm 石灰粉煤灰垫层，以粗粒 式沥青混凝土层为设计层。 .- 方案二：4cm 细粒式沥青混凝土+7cm 中粒式沥青混凝土+8cm 粗粒式沥青混 凝土＋20cm 水泥稳定碎石+?cm 水泥稳定砂砾+20cm 级配砾石垫层，以水泥稳定 砂砾为设计层。 2.4 设计方案说明 各级公路沥青路面设计年限： 表 2－2 公路等级及其功能设计年限 高速公路，一级公路 15 二级公路 12 三级公路 8 四级公路 6 标准轴载 BZZ-100 各项参数： 表 2－3 标准轴载名称 BZZ-100 标准轴载名称 BZZ-100 标准轴载 P（KN） 100 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）1．5d 沥青路面交通等级： .- 表 2－4 路面结构在设计年限内承担交通荷载的繁重程度以交通等来划分。我国沥 青路面按承担荷载的轻重来划分为轻交通，中等交通，重交通和特重交通四级。 方案一和方案二在交通量为中等时，通过面层、基层的厚度设计，计算使 其满足弯沉值及层底拉应力的要求，再验算是否符合标准。 方案一：4cm 细粒式沥青混凝土+6cm 中粒式沥青混凝土+?cm 粗粒式沥青混 凝土+20cm 水泥稳定碎石＋20cm 水泥稳定砂砾＋15cm 石灰粉煤灰垫层，以粗粒 式沥青混凝土层为设计层，设计面层的下面层的厚度，计算设计年限内的累计 当量标准轴次，弯沉值以及计算机计算层底拉应力。 交通等级 BZZ—100 累计标准 各种货车交 通量 轻交通 6 10、3 600、 中等交通 76 1021~103 600~1500 重交通 77 1052~1021 1500~3000 特重交通 7 1052、 ＞3000 .- 3.拟定面层及基层参数计算 3.1 拟定柔性面层当量标准轴换算 由公式得： 4.35 i 2 1 1 ) P p ( i K i nCCN =235.69820 100 49 6.41 4.35 1 前 N =878.62820 100 101.60 11 35 . 4 1 后 N =115.221000 100 60.85 11 4.35 2 后 N =76.88380 100 45.2 6.41 4.35 3 前 N =385.50380 100 83.7 12 . 2 4.35 3 后 N 路面竣工后第一年日平均当量轴次：=1691.91 1 N 双向四车道，则取车道系数 η=0.45 累计当量轴次计算公式： r 3651、r、1 N t e 1 N 则设计年限内一个车道上累计当量轴次：=，属于中等交通。 e N 6 10047 3.2 拟定半刚性基层当量轴载换算 半刚性基层层底拉应力计算：各级轴载（轴载小于 50KN 的不计） 由公式 8 2 1 1 )( p p nCCN i i K i 计算可得： =931.03820 100 101.60 11 8 1 后 N =18.801000 100 60.85 11 8 2 后 N .- =274.61380 100 83.7 13 8 3 后 N 路面竣工后第一年日平均当量轴次：1224.44 则用半刚性基层层底拉应力验算的累计当量轴次为： =，属于中等交通。 r 3651、r、1 N t e 6 10095 .- 4.路面弯沉值计算 4.1 路面设计弯沉值计算 该结构为柔性面层，沥青路面的公路等级系数为 1.0，面层类型系数为 1.0，基层类型系数为 1.0，由路面设计弯沉值计算公式： Bsced AAANl 、0.2 600 式中： ——设计弯沉值(0.01mm)； d l ——设计年限内一个车道累计当量标准轴载通行次数； e N ——公路等级系数，高速公路、一级公路为 1.0，二级公路为 1.1，三 c A 四级公路为 1.2； ——面层类型系数，沥青混凝土面层为 1.0，热拌沥青碎石、冷拌沥青 s A 碎 石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为 1.1； ——路面结构类型系数，刚性基层、半刚性基层 沥青路面为 1.0，柔性 B A 基层沥青路面为 1.6,。若基层由半刚性材料层与柔性材料层组合而成，则介 B A 于两者之间通过线性内插决定。 则： =25.6 (0.01mm) Bscd AAANl 、0.2 e 600 故路面设计弯沉值为：25.6 (0.01mm) 4.2 拟定路面弯沉值计算 计算路表弯沉值，由计算机计算路表弯沉值，公式为： F E p ls c 1 2 1000 )…,,;…,,( 1 - 0 2 3 1 21 -21 c n n E E E E E Ehhh f 式中： ——弯沉综合修正系数，计算如下：F .- 36. 0 0 38 . 0 )() 2000 (63 . 1 p El F s ——路表弯沉(0.01mm)； s l ——标准车轴载轮胎接地压力（)和当量圆半径(cm)；、pPaM ——弯沉综合修正系数；F ——理论弯沉系数； c ——路基回弹模量()； n EE 或 0 PaM ——各结构层材料回弹模量()； 、1n21 、、EEEPaM ——各结构层的厚度(cm)。 、121 、、 n hhh .- 5.拟定路面及基层各层层底拉应力计算 5.1 层底拉应力计算公式 层底拉应力计算公式： mp ― m 式中： 理论最大拉应力系数，按下式计算： m ― = m ― )…,,;…,,( 1 - 0 2 3 1 21 -21 n n E E E E E Ehhh 由公式 沥青混凝土面层抗拉强度结构系数： s sp R K c 22 . 0 es1 A∕09 . 0 NK = ，得=2.89，则： e N 6 10047 s1 K 细粒式沥青混凝土：==0.48 1 1 1 s sp R K c 22. 0 1 A∕09 . 0 e sp N 中粒式沥青混凝土：==0.35 s1 2 2 K sp R c 22. 0 2 A∕09 . 0 e sp N 粗粒式沥青混凝土：==0.25 s1 3 3 K sp c 22. 0 3 A∕09 . 0 e sp N 无机结合料稳定集料抗拉强度结构系数： c 11 . 0 2 A∕35 . 0 es NK = ，得=1.91 e N 6 10095 2s K 水泥稳定碎石：==0.26 2s 4 4 K sp c 0.11 e 4 A∕35 . 0 N sp 水泥稳定沙砾：==0.26 2s 5 5 K sp c 0.11 e 5sp A∕35 . 0 N 石灰粉煤灰：==0.1 2s 6 6 K sp c 0.11 e 6 A∕35 . 0 N sp .- 5.2 拟定方案各参数 拟定方案一为：4cm 细粒式沥青混凝土+6cm 中粒式沥青混凝土+?cm 粗粒式 沥青混凝土+20cm 水泥稳定碎石＋20cm 水泥稳定砂砾＋15cm 石灰粉煤灰垫层， 以粗粒式沥青混凝土层为设计层，表 5—1 为各层劈裂强度，表 5—2 为设计层 及各层材料模量和容许应力。 表 5‐1 层位结构层材料名称劈裂强度(MPa) 1 细粒式沥青混凝土 1.4 2 中粒式沥青混凝土 1.0 3 粗粒式沥青混凝土 0.8 4 水泥稳定碎石 0.5 5 水泥稳定砂砾 0.5 6 石灰粉煤灰 0.25 表 5‐2 层位结构层材料 名称 厚度(cm)抗压模量 (MPa)(20℃) 抗压模量 (MPa)(15℃) 容许应力 (MPa) 1 细粒式沥青 混凝土 4140020000.48 2 中粒式沥青 混凝土 6120018000.35 3 粗粒式沥青 混凝土 ?100012000.25 4 石灰粉煤灰 碎石 20150015000.26 5 石灰土 20130013000.26 6 石灰粉煤灰 157507500.1 7 土基 39 .- 5.3 新建路面面层结构厚度计算及验算 公路等级：一级公路 新建路面的层数： 6 标准轴载：BZZ-100 路面设计弯沉值：25.6 (0.01mm) 路面设计层层位：3 设计层最小厚度：6 (cm) 表 5‐3 = 25.6 (0.01mm) d l H( 3 )= 6 cm = 19.2 (0.01mm) s l 由于设计层厚度 H( 3 )=Hmin 时，<=，故弯沉计算已满足要求。 s L d L 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 3 )= 6 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 3 )= 6 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 3 )= 6 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 3 )= 6 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 3 )= 6 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) H( 3 )= 6 cm(第 6 层底面拉应力验算满足要求) 层位结构层材料 名称 厚度(cm)抗压模量 (MPa)(20℃) 抗压模量 (MPa)(15℃) 容许应力 (MPa) 1 细粒式沥青 混凝土 4140020000.48 2 中粒式沥青 混凝土 6120018000.35 3 粗粒式沥青 混凝土 ?100012000.25 4 石灰粉煤灰 碎石 20150015000.26 5 石灰土 20130013000.26 6 石灰粉煤灰 157507500.1 7 土基 39 .- 路面设计层厚度： H( 3 )= 6 cm(仅考虑弯沉) H( 3 )= 6 cm(同时考虑弯沉和拉应力) 验算路面防冻厚度： 路面最小防冻厚度：50 cm 验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求。 通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下： --------------------------------------- 细粒式沥青混凝土 4 cm --------------------------------------- 中粒式沥青混凝土 6 cm --------------------------------------- 粗粒式沥青混凝土 6 cm --------------------------------------- 水泥稳定碎石 20 cm --------------------------------------- 水泥稳定砂砾 20 cm --------------------------------------- 石灰粉煤灰 15 cm --------------------------------------- 土基 .- 竣工验收弯沉值和层底拉应力计算： 公路等级： 一级公路 新建路面的层数： 6 标准轴载：BZZ-100 表 5‐4 满足设计要求的弯沉值： 表 5‐5 层位结构层材料 名称 厚度(cm)抗压模量 (MPa)(20℃) 抗压模量 (MPa)(15℃) 计算信息 1 细粒式沥青 混凝土 414002000 计算应力 2 中粒式沥青 混凝土 612001800 计算应力 3 粗粒式沥青 混凝土 710001200 计算应力 4 水泥稳定碎 石 2015001500 计算应力 5 水泥稳定砂 砾 2013001300 计算应力 6 石灰粉煤灰 15750750 计算应力 7 土基 39 第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 =18.9(0.01mm) s l 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 =20.5(0.01mm) s l 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 =23.0(0.01mm) s l 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 =26.2(0.01mm) s l 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 =51.7(0.01mm) s l 第 6 层路面顶面竣工验收弯沉值 =166.4(0.01mm) s l .- 土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 299.5 (0.01mm)(根据“基层施工规范”第 88 页式) LS= 238.9 (0.01mm)(根据“测试规程”第 56 页公式) 路面设计层厚度： H( 3 )= 6 cm(仅考虑弯沉) H( 3 )= 6 cm(同时考虑弯沉和拉应力) 验算路面防冻厚度： 路面最小防冻厚度：50 cm 验算结果表明，路面总厚度满足防冻要求。 5.4 路基结构厚度计算及验算 新建路面结构厚度计算 公路等级：一级公路 新建路面的层数：6 标准轴载：BZZ-100 路面设计弯沉值：25.6 (0.01mm) 路面设计层层位：5 设计层最小厚度：20 (cm) 表 5‐6 层位结构层材料 名称 厚度(cm)抗压模量 (MPa)(20℃) 抗压模量 (MPa)(15℃) 容许应力 (MPa) 1 细粒式沥青 混凝土 4140020000.48 2 中粒式沥青 混凝土 7120018000.35 3 粗粒式沥青 混凝土 8100012000.25 4 水泥稳定碎 石 20150015000.26 5 水泥稳定砂 砾 ?130013000.26 6 石灰粉煤灰 207507500.1 7 土基 39 .- 按设计弯沉值计算设计层厚度： = 25.6 (0.01mm) d l H( 5 )= 20 cm = 17.2 (0.01mm) s l 由于设计层厚度 H( 5 )=Hmin 时， <= ，故弯沉计算已满足要求。 s l d l H( 5 )= 20 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度： H( 5 )= 20 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 20 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 20 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 20 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 20 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 20 cm(第 6 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度： H( 3 )= 6 cm(仅考虑弯沉) H( 3 )= 6 cm(同时考虑弯沉和拉应力) 验算路面防冻厚度： 路面最小防冻厚度：50 cm 验算结果表明，路面总厚度满足防冻要求。 通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改， 最后得到路面结构设计结果如下： --------------------------------------- 细粒式沥青混凝土 4 cm --------------------------------------- 中粒式沥青混凝土 7 cm --------------------------------------- 粗粒式沥青混凝土 8 cm --------------------------------------- 水泥稳定碎石 20 cm --------------------------------------- 水泥稳定砂砾 20 cm --------------------------------------- 石灰粉煤灰 20 cm --------------------------------------- 土基 .- 竣工验收弯沉值和层底拉应力计算： 公路等级：一级公路 新建路面的层数：6 标准轴载：BZZ-100 表 5—7 层位结构层材料 名称 厚度(cm)抗压模量 (MPa)(20℃) 抗压模量 (MPa)(15℃) 计算信息 1 细粒式沥青 混凝土 414002000 计算应力 2 中粒式沥青 混凝土 712001800 计算应力 3 粗粒式沥青 混凝土 810001200 计算应力 4 水泥稳定碎 石 2015001500 计算应力 5 水泥石灰稳 定砂砾 2513001300 计算应力 6 石灰粉煤灰 20750750 计算应力 7 土基 39 计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值： 表 5—8 第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值LS=15.8(0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值LS=16.9(0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值LS=18.8(0.01mm) 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值LS=21.3(0.01mm) 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值LS=37.1(0.01mm) 第 6 层路面顶面竣工验收弯沉值LS=120.5(0.01mm) 土基顶面竣工验收弯沉值： LS= 299.5 (0.01mm)(根据“基层施工规范”第 88 页公式) LS= 238.9 (0.01mm)(根据“测试规程”第 56 页公式 .- 计算新建路面各结构层底面最大拉应力： 第 1 层底面最大拉应力 σ( 1 )=-0.168 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 σ( 2 )=0 .003 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 σ( 3 )=-0.027 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 σ( 4 )= 0.023 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 σ( 5 )= 0.056 (MPa) 第 6 层底面最大拉应力 σ( 6 )= 0.052 (MPa) 路面设计层厚度： H( 5 )= 20 cm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 20 cm(同时考虑弯沉和拉应力) 验算路面防冻厚度： 路面最小防冻厚度：50 cm 验算结果表明，路面总厚度满足防冻要求。 经过比较之后第一种方案比较符合实际要求，更接近实际情况，成本相对 比较低，所以采用第一种方案作为设计路基路面的方案。 .- 6.设计小结 在经过道路勘测课程设计之后，我们又开始进行路基路面工程的课程设计， 对于路基路面的设计并不是十分的陌生了，各个专业课之间的知识都是相互贯 通的，以前课程实习所学到的方法和技巧都可以用到。 路基路面工程是我们所学的专业课程之一，不管以后是继续深造或是工作 对我们都有十分重要的作用。在经过这一周的实习，不仅仅加深了我们在课上 所学到内容，而且也能检验我们的基本动手能力，比如如何能够操作 Hpds2003A 这个软件和如何精准快速的查阅表格。 在课程设计中我选的是关于沥青路面的设计，深入了解了关于沥青的设计 之后才发现，对沥青路面的设计并不是原来想象的这么简单，不仅仅包括材料 的选择和调查，沥青混合料配合比以及基层材料配合比设计，各项参数的测试 与选定，路面结构层厚度验算以及路面结构方案的比选等等。在选择完集料后 开始用设计软件进行设计，由于对软件不是很熟悉，总是出现各种问题，不是 有个数据忘记输入就是路面层的厚度有问题，总是要改好几遍才能符合要求。 在经过许多次这种情况后，设计软件也就能灵活运用了。通过这次课程设计让 我对课本所学到的知识得到进一步的巩固，提高了自己的学习能力，这次课程 设计让我明白，在设计中要严格遵守规范要求，不仅满足设计路面行车安全， 而且设计合理性，经济性，美观性都是十分重要的。在发现错误时要及时改正， 避免在造成更大的危害。 .- 参考文献参考文献 [1] 邓学钧 路基路面工程(第三版)[M].人民交通出版社，2011 [2] 中华人民共和国行业标准公路沥青路面设计规范[S]. JTG D50-2006. 北京：人民交通出版社 2006 [3] 中华人民共和国行业标准[S].公路水泥混凝土路面设计规范 JTG D40- 2002.北京：人民交通出版社 2002 [4] 中华人民共和国行业标准.公路工程技术标准 JTGB01—2003. [5] 公路路基设计手册[S].
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