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1、-一、二、三、 路基路面工程课程设计-第 - 19 - 页四、 路基（挡土墙）设计1.1 设计资料某新建公路重力式路堤墙设计资料如下。（1） 墙身构造：墙高8m，墙背仰斜角度，墙身分段长度20m，其余初始拟采用尺寸如图1-1所示。图1-1 初始拟采用挡土墙尺寸图（2） 土质情况：墙背填土为砂性土，其重度，内摩擦角；填土与墙背间的摩擦角。地基为整体性较好的石灰岩，其容许承载力，基底摩擦系数。（3） 墙身材料：采用5号砂浆砌30号片石，砌体重度，砌体容许压应力，容许剪应力，容许压应力。1.2 劈裂棱体位置确定1.2.1 荷载当量土柱高度的计算墙高6m，按墙高缺点附加荷载强度进行计算。按照线形内插法
2、，计算附加荷载强度：，则：1.2.2 破裂角的计算假设破裂面交于荷载范围内，则有：因为，则有根据路堤挡土墙破裂面交于荷载内部时破裂角的计算公式：1.2.3 验算破裂面是否交于荷载范围内破裂棱体长度：车辆荷载分布宽度：所以，即破裂面交于荷载范围内，符合假设。1.2.4 路基边坡稳定性验算可利用解析法进行边坡稳定性分析，则有其中，。对于砂性土可取，即，则：所以，路基边坡稳定性满足要求。1.3 土压力计算根据路堤挡土墙破裂面交于荷载内部的土压力计算公式： 1.3.1 土压力作用点位置计算表示土压力作用点到墙踵的垂直距离。基底倾斜，土压力对墙趾的力臂：1.4 挡土墙稳定性验算1.4.1 墙体重量及其作
3、用点位置计算挡土墙按单位长度计算，为方便计算，从墙趾沿水平方向把挡土墙分为三部分，右侧为平行四边形，左侧为两个三角形（如图1-2）： 图1-2 挡土墙横断面几何计算图式对于倾斜基底，验算公式：所以，抗滑稳定性满足要求。抗倾覆稳定性验算公式：所以，抗倾覆稳定性满足要求。1.5 基地应力和合力偏心矩验算1.5.1 合力偏心矩计算上式中，弯矩为作用于基底形心的弯矩，所以计算式，需要先计算对形心的力臂：根据之前计算过的对墙趾的力臂，可计算对形心的力臂。所以，基底合力偏心距满足规范的要求。1.5.2 基底应力验算其中，所以基底应力满足要求。1.6 墙身截面强度验算1.6.1 强度计算墙面墙背平行，截面最
4、大应力出现在接近基底处，取截面1进行验算。图1-3 计算截面式中： 设计轴向力（kN）； 重要性系数；荷载组合系数； 、分别为恒载（自重及襟边以上土重）引起的轴向力（kN）和相应 的分项系数：主动土压力引起的轴向力（kN）； 被动土压力、水浮力、静水压力、东水压力、地震力引起的 轴向力（kN）； 以上各项轴向力的分项系数； 抗力分项系数； 材料极限抗压强度； 挡土墙构件的计算截面积（）； 轴向力偏心影响系数，按下式计算：按每延米墙长计算：，其中，结构重要性系数，恒载的分项系数取1.2，动载的分项系数取1.4，材料的抗力分项系数取2.31，轴向力偏心影响系数：则有：所以，强度满足要求。1.6.2
5、 稳定计算其中，弯曲平面内的纵向翘曲系数式中：墙的有效高度（m），视下端固定、上端自由； 墙的宽度，取1.5m。，取6m，则所以，墙体截面稳定满足要求。1.7 设计图纸及工程量（1） 挡土墙典型断面图如图1-4所示，平面、立面、横断面另附图表示。表1-4 典型断面图（2） 挡土墙工程数量表见表1-5。表1-5 工程数量表墙 高 断面尺寸 M5浆砌片石6路堤墙墙体间隔20m设置沉降缝一道，缝内用沥青麻絮嵌塞；泄水孔尺10cm10cm，每23m布置一个，泄水孔应高出地面不小于30cm；墙背均应设置50cm厚的砂砾透水层，并做土工布封层。 二、路面设计2.1 设计资料（1） 新建一级公路地处IV区，
6、为双向四车道，设计速度为80km/h,拟采用沥青路面结构或水泥混凝土路面进行施工图设计，沿线土质为粉质土，确定土基的稠度为1.1，回弹模量取36MPa，路基土属中湿状态。（2） 所在地区近期交通组成与交通量，见表2-1.预测交通量增长率前五年为8.0%，之后五年为7.0%，最后五年为6.0%，路面累计标准轴次按15年计。表2-1 近期交通组成及交通量型 号前轴载(kN)后轴载(kN)后轴数轮组数后轴距(m)交通量(辆/日)北京BJ13012-280解放CA5012-46050东风EQ14012-650湘江HQP40224520黄河JN15012-680江淮HF15012-460交通SH3616
7、022-330（3） 路面布置：行车道宽度，右侧硬路肩宽度为，土路肩宽度为左侧路缘带宽度为，中央分隔带宽度为，中间带宽度为，路基宽度为。（4） 设计依据：交通部颁公路工程技术标准（JTG B012014）；交通部颁公路沥青路面设计规范（JTG D502006）；交通部颁公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011）。2.2 计算设计年限内的标准轴载累计当量轴次某一级公路路面设计以双轮组单轴载100为标准轴载，用表示，计算参数如表2-2。表2-1 标准轴载计算参数标准轴载100轮胎当量直径轮胎接地压强两轮中心距路面作用的其他各种不同类型按以下方法，换算为标准轴载。（1）以设计弯沉和沥青层层
8、底拉应力为指标进行换算，利用以下公式进行计算：式中： 以弯沉为指标的标准轴载的当量轴次（次/日）； 被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）； 标准轴载（kN）； 轴数系数；其中，当轴间距大于3m时应按单独的一个轴载进行计算，此时轴数；当轴间距小于3m时，按双轴或多轴进行计算，轴数系数为：以设计弯沉和沥青层层底拉应力为指标进行换算的结果见表2-2。表2-2 标准轴载换算结果I型 号（kN）（次/日）北京BJ130后轴112801.00317 解放CA50前轴146012.90399 后轴1146087.04020 东风EQ140后轴11650131.03125 湘江HQP40后轴21520267
9、.70504 黄河JN150前轴1680195.45277 后轴11680728.61237 江淮HF150前轴146092.17343 后轴11460490.77803 交通SH361前轴601330228.90319 后轴13301098.99268 注：重量25kN以下轴载不计（2）以半刚性材料层的层底拉应力为指标进行换算，计算公式如下：式中： 以弯拉应力为指标的标准轴载的当量轴次（次/日）; 被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）； 标准轴载（kN）； 被换算车型的各级轴载（kN）； 轴数系数； 轮组系数，单轮组18.5，双轮组1，四轮组0.09。当轴间距大于3m时应按单独的一个轴载进
10、行计算，此时轴数；当轴间距小于3m时，按双轴或多轴进行计算，轴数系数为：以半刚性材料层的层底拉应力为指标进行换算的结果见表2-3。表2-3 标准轴载换算结果II型 号（kN）（次/日）解放CA50后轴1146021.52944 东风EQ140后轴1165034.17922 湘江HQP40后轴2152085.72786 黄河JN150后轴11680772.07338 江淮HF150后轴11460518.18659 交通SH361前轴601330102.54056 后轴213301414.76861 注：重量50kN以下轴载不计（5） 水泥混凝土路面的轴载换算水泥混凝土路面结构设计也以100kN的
11、单轴双轮组荷载作为标准轴载。不同轴的作用次数按下式换算为标准轴载的作用次数。式中：设计年限内一个车道上的累计标准轴载作用次数（次）； 单轴，单轮、单轴双轮组、双轴双轮组荷载作为标准轴载型级 轴载的总重（kN）； 轴型和轴载级位数： 各类轴载型级轴载的作用次数。则水泥混凝土路面的轴载换算结果如表2-4所示。表2-4 标准轴载换算结果III型 号（kN）（次/日）黄河JN150前轴6800.00751 后轴680876.61367 江淮HF150前轴4600.00135 后轴460583.73335 交通SH361前轴603300.09310 后轴3001378.49190 注：小于40kN的单轴
12、和80kN的双轴不计（6） 累计标准轴载作用次数计算设计使用年限内设计车道的累计标准轴载作用次数按以下公式计算其中，设计年限内的交通量（标准轴载作用次数）平均年增长率 ，沥青路面设计年限（年），水泥混凝土路面设计年限（年）。对于双向四车道道路，若采用沥青路面，则路面车道系数可取；若采用混凝土路面，路面车道系数可取。则按照以上三种指标进行的标准轴载换算，累计标准轴载结果如表3-5。表2-5 累计标准轴载计算结果路 面 类 型换算指标累计标准轴载（次）交通等级沥青路面设计弯沉和沥青层层底拉应力重半刚性材料层的层底拉应力重水泥混凝土路面/重2.3 沥青路面设计2.3.1 确定土基回弹模量值设计路段处
13、于IV区，土基为粉质土，确定土基的稠度为1.10，路基干湿状态为中湿状态，回弹模量为36MPa。根据公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）规定，须采取必要措施，保证路基的强度和稳定性，重交通、特种交通路基土回弹模量必须大于40MPa，现采取换填砂砾、碎石渗水性材料处理地基，并设置土工合成材料，加强路基排水，综合处治。最终路基土回弹模量取45MPa。2.3.2 初拟路面结构组合根据之前计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为1380万次。根据该地区的路用材料，结合已有典型结构，初步拟定路面结构。初拟路面结构面层采用沥青混凝土（取17cm），基层采用水泥稳定碎石土（取22cm），
14、垫层采用水泥石灰砂砾土。根据公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）规定，采用三层式沥青面层，上面层采用细粒式密沥青混凝土（厚度4cm），中面层采用中粒式密沥青混凝土（厚度5cm），下面层采用密级配沥青碎石（厚度8cm）。2.3.3 路面材料设计参数确定按照公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E512009）中规定的项目顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量；按照公路工程沥青及沥青混合材料试验规程（JTG E202011）中规定的方法测定沥青混合料的抗压回弹模量，测定20、15的抗压回弹模量，以及材料的劈裂强度。各路面材料设计参数的结果见表2-6。表2-6 各路面材料及图集的抗压回
15、弹模量及劈裂强度参数取值材 料 种 类抗压回弹模量劈裂强度2015细粒式沥青混凝土140020001.2中粒式沥青混凝土120018001.0密级配沥青碎石10001200水泥稳定碎石15003500水泥石灰砂砾土10001800路基土45/2.3.4 路面设计指标计算（1）路面设计弯沉值我国公路沥青路面设计规范(JTG D502006)规定路面设计弯沉值由下式计算确定：式中： 设计弯沉值（0.01mm）； 设计年限内一个车道累计当量标准轴载通行次数； ，热拌沥青碎石、冷拌沥青碎石、 上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为； 路面结构类型系数，刚性基层、半刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层 路面
16、为1.6。若基层由半刚性基层与柔性基层材料组合而成，则介于 二者之间通过线性内插确定。 设计公路为一级公路，公路等级系数取，面层为沥青混凝土，面层类型系数取，基层为半刚性基层，路面结构类型系数取。则沥青路面设计弯沉值：（2）结构层层底拉应力弯拉应力设计控制指标容许拉应力公式：式中：路面结构材料的容许拉应力，即该材料能承受设计年限次加载的 疲劳弯拉应力（MPa）； 路面结构材料的极限抗拉强度（MPa）； 抗拉强度结构系数。根据结构层材料不同，按以下公式计算： （沥青混凝土面层） （无机结合料稳定集料基层） （无机结合料稳定细粒土基层） （贫混凝土基层）以此计算各层材料的层底拉应力：细粒式沥青混凝
17、土：中粒式沥青混凝土：密级配沥青碎石：水泥稳定碎石：水泥石灰砂砾土： 路面结构层厚度计算设，暂时，相关设计资料汇总如表2-7。表2-6 沥青路面设计资料汇总材 料 种 类厚度抗压回弹模量劈裂强度容许拉应力2015细粒式沥青混凝土5140020001.2中粒式沥青混凝土6120018001.0密级配沥青碎石810001200水泥稳定碎石2215003500水泥石灰砂砾土？10001800路基土/45/初步拟定路面结构层组合为：5cm细粒式沥青混凝土，5cm中粒式沥青混凝土，8cm密级配沥青碎石，22cm水泥稳定碎石，还需另行计算水泥石灰砂砾土的厚度。利用路基路面设计软件HPDS2011计算水泥石
18、灰沙砾土的厚度并进行验算：按设计弯沉值计算设计层厚度： LD= 22.41 (0.01mm) H（5）= 160 mm LS = 23.4 (0.01mm) H（5）= 210 mm LS = 21.2 (0.01mm) H( 5 ) = 182 mm(仅考虑弯沉)按容许拉应力计算设计层厚度： H（5）= 182 mm （第1层底面拉应力计算满足要求） H（5）= 182 mm （第2层底面拉应力计算满足要求） H（5）= 182 mm （第3层底面拉应力计算满足要求） H（5）= 182 mm （第4层底面拉应力计算满足要求） H（5）= 182 mm （5）= 0 .145 MPa H（5
19、）= 232 mm （5）= 0 .127 MPa H（5）= 196 mm (第5层底面拉应力计算满足要求)路面设计层厚度 : H（5）= 182 mm(仅考虑弯沉) H（5）= 196 mm(同时考虑弯沉和拉应力) 路面最小防冻厚度：500 mm 验算结果表明，路面总厚度满足防冻要求。另外，根据公路沥青路面设计规范(JTG D502006)规定，对于采用半刚性基层的沥青路面，应在面层与垫层之间加设下封层，下封层可采用沥青单层表面处治或砂砾式、细粒式密级配沥青混合料，稀浆封层等。现采用10mm厚ES-3型稀浆封层作为沥青路面的下封层。通过以上设计计算，并对设计层厚度取整, 最后得到路面结构厚
20、度计算结果如图2-7所示。图2-7 沥青路面结构设计模型2.3.6 路面交工验收计算利用路基路面设计软件HPDS2011进行交工验收弯沉值和层底拉应力计算，计算结果如下：公路等级：一级公路新建路面的层数：5 标准轴载：BZZ-100计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值： 第1层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 21.6 (0.01mm)第2层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 24.3 (0.01mm)第3层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 28.0(0.01mm)第4层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 34.0(0.01mm)第5层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 97.7 (0.01mm)。路
21、基顶面交工验收弯沉值： LS= 207 (0.01mm)( 根据“公路沥青路面设计规范”公式计算) LS= 261.9 (0.01mm)( 根据“公路路面基层施工技术规范”公式计算)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 （5）= -0.14 (MPa) 第2层底面最大拉应力 （5）= -0.02 (MPa) 第3层底面最大拉应力 （5）= -0.076 (MPa) 第4层底面最大拉应力 （5）= 0.118 (MPa) 第5层底面最大拉应力 （5）= 0.139 (MPa)经检验，该沥青路面设计满足路面验收条件。2.4 水泥混凝土路面设计根据2.2节表2-6中的计算结果可
22、知，水泥混凝土路面在设计年限内的累计标准轴载（次），属重交通。根据公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011）并结合工程实例可得，设计一级公路安全等级为一级，目标可靠度为95%，目标可靠指标为1.28，变异水平为低级，可靠度系数范围为1.091.16，取。2.4.2 结构组合初拟与设计参数确定因该设计路段属重交通荷载等级，适宜的基层材料为：密级配沥青稳定碎石与水泥稳定碎石，底基层材料为：级配碎石、水泥稳定碎石、石灰粉煤灰稳定碎石。初步拟定水泥混凝土路面结构组合：普通水泥混凝土路面板（厚0.26m）+ 水泥稳定粒料基层（厚0.20m）+ 级配碎石底基层（厚0.16m）。混凝土面板的平面尺
23、寸：长5m，宽4m，弯拉强度标准值取为5.0MPa，弯拉模量标准值为31GPa，泊松比取0.15,线胀系数取。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。根据公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011）中规定重交通、特种交通路基土回弹模量必须大于60MPa，现进行地基处理，综合处治，最终路基土回弹模量取65MPa。2.4.3 计算地基综合回弹模量弹性地基的综合回弹模量按照以下公式计算。式中：路基顶面的综合回弹模量（MPa）； 与地基内除路基以外各层的总厚度有关的回归系数；地基顶面当量回弹模量（MPa）；地基内除路基以外各层的总厚度； 弹性地基分层数（不包括路基半空间体）； 、第结构层的回弹
24、模量（MPa）和厚度（m）。对于初拟混凝土路面结构层，水泥稳定粒料的抗压回弹模量取1400MPa，级配碎石的抗压回弹模量取200MPa，路基顶面综合回弹模量为70MPa，则有：2.4.4 荷载应力计算（1）设计轴载（100kN）在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力按下列公式计算。式中： 设计轴载的单轴重（kN）； 混凝土面层板的相对刚度半径（m）； 混凝土面层板的截面弯曲刚度（MNm）；、分别为混凝土面层板的厚度（m），弯拉弹性模量（MPa）和泊松比；则可进行计算如下;荷载应力：（2）确定三个修正系数、应力折减系数，由路肩情况决定：才要采用混凝土路肩时取0.87（路肩面层与路面面层等）。考虑
25、理论与实际差异及动载等因素影响的综合系数，根据公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011）可查得，取1.10.。荷载疲劳应力系数，与累计轴次有关，由下面公式确定：式中：材料疲劳指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土采用0.057； 碾压混凝土和贫混凝土采用0.065。则有：（3）计算荷载疲劳应力（4）面层板在最重轴载作用下的荷载应力计算最重轴载荷载应力计算公式与相同，但要用最重轴载代替标准轴载（或设计轴载）。则可得，最重轴载（或称极限荷载）在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力：最重轴载在临界荷位产生的最大荷载应力：2.4.5 温度应力计算（1）面层板最大温度应力面层板的温度翘曲
26、应力系数：计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数：IV区最大温度梯度范围为86 92/m，取88/m，则最大温度应力：（2）面层板温度疲劳应力确定温度疲劳应力系数IV区，查资料得、分别为：0.843、1.323、0.058，计算温度疲劳应力系数：计算温度疲劳应力2.4.6 设计极限状态验证弹性地基上单层板模型，只需要检验单层板的极限状态：综上可得，初步拟定的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作用。根据公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011）可得，路面最小防冻层厚度为0.5m，所设计的路面结构层总厚度，满足最小防冻层厚度要求所以，初拟路面
27、结构符合规范要求。图2-8 水泥路面结构设计模型考虑到26cm板厚时，疲劳极限状态的综合疲劳应力达4.8MPa，与材料的弯拉强度标准值相差4%左右 ，结构厚度进一步优化的 空间不大，取计算值为26cm。根据公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D402011）规定，各种水泥混凝土面层的设计厚度应依据计算厚度加6mm磨耗层，并按10mm向上取整，最后的设计厚度为27cm。2.4.8 接缝设计 为避免由温度产生的应力破坏，应在混凝土板中设置横缝与纵缝，设计路段为重交通，缝中设拉杆，拉杆长0.5m，直径22mm，每隔 40cm 设置一个。 （1） 横向胀缝：缝隙宽20mm，缝隙上部5cm深度内浇填缝料拉杆的半段固定在混凝土内，另一半涂以沥青，套上长约10cm 的塑料套筒，筒底与杆端之间留有3cm 空隙，用木屑与弹性材料填充。 （2） 横向缩缝：缩缝采用假缝，缝隙宽5mm，深度为5cm。（3） 施工缝：施工缝采用平头缝或企口缝的构造形式，缝上深5cm，宽为5mm的沟槽，内浇填缝料。（4） 横缝的布置：缩缝间距一般为5m，混凝土路面设置胀缝。 （5） 纵缝的设置：，设置为假缝带拉杆形式，缝的上部留有 5cm 的缝隙，内浇注填缝料，缝与横缝一般做成垂直正交，使混凝土具有90的角隅。