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1、课 程 设 计 任 务 书题 目 新建沥青路面（水泥混凝土路面）设计 旧路改建路面设计 系 (部) 土木工程系 专 业 土木工程 6 月 6 日至 6 月 10 日 共 1 周指导教师(签字) 系 主 任(签字) 一、 设计内容及要求：1、路基干湿类型及路基回弹模量的确定；2、沥青路面结构方案的选定与结构层厚度的计算；3、水泥混凝土路面结构方案的选定与结构层厚度的计算；4、旧路改建路面结构方案的确定及加铺层厚度的计算。二、 设计原始资料：平原微丘区某一级公路，近年来由于大吨位车辆的增加，个别路段不能适应交通运输的需要，对下列路段的路面作如下处理： 0+5003+500 段，改线需在新路基上铺路
2、面； 3+5005+000 段，旧路面强度不足，需进行补强设计； 5+0006+300 段，接近城镇为改线路段，在新路基上铺水泥混凝土路面。 路状调查资料如下： 交通调查 ：交通调查资料为2007年，设计年限的起算年为2010年。在不利季节调查的双向平均日交通量：车 型 总重（ KN ） 后轴重（ KN ） 后轴数 辆 / 日 解放 CA10 B 19.4 60.85 1 1200 黄河 JN150 49 101.6 1 460 日野 KB22250.2104.3 1 300 太脱拉 138 51.4 80 2 （轴距3）174 东风 KM340 24.667.81 1230 黄河 JN362
3、 63127 1 510 日野FC 164 23.9711 750 预计未来十年，交通量年平均增长率为 8% ， 10 年后增长率为 4% 。原有路面厚度为 25 cm 天然砂砾垫层， 20cm 石灰土基层， 2.5cm 沥青表处面层。 该路段地处2区， 沿线土质为粉质轻亚粘土，WL=40%， wp=18%，当地多年平均最大冻深为0.8 米 。（气象部门调查的田野冻深）。 0+500 3+500 段，路槽底距地下水位 2.6 米 ； 3+5005+000 段，测得路槽底以下 80 cm 分层含水量为： 20% 、 18.90% 、 19.78% 、 21.40% 、 21.64% 、 20.1
4、0% 、 20.66% 、 19.90% （ 0 80cm , 每 10cm 为一层） 5+0006+300 段，路基填土高度为 0.8 米 ，调查得地下水埋深为 1.4 米 。 对 3+5005+000 段，测定时路表温度与前5H平均气温之和为56.0C0，在冻前进行路面弯沉实测弯沉值为： 97 、 105 、 136 、 100 、 147 、 67 、 121 、 115 、 86 、 78 、 99 、 165 、 120 、 83 、 67 、 162 、 87 、 116 、 92 、 123 、 125、 78、 97 、56、87 、69、 88、102、108、110。（单位
5、为 1/100mm ）土基回弹模量为40MPa。 材料调查 ：沿线可采集各种砂、石料；附近有矿渣、炉渣可利用；水泥、石灰、沥青等材料当地可供应。6cm 沥青贯入20cm 石灰土25cm 天然砂砾三、设计完成后提交的文件和图表1计算说明书部分：1.1 路基干湿类型及路基回弹模量的确定；当进行新路设计时，土基的回弹模量：此时路基尚未建成，土基的回弹模量，要通过预估某路段路基修筑后，可能出现的路基土的平均稠度，辩证地确定土基的回弹模量值。实际中是适用查表法。 由路床表面至地下水位的高度H、地区所在的自然区划及土质查沥青路面设计规范，确定土基的干湿类型。由土基的干湿类型，查设计规范得路基土的平均稠度C
6、。由路基土的平均稠度，查设计规范得土基回弹模量E0。如果是高等公路，由沥青路面设计规范说明，采用重型击实试验时，土基回弹模量E0提高15%-30%。根据公路所处地区及路基填土土质、路基填土高度情况，确定路基干湿类型及回弹模量。1.2、沥青路面结构方案的选定与结构层厚度的计算；根据所给交通量和交通组成，计算累计轴载作用次数，结合公路等级，确定路面等级，计算设计弯沉值；根据当地筑路材料情况及自然气候特点，拟定路面结构方案，确定路面材料的设计参数；根据设计弯沉值计算路面厚度。需要时应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求。如不满足要求，采取相应措施进行调整后再重新计算。上述计算应采用弹性多层体系理论编制
7、的程序进行。对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，应验算防冻厚度是否满足要求。根据公路等级情况，需要时还应确定路肩的路面结构。1.3、水泥混凝土路面结构方案的选定与结构层厚度的计算；根据所给交通量和交通组成，计算累计轴载作用次数； 初步拟定路面结构：初选路面结构层次、类型和材料组成，拟定各层的厚度、面板和接缝构造；确定材料参数，包括混凝土的设计弯拉强度和回弹模量，基层、垫层和路基的回弹模量，基层顶面的当量回弹模量；计算荷载疲劳应力；计算温度疲劳应力；检验初拟路面结构是否满足设计要求，如不满足要求，则采取相应的调整措施，重新拟定路面结构，进行设计。1.4、旧路改建路面结构方案的确定及加铺层厚度的
8、计算。旧路改建以沥青路面的改建为主，主要设计内容包括：旧路的代表弯沉值的计算，根据所给的旧路弯沉调查资料，计算确定旧路面的代表弯沉值；旧路面当量回弹模量的计算；拟定改建路面的补强结构方案，进行补强层厚度的计算 1.5、要求应附厚度计算，拉应力验算的微机计算结果。2图纸部分：绘制路面结构，设计施工图一张。四、进程安排序号项 目时间(天)（一）新建沥青路面设计1（二）新建水泥混凝土路面设计2（三）旧路改建路面设计1（四）编写设计计算说明书0.5（五）施工图绘制及装订成册0.5五、主要参考资料：参考教材：道路建筑材料第三版 严家伋编著公路工程，人民交通出版社，张正林主编。道路工程，武汉工业大学出版社
9、，于书翰主编。参考资料：1、公路工程技术标准（JTG B012003）2、公路水泥混凝土路面设计规范 （JTG D40-2002）3、沥青路面设计规范（JTGD50-2004）4、公路路面基层施工技术规范（JTJ034-2000）5、公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）6、公路水泥混凝土路面施工技术规范 （JTG F30-2003）目 录1 新建沥青路面设计11.1 确定累计当量轴次和设计弯沉11.1.1 将不同轴重的各种车辆换算成BZZ-100标准轴重的当量轴次11.1.2 计算累计当量轴次41.1.3 路面设计弯沉值的计算61.2确定各路段土基弹性模量71.2.1 确定土基
10、干湿类型71.2.2 确定路基土的平均稠度71.2.3 确定土基回弹模量71.3 初拟路面结构，确定材料的参数81.4 各层材料的容许层底拉应力91.5 计算机运算结果102 路面补强设计202.1 设计原始资料202.2 计算机运算结果213 新建水泥混凝土路面设计283.1 轴载换算并计算设计使用年限内的标准轴载累计作用次数Ne283.2 初拟路面结构313.3 确定基层顶面的当量回弹模量Et 323.4 确定混凝土的设计弯拉强度和弯拉弹性模量Ec 343.5 计算作用于在板边缘中点处产生的温度疲劳应力 343.6 计算荷载疲劳应力363.7 应力复合37设计体会及改进意见39致谢 39参
11、考文献.40附 图.41 一.新建沥青路面设计1.1确定累计当量轴次和设计弯沉 在2007年不利季节调查的双向平均日交通量：车 型 前轴重（ KN ） 后轴重（ KN ） 后轴数 辆 / 日 解放 CA10 B 19.4 60.85 1 1224 黄河 JN150 49 101.6 1 450 日野 KB22250.2104.3 1 306 太脱拉 138 51.4 80 2 （轴距3）170 东风 KM340 24.667.81 1254 黄河 JN362 63127 1 500 日野FC 164 23.9711 765 1.1.1将不同轴重的各种车辆换算成BZZ-100标准轴重的当量轴次。
12、 1. 当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时, 各种车辆的前、后轴均应按以下公式换算成标准轴载P的当量作用次数N。 式中：N 标准轴载的当量轴次（次/日）； 各种被换算汽车的作用次数，（次/日）；P 标准轴载（KN）；Pi 各种被换算车型的轴载（KN）；C1 轮组系数, 双轮组为1，单轮组为6.4，四轮组为0.38；C2 轴数系数；当轴间距大于3米时, 应按一个单独的轴载计算；当轴间距小于3米时,双轴或多轴的轴数系数按公式计算。C2=11.2（m1） 式中：m 轴数。2. 当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时, 各种车辆的前、后轴均应按公式换算成标准轴载P的当量作用次数。 式中： 轮组系数
13、，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09；C2轴数系数。以拉应力为设计指标时，双轴或多轴的轴数系数按下式计算。C2=1+2(m-1) 轴载换算结果（弯沉和沥青层层底拉应力） 车型Pi（KN)C1C2解放CA10B前轴19.46.4112246.2502719937后轴60.85111224141.03111906黄河JN150前轴496.41450129.34374637后轴101.611450482.16995305日野KB222前轴50.26.4130697.715300076后轴104.311306367.50069788太脱拉138前轴51.46.4117060.16147
14、3272后轴8012.2170141.68146721东风KM340前轴24.66.41125417.99058255后轴67.8111254231.28459383黄河JN362前轴636.41500428.82625614后轴127115001414.2174461日野FC164前轴23.96.417659.6799313713后轴7111765172.43890329累计3700.2917422 轴载换算结果（半刚性材料层的拉应力）车型PiC2解放CA10B前轴19.418.5112240.045432536656后轴60.8511122423.007322404黄河JN150前轴491
15、8.5145027.666414699后轴101.611450510.93091022日野KB222前轴50.218.5130622.830892652后轴104.311306428.54446864太脱拉138前轴51.418.5117015.322357877后轴801317085.5638016东风KM340前轴24.618.5112540.31113589802后轴67.811125455.993174135黄河JN362前轴6318.51500229.54409675后轴127115003383.7617121日野FC164前轴23.918.517650.15066638602后轴7
16、11176549.40014514累计4833.072531综合上述计算可得出: 当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时,标准轴载P的当量作用次数N=3700.3(次/日）。 当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时，标准轴载P的当量作用次数=4833.1（次/日）。 1.1.2计算累计当量轴次 设计交通量是根据不同公路等级的设计年限、第一年双向日平均当量轴次(N1)、年平均交通量增长率、车道系数及该公路交通特点，计算的设计年限内一个方向一个车道的累计当量轴次，按公式计算： 式中： 设计年限内一个方向上一个车道的累计当量轴次（次）； t 设计年限（年）； N1 路面营运第一年双向日平均当量轴次（
17、次/日）； r 设计年限内交通量的平均年增长率(%)。根据设计规范，一级公路沥青路面的设计年限取15年，四车道的车道系数是0.4-0.5，取0.45。交通调查资料为2007年，设计年限的起算年为2010年。预计未来十年，交通量年平均增长率为 8% ， 10 年后增长率为 4% 。验算弯沉和沥青层层底拉应力的累计当量轴次从调查年2007年到设计年限的起算年2010年，有三年。 所以 因为设计年限15年内，前7年交通量年平均增长率为 8% ，后8年的交通量年平均增长率为 4% 。=6831463.5次=12090391.5次 所以设计年限15年间的累计当量轴次： =6831463.5+120903
18、91.5=18921855次 验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次从调查年2007年到设计年限的起算年2010年，有三年。 所以 因为设计年限15年内，前7年交通量年平均增长率为 8% ，后8年的交通量年平均增长率为 4% 。=8922832.6次=15797652.2次所以设计年限15年间的累计当量轴次： =8922832.6+15797652.2=24714484.8次交通等级交通等级BZZ-100KN累计标准轴次Ne(万次/车道)中型以上货车及大客车（日/辆）A特轻交通100250010000由上表格可见，属于D级重交通等级。1.1.3路面设计弯沉值的计算 高速、一级、 二级公路的路
19、面结构设计，应以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层层底拉应力(拉应变)及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。 1 轮隙中心处（A点）路表计算弯沉值小于或等于设计弯沉值，即： 2 轮隙中心（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉应力应小于或等于容许拉应力，即： 路面荷载及计算点图示设计弯沉值应根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按下公式计确定。式中： 设计弯沉值（0.01mm）； 设计年限内一个车道累计当量轴次； 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、四级公路为1.2； 面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0；热拌和冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青
20、表面处治为1.1；中、低级路面为1.2。 基层类型系数，对半刚性基层=1.0；柔性基层=1.6；对于混合式基层采用线性内插确定基层类型系数： 式中： 为半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚度（cm）；因为初拟定面层为沥青混凝土面层，基层为半刚性基层，所以： 取 ， 1.2根据路基土类与干湿类型，确定土基弹性模量 1.2.1 确定土基干湿类型 该路段地处2区， 沿线土质为粉质轻亚粘土，WL=40%， wp=18%，当地多年平均最大冻深为0.8 米 。（气象部门调查的田野冻深） 0+500 3+500 段，路槽底距地下水位 2.6 米 查路基临界高度参考值表2-2-3（道路工程），可知，路基一般处于
21、中湿状态 1.2.2 确定路基土的平均稠度 利用公路沥青路面设计规范表5.1.4-1和表5.1.4-2及附录 F论证得到各路段土的平均稠度wc值。 =1.0 1.2.3 确定土基回弹模量 根据土类和气候区以及拟定的路基土的平均稠度，可参考附录F估计路基回弹模量设计值。采用重型击实标准时，路基回弹模量设计值可较表列数值提高20%35%。 =.1.3 初拟路面结构，确定材料的参数 由1.1.2计算得设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为1891万次左右。根据规范推荐结构，并考虑到沿线可采集各种砂、石料；附近有矿渣、炉渣可利用；水泥、石灰、沥青等材料当地可供应。方案一： 路面结构面层采用沥青混凝土
22、(15cm)，基层采用水泥稳定碎石(取25cm)，底基层采用水泥石灰砂砾土(厚度待定)。规范规定一级公路的面层由二至三层组成。材料名称厚度细粒式沥青混过凝土3cm中粒式沥青混凝土5cm粗粒是沥青混凝土7cm水泥稳定碎石25cm水泥石灰砂砾土待定 方案二： 路面结构面层采用沥青混凝土（27cm),基层采用水泥稳定沙砾（待定）底基层采用级配沙砾（18cm),见下表 材料名称厚度细粒式沥青混过凝土4cm中粒式沥青混凝土8cm密级配沥青碎石15cm水泥稳定沙砾待定级配沙砾18cm 查表得到各层材料的抗压模量和劈裂强度，抗压模量取20的模量，各值均取规范给定范围的中值，因此得到20的抗压模量和各层材料的
23、劈裂强度（单位均为MPa）： 材料的抗压模量和劈裂强度材料细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土水泥稳定碎石水泥石灰砂砾土抗压模量14001200100015001000劈裂强度1.41.00.80.50.35材料密级配沥青碎石水泥稳定沙砾级配沙砾抗压模量12501300175劈裂强度0.80.5 1.4各层材料的容许层底拉应力 沥青混凝土面层、半刚性材料基层、底基层以弯拉应力为设计指标时，材料的容许拉应力应按下列公式计算：、式中： 路面结构层材料的容许拉应力(MPa); 沥青混凝土或半刚性材料的极限抗拉强度(MPa)； 抗拉强度结构系数。1 对沥青混凝土的极限抗拉强度，系指15时的
24、极限抗拉强度；对水泥稳定类材料龄期为90d的极限抗拉强度(MPa)；对二灰稳定类、石灰稳定类的材料龄期为180d的极限抗拉强度(MPa)。2 对沥青混凝土面层的抗拉强度结构系数，宜按下式计算： 对无机结合料稳定集料类： 对无机结合料稳定细粒土类： 方案一: 细粒式沥青混凝土： Ks=0.09Ne0.22/Ac=0.09189218550.2/1.0=2.57 s=s/Ks=1.4/2.57=0.55MPa 中粒式沥青混凝土: Ks=0.09Ne0.2/Ac=0.09189218550.2/1.0=2.57 s=s/Ks=1.0/2.57=0.39MPa 粗粒式沥青混凝土: Ks=0.09Ne0
25、.22/Ac=0.09189218550.2/1.0=2.57 R=s/Ks=0.8/2.57=0.31MPa水泥稳定碎石: Ks=0.35Ne0.11/Ac=0.3524714484.8 0.11/1.0=2.28 R=s/Ks=0.5/2.28=0.22MPa水泥石灰砂砾土: Ks=0.45Ne0.11/Ac=0.4524714484.8 0.11/1.0=2.93 R=s/Ks=0.35/2.93=0.12MPa设计弯沉值为21.03(0.Olmm)，相关设计资料汇总如下表:材料名称h(cm)15模量20模量劈裂强度（MPa）容许拉应力（MPa）细粒式沥青混凝土4180014001.40
26、.55中粒式沥青混凝土6160012001.00.39粗粒式沥青混凝土8120010000.80.31水泥稳定碎石2515000.50.22水泥石灰砂砾土2510000.350.12土基-40-由公路路面设计程序系统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 ( 1 )=-.181 (MPa)0.55 第 2 层底面最大拉应力 ( 2 )=-.043 (MPa)0.39 第 3 层底面最大拉应力 ( 3 )=-.035 (MPa)0.31 第 4 层底面最大拉应力 ( 4 )= .062 (MPa)0.22 第 5 层底面最大拉应力 ( 5 )= .097 (MPa)0.1
27、2负号表示沥青面层的层底均受压应力。该一级公路处季冻区，多年平均最大冻深为80cm，故尚应用HPDS2003公路路面设计程序系统验算防冻厚度是否符合要求。查道路工程（徐家钰 程家驹 编著）335页表2-3-6（最小防冻层厚度）可知中湿类路基当土质为粉质轻亚粘土，道路冻深为50100cm时，砂石类和稳定土类的最小防冻厚度取为40cm。1.5计算机运算结果如下： * 方案一 ： 新建路面设计成果文件汇总 * 轴载换算及设计弯沉值和容许拉应力计算 序号 车型名 称 前轴重(kN) 后轴重(kN) 后轴数 后轴轮组数 后轴距(m) 交通量 1 解放CA10B 19.4 60.85 1 双轮组 1224
28、 2 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组 450 3 日野KB222 50.2 104.3 1 双轮组 306 4 太脱拉138 51.4 80 2 双轮组 3 170 5 东风KM340 24.6 67.8 1 双轮组 1254 6 黄河JN362 63 127 1 双轮组 500 7 日野FC164 23.9 71 1 双轮组 765 设计年限 15 车道系数 0.45 序号 分段时间(年) 交通量年增长率 1 7 8 2 8 4 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时 : 路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 3700 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 1.892185
29、5E+07 当进行半刚性基层层底拉应力验算时 : 路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 4833 设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 2.4714484.8E+07 公路等级 一级公路 公路等级系数 1 面层类型系数 1 基层类型系数 1 路面设计弯沉值 : 21.03 (0.01mm) 层位 结 构 层 材 料 名 称 劈裂强度(MPa) 容许拉应力(MPa) 1 细粒式沥青混凝土 1.4 .55 2 中粒式沥青混凝土 1 .39 3 粗粒式沥青混凝土 .8 .31 4 水泥稳定碎石 .5 .22 5 水泥石灰砂砾土 .35 .12 新建路面结构厚度计算： 公 路 等 级 : 一级公路 新建
30、路面的层数 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 路面设计弯沉值 : 21.03 (0.01mm) 路面设计层层位 : 5 设计层最小厚度 : 15 (cm) 层位 结构层材料名称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MPa) 容许应力(MPa) (20) (15) 1 细粒式沥青混凝土 3 1400 1800 .55 2 中粒式沥青混凝土 5 1200 1600 .39 3 粗粒式沥青混凝土 7 1000 1200 .31 4 石灰土稳定碎石 25 1500 1500 .22 5 水泥石灰砂砾土 ? 1000 1000 .12 6 土基 37.7 按设计弯沉值计算设计层厚度 :
31、 LD= 21.03 (0.01mm) H( 5 )= 25 cm LS= 21.4 (0.01mm) H( 5 )= 30 cm LS= 19.5 (0.01mm) H( 5 )= 26 cm(仅考虑弯沉) 按容许拉应力验算设计层厚度 : H( 5 )= 26 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 26 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 26 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 26 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求) H( 5 )= 26 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求) 路面设计层厚度 : H( 5 )= 2
32、6 cm(仅考虑弯沉) H( 5 )= 26 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 40 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 3 cm - 中粒式沥青混凝土 5 cm - 粗粒式沥青混凝土 7 cm - 石灰土稳定碎石 25 cm - 水泥石灰砂砾土 26 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 : 5 标 准 轴 载 : BZZ-100 层位 结 构 层 材 料 名 称 厚度(cm) 抗压模量(MPa) 抗压模量(MP
33、a) 计算信息 (20) (15) 1 细粒式沥青混凝土 3 1400 2000 计算应力 2 中粒式沥青混凝土 5 1200 1600 计算应力 3 粗粒式沥青混凝土 7 1000 1200 计算应力 4 石灰土稳定碎石 25 1500 1500 计算应力 5 水泥石灰砂砾土 26 1000 1000 计算应力 6 土基 37.7 计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 21 (0.01mm) 第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 22.4 (0.01mm) 第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 24.8 (0.01mm) 第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 28.5 (0.01mm) 第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 77.9 (0.01mm) 土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 309.2 (0.01mm)(根据“基层施工规范”第88页公式) LS= 247.1