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路基路面工程课程设计1路面结构与路基边坡稳定性设计交通1001朱天南一、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JN16259.51151双轮组6502黄河JN162A62.28116.221双轮组6503解放CA10B19.460.851双轮组6504解放CA1520.9770.381双轮组6505解放CA30A29.536.752双轮组3500按交通量年平均增长率5%计，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，符合二级公路对日平均交通量5000—15000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：𝑁=∑𝐶1𝐶2𝐾𝑖=1𝑛𝐼(𝑃𝑖𝑃)4.35=3663设计年限内一个车道上累计当量轴次：𝑁𝑒=[(1+𝑟)𝑡−1]×365𝑟·𝑁·𝜂=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：𝑁=∑𝐶1′𝐶2′𝐾𝑖=1𝑛𝐼(𝑃𝑖𝑃)8=4665设计年限内一个车道上累计当量轴次：𝑁𝑒=[(1+𝑟)𝑡−1]×365𝑟·𝑁·𝜂=792.31（万次）路基路面工程课程设计2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36MPa。3.设计弯沉值与容许拉应力的确定路面设计弯沉值𝑙𝑑按下式计算：𝑙𝑑=600𝑁𝑒−0.2𝐴𝐶𝐴𝑆𝐴𝐵=28.9(0.01mm)结构层容许弯拉应力𝜎𝑅按下式计算：𝜎𝑅=𝜎𝑆𝑃𝐾𝑆其中，对沥青混凝土面层：𝐾𝑆=0.09𝑁𝑒0.22/𝐴𝐶对无机结合料稳定集料：𝐾𝑆=0.35𝑁𝑒0.11/𝐴𝐶对无极结合料稳定细粒土：𝐾𝑆=0.45𝑁𝑒0.11/𝐴𝐶通过查表计算得：细粒式沥青混凝土：𝜎𝑅=0.47MPa中粒式沥青混凝土：𝜎𝑅=0.36MPa水泥稳定碎石：𝜎𝑅=0.33MPa4.结构层厚度确定于结构分析(1)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4cm---------------------------------------中粒式沥青混凝土6cm---------------------------------------水泥稳定碎石35cm---------------------------------------土基路基路面工程课程设计3路面结构表面弯沉值𝑙𝑠与结构层层底弯拉应力按下式计算：𝑙𝑠=10002𝑃𝛿𝐸1𝛼𝑐𝐹𝜎𝑚=𝑝𝜎̅𝑚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℃抗压模量(MPa)15℃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(0.01mm)1细粒式沥青混凝土160022004-0.2520.4728.52粗粒式沥青混凝土140020006-0.0940.3632.43水泥稳定碎石17001700350.2460.3339.24土基36结构表面弯沉值𝑙𝑠=28.5𝑙𝑑=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10cm---------------------------------------水泥稳定碎石22cm---------------------------------------水泥砂砾土20cm---------------------------------------土基路面结构表面弯沉值𝑙𝑠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℃抗压模量(MPa)15℃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(0.01mm)1细粒式沥青混凝土140020002000-0.660.4728.12水泥稳定碎石1500150015000.950.3337.83水泥砂砾土1000100010000.1540.17111.84土基36结构表面弯沉值𝑙𝑠=28.1𝑙𝑑=28.9，且各层层底拉应力均小于容许拉应力，故设计合路基路面工程课程设计4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JN16259.51151双轮组6502黄河JN162A62.28116.221双轮组6503解放CA10B19.460.851双轮组6504解放CA1520.9770.381双轮组6505解放CA30A29.536.752双轮组3500按交通量年平均增长率5%计，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，符合二级公路对日平均交通量5000—15000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0.39，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：𝑁𝑒=[(1+𝑔𝑟)𝑡−1]×365𝑔𝑟·𝑁𝑠·𝜂=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+18cm水泥稳定粒料基层+15cm无机结合料稳定土方案一：30cm混凝土面层+20cm水泥稳定粒料基层两方案中普通混凝土板的平面尺寸为4.5m×5.0m，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)路基路面工程课程设计5(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5.0MPa，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：𝐸𝑥=ℎ12𝐸1+ℎ22𝐸1ℎ12+ℎ22=1300×0.182+600×0.1520.182+0.152=1013MPa𝐷𝑥=ℎ13𝐸112+ℎ23𝐸212+(ℎ1+ℎ2)24(1𝐸1ℎ1+1𝐸2ℎ2)−1=1300×0.18312+600×0.15312+(0.15+0.18)24(11300×0.18+1600×0.15)−1=2.57MN·mℎ𝑥=√12𝐷𝑥/𝐸𝑥3=0.312m𝑎=6.22[1−1.51(𝐸𝑥𝐸0)−0.45]=4.128𝑏=1−1.44(𝐸𝑥𝐸0)−0.55=0.770𝐸𝑡=𝑎ℎ𝑥𝑏𝐸0(𝐸𝑥𝐸0)1/3=4.128×0.3120.77×36×(101336)1/3=184.35MPa普通混凝土面层的相对刚度半径：𝑟=0.573ℎ√𝐸𝑐/𝐸𝑡3=0.573×0.24×√31000/184.353=0.759(2)荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载：𝜎𝑝𝑠=0.077𝑟0.6ℎ−2=0.077×0.7590.6×0.24−2=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𝐾𝑟=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𝐾𝑓=𝑁𝑒𝜈=(6.34×106)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𝐾𝑐=1.20。故疲劳荷载应力为：𝜎pr=𝐾𝑟𝐾𝑓𝐾𝑐𝜎𝑝𝑠=0.87×2.44×1.2×1.133=2.89MPa(3)温度疲劳应力路基路面工程课程设计6IV区最大温度梯度取92(℃/m)。板长5m，𝑙𝑟⁄=50.759⁄=6.588,查表可知𝐵𝑥=0.68，故最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为：σtm=𝛼𝑐𝐸𝑐ℎ𝑇g2𝐵𝑥=10−5×31000×0.24×922×0.68=2.32MPa计算温度疲劳应力系数时，由自然区划IV得参数𝑎=0.841，𝑏=0.058,𝑐=1.323.𝐾t=𝑓r𝜎tm[𝑎(𝜎tm𝑓r)𝑐−𝑏]=5.02.32[0.841×(2.325.0)1.323−0.058]=0.531故温度疲劳应力：σtr=𝐾tσtm=0.531×2.32=1.23MPa(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𝛾r=1.13。由于有𝛾r(𝜎pr+σtr)=1.13(2.89+1.23)=4.66MPa𝑓r=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240mm---------------------------------------水泥稳定粒料180mm---------------------------------------石灰粉煤灰土150mm---------------------------------------土基4.方案一设计校核（30cm混凝土面层+20cm水泥稳定粒料基层）(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5.0MPa，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𝐸0=36MPa，水泥稳定粒料基层取𝐸1=1300MPa。𝐸𝑥=𝐸1=1300MPa路基路面工程课程设计7𝐷𝑥=ℎ13𝐸112=0.23×13003=3.47ℎ𝑥=√12𝐷𝑥/𝐸𝑥3=0.317m𝑎=6.22[1−1.51(𝐸𝑥𝐸0)−0.45]=4.350𝑏=1−1.44(𝐸𝑥𝐸0)−0.55=0.780𝐸𝑡=𝑎ℎ𝑥𝑏𝐸0(𝐸𝑥𝐸0)1/3=4.350×0.3120.78×36×(130036)1/3=208.66MPa普通混凝土面层的相对刚度半径：𝑟=0.573ℎ√𝐸𝑐/𝐸𝑡3=0.573×0.30×√31000/208.663=0.910(2)荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载：𝜎𝑝𝑠=0.077𝑟0.6ℎ−2=0.077×0.9100.6×0.3−2=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𝐾𝑟=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𝐾𝑓=𝑁𝑒𝜈=(6.34×106)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𝐾𝑐=1.20。故疲劳荷载应力为：𝜎pr=𝐾𝑟𝐾𝑓𝐾𝑐𝜎𝑝𝑠=0.87×2.44×1.2×0.808=2.06MPa(3)温度疲劳应力IV区最大温度梯度取92(℃/m)。板长5m，𝑙