挡土墙与路基路面课程设计

路基路面课程设计

学校：长安大学兴华学院专业：土木工程-公路与桥梁姓名：学号：

联系电话：

指导老师：梅卫国老师、张铭铭老师

时间：2017/11/12

（一）挡土墙设计 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 设计任务书 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 设计说明书： ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 一. 工程概况 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 二．设计挡土墙的理由 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 5 三. 挡土墙设计计算（极限状态法） ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 四. 挡土墙排水和变形缝设置 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 （二）沥青路面设计 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 设计任务书 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 设计说明书 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 11 1. 公路概况 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 2. 轴载换算 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12 3. 沥青路面组合设计 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13 4. 路面各层材料参数确定 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14 5. 设计指标与极限标准 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14 6. 确定路面结构层 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 15 7. 方案经济技术比较 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 8. 沥青混凝土路面最终确定设计结构图示 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16 （三）普通水泥混凝土路面设计 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 设计任务书 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 18 设计说明书： --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 1. 自然状况 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 2. 路面设计 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18 3. 水泥混凝土路面结构设计图 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21

挡土墙设计

Kpa ，容许剪应力[τ]=100Kpa，容许拉应力[σwl ]=60 Kpa。

（一）挡土墙设计

设计任务书

（一）设计资料

某新建公路K2+940~K3+000路段采用浆砌片石重力式路堤墙，具体设计资料列于下： 1．路线技术标准：山岭重丘区一般二级公路，路基宽8.5m ，路面宽7.0m 。 2．车辆荷载：车辆荷载附加荷载强度按《公路路基设计规范》（JTG D30－2015）选取。 3．横断面原地面实测值及路基设计标高如表1所示。

表1 横断面原地面实测值及路基设计标高

图1 挡墙横断面布置及挡墙型式示意图

（二）设计依据和主要参考资料

设计参考：

《公路路基设计规范》（JTG D30－2015）《公路路基施工技术规范》（JTG F10－2006）

《公路挡土墙设计与施工细则》（中交第二设计院，2008）

《路基支挡工程》中相关章节的算例。

（三）具体要求

挡土墙设计包括挡土墙的平面、立面、横断面设计。设计内容和步骤如下： 1．完成挡土墙平面、立面布置

2．完成挡土墙横断面布置，并初步拟定断面尺寸（图1供参考）； 3．计算主动土压力；

4．验算挡土墙抗滑、抗倾覆稳定性； 5．验算基底应力及偏心距； 6．验算墙身截面强度；

7．进行挡土墙的伸缩缝与沉降缝设计，以及排水设施设计；

4．挡墙横断面布置及挡墙型式如图1所示（注：参考尺寸：b

h d =0.60m）。

=1.4

m ，l d =0.40m，

5．填料为砂性土，其密度γ=18KN/m3，计算内摩擦角φ=35，填料与墙背间的摩擦角δ=φ/2。

6．地基为整体性较好的石灰岩，其允许承载力[σ0]=450Kpa，基地摩擦系数为f =0.45。 7．墙身材料采用M7.5砂浆砌MU30片石，砌体γa =22KN/m3，砌体容许压应力为[σa ]=600

8．绘制挡土墙平面、立面、横断面图； 9．编写设计说明书。

占地面积，防止水流冲刷路基，整治塌方、滑坡等路基病害。而其中，挡土墙是最主要也最常见的支档构造物。本地区为山岭重丘区，地形高差起伏较大，山形较陡，大多数路基属于半填半挖式，且填方量较大，所以为了节省施工预算，减少填方量，也为了防止边坡滑动，增强边坡的稳定性，需要设置支档构造物，而挡土墙是其中最常见的一种。同时，由于设置挡土墙的缘故，减少了路基的填方量，间接减小了土压力，使路基边坡更加稳定。本次采用的挡土墙形式为浆砌片石重力式路堤墙，该类墙型主要依靠墙身自重保持稳定。它取材容易，形式简单，施工方便，适用范围广泛。本次修筑地点地基为整体性较好的石灰岩，可以为重力式挡土墙提供所需要的地基承载力。

设计参考：

《公路路基设计规范》（JTG D30－2015）《公路路基施工技术规范》（JTG F10－2006）

《公路挡土墙设计与施工细则》（中交第二设计院，2008）

（四）提交成果

提交成果（加封皮和目录，并按如下顺序）统一装订为1册，规格为A3。 1．设计说明书：内容包括工程概况、挡土墙设计依据、挡土墙设计总体思路、挡土墙技术参数、材料要求和挡土墙施工技术要求。正文4号字，仿宋体。页面横向布置，分两栏排版。

2．挡土墙的设计图：内容包括，（1）平面布置图与立面图（比例1:100），（2）横断面设计图（比例1:50）。设计图采用A3坐标纸绘制，按道路制图标准绘制边框和标题栏，并签名。

3. 挡土墙计算书：至少应对不同墙高的2个典型横断面进行验算。正文4号字，仿宋体。页面横向布置，分两栏排版。

挡土墙设计说明书：

一. 工程概况

欲为某新建公路K2+940~K3+000路段设置挡土墙，形式采用浆砌片石重力式路堤墙，该路段位于山岭重丘区，道路等级为一般二级公路，路基宽8.5m ，路面宽7.0m 。该路段地基为整体性较好的石灰岩，单轴饱和抗压强度为30~60KPa。填料为砂性土，车辆荷载附加荷载强度为公路等级一级。

《路基支挡工程》中相关章节的算例。

三. 挡土墙设计计算（极限状态法）：

设计参数：其中H =6.2m ，H 1=5.3m 墙面与墙背坡度均为1:0.25（α=14.04°）；基底倾斜度tan α0=1:5(α0=11.31︒) 基底B 1=1.3m B 2=1.3m B 3=1.65m B 4=1.55m B 5=1.60m。 1、土压力计算

查《路基支档工程》表2-5中确定，墙身高度为6.2m 的附加荷载强度为q =14. 75KN /m 2 ，则等代均布土层厚度为：

二．设计挡土墙的理由

挡土墙与抗滑桩统称为支档构造物，是用来支持路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的设施。支档构造物可用以稳定路堤和路堑边坡，减少土石方工程量和

h q

14.75

=0.82m 然后在《路基支档工程》表2-2可确定边界条件系数（破裂面交于荷载中部）为：

A 1

a =2

a +H +2h 0）(a +H )=35.959

B 12+(b +d ) h 1a =ab 0-2

H （2a +H +2h 0）tan α=12.941

其中a=1.5，b=2.5，d=0.75；破裂面倾角为：

tan θ=-tan ψ+

=0.7310

θ=36.10° 其中：ψ=ϕ+α+δ=38.46° 主动土压力系数为：

K =

cos (θ+ϕ)

sin θ+ψ(tan θ+tan α)=0.161

作用于墙背的主动土压力：

E 1a =2

γKH （H +2h 0）=70.43(KN )

土压力的水平力和竖向分力分别为：

E x =E a cos(α+δ)=70.33(KN ) E y =E a sin(α+δ)=3.71(KN )

水平土压力作用点至墙趾的力臂：

Z (H +3h 0)

X =

H 3H +2h =2.28m

0竖向力作用点至墙趾的力臂：

Z Y =B 4-Z X tan α=2.12m

2. 挡土墙自重及力臂计算

将挡土墙截面划分为三部分，截面各部分对应的墙体重力及对墙趾（O 1 ）的力臂：

G 1=γa B 1H 1=151.58KN

Z 1=0.3+0.5⨯0.25+(5.3⨯0.25+1.3)/2=1.7375

G 2=22⨯1.65⨯0.5=18.15KN

Z 2=0.5⨯0.25/2+1.65/2=0.8875

G 1

3=22⨯1.65⨯0.4⨯2

=7.26KN Z 2

⨯(1.6+1.55)=2.1m 墙体总重及对墙趾（O 1 ）的力臂：

G =G 1+G 2+G 3=176.99KN

Z G =(G 1Z 1+G 2Z 2+G 3Z 3)/G =1.67m

3. 抗滑稳定性验算

3-1沿基底平面滑动的稳定性验算

3-1-1抗滑稳定方程滑动稳定应满足下式要求：

⎡⎣1.1G +γQ 1(E y +E x tan α0)⎤⎦

μ+(1.1G +γQ 1E y ) tan α0-γQ 1E y >0 由于土压力的作用效应增大对挡土墙结构起不利作用。故γQ 1=1.4, 则有：

⎡⎣1.1⨯176.99+1.4⨯(3.71+70.33⨯0.2)⎤⎦⨯0.45+(1.1⨯176.99+1.4⨯3.71)⨯0.2-1.4⨯70.33=40.32KN>0

3-1-2抗滑稳定系数

∑N =G +E

=176.99+3.71=180.7KN

K x

=(∑N +E tan α)μE x

-N tan α

=2.56>1.3

抗滑稳定性满足要求。

3-2沿过墙踵水平面滑动的稳定性验算

计入倾斜基底与水平滑动面之间的土楔的重力∆G :

∆G =1

⨯1.55⨯0.4⨯18=5.58KN

3-2-1滑动稳定方程

(1.1G +γ

Q 1

E y )μn -γQ 1E x =66.35KN >0

3-2-2抗滑稳定系数

K C

(∑N +∆G )μn E =2.08>1.3

沿过墙踵水平面的抗滑稳定性满足要求。 4. 倾覆稳定验算

4-1倾覆稳定方程

倾覆稳定应满足下式要求：

0.8GZ G +γQ 1(E y Z y -E x Z x )>0

=22.98(KN ⋅m )>0

4-2抗倾覆稳定系数

K y Z y

GZ G +E E 1.5

x Z =1.89>x

抗倾覆性稳定性满足要求。 5偏心距及地基承载力验算

5-1荷载效应标准组合

查下表确定荷载综合效应组合系数ψZL =1.0。

作用于基底中心处的力矩组合：

M ⎛⎝Z B ⎫⎛B ⎫⎛

0.3⎫d =G ⨯ G -42⎪⎭+E y ⎝Z y -42⎪⎭

-E x ⎝Z x -2⎪⎭=-7.50(KN ⋅m )作用于倾斜基底的轴向力组合

N d =(G +E y )cos α0+E x sin α0=191.10KN

5-2合力偏心距验算

对于倾斜基底，其合力偏心距为：

e 0=

M d N =0.04m

5=0.27m d 6

合力偏心距满足要求。

5-3基底应力验算

基础埋深（算至墙趾点）为：

h D =0.8+0.5=1.30m >1.0m

竖向土压力的作用点至I-I 截面趾点（O ' ）的力臂：

Z 1y =B s -Z 1x tan α=1.80m

因h D

于荷载组合Ⅱ，地基承载力特征值提高系数K=1.0，因此，f ' a =f a =400kpa 。基底应力由下式求得：

σmax =

N d ⎛ 1+6e 0⎫B 5

⎝

B ⎪=137.93KPa

⎛6e 0B 1-⎫

⎝

B ⎪=101.52KPa >0⎭ 5基底应力满足要求：

6墙身截面验算

取基顶截面（即Ⅰ-Ⅰ截面）为验算截面

6-1土压力计算

由前面的主动土压力计算结果可知:K =0.161，h 0=0.82m Ⅰ-Ⅰ截面宽度B s =B 2=1.30m ，Ⅰ-Ⅰ截面计算墙高为H 1=5.3m 土压力为：

E 1

1=2

γH 1K （H 1+2h 0）=53.30KN

土压力的水平力和竖向分力分别为：

E 1x =E 1cos(α+δ) =53.27KN

E 1y =E 1sin(α+δ) =2.80KN

水平土压力的作用点至Ⅰ-Ⅰ截面趾点（O ' ）的力臂：

Z H 1(H 1+3h 0)

1x =

3H =1.98m

1+2h 06-2合力偏心距验算

作用于Ⅰ-Ⅰ截面的轴向力的合力：

N k =G 1+E 1y =154.38KN

墙身自重G 1对Ⅰ-Ⅰ截面趾点（O ' ）的力臂：

Z B s +H 1tan α)s =

=1.31m

作用于Ⅰ-Ⅰ截面形心总力矩：

M ⎛B ⎫⎝2⎪⎭+E ⎛

B ⎫k =G 1 Z s -0.3-s 1y ⎝

Z 1y -s 2⎪⎭-E 1x Z 1x =-2.27KN ⋅m

截面上的轴向力合力偏心距：

e ' 0=

M k

N =-0.015m k

由下表可知圬工结构合力偏心距容许限值为：

⎡⎣e ' 0⎤⎦=0.25B s =0.25⨯1.3=0.325m

因e ' 0

6-3截面强度验算

挡土墙墙身受压时截面强度应满足下式要求：

γAR a

0N d ≤

a k γ

查下表1可知，结构重要性系数γ0=1. 05，表2可知材料抗力分项系数γf =2. 31。

6-4截面稳定性验算

挡土墙墙身偏心受压时，稳定性应满足下式要求：

γ0N d ≤

ψk a k AR a

γf

表1结构重要性系数γ0

βs =2H /B s =2⨯5.3/1.3=8.15 ψk =

2' ⎡⎛e 0⎫⎤

1+a s βs (βs -3)⎢1+16 ⎪⎥

⎢⎝B s ⎭⎥⎣⎦

=0.92

表2圬工构件或材料的抗力分项系数

e ' 08

1-256()

B s

a k ==0.86

e ' 02

1+12()

B s

其中，由下表可知a s =0.002 。

则

ψk a k AR a

=267.16KN γf

因

A =1⨯B s =1.3m 2

γ0N d =1.05⨯187.09=196.44KN

则

a k AR a

故：截面稳定性满足要求。

γf

=290.39KN

作用于Ⅰ-Ⅰ截面的轴向力组合设计值为：

N d =ψZL (γG G 1+γQ 1E y )=187.09KN

四. 挡土墙排水和变形缝设置

为防止地表水渗入墙背填料或地基，因此设立地面排水沟。

为防止因地基不均匀沉陷而引起堵身开裂，根据地基地质条件及墙高、墙身断面的变化情况，设置沉降缝。同时，为了减少圬工砌体因硬化收缩和温度变化作用而产生裂缝，须设置伸缩缝。

其中根据《路基支档工程》表3-4荷载的综合效应组合系数取综合效应系数ψZL =1. 0, 并按照表3-3承载能力极限状态荷载分项系数取荷载分项系数γG =1. 2, γQ 1=1. 4。

因γ0N d =212.46KN

故截面强度满足要求。

沥青路面设计

《二级自然区划各土组土基回弹模量参考值》

（二）沥青路面设计设计任务书

请你为某新建公路进行沥青路面结构设计。

《路基路面工程》，沙爱民主编，2011.01

3. 设计内容

（1）根据自然区划、路基土类型和地下水位高度，确定土基回弹模量值；（2）计算设计年限内一个车道的累积当量轴次和设计弯沉值；（3）根据设计资料，确定合适的面层类型（包括面层材料级配类型）；

（4）拟定2 种可能的路面结构组合与厚度方案，确定各结构层材料的计算参数；（5）根据《公路沥青路面设计规范》验算拟定的路面结构。

1. 新建公路概况

（1）新建公路的所处地理位置可自选为你熟悉的地区，调查当地地质水文条件，选定设计需要参数；

（2）新建公路等级请结合选定地区公路建设需求设计为高速、一级或二级公路，并根据确定的公路等级，参考表1提供的车型技术参数，拟定初期交通量（XXX 辆/日）及交通组成（参照表2），交通量年平均增长率为前5年8%、5年以后6%。

（3）沿线自然地理条件、筑路材料状况通过调查确定。

4. 设计要求

（1）结合设计规范要求、国外的路面结构、国内的路面结构、选定地区常用路面结构组合型式，进行路面结构组合设计，要求拟定至少2种方案，论证方案的可行性，并对2种方案进行经济技术比较（仅考虑初期修建费用），确定最终方案。（2）设计成果包括设计说明书和路面结构图。

设计说明书

1. 公路概况 1-1自然地理条件

新建二级沥青路面位于陕西省西安市，为双向四车道。建成后会成为连接西安与户县的重要道路，

2. 设计依据

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006、2017）（恰逢规范改版）

该地区自然区划为Ⅲ4 区，位于关中平原中部，南依秦岭，北临渭河，本区属于大陆温带半湿润季风气候区。年降水量528.3～716.5毫米，由北向南递增。7月、9月为两个明显降水高峰。地下水位高度为20m 左右，对于道路施工基本没有影响。气候冷暖干湿四季分明。冬季寒冷、风小、多雾、少雨雪；春季温暖、干燥、多风、气候多变；夏季炎热多雨，伏旱突出，多雷雨大风；秋季凉爽，气温速降，秋淋明显。年平均气温13.1～14.3℃，最冷1月平均气温-1.2～0.5℃，最热7月平均气温26.5～27.0℃，年极端最低气温-21.2℃（蓝田1991年12月28日），年极端最高气温43.4℃（长安1966年6月19日）。沿线水泥、沙石、石灰等材料供应充足。该地区土基类型为低液限粘土，干湿类型为中湿。土基回弹模量调查得知为45Mpa 。

1-2交通量及交通组成

2-1累计标准当量轴次

设计年限内一个车道通过的累计标准当量轴次Ne 按照下式计算：

⎡(1+γ)t -1⎤⨯365

N e=N ⋅η

2. 轴载换算

以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时，按下式完成轴载当量换算：

N =∑

i =1K

⎛p ⎫

c 1c 2n i i ⎪

⎝p ⎭

4.35

N e -设计年限内一个车道的累计当量轴次（次/车道）； t -设计年限（年），二级公路设计年限为12年； N -运营第一年双向日平均当量轴次（次/d）； η-车道系数（见下表），双向四车道取0.5； γ-设计年限内交通量的平均增长率（%）；

N —标准轴载的当量轴次（次 /日）；

； n i -被换算的车型的各级轴载作用次数（次/d）

P -标准轴载（kN ）；

； P I -被换算车型的各级轴载（kN ）

车道系数

c 1-被换算车型的轴数系数；

c 2-被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0.38；

K -被换算车型的轴载级别

各级公路沥青路面设计年限

设计年限累计当量标准轴次为：

⎡(1+γ)t -1⎤⨯365

N e = N ⋅η

3. 沥青路面组合设计

参考本地区部分一、二级公路沥青路面结构形式见下表：

前5年的累计当量标准轴次：

⎡(1+γ)t -1⎤⨯365

⎦N 1= ⎣N ⋅η

后7年的累计当量标准轴次:

N 1=4520239.80

⎡(1+γ)-1⎤⨯365

⎦N 2 = ⎣N ⋅η

N 2=1140343.04

Ne =N 1+N 2=5660582.84=5.7⨯106

2-2交通等级分析

路面结构在设计年限内承担交通荷载的繁重程度以及交通等级来划分。我国沥青路面按承担交通荷载的轻重程度划分为轻交通、中等交通、重交通和特重交通四级。路面结构选型、结构组合设计、结构层位的确定、路面材料的选定都应充分考虑沥青路面的交通等级。由下表可知，本设计路面为中等交通路面。

沥青路面交通等级

由上表可见本地区二级公路沥青路面的一般结构组成为：细粒式密级配沥青混凝土表面层+中粒式密级配沥青混凝土下面层+水泥稳定碎石或二灰稳定碎石+二灰稳定土。则初步拟定：

方案一：4cm 细粒式密级配沥青混凝土表面层+8cm中粒式沥青混凝土+30cm水泥稳定碎石+石灰土基层

方案二：4cm 细粒式密级配沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+20cm二灰碎石（8:17:80）+石灰土基层

4. 路面各层材料参数确定

根据《公路沥青路面设计规范》和《路基路面工程》得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。各值均取规范给定中值，该公路自然区划为Ⅲ4区，土基干湿类型为中湿的粘性土。结果如下表：

方案一：

方案二：

5. 设计指标与极限标准

5-1. 设计弯沉值和容许拉应力计算

路面设计弯沉值由下式计算：

l d =600⨯N -0.2e A c A s A b

式中：l d -设计弯沉值，0.01mm;

N e - 设计年限内一个车道累计当量轴次，次;

A c - 公路等级系数，二级公路为1.1;

A s - 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、沥青表面

处治为1.1;

A b - 路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0

通过公路路面设计程序系统Hpds-2011的计算结果得：

方案一：路面设计弯沉值 :l d = 29.4 (0.01mm) 方案二：路面设计弯沉值 :l d = 29.4 (0.01mm)

材料的容许拉应力σR 按下式计算：

σσS

R =

式中：σR - 路面结构层材料的容许拉应力，MPa ；

σs - 沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度，MPa ；

K s - 抗拉强度结构系数。

通过公路路面设计程序系统Hpds-2011的计算结果得：

方案一：

方案二：

5-2. 计算设计层厚度

方案一：按设计弯沉值计算设计层厚度 :

LD= 29.4 (0.01mm)

H( 4 )= 200 mm LS= 29.7 (0.01mm) H( 4 )= 250 mm LS= 27 (0.01mm) H( 4 )= 205 mm(仅考虑弯沉)

按容许拉应力计算设计层厚度 :

H( 4 )= 205 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 205 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 205 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 4 )= 205 mm σ( 4 )= .097 MPa H( 4 )= 255 mm σ( 4 )= .085 MPa

H( 4 )= 232 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求)

路面设计层厚度 :

H( 4 )= 205 mm(仅考虑弯沉)

H( 4 )= 232 mm(同时考虑弯沉和拉应力) 则向上取整得H （4）=240mm

方案二：按设计弯沉值计算设计层厚度 :

LD= 29.4 (0.01mm)

H( 5 )= 200 mm LS= 29.6 (0.01mm) H( 5 )= 250 mm LS= 27 (0.01mm)

H( 5 )= 203 mm(仅考虑弯沉)

按容许拉应力计算设计层厚度 :

H( 5 )= 203 mm(第 1 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 203 mm(第 2 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 203 mm(第 3 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 203 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求) H( 5 )= 203 mm(第 5 层底面拉应力计算满足要求)

路面设计层厚度 :

H( 5 )= 203 mm(仅考虑弯沉)

H( 5 )= 203 mm(同时考虑弯沉和拉应力) 则向上取整得H （5）=210mm

5-3验算路面防冻厚度 :

最小防冻厚度见下表：

查表可得本地区路面最小防冻厚度为350-400mm ，取最大值400 mm。

方案一：沥青面层厚度为120mm ，路面结构总厚度为560mm 。方案二：沥青面层厚度为150mm ，路面结构总厚度为540mm 。

验算结果表明 , 两方案路面总厚度均满足防冻要求。

6. 确定路面结构层

确定的两种新建沥青路面设计方案为下表所示：

8. 沥青混凝土路面最终确定设计结构图示

7. 方案经济技术比较

查询《07部颁预算定额》与《11部颁估算预算》中的具体条目对两种方案进行经济技术比较（仅考虑初期修建费用），得出两种方案的单位工程预算如下：方案一：

细粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.04+中粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.08+水泥稳定碎石×0.2+石灰土×0.24

=630022×0.04+596202×0.08+936×0.2+455×0.24=73193.44 方案二：

细粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.03+中粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.05+粗粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.07+石灰粉煤灰碎石×0.18+石灰土×0.21

=630022×0.03+596202×0.05+566643×0.07+672×0.18+455×0.21=88592.28

则可得出：方案一更经济。

混凝土路面设计

（三）普通水泥混凝土路面设计设计任务书

1. 设计资料

山西地区拟新建一条一级公路，采用普通混凝土路面，路面宽16m （双向四车道），经交通调查与预测知设计车道使用初期标准轴载日作用次数为2800，交通量年增长率取5.5%。试设计该路面厚度。

可参考下列条件进行设计：

平面尺寸设计：板长5m ，板宽4.5m ；

接缝设计：纵缝采用设拉杆平缝，横缝采用不设传力杆的假缝；

设计说明书：

1. 自然状况

山西地区位于我国公路自然区划的黄土高原干湿过渡区，冬季寒冷干燥, 时空温差悬殊, 北部地区土壤封冻时间长, 冻土层厚, 南部地区、特别是川谷地带封冻时间较短、冻土层薄, 部分地区最大冻深可达1.92m （大同、右玉、偏关一带）。夏季降雨集中, 春季较为短促，全省各地年降水量介于358—621毫米之间。在地理分布上表现为从东南向西北递减。该省的地下水位的分布差异较大, 几块盆地的地下水位大部分在1.0～7.0米, 极个别地方小于1.0米, 山区的地下水分布较深, 对公路建设几乎没有影响。土基干湿类型地区差异较大。该省土质差异不大, 土壤从南到北粘粒成份逐渐减少, 砂砾成份逐渐增多, 土壤的液限和塑性指数逐渐减少。土组从粉质亚砂土逐渐过渡到亚砂土。

2. 设计依据

（1）《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40－2011）（2）《路基路面工程》，沙爱民主编，2011.01

2. 路面设计

路面设计参考《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）中混凝土板厚度计算流程表的步骤计算。设计依据：

3. 设计内容

（1）交通分析；

（2）拟定路面结构，确定材料参数；（3）计算并验算路面结构（要求必须手算）；（4）绘制路面结构图及水泥混凝土路面平面布置图；（5）编写设计说明书。

《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40－2011）《路基路面工程》，沙爱民主编，2011.01

✷ 数据采用：由于道路具体位置未知，数据采用时均采用数据范围中值。

2-1. 交通分析

新建一级普通混凝土路面设计基准期为30年，安全等级参考教材表15-3为二级，目标可靠度为90%，目标可靠指标为1.28，变异水平等级为低至中，本次设计采用中水平等级。公路自然区划

4. 设计要求

（1）采用《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）进行设计。（2）要求采用手算方式。

（3）设计成果应包括设计说明书、路面结构图和水泥混凝土路面平面布置图。

为Ⅲ级，车辆轮迹横向分布系数由下表可知为0.19，交通量增长率已知为5.5%。

车辆轮迹横向分布系数

计算设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数：

N s ⎡(1+g r )-1⎤⨯365⎣⎦N e =η

g r

参考《路基路面工程-2011（沙爱民）》中：

计算可得：

N e =14065521.11=1.4⨯107=1.4⨯103(104)

表15-16水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值

表15-17中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围表15-18垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围

得到相应弯拉弹性模量标准值为31GPa 。路基回弹模量取45MPa ，水泥稳定粒料基层回弹模量取1500MPa ，低剂量无极结合料稳定土垫层回弹模量取600MPa 。

按公式15-34~公式15-39计算基层顶面当量回弹模量如下：

h 12E 1+h 2E 2

E X ==1214MP a 22

h 1+h 2

(h +h )⎛1+1⎫=3.92MP a E 1h 13+E 2h 2

D X =+12 ⎪

124⎝E 1h 1E 2h 2⎭

-1

参考下表混凝土路面交通分级可知该路面交通等级为重交通。

交通分级

2-2初拟路面结构

参考：

《路基路面工程-2011（沙爱民）》中：

⎛12D x ⎫

h x = ⎪=0.338m

⎝E x ⎭

-0.45

⎡⎛E x ⎫⎤

a =6.22⎢1-1.51 ⎪⎥=4.09

⎢⎝E 0⎭⎥⎣⎦

表15-9水泥混凝土路面最小防冻厚度；表15-11水泥混凝土面层厚度的参考范围；表15-13适宜各交通等级的基层类型；表15-14各类基层厚度的适宜范围；

初步拟定路面结构为：面层为240mm 普通混凝土，基层为220mm 水泥稳定粒料（水泥用量5%），垫层为150mm 低剂量无机结合料稳定土. 普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m ，长5.0m 。纵缝采用设拉杆平缝，横缝采用不设传力杆的假缝。

⎛E ⎫

b =1-1.44 x ⎪

⎝E 0⎭

-0.55

=0.765

⎛E ⎫b

E t =ah x E 0 x ⎪=241MP a

⎝E 0⎭

上述式中：

E t - 基层顶面的当量回弹模量，MPa ； E 0- 路床顶面的回弹模量，MPa ；

E X - 基层和底基层或垫层的当量回弹模量，MPa ； E 1、E 2- 基层和底基层或垫层的回弹模量，MPa ；

2-3 路面材料参数确定

按下表，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值f r =5.0MPa 。

h x - 基层和底基层或垫层的当量厚度，m ；

D x - 基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度，MN ⋅m ；

h 1、h 2- 基层和底基层或垫层的厚度，m ；

a 、b - 与E x /E 0 有关的回归系数；

σpr =k r k f k c σps

σpr - 标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力，MPa ； σps - 标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力，MPa ；

k r - 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时，k r =0.87 0.92（刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值）；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时，k r =1.0；纵缝为设拉杆的企口缝时，k r =0.76 0.84；

2-4荷载疲劳计算

标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力按下式计算：

普通混凝土面层的相对刚度半径计算：

⎛E ⎫

r =0.537h c ⎪=0.651m

⎝E t ⎭

标准轴载在四边自由板理解荷位处产生的荷载应力计算： 13

k f -考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；

k c -考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数；按公路等级查下表确定。

综合系数k c

标准荷载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力计算为：

σps =0.077r 0.60h -2=1.033MPa

两式中：

σps - 标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力，MPa ；

r - 混凝土板的相对刚度半径，m ； h - 混凝土板的厚度，m ；

σpr =k r k f k c σps =2.97MPa

E c -水泥混凝土的弯拉弹性模量，MPa ；

2-5温度疲劳应力

综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数B L 按下式计算：

=2.56 3r

sinh t cos t +cosh t sin t C L =1-=0.840

cos t sin t +sinh t cosh t

t =

E t - 基层顶面当量回弹模量，MPa ；

设计基准期内的荷载疲劳应力系数计算：

k f =N e =2.556

式中：

B L =1.77e -4.48h c C L -0.131(1-C L )=0.486

式中:

k f - 设计基准期内的荷载疲劳应力系数；

N e - 设计基准期内标准轴载累计作用次数；

C L - 混凝土面层板的温度翘曲应力系数；

L - 面层板的横缝间距，即板长（m ）；

； r - 面层板的相对刚度半径（m ）

最大温度梯度时混凝土面层板最大温度应力计算：

ν- 与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，ν=0.057；碾压混凝土和贫混凝

土ν=0.065；

标准荷载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力计算为：

σc E c hT g

t ,max =

α2

B L =1.850MPa

σt ,max - 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力，MPa ；

αc - 混凝土的线膨胀系数，查下表确定为11⨯10-6/℃。

T g - 最大温度梯度，查下表确定；

B L - 综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数。

温度疲劳应力系数计算：

k f b t

r ⎡t =σ⎢⎛σt ,max ⎫

⎤⎢a t ⎣⎝f ⎪-c t ⎥⎥=0.490 t ,max r ⎭⎦

式中：

a t 、b t 和c t ---回归系数，按所在地区的公路自然区划查下表确定。

回归系数a t 、b t 和c t

温度疲劳应力计算：

σtr =k t σt ,max =0.907MP a

式中：

σtr - 临界荷位处的温度疲劳应力，MPa ；

σt ,max - 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力，MPa ；

k t - 考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。

参考《路基路面工程2011（沙爱民）》中：

表15-3可靠度设计标准；表15-5可靠度系数；

得出一级公路的安全等级为二级，，相对应的变异水平等级采用之前采用的中级，目标可靠度为90%，从而确定可靠度系数取中值γr =1.19。

2-6 水泥混凝土路面结构设计极限状态计算

γr (σpr +σtr )=1.19⨯(2.97+0.907)=4.613MP a ≤f r =5.0M pa

式中：

γr - 可靠度系数；

σpr

- 行车荷载疲劳应力，MPa ；

σtr - 温度梯度疲劳应力，MPa ；

f r - 水泥混凝土弯拉强度标准值，MPa 。

所以，所选择水泥混凝土面层厚度（0.24m ）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

3. 水泥混凝土路面结构设计图

最终设计普通混凝土路面结构设计见下页图：

路基路面课程设计

学校：长安大学兴华学院专业：土木工程-公路与桥梁姓名：学号：

联系电话：

指导老师：梅卫国老师、张铭铭老师

时间：2017/11/12

挡土墙设计

Kpa ，容许剪应力[τ]=100Kpa，容许拉应力[σwl ]=60 Kpa。

（一）挡土墙设计

设计任务书

（一）设计资料

表1 横断面原地面实测值及路基设计标高

图1 挡墙横断面布置及挡墙型式示意图

（二）设计依据和主要参考资料

设计参考：

《公路路基设计规范》（JTG D30－2015）《公路路基施工技术规范》（JTG F10－2006）

《公路挡土墙设计与施工细则》（中交第二设计院，2008）

《路基支挡工程》中相关章节的算例。

（三）具体要求

挡土墙设计包括挡土墙的平面、立面、横断面设计。设计内容和步骤如下： 1．完成挡土墙平面、立面布置

2．完成挡土墙横断面布置，并初步拟定断面尺寸（图1供参考）； 3．计算主动土压力；

4．验算挡土墙抗滑、抗倾覆稳定性； 5．验算基底应力及偏心距； 6．验算墙身截面强度；

7．进行挡土墙的伸缩缝与沉降缝设计，以及排水设施设计；

4．挡墙横断面布置及挡墙型式如图1所示（注：参考尺寸：b

h d =0.60m）。

=1.4

m ，l d =0.40m，

5．填料为砂性土，其密度γ=18KN/m3，计算内摩擦角φ=35，填料与墙背间的摩擦角δ=φ/2。

8．绘制挡土墙平面、立面、横断面图； 9．编写设计说明书。

设计参考：

《公路路基设计规范》（JTG D30－2015）《公路路基施工技术规范》（JTG F10－2006）

《公路挡土墙设计与施工细则》（中交第二设计院，2008）

（四）提交成果

3. 挡土墙计算书：至少应对不同墙高的2个典型横断面进行验算。正文4号字，仿宋体。页面横向布置，分两栏排版。

挡土墙设计说明书：

一. 工程概况

《路基支挡工程》中相关章节的算例。

三. 挡土墙设计计算（极限状态法）：

查《路基支档工程》表2-5中确定，墙身高度为6.2m 的附加荷载强度为q =14. 75KN /m 2 ，则等代均布土层厚度为：

二．设计挡土墙的理由

h q

14.75

=0.82m 然后在《路基支档工程》表2-2可确定边界条件系数（破裂面交于荷载中部）为：

A 1

a =2

a +H +2h 0）(a +H )=35.959

B 12+(b +d ) h 1a =ab 0-2

H （2a +H +2h 0）tan α=12.941

其中a=1.5，b=2.5，d=0.75；破裂面倾角为：

tan θ=-tan ψ+

=0.7310

θ=36.10° 其中：ψ=ϕ+α+δ=38.46° 主动土压力系数为：

K =

cos (θ+ϕ)

sin θ+ψ(tan θ+tan α)=0.161

作用于墙背的主动土压力：

E 1a =2

γKH （H +2h 0）=70.43(KN )

土压力的水平力和竖向分力分别为：

E x =E a cos(α+δ)=70.33(KN ) E y =E a sin(α+δ)=3.71(KN )

水平土压力作用点至墙趾的力臂：

Z (H +3h 0)

X =

H 3H +2h =2.28m

0竖向力作用点至墙趾的力臂：

Z Y =B 4-Z X tan α=2.12m

2. 挡土墙自重及力臂计算

将挡土墙截面划分为三部分，截面各部分对应的墙体重力及对墙趾（O 1 ）的力臂：

G 1=γa B 1H 1=151.58KN

Z 1=0.3+0.5⨯0.25+(5.3⨯0.25+1.3)/2=1.7375

G 2=22⨯1.65⨯0.5=18.15KN

Z 2=0.5⨯0.25/2+1.65/2=0.8875

G 1

3=22⨯1.65⨯0.4⨯2

=7.26KN Z 2

⨯(1.6+1.55)=2.1m 墙体总重及对墙趾（O 1 ）的力臂：

G =G 1+G 2+G 3=176.99KN

Z G =(G 1Z 1+G 2Z 2+G 3Z 3)/G =1.67m

3. 抗滑稳定性验算

3-1沿基底平面滑动的稳定性验算

3-1-1抗滑稳定方程滑动稳定应满足下式要求：

⎡⎣1.1G +γQ 1(E y +E x tan α0)⎤⎦

μ+(1.1G +γQ 1E y ) tan α0-γQ 1E y >0 由于土压力的作用效应增大对挡土墙结构起不利作用。故γQ 1=1.4, 则有：

⎡⎣1.1⨯176.99+1.4⨯(3.71+70.33⨯0.2)⎤⎦⨯0.45+(1.1⨯176.99+1.4⨯3.71)⨯0.2-1.4⨯70.33=40.32KN>0

3-1-2抗滑稳定系数

∑N =G +E

=176.99+3.71=180.7KN

K x

=(∑N +E tan α)μE x

-N tan α

=2.56>1.3

抗滑稳定性满足要求。

3-2沿过墙踵水平面滑动的稳定性验算

计入倾斜基底与水平滑动面之间的土楔的重力∆G :

∆G =1

⨯1.55⨯0.4⨯18=5.58KN

3-2-1滑动稳定方程

(1.1G +γ

Q 1

E y )μn -γQ 1E x =66.35KN >0

3-2-2抗滑稳定系数

K C

(∑N +∆G )μn E =2.08>1.3

沿过墙踵水平面的抗滑稳定性满足要求。 4. 倾覆稳定验算

4-1倾覆稳定方程

倾覆稳定应满足下式要求：

0.8GZ G +γQ 1(E y Z y -E x Z x )>0

=22.98(KN ⋅m )>0

4-2抗倾覆稳定系数

K y Z y

GZ G +E E 1.5

x Z =1.89>x

抗倾覆性稳定性满足要求。 5偏心距及地基承载力验算

5-1荷载效应标准组合

查下表确定荷载综合效应组合系数ψZL =1.0。

作用于基底中心处的力矩组合：

M ⎛⎝Z B ⎫⎛B ⎫⎛

0.3⎫d =G ⨯ G -42⎪⎭+E y ⎝Z y -42⎪⎭

-E x ⎝Z x -2⎪⎭=-7.50(KN ⋅m )作用于倾斜基底的轴向力组合

N d =(G +E y )cos α0+E x sin α0=191.10KN

5-2合力偏心距验算

对于倾斜基底，其合力偏心距为：

e 0=

M d N =0.04m

5=0.27m d 6

合力偏心距满足要求。

5-3基底应力验算

基础埋深（算至墙趾点）为：

h D =0.8+0.5=1.30m >1.0m

竖向土压力的作用点至I-I 截面趾点（O ' ）的力臂：

Z 1y =B s -Z 1x tan α=1.80m

因h D

于荷载组合Ⅱ，地基承载力特征值提高系数K=1.0，因此，f ' a =f a =400kpa 。基底应力由下式求得：

σmax =

N d ⎛ 1+6e 0⎫B 5

⎝

B ⎪=137.93KPa

⎛6e 0B 1-⎫

⎝

B ⎪=101.52KPa >0⎭ 5基底应力满足要求：

6墙身截面验算

取基顶截面（即Ⅰ-Ⅰ截面）为验算截面

6-1土压力计算

由前面的主动土压力计算结果可知:K =0.161，h 0=0.82m Ⅰ-Ⅰ截面宽度B s =B 2=1.30m ，Ⅰ-Ⅰ截面计算墙高为H 1=5.3m 土压力为：

E 1

1=2

γH 1K （H 1+2h 0）=53.30KN

土压力的水平力和竖向分力分别为：

E 1x =E 1cos(α+δ) =53.27KN

E 1y =E 1sin(α+δ) =2.80KN

水平土压力的作用点至Ⅰ-Ⅰ截面趾点（O ' ）的力臂：

Z H 1(H 1+3h 0)

1x =

3H =1.98m

1+2h 06-2合力偏心距验算

作用于Ⅰ-Ⅰ截面的轴向力的合力：

N k =G 1+E 1y =154.38KN

墙身自重G 1对Ⅰ-Ⅰ截面趾点（O ' ）的力臂：

Z B s +H 1tan α)s =

=1.31m

作用于Ⅰ-Ⅰ截面形心总力矩：

M ⎛B ⎫⎝2⎪⎭+E ⎛

B ⎫k =G 1 Z s -0.3-s 1y ⎝

Z 1y -s 2⎪⎭-E 1x Z 1x =-2.27KN ⋅m

截面上的轴向力合力偏心距：

e ' 0=

M k

N =-0.015m k

由下表可知圬工结构合力偏心距容许限值为：

⎡⎣e ' 0⎤⎦=0.25B s =0.25⨯1.3=0.325m

因e ' 0

6-3截面强度验算

挡土墙墙身受压时截面强度应满足下式要求：

γAR a

0N d ≤

a k γ

查下表1可知，结构重要性系数γ0=1. 05，表2可知材料抗力分项系数γf =2. 31。

6-4截面稳定性验算

挡土墙墙身偏心受压时，稳定性应满足下式要求：

γ0N d ≤

ψk a k AR a

γf

表1结构重要性系数γ0

βs =2H /B s =2⨯5.3/1.3=8.15 ψk =

2' ⎡⎛e 0⎫⎤

1+a s βs (βs -3)⎢1+16 ⎪⎥

⎢⎝B s ⎭⎥⎣⎦

=0.92

表2圬工构件或材料的抗力分项系数

e ' 08

1-256()

B s

a k ==0.86

e ' 02

1+12()

B s

其中，由下表可知a s =0.002 。

则

ψk a k AR a

=267.16KN γf

因

A =1⨯B s =1.3m 2

γ0N d =1.05⨯187.09=196.44KN

则

a k AR a

故：截面稳定性满足要求。

γf

=290.39KN

作用于Ⅰ-Ⅰ截面的轴向力组合设计值为：

N d =ψZL (γG G 1+γQ 1E y )=187.09KN

四. 挡土墙排水和变形缝设置

为防止地表水渗入墙背填料或地基，因此设立地面排水沟。

因γ0N d =212.46KN

故截面强度满足要求。

沥青路面设计

《二级自然区划各土组土基回弹模量参考值》

（二）沥青路面设计设计任务书

请你为某新建公路进行沥青路面结构设计。

《路基路面工程》，沙爱民主编，2011.01

3. 设计内容

（4）拟定2 种可能的路面结构组合与厚度方案，确定各结构层材料的计算参数；（5）根据《公路沥青路面设计规范》验算拟定的路面结构。

1. 新建公路概况

（1）新建公路的所处地理位置可自选为你熟悉的地区，调查当地地质水文条件，选定设计需要参数；

（3）沿线自然地理条件、筑路材料状况通过调查确定。

4. 设计要求

设计说明书

1. 公路概况 1-1自然地理条件

新建二级沥青路面位于陕西省西安市，为双向四车道。建成后会成为连接西安与户县的重要道路，

2. 设计依据

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006、2017）（恰逢规范改版）

1-2交通量及交通组成

2-1累计标准当量轴次

设计年限内一个车道通过的累计标准当量轴次Ne 按照下式计算：

⎡(1+γ)t -1⎤⨯365

N e=N ⋅η

2. 轴载换算

以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时，按下式完成轴载当量换算：

N =∑

i =1K

⎛p ⎫

c 1c 2n i i ⎪

⎝p ⎭

4.35

N —标准轴载的当量轴次（次 /日）；

； n i -被换算的车型的各级轴载作用次数（次/d）

P -标准轴载（kN ）；

； P I -被换算车型的各级轴载（kN ）

车道系数

c 1-被换算车型的轴数系数；

c 2-被换算车型的轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4，四轮组为0.38；

K -被换算车型的轴载级别

各级公路沥青路面设计年限

设计年限累计当量标准轴次为：

⎡(1+γ)t -1⎤⨯365

N e = N ⋅η

3. 沥青路面组合设计

参考本地区部分一、二级公路沥青路面结构形式见下表：

前5年的累计当量标准轴次：

⎡(1+γ)t -1⎤⨯365

⎦N 1= ⎣N ⋅η

后7年的累计当量标准轴次:

N 1=4520239.80

⎡(1+γ)-1⎤⨯365

⎦N 2 = ⎣N ⋅η

N 2=1140343.04

Ne =N 1+N 2=5660582.84=5.7⨯106

2-2交通等级分析

沥青路面交通等级

方案一：4cm 细粒式密级配沥青混凝土表面层+8cm中粒式沥青混凝土+30cm水泥稳定碎石+石灰土基层

方案二：4cm 细粒式密级配沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+20cm二灰碎石（8:17:80）+石灰土基层

4. 路面各层材料参数确定

方案一：

方案二：

5. 设计指标与极限标准

5-1. 设计弯沉值和容许拉应力计算

路面设计弯沉值由下式计算：

l d =600⨯N -0.2e A c A s A b

式中：l d -设计弯沉值，0.01mm;

N e - 设计年限内一个车道累计当量轴次，次;

A c - 公路等级系数，二级公路为1.1;

A s - 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、沥青表面

处治为1.1;

A b - 路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0

通过公路路面设计程序系统Hpds-2011的计算结果得：

方案一：路面设计弯沉值 :l d = 29.4 (0.01mm) 方案二：路面设计弯沉值 :l d = 29.4 (0.01mm)

材料的容许拉应力σR 按下式计算：

σσS

R =

式中：σR - 路面结构层材料的容许拉应力，MPa ；

σs - 沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度，MPa ；

K s - 抗拉强度结构系数。

通过公路路面设计程序系统Hpds-2011的计算结果得：

方案一：

方案二：

5-2. 计算设计层厚度

方案一：按设计弯沉值计算设计层厚度 :

LD= 29.4 (0.01mm)

H( 4 )= 200 mm LS= 29.7 (0.01mm) H( 4 )= 250 mm LS= 27 (0.01mm) H( 4 )= 205 mm(仅考虑弯沉)

按容许拉应力计算设计层厚度 :

H( 4 )= 232 mm(第 4 层底面拉应力计算满足要求)

路面设计层厚度 :

H( 4 )= 205 mm(仅考虑弯沉)

H( 4 )= 232 mm(同时考虑弯沉和拉应力) 则向上取整得H （4）=240mm

方案二：按设计弯沉值计算设计层厚度 :

LD= 29.4 (0.01mm)

H( 5 )= 200 mm LS= 29.6 (0.01mm) H( 5 )= 250 mm LS= 27 (0.01mm)

H( 5 )= 203 mm(仅考虑弯沉)

按容许拉应力计算设计层厚度 :

路面设计层厚度 :

H( 5 )= 203 mm(仅考虑弯沉)

H( 5 )= 203 mm(同时考虑弯沉和拉应力) 则向上取整得H （5）=210mm

5-3验算路面防冻厚度 :

最小防冻厚度见下表：

查表可得本地区路面最小防冻厚度为350-400mm ，取最大值400 mm。

方案一：沥青面层厚度为120mm ，路面结构总厚度为560mm 。方案二：沥青面层厚度为150mm ，路面结构总厚度为540mm 。

验算结果表明 , 两方案路面总厚度均满足防冻要求。

6. 确定路面结构层

确定的两种新建沥青路面设计方案为下表所示：

8. 沥青混凝土路面最终确定设计结构图示

7. 方案经济技术比较

细粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.04+中粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.08+水泥稳定碎石×0.2+石灰土×0.24

=630022×0.04+596202×0.08+936×0.2+455×0.24=73193.44 方案二：

细粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.03+中粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.05+粗粒式沥青混凝土（320t/h内）×0.07+石灰粉煤灰碎石×0.18+石灰土×0.21

=630022×0.03+596202×0.05+566643×0.07+672×0.18+455×0.21=88592.28

则可得出：方案一更经济。

混凝土路面设计

（三）普通水泥混凝土路面设计设计任务书

1. 设计资料

可参考下列条件进行设计：

平面尺寸设计：板长5m ，板宽4.5m ；

接缝设计：纵缝采用设拉杆平缝，横缝采用不设传力杆的假缝；

设计说明书：

1. 自然状况

2. 设计依据

（1）《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40－2011）（2）《路基路面工程》，沙爱民主编，2011.01

2. 路面设计

路面设计参考《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）中混凝土板厚度计算流程表的步骤计算。设计依据：

3. 设计内容

（1）交通分析；

《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40－2011）《路基路面工程》，沙爱民主编，2011.01

✷ 数据采用：由于道路具体位置未知，数据采用时均采用数据范围中值。

2-1. 交通分析

4. 设计要求

（1）采用《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）进行设计。（2）要求采用手算方式。

（3）设计成果应包括设计说明书、路面结构图和水泥混凝土路面平面布置图。

为Ⅲ级，车辆轮迹横向分布系数由下表可知为0.19，交通量增长率已知为5.5%。

车辆轮迹横向分布系数

计算设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数：

N s ⎡(1+g r )-1⎤⨯365⎣⎦N e =η

g r

参考《路基路面工程-2011（沙爱民）》中：

计算可得：

N e =14065521.11=1.4⨯107=1.4⨯103(104)

表15-16水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值

表15-17中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围表15-18垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围

得到相应弯拉弹性模量标准值为31GPa 。路基回弹模量取45MPa ，水泥稳定粒料基层回弹模量取1500MPa ，低剂量无极结合料稳定土垫层回弹模量取600MPa 。

按公式15-34~公式15-39计算基层顶面当量回弹模量如下：

h 12E 1+h 2E 2

E X ==1214MP a 22

h 1+h 2

(h +h )⎛1+1⎫=3.92MP a E 1h 13+E 2h 2

D X =+12 ⎪

124⎝E 1h 1E 2h 2⎭

-1

参考下表混凝土路面交通分级可知该路面交通等级为重交通。

交通分级

2-2初拟路面结构

参考：

《路基路面工程-2011（沙爱民）》中：

⎛12D x ⎫

h x = ⎪=0.338m

⎝E x ⎭

-0.45

⎡⎛E x ⎫⎤

a =6.22⎢1-1.51 ⎪⎥=4.09

⎢⎝E 0⎭⎥⎣⎦

表15-9水泥混凝土路面最小防冻厚度；表15-11水泥混凝土面层厚度的参考范围；表15-13适宜各交通等级的基层类型；表15-14各类基层厚度的适宜范围；

⎛E ⎫

b =1-1.44 x ⎪

⎝E 0⎭

-0.55

=0.765

⎛E ⎫b

E t =ah x E 0 x ⎪=241MP a

⎝E 0⎭

上述式中：

E t - 基层顶面的当量回弹模量，MPa ； E 0- 路床顶面的回弹模量，MPa ；

E X - 基层和底基层或垫层的当量回弹模量，MPa ； E 1、E 2- 基层和底基层或垫层的回弹模量，MPa ；

2-3 路面材料参数确定

按下表，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值f r =5.0MPa 。

h x - 基层和底基层或垫层的当量厚度，m ；

D x - 基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度，MN ⋅m ；

h 1、h 2- 基层和底基层或垫层的厚度，m ；

a 、b - 与E x /E 0 有关的回归系数；

σpr =k r k f k c σps

σpr - 标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力，MPa ； σps - 标准轴载在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力，MPa ；

2-4荷载疲劳计算

标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力按下式计算：

普通混凝土面层的相对刚度半径计算：

⎛E ⎫

r =0.537h c ⎪=0.651m

⎝E t ⎭

标准轴载在四边自由板理解荷位处产生的荷载应力计算： 13

k f -考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；

k c -考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数；按公路等级查下表确定。

综合系数k c

标准荷载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力计算为：

σps =0.077r 0.60h -2=1.033MPa

两式中：

σps - 标准轴载在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力，MPa ；

r - 混凝土板的相对刚度半径，m ； h - 混凝土板的厚度，m ；

σpr =k r k f k c σps =2.97MPa

E c -水泥混凝土的弯拉弹性模量，MPa ；

2-5温度疲劳应力

综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数B L 按下式计算：

=2.56 3r

sinh t cos t +cosh t sin t C L =1-=0.840

cos t sin t +sinh t cosh t

t =

E t - 基层顶面当量回弹模量，MPa ；

设计基准期内的荷载疲劳应力系数计算：

k f =N e =2.556

式中：

B L =1.77e -4.48h c C L -0.131(1-C L )=0.486

式中:

k f - 设计基准期内的荷载疲劳应力系数；

N e - 设计基准期内标准轴载累计作用次数；

C L - 混凝土面层板的温度翘曲应力系数；

L - 面层板的横缝间距，即板长（m ）；

； r - 面层板的相对刚度半径（m ）

最大温度梯度时混凝土面层板最大温度应力计算：

ν- 与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，ν=0.057；碾压混凝土和贫混凝

土ν=0.065；

标准荷载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力计算为：

σc E c hT g

t ,max =

α2

B L =1.850MPa

σt ,max - 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力，MPa ；

αc - 混凝土的线膨胀系数，查下表确定为11⨯10-6/℃。

T g - 最大温度梯度，查下表确定；

B L - 综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数。

温度疲劳应力系数计算：

k f b t

r ⎡t =σ⎢⎛σt ,max ⎫

⎤⎢a t ⎣⎝f ⎪-c t ⎥⎥=0.490 t ,max r ⎭⎦

式中：

a t 、b t 和c t ---回归系数，按所在地区的公路自然区划查下表确定。

回归系数a t 、b t 和c t

温度疲劳应力计算：

σtr =k t σt ,max =0.907MP a

式中：

σtr - 临界荷位处的温度疲劳应力，MPa ；

σt ,max - 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力，MPa ；

k t - 考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。

参考《路基路面工程2011（沙爱民）》中：

表15-3可靠度设计标准；表15-5可靠度系数；

得出一级公路的安全等级为二级，，相对应的变异水平等级采用之前采用的中级，目标可靠度为90%，从而确定可靠度系数取中值γr =1.19。

2-6 水泥混凝土路面结构设计极限状态计算

γr (σpr +σtr )=1.19⨯(2.97+0.907)=4.613MP a ≤f r =5.0M pa

式中：

γr - 可靠度系数；

σpr

- 行车荷载疲劳应力，MPa ；

σtr - 温度梯度疲劳应力，MPa ；

f r - 水泥混凝土弯拉强度标准值，MPa 。

所以，所选择水泥混凝土面层厚度（0.24m ）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

3. 水泥混凝土路面结构设计图

最终设计普通混凝土路面结构设计见下页图：

挡土墙与路基路面课程设计

相关文章