路基路面课程设计 长安大学

目录

课程设计资料 .................................................................................... 1 一、重力式挡土墙设计资料 ........................................................ 1 二、新建沥青路面设计资料 ........................................................ 2 三、水泥路面设计资料 ................................................................ 3 设计计算书 ........................................................................................ 4 一、重力式挡土墙设计 ................................................................ 4 1 挡墙埋深、断面形状和尺寸拟定 ........................................ 4 2 主动土压力计算 .................................................................... 4 3 挡土墙截面设计 .................................................................... 6 4 挡墙排水设施设置 ................................................................ 8 5 挡墙变形缝设置 .................................................................... 8 二、新建沥青路面设计 ................................................................ 9 1 确定路面等级和面层类型 .................................................... 9 2 确定路基土回弹模量 ............................................................ 9 3 结构组合与厚度 .................................................................... 9 4 各层材料的抗压模量与劈裂强度 ...................................... 10 5 路面厚度计算 ...................................................................... 10 6 方案比选 .............................................................................. 13 7 交工验收弯沉值和层底拉应力计算 .................................. 13 三、水泥路面设计 ...................................................................... 14 1 确定路面等级和面层类型 .................................................. 14 2 初拟路面结构 ...................................................................... 15 3 材料参数 .............................................................................. 15 4 厚度验算 .............................................................................. 15 5 路面结构设计结果 .............................................................. 16

课程设计资料

一、重力式挡土墙设计资料

1、线路资料：建设地点为某一级公路K20+415.00~K20+520.00段，在穿过一条深沟时，由于地形，无法按规定放坡修筑路堤，而采取了贴坡式（仰斜式）浆砌片石挡土墙。线路经过的此处是丘陵地区，石材比较丰富，挡土墙在设计过程中应就地选材，结合当地的地形条件，节省工程费用。

317kN/m3502、墙后填土为碎石土，重度，内摩擦角；墙后填

0土表面为水平，即，其上汽车等代荷载值q=15kN/m2，地基为砾石类土，承载力特征值fk750kPa；外摩擦角取14；墙底与岩土

摩擦系数0.6。

3、墙体材料采用MU80片石，M10水泥砂浆，砌体抗压强1.21 N/mm2，

323kN/m砌体重度0。 4、挡土墙布置形式及各项计算参数如下图所示：

图0-1 挡土墙参数图（单位：m）

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二、新建沥青路面设计资料

1、交通条件：

①交通量年增长率γ=4.5% ②路面设计年限t=15年；

③竣工后第一年双向平均日交通量见表：

表0-1 预测交通组成

车型 交通量 后轴轴（辆/d） 数系数c1 后轴轮组系数c2 后轴重前轴轴前轴轮组系数c2 前轴重（KN） （KN） 数系数c1 CA-10B 黄河JN-150 跃进NJ-131 太湖XQ-1 太脱拉138S1 黄海DD-690 日野KB211 550 580 90 120 90 100 110 1 1 1 1 2.2（3） 1 1 1 1 1 1 1 1 1 60.9 101.6 38.2 67 80 104 100.0 1 1 1 1 1 1 1 6.4 6.4 6.4 6.4 6.4 6.4 6.4 19.4 49.0 20.2 33 51.4 56 47.6 2、荷载条件：标准轴载BZZ-100

3、自然条件：路线经过地区属Ⅱ5区，土质为粉质低液限粘土， 4、路基条件：

①地下水位离地面1.5m，填土高度1.0m； ②土路基不必进行特殊处理；

③考虑验算面层剪切时属夏季高温月份，路基模量应比春融时提高40%；

④近十年平均冻结指数f=630（℃*d）。

5、经济条件：对可行结构进行技术经济比较，确定采用最经济的路面结构方案。

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三、水泥路面设计资料

青海某地拟建一条公路，交通调查如下：CA10B车1000辆/日，黄河JN150车170辆/日，东风EQ140车300辆/日，交通SH141车600辆/日，交通量平均增长率为7%，土质为中液限粘土，平均稠度为1.08，土基回弹模量E0=45MPa,季节性冰冻地区，冰冻深度为1.2米。

详细交通组成表如下：

车型 前轴 CA10B 后轴 前轴 黄河JN150 后轴 前轴 东风EQ140 后轴 前轴 交通SH141 后轴 55.10 1 1 69.20 25.55 1 1 1 1 101.60 23.70 1 1 1 1 60.85 49.00 1 1 1 1 Pi 19.4 C1 1 C2 1 初拟结构并进行验证，确定水泥路面结构。

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设计计算书

一、重力式挡土墙设计

1 挡墙埋深、断面形状和尺寸拟定

如图所示，挡土墙墙体高为H=8.5m，基础埋置深度d=1.5m,墙身纵向分段长度为L=10m；墙面与墙背平行，墙背仰斜，仰斜坡度1：0.2(11.31)，墙底倾斜度0.2:1（ω=11.31°），墙顶宽a=2.1m，墙底宽b=2m。

图1-1挡墙整体示意图

2 主动土压力计算 2.1 计算破裂角

按破裂面交于荷载中部进行计算：

A-H(H2h0)tan-tan0.2

(H2h0)H3511.311437.69< 90° tan=-tan+(cottan)(tanA)

=-0.773+(1.4280.773)(0.7730.2)=0.690 = 34.6°

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2.2 计算主动土压力系数K和K1

K=cos()sin()tantan

cos（34.635）sin（34.637.69)[tan34.6tan(11.31)]0.179

h0q/γ15/170.882m h30

h4Hh38.5-08.5m Kh420.8828112h0H21.58.521.21

2.3 计算主动土压力及合力作用点

E12H2KK112178.520.1791.21133.0kN

ExEcos()133.0cos(11.3114）132.9kN

EyEsin()133.0sin(11.3114)6.2kN

ZHh0h4(3h42H)y33H2K1

8.50.8828.5(38.528.53)38.521.213.076m

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3 挡土墙截面设计

图1-2墙身截面计算图示

3.1 墙身自重G及力臂ZG计算 墙身体积计算：

V1a(Hatan)2.18.52.10.217m3 V220.5atan0.52.120.20.441m3

墙身自重计算：

G1V1o1723391kN G2V2o0.441239.45kN

GG1G2391kN9.45kN400.45kN

力臂ZG计算：

ZG1=0.125H+0.476a=0.125×8.5+0.476×2.1=2.06m ZG2=0.651a=0.651×2.1=1.37m

ZZG1G1ZG2G22.063911.379.45GG400.452.04m

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3.2 抗滑稳定性验算

（0.9GQ1Ey）0.9Gtan

（0.9400.451.46.2）0.450.9400.450.2

238.17kNQ1Ex1.4132.9186.06kN

∴抗滑稳定性满足要求。 3.3 抗倾覆稳定性验算

墙底倾斜，需将Zx、Zy修正为Zx1、Zy1。

Zy1Zyatan3.0762.10.22.656m

Zx1bZytan02.03.0760.21.385m0.9GZGQ（1EyZx1ExZy1)

0.9400.452.041.4(6.21.385132.92.656) =253.07>0

∴抗倾覆稳定性满足要求。 3.4 基底应力验算

ZnG1ZG1G2ZG2EyZx1ExZy1G1G2Ey

3912.069.451.376.21.385132.92.6561.165m

3919.456.2e0

maxminb2b2Zn1.1650.165m0.333m 2266GEyb6e400.456.260.165303.97(1)(1)(kPa)fk750kPab22102.68∴基底应力满足要求。 3.5 墙身截面应力验算

取墙底截面，按每延米墙长计算。

1）强度计算

NjkARk/k

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NjoGNG1.051.0400.45420.47kN

e080.1658)1-256()b2k0.924 e020.1652112()112()2b1-256(kARk/0.92421210/2.31968.00kN420.47kN ∴强度满足要求。

2）稳定计算

NjkkARk/k

H/b=8.5/2=4.25<10，故墙为矮墙，取k1

kkARk/k10.92421210/2.31968.00kNNj420.47kN

∴稳定性满足要求。

3）正截面直接受剪时验算

AjRj/kfmN12500/2.310.42400.45

601.09kNQj145kN∴受剪满足要求。 4 挡墙排水设施设置

墙身排水：设置直径为10cm的泄水孔，泄水孔向墙外倾斜5%，间距2.5m，上下交错布置。最下排泄水孔底部高出墙外地面0.3m。最下排泄水孔进水口底部铺设0.3m的黏土隔水层，并在墙顶处铺设0.3m的黏土隔水层，泄水孔进水侧设置厚度为0.3m的反滤层。在最下排泄水孔的底部设置隔水层。 5 挡墙变形缝设置

将沉降缝与伸缩缝合并设置为变形缝，沿墙长隔10m均匀布置，宽度取2cm，缝内塞沥青木板填缝料，深度15cm。

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二、新建沥青路面设计

1 确定路面等级和面层类型

根据所给交通量及交通组成计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次。设计年限15年，预测交通量增长率4.5%，计算结果如下：

一个车道上大客车及中型以上的各种货车日平均交通量 Nh= 620 ,属中等交通等级

（1）当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时 : 路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 1339 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 406.3万次 属中等交通等级。

（2）当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时 : 路面营运第一年双向日平均当量轴次 : 10 设计年限内一个车道上的累计当量轴次 : 322.9万次 属中等交通等级。

综上，路面设计交通等级为中等交通等级，采用沥青混凝土面层。 路面设计弯沉值 : 28.6 (0.01mm) 2 确定路基土回弹模量

该路段处于Ⅱ5区，为粉质低液限粘土，查《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）附录F“土基回弹模量参考值”表F.0.3“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值（MPa）”，干燥路基，取ωC=1.10，再查表确定E0=51MPa。 3 结构组合与厚度

路面结构面层拟采用三层沥青混合料初步拟定两种方案 方案一：上面层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚度4cm），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度5cm），下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（厚度8cm），基层采用二灰稳定碎石（厚度15cm），底基层采用二灰土（厚度待定）。

方案二：上面层采用细粒式沥青玛蹄脂碎石（厚度4cm），中面

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层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度6cm），下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（厚度8cm），基层采用二灰稳定碎石（厚度15cm），底基层采用二灰土（厚度待定）。 4 各层材料的抗压模量与劈裂强度

对于沥青面层材料，由于弯沉值以20℃为标准温度，因此以路面设计弯沉计算路面结构厚度时，抗压模量取20℃的模量；验算层底拉应力以15℃为标准温度，故用15℃的抗压模量。查《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）附录E“材料设计参数”的表E.1“沥青混合料设计参数”和表E.2“基层、底基层材料设计参数”，选取各层材料的抗压模量与劈裂强度各值均取规范规定的范围的中值，因此得到20℃和15℃的抗压模量及劈裂强度：

表2-1方案一各结构层材料的设计参数表

层位 1 2 3 4 5 6 层位 1 2 3 4 5 6 结构层材料名称 细粒式沥青混凝土 中粒式沥青混凝土 粗粒式沥青混凝土 石灰粉煤灰碎石 石灰粉煤灰土 新建路基 厚度(mm) 40 50 80 150 ? 厚度(mm) 40 60 80 150 ? 抗压模量(MPa) 20℃ 1400 1200 900 1500 550 51 15℃ 2000 1600 1200 1500 550 容许应力(MPa) 0.55 0.39 0.31 0.33 0.11 表2-2方案二各结构层材料的设计参数表

结构层材料名称 细粒式沥青玛蹄脂碎石 中粒式沥青混凝土 粗粒式沥青混凝土 石灰粉煤灰碎石 石灰粉煤灰土 新建路基 抗压模量(MPa) 20℃ 1400 1200 900 1500 550 51 15℃ 2000 1600 1200 1500 550 容许应力(MPa) 0.55 0.39 0.31 0.33 0.11 5 路面厚度计算

根据东南大学公路路面设计程序Hpds2011，计算结果如下。

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方案一：

按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 28.6 (0.01mm)

H( 5 )= 200 mm LS=29.3(0.01mm) H( 5 )= 250 mm LS=26.7(0.01mm) H( 5 )= 213 mm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力计算设计层厚度 :

H( 5 )= 213 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 213 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 213 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 213 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 213 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求) 路面设计层厚度 :

H( 5 )= 213 mm(仅考虑弯沉)

H( 5 )= 213 mm(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 500 mm

验算结果表明，路面总厚度满足防冻要求。

最下层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 40 mm

------------------------------------------------------------ 中粒式沥青混凝土 50 mm

------------------------------------------------------------ 粗粒式沥青混凝土 80 mm

------------------------------------------------------------ 石灰粉煤灰碎石 150 mm ------------------------------------------------------------ 石灰粉煤灰土 220 mm ------------------------------------------------------------ 新建路基

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方案二：

按设计弯沉值计算设计层厚度 : LD= 28.6 (0.01mm)

H( 5 )= 150 mm LS=31.4(0.01mm) H( 5 )= 200 mm LS=28.5(0.01mm) H( 5 )= 198 mm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力计算设计层厚度 :

H( 5 )= 198 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 198 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 198 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 198 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 198 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求) 路面设计层厚度 :

H( 5 )= 198 mm(仅考虑弯沉)

H( 5 )= 198 mm(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 500 mm

验算结果表明，路面总厚度满足防冻要求。

最下层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：

------------------------------------------------------------ 细粒式沥青玛蹄脂碎石 40 mm

------------------------------------------------------------ 中粒式沥青混凝土 60 mm

------------------------------------------------------------ 粗粒式沥青混凝土 80 mm

------------------------------------------------------------ 石灰粉煤灰碎石 150 mm ------------------------------------------------------------ 石灰粉煤灰土 200 mm ------------------------------------------------------------ 新建路基

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6 方案比选

方案一采用细粒式沥青混凝土，存在高温稳定性不足的问题。方案二采用细粒式沥青玛蹄脂碎石，虽然造价较细粒式沥青混凝土稍高，但高温稳定性有所改善，且采用方案二的设计可降低二灰土底基层厚度，降低造价。故综合考虑决定采用方案二。

最终方案如下：

------------------------------------------------------------ 细粒式沥青玛蹄脂碎石 40 mm

------------------------------------------------------------ 中粒式沥青混凝土 60 mm

------------------------------------------------------------ 粗粒式沥青混凝土 80 mm

------------------------------------------------------------ 石灰粉煤灰碎石 150 mm ------------------------------------------------------------ 石灰粉煤灰土 200 mm ------------------------------------------------------------ 新建路基 7 交工验收弯沉值和层底拉应力计算

表2-3各结构层材料的设计参数及厚度

层位 1 2 3 4 5 6 结构层材料名称 细粒式沥青玛蹄脂碎石 中粒式沥青混凝土 粗粒式沥青混凝土 石灰粉煤灰碎石 石灰粉煤灰土 新建路基 厚度(mm) 40 60 80 150 200 抗压模量(MPa) 20℃ 1400 1200 900 1500 550 51 15℃ 2000 1600 1200 1500 550 容许应力(MPa) 0.55 0.39 0.31 0.33 0.11 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= 28.5 (0.01mm) 第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 32.3 (0.01mm) 第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 39.1 (0.01mm) 第 4 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 49.8 (0.01mm) 第 5 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 115.5 (0.01mm)

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路基顶面交工验收弯沉值

LS= 130.5 (0.01mm)( 根据“公路沥青路面设计规范”公式计算) LS= 169.9 (0.01mm)( 根据“公路路面基层施工技术规范”计算) 计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :(未考虑综合影响系数) 第 1 层底面最大拉应力 σ( 1 )=-0.242 (MPa) 第 2 层底面最大拉应力 σ( 2 )=-0.047 (MPa) 第 3 层底面最大拉应力 σ( 3 )=-0.014 (MPa) 第 4 层底面最大拉应力 σ( 4 )= 0.1 (MPa) 第 5 层底面最大拉应力 σ( 5 )= 0.092 (MPa)

三、水泥路面设计

1 确定路面等级和面层类型 交通组成如下表所示。

表3-1交通组成表

车型 前轴 CA10B 后轴 前轴 黄河JN150 后轴 前轴 东风EQ140 后轴 前轴 交通SH141 后轴 Pi 19.4 60.85 49.00 101.60 23.70 69.20 25.55 55.10 C1 1 1 1 1 1 1 1 1 C2 1 1 1 1 1 1 1 1 交通量（辆/d） 1000 170 300 600 根据东南大学公路路面设计程序Hpds2011，轴载计算结果如下 设计车道使用初期设计轴载日作用次数 : 79

设计基准期内设计车道上设计轴载累计作用次数 : 709263 路面承受的交通荷载等级 :中等交通荷载等级

此公路等级定为双车道二级公路，路面设为高级路面。

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2 初拟路面结构

设计基准期内设计轴载累计作用次数Ne=709263，属中等交通荷载等级，根据规范表3.0.8，水泥混凝土弯拉强度不得低于4.5MPa。混凝土面层厚度初拟为230mm，基层选用级配碎石，厚度初定为200mm。普通水泥混凝土板的平面尺寸宽为3.75m，长为4.5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆假缝。 3 材料参数

混凝土弯拉强度：4.5 MPa 混凝土弹性模量：29 GPa 混凝土面层板长度：4.5 m 地区公路自然区划 Ⅱ 面层最大温度梯度：88 ℃/m 接缝应力折减系数：0.87 混凝土线膨胀系数：10 10-6/℃ 级配碎石弹性模量：300MPa 板底地基当量回弹模量 ET=100 MPa 4 厚度验算

根据东南大学公路路面设计程序Hpds2011，厚度验算结果如下： 4.1 应力验算

混凝土面层荷载疲劳应力：3.47 MPa 混凝土面层温度疲劳应力：0.5 MPa

考虑可靠度系数后混凝土面层综合疲劳应力：4.49 MPa （小于或等于面层混凝土弯拉强度）

混凝土面层最大荷载应力：1.63 MPa 混凝土面层最大温度应力：1.26 MPa

考虑可靠度系数后混凝土面层最大综合应力：3.27 MPa （小于或等于面层混凝土弯拉强度）

满足路面结构极限状态要求的混凝土面层设计厚度：236 mm

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4.2 路面结构层防冻厚度验算 路面结构层最小防冻厚度 500 mm 新建基(垫)层总厚度 200 mm

验算结果表明，路面总厚度比路面结构层最小防冻厚度小 mm，程序将自动在上述刚设计的路面最下层厚度中予以补足 。 5 路面结构设计结果

通过以上计算结果将路面防冻厚度不足部分增补到路面最下层，对混凝土面层增加6mm磨耗层，并对设计层最终厚度按10mm向上取整，最后得到路面结构设计结果如下：

------------------------------------------------------------ 普通混凝土面层 250 mm

------------------------------------------------------------ 级配碎石 270 mm

------------------------------------------------------------ 新建路基

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