正式课程设计――路基路面讲解

-1-CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY路基路面工程课程设计课题名称：刚性路面结构设计学生姓名：郑航宇学号：200911010229班级:交工0902专业：交通工程指导教师：陈向阳2012年1月-2-目录摘要水泥混凝土路面板为刚性路面，具有较高的力学强度，在车轮荷载作用下变形较小。所以，混凝土板通常工作在弹性阶段。本水泥混凝土路面设计主要依据《公路水泥混凝-3-土路面设计规范》(JTGD40—2011)。在荷载图示方面采用静力作用均布面荷载，在地基模型方面，采用温克勒地基模型。在路面板形态方面，采用半空间弹性地基有限大矩形板理论。-4-长沙理工大学交通运输工程学院《路基路面工程B》课程设计任务书一、设计任务及内容：任务：刚性路面结构设计内容：1、初拟刚性路面结构（结构、材料、层厚、平面尺寸及接缝）；2、确定材料参数（确定各层回弹模量及当量回弹模量）；3、荷载及温度疲劳应力计算；4、检验并确定刚性路面结构；5、绘制水泥混凝土路面结构图设计、接缝构造图、补强钢筋布置图等。二、设计资料(一)、路面结构设计依据IV5区平原微丘区某地新建高速公路，路基宽28m，双向4车道。预计2012年末建成通车。2009年调查的交通量组成如表1，每人按本人学号最后1位对应选择一组交通量进行计算。表12009年调查的交通量组成表（双向调查的结果）车型交通量（辆/昼夜）1234567890小客车1600200024003000320034003100290027002500中客车SH13013001100900700600500600700800900大客车CA50500600700800900800700650550450小货车BJ1303000240018002000160014001500160017001800中货车CA50600750700900100090800700600500中货车EQ1401000110015001800800700750800850900大货车JN150450550650850750800820680850650日野KB2221600140012001000900700800900600500太脱拉1384060901201008085907570年平均交通量增长率为6%，路基平均填土高度为1.0m，1.2m，1.5m，1.8m，土质为中液限粘土，平均地下水位为0.8m,平均冻深0.3m。试设计混凝土路面结构，并画出路面结构及横断面图（注:该地盛产石灰、粉煤灰、并有砾石）。-5-三、参考目录1、《路基路面工程》教材；2、《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2011），人民交通出版社，2011年，北京；3、《公路路面设计手册》，人民交通出版社，1994年,北京。-6-《路基路面工程B》课程设计指导书一、课程设计的目的和要求课程设计是高等学校学生在校学习专业课的一个重要环节，也是学生综合运用所学的知识解决实际问题和独立钻研的良好机会。课程设计在教学上的要求是：1、培养综合运用所学知识、解决实际问题的独立工作能力；2、系统巩固并提高基础理论课与专业知识；3、掌握路面结构的设计计算方法；4、了解路基路面整体设计与个体设计的有机联系；5、加强与提高设计、计算、绘图及编制说明书的基本技能；6、对本专业某些理论性或技术性问题进行比较深入的探讨。二、课程设计的步骤与方法1、研读路面结构设计与计算的有关例题。2、认真分析设计任务书所提供的设计依据。3、刚性路面结构设计(1)交通参数分析根据公路等级，确定设计基准期、安全等级，选定设计年限及轮迹横向分布系数，计算使用年限内累计当量轴次，确定道路的交通分级。(2)初拟路面结构根据安全等级所确定的变异水平，初拟路面结构层次、类型和材料组成，各层的厚度、面层板平面尺寸和接缝构造。(3)确定材料参数根据交通等级，确定混凝土的弯拉强度标准值、弯拉弹性模量标准值，基层、垫层和路基的回弹模量，计算基层顶面的当量回弹模量和混凝土面层的相对刚度半径。(4)计算疲劳应力a)计算临界荷位处产生的荷载应力；b)确定接缝传荷能力的应力折减系数，疲劳应力系数，综合系数；c)计算荷载疲劳应力；-7-d)计算温度疲劳应力。由自然区划选最大温度梯度；按路面结构和板平面尺寸计算最大温度梯度时的翘曲温度应力，最后计算温度疲劳应力。(5)检验初拟路面结构按安全等级、变异水平、目标可靠度，按规范公式检验，如不满足，重拟路面结构，重复(2)～(4)步，直到满足要求。计算厚度取整至厘米。(6)画出最后选定的路面结构图和接缝构造图等。三、课程设计文件装订完成设计任务后，将设计任务书、指导书、设计说明书、计算书及全部设计计算图表并编好目录，装订成册。-8-水泥混凝土路面设计水泥混凝土路面板为刚性路面，具有较高的力学强度，在车轮荷载作用下变形较小。所以，混凝土板通常工作在弹性阶段。本水泥混凝土路面设计主要依据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40—2011)。在荷载图示方面采用静力作用均布面荷载，在地基模型方面，采用温克勒地基模型。在路面板形态方面，采用半空间弹性地基有限大矩形板理论。1.行车荷载1.1车辆的类型和轴型由交通调查和预测得知，本路建成初期双向混合交通量组成如下：中客车CA30A800辆；大客车CA50550辆；小货车EQ1401700；中货车CA50600辆；中货车EQ140850辆；大货车JN150850；日野KB222600辆；太脱拉13875辆。根据交通调查结果，查阅相关资料可得表1.1如下：表1.1车辆轴重参数参考表车型名称前轴重（KN）后轴重（KN）后轴数交通量中客车CA30A29.502×36.752800大客车CA5028.7068.201550小货车EQ14023.7.69.2011700中货车CA5028.7068.201600中货车EQ14023.7069.201850大货车JN15049.00101.601850日野KB22250.20104.301600太拖拉13851.402×80.002751.2轴载换算由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40—2011)得标准轴载的有关计算参数见表1.2：-9-表1.2标准轴载计算参数标准轴载BZZ—100轴载P（KN）100轮胎接地压强p（MPa）0.70单轮传压面当量直径d（cm）21.30两轮中心距（cm）1.5d水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴轮型和轴载的作用次数，换算为标准轴载的作用次数。由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40—2011)有：161nisiiSPPNN（1—1）式中：iP—第i级轴载重（KN），连轴按每一根轴载单独计；sP—设计轴载重（KN）；n—各种轴型的轴载级位数；iN—i级轴载的作用次数；sN—设计轴载的作用次数。由式（1—1）计算及参阅相关数据得到轴载换算计算表1.2.1：表1.2.1轴载换算计算表车型轴重iP（KN）交通组成iN（辆/日）当量轴次sN中客车CA30A前轴26.5800-后轴2×36.70800-大客车CA50前轴28.7550-后轴68.205501.20小货车EQ140前轴23.71700-后轴69.217004.70中货车CA50前轴28.7600-后轴68.206001.31中货车EQ140前轴23.7850-后轴69.28502.35-10-大货车JN150前轴49.008500.01后轴101.608501095.77日野KB222前轴50.26000.01后轴104.36001176.79太脱拉138前轴51.475-后轴2×8075-sN2282.15则可知本路建成初期每昼夜双向混合交通量换算成标准轴载的作用次数为2282.15次/d。1.3交通分析由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40—2011)可得高速公路的设计基准期为30年，具体数值见表1.3：表1.3可靠度设计指标公路等级高速一级二级三级四级安全等级一级二级三级设计基准期（a）30201510目标可靠度（%）9590858070目标可靠度指标1.641.281.040.840.52则设计基准期内路面所承受的标准轴载累计作用次数为Ni，则有：136511tinN(1-2)其中，t=30，n1=2282.15，=6%。则有48.65854263106.0106.015.228236530iN。由于路面设计依据的交通量是设计车道上的交通量，所以，应对道路交通量乘以方向不均匀系数及车道不均匀系数。方向不均匀系数取0.6，车道不均匀系数取0.85。则有设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数Ns为：37.3358567485.06.048.6585426385.06.0isNN-11-车道横断面上各点所受的轴载作用次数，仅为通过该车道断面的轴载作用次数的一部分。水泥混凝土路面的临界疲劳荷位为纵缝边缘中部，该处的轮迹横向分布系数，按实际测定结果参照表1.3.1所示。表1.3.1车辆轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速、一级公路、收费站0.17～0.22二级及二级以下公路行车道宽﹥7m0.34～0.39行车道宽≦7m0.54～0.62本公路为高速公路双向四车道，取η=0.22则，设计基准期内面层临界荷位出得标准轴载累积作用次数Ne:36.738884822.037.33585674ieNN(1-3)水泥混凝土路面所承受的交通轴载作用，按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为5级，分级范围如表1.3.2所示：表1.3.2交通荷载分级交通荷载等级极重特重重中等轻设计基准期内设计车道承受设计轴载（100KN）累计作用次数eN（410）﹥1×6101×610～20002000～100100～3﹤3由表1.3.2知，本道路交通属于重交通。2.初拟路面结构施工变异水平取低等级。根据高速公路重交通荷载等级和低变异水平等级，查表2.1，初拟普通混泥土面层厚度为0.25m，水泥稳定砂砾基层0.2m，底基层选用级配砾石，厚0.18m。单向路幅宽度75.32m（行车道）+2.75m（硬路肩），行车道水泥混泥土面层板平面尺寸取75.30.5m，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混泥土，并设拉杆与行车道板相连。-12-表2.1水凝混凝土面层厚度的参考范围交通荷载等级极重特重重公路等级一高速一级二级高速一级二级变异水平等级低低中低中低中低中面层厚度（mm）≥320320~280300~260280~240270~230260~220交通荷载等级中等轻公路等级二级三、四等级三、四等级变异等级高中高中高中面层厚度（mm）250~220240~210230~200220~190210~1803.路面材料参数确定根据表3.1、表3.2和表3.3，取普通混泥土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应的弯拉强度模量与泊松比为31GPa、0.15。砾石粗集料混泥土的线膨胀线ac=11*10^-6/c取中液限粘土的回弹模量为70mpa。取距地下水位2.5m时的湿度的调整系数为0.82。由此，路床顶综合回弹模量取为70*0.82=57.4mpa。水泥稳定砂砾基层的弹性模量取2000mpa。泊松比取0.20，级配砾石底基层回弹模量取为200mpa，泊松比取0.35。表3.1水泥混凝土弯拉强度标准值交通荷载等级极重、特重、重中等轻水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa）≥5.04.54.0钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）≥6.05.55.0表3.2水泥混凝土线膨胀系数经验参考值粗集料类型石英岩砂岩砾石花岗岩玄武岩石灰岩水泥混凝土线膨胀系数（℃/106）1212111097表3.3水泥混凝土强度和弹性模量经验参考值弯拉强度（MPa）1.52.02.53.03.54.04.55.05.5抗压强度（MPa）7111