路基路面课程设计成果

一、设计说明

1、设计资料

湖北宜昌至巴东某新建一级公路，经调查路基土为高液限粘土，地下水位为1米，路基填土高度1.2米，近期交通量如下

车型 东风SP9135B CA10B 黄河JN162 太脱拉111 尼桑CK20L 前轴重(kN) 20.10 19.40 59.50 38.70 49．85 后轴重(kN) 72.60 60.85 115.00 74.00 100.00 后轴数 2 1 1 2 1 后轴轮组数 2 2 2 2 2 后轴距(m) 4 - - 1.2 - 日交通量 (辆/日) 500 520 450 320 420 交通量年平均增长率7%（水泥混凝土路面设计时交通量年平均增长率取4%），沿线可开采碎石、砂砾，并有粉煤灰、石灰、水泥等材料供应。 2、设计内容

分别设计水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的结构层次，并算出结构层厚度，水泥混凝土路面还需进行接缝设计。主要包括以下内容： 1）、详细的设计计算书

（1） 沥青混凝土路面：

①、确定结构方案； ②、确定设计参数； ③、计算待求层厚度； ④、弯拉应力计算。 （2） 水泥混凝土路面

①、确定结构方案； ②、确定设计参数； ③、初拟混凝土板尺寸；

a

a

④、应力计算； ⑤、接缝设计。

2）、设计图

（1） 路面结构图 （2） 相应的计算图

（3） 水泥混凝土路接缝构造图 3、主要参考资料： 路基路面工程

公路水泥混凝土路面设计规范 公路沥青路面设计规范 公路路基设计规范 公路设计手册《路面》

二、沥青砼路面的设计

一、轴载分析

1）路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载。

当以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力为设计指标时，轴载换算采用如下的计算公式：

NC1C2ni(i1kPi4.35)P

式中：N——标准轴载的当量轴次，（次/日）；

ni——被换算车辆的各级轴载作用次数，（次/日）； P——标准轴载，（kN）;

Pi——被换算车辆的各级轴载，（kN），轴载小于25kN的轴载作用不计；

C1——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。

a

a

C2——轴数系数，当轴间距大于3m时，按单独的一个轴计算，当轴间距小于3m

时，双轴或多轴时按下式计算

C211.2(m1)

m——轴数。

当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时，采用如下公式：

P'NC1'C2ni(i)8

Pi1式中：C1'——轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为18.5，四轮组为0.09；

'——轴数系数。当轴间距大于3m时，按单独的一个轴计算，当轴间距小于3mC2k时，双轴或多轴时按下式计算

' C212(m1)

m——轴数。

设计年限累计当量标准轴载数公式：

[(1r)t1]365NeN1

r式中：Ne——设计年限内一个车道沿一个方向通过的累计标准当量轴次；

； t——设计年限（年）

； N1——路面营运第一年双向日平均当量轴次（次/日）

r——设计年限内交通平均增长率（%）；

——与车道数有关的车辆横分布系数，简称车道系数； 2）计算：

轴载换算结果表（弯沉）

车型 Pi（kN C1 C2 i C1C2ni(Pni（次/日）)4.35 Pa

a

东风SP9135B CA10B 黄河JN162 太脱拉111 尼桑CK20L 后轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 ） 72.6 60.85 59.5 115 38.7 74 49.85 100 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2.2 1 1 500 520 450 450 320 320 420 420 248.36 59.92 47.03 826.51 5.15 1.99 20.33 420.00 1817.28 N1 注：轴载小于25kN的轴载作用不计；

累计当量轴次：

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。

[(1r)t1]365[(10.07)151]365NeN11817.280.457500717次

r0.07轴载换算结果表（半刚性材料结构层的层底拉应力）

车型 东风SP9135B CA10B 黄河JN162 后轴 后轴 前轴 Pi（kN）72.6 60.85 59.5 C1' 1 1 1 ' C2i C1C2ni(Pni（次/日）)4.35 P2 1 1 500 520 450 77.18 9.77 7.07 a

a

太脱拉111 尼桑CK20L 后轴 后轴 后轴 115 74 100 1 1 1 1 3 1 450 320 420 1376.56 86.32 420.00 1976.90 N1 注：轴载小于50kN的轴载作用不计；

累计当量轴次：

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。

[(1r)t1]365[(10.07)151]365NeN11976.900.457924078次

r0.07二、结构组合与材料选取

由于上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为700万次左右。根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途可开采碎石、砂砾，并有粉煤灰、石灰、水泥等材料供应。路面结构面层采用沥青混凝土（12cm），基层采用二灰稳定砂砾（取30cm）,底基层采用石灰土（厚度待定）。

规范规定高速公路、一级公路的面层由二层至三层组成。根据规范，采用三层式沥青面层，表层

采用细粒式密级配沥青混凝土（厚度3cm），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度4cm），下面层采用粗粒式密级配混凝土（厚度5cm）。如图所示。 三、各层材料的抗压模量和和劈裂强度

a

a

查表得：得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取200C的模量，各值均取规范给定范围的中值，因此得到200C的抗压模量：细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配混凝土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa二灰稳定砂砾为1500Mpa，石灰土550MPa。各层材料的劈裂强度：细粒式密级配沥青混凝土为1.4Mpa，中粒式密级配沥青混凝土为1.0Mpa，粗粒式密级配沥青混凝土为0.8Mpa，二灰稳定砂砾为0.7Mpa，石灰土0.225MPa。 四、土基回弹模量的确定

该路段处于Ⅳ7区，为粘质土，处于干燥状态，拟定稠度为1.10，查表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值（MPa）”查得土基回弹模量为40MPa。 五、设计指标的确定

对于一级公路，规范要求以设计弯沉值为设计指标，并进行结构层拉应力的验算。 1） 设计弯沉什公式：

ld960Ne0.2AcAs

式中： ld——设计弯沉值（0.01mm）；

Ne——设计年限内一个车道累计当量标准轴载通行次数；

Ac——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；

As——面层类型系数，沥青砼面层为1.0，热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌

下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1，中低级路面为1.2。

a

a

弯拉应力设计控制指标容许拉应力公式： RspKs

式中：R——路面结构材料的容许拉应力，即该材料能承受设计年限Ne次加载的疲劳

弯拉应力（MPa）；

sp——路面结构材料的极限抗拉强度（MPa），由实验室按标准方法测得； Ks——抗拉强度结构系数。根据结构层材料不同，按以下公式计算。

0.2 Ks0.09Ne/Ac （沥青砼面层）

0.11 Ks0.35Ne/Ac （无机结合料稳定集料） 0.11 Ks0.45Ne/Ac （无机结合料稳定细粒土） 0.07 Ks0.51Ne/Ac （贫砼）

2）计算：该公路为一级公路，取Ac1.0；面层是沥青砼，取As1.0；

0.2①、设计弯沉值：ld960NeAcAs96075007170.21140.48(0.01mm)

②、各层材料的容许层底拉应力： 细粒式密级配沥青砼：

0.2 Ks0.09Ne/Ac0.0975007170.2/1.02.13

RspKs1.40.6573MPa 2.13中粒式密级配沥青砼：

0.2 Ks0.09Ne/Ac0.0975007170.2/1.02.13

RspKs1.00.4695MPa 2.13粗粒式密级配沥青砼：

Ks0.09Ne/Ac0.0975007170.20.2/1.02.13a

a

RspKs0.80.3756MPa 2.13二灰稳定砂砾：二灰稳定砂砾属于半刚性基层 故Ne7924078

0.11 Ks0.35Ne/Ac0.3579240780.11/1.02.01

RspKs0.70.3483MPa 2.01石灰土：石灰土属于半刚性基层 故Ne7924078

0.11 Ks0.45Ne/Ac0.4579240780.11/1.02.01

R六、设计资料总结

spKs0.2250.1119MPa 2.01设计弯沉值为：40.34(0.01mm)，相关设计资料汇总如下：

材 料 名 称 细粒式密级配沥青混凝土 中粒式密级配沥青混凝土 粗粒式密级配沥青混凝土 二灰稳定砂砾 石灰土 土基 七、确定石灰层厚度

首先对多层路面体系进行等效换算

h(cm) 3 4 5 30 ？ — 200C弹模（MPa） 容许拉应力（MPa） 1400 1200 1000 1500 550 40 0.6573 0.4695 0.3756 0.3483 0.1119 — a

a

h3cm E11400MPa E21200MPa

Hh2hk2.4k35Ek41.550.722h5 E2标准轴载BZZ—100，轮胎接地压强p=0.7MPa，当量圆半径10.65cm

h3H41.550.722h50.28  10.6510.65EE21200400.86 00.033 E11400E21200由：lsld2p20.710.65LL0.04048 E11400得：L3.80

查图得：K11.30 6.45

由表面弯沉系数：LK1K2 得：K20.45 查图得：当K20.45时

H41.550.722h56.22

10.65得：h534.2cm

所以：取石灰层厚度为35cm。 八、验算各层层底拉应力

a

a

1）计算方法：

①、对多层路面体系进行等效换算 求第i层的层底拉应力，则： 上层：H1hk4k1n1ki1iEk EiEk Ei1下层：H2②、计算

hk0.9由公式：pm1m2或pn1n2求各层层底拉应力 式中： p——轮胎接地压强p=0.7MPa；

、m1、m2、n1、n2——由查“三层连续体系上（中）层底面拉应力系数图”得到； 2）计算

①、多层路面体系进行等效换算

等效三层体系 多层体系 层 位 i 每一层底 弯拉应力 每二层底 弯拉应力 每三层底 弯拉应力 每四层底 弯拉应力 每五层底 弯拉应力 Ei MPa hi cm 3 Ei MPa 1400 hi cm Ei MPa hi cm Ei MPa hi cm Ei MPa hi cm Ei MPa hi cm 1 1400 1200 1000 1500 3 1200 7.12 2 4 1200 61.23 1000 12.45 1500 41.25 1500 41.25 3 5 30 1000 70.09 1500 41.48 4 a

a

5 6 550 40 35 40 40 40 550 35 550 35 40 40 ②、计算各层层底的弯拉应力 第一层底部弯拉应力：

h3H61.23EE1200400.28 5.75 20.033 0.857 010.6510.65E21200E11400查图得：0，m10，m20

所以：第一层底部弯拉应力 pm1m20 （符合） 第二层底部弯拉应力：

h7.12H70.09EE1000400.67 6.58 20.04 0.833 010.6510.65E21000E11200查图得：0，m10，m20

所以：第二层底部弯拉应力 pm1m20 （符合） 第三层底部弯拉应力：

h12.45H41.48EE1500401.17 3. 21.5 00.027 10.6510.65E11000E21500查图得：0，m10，m20

所以：第三层底部弯拉应力 pm1m20 （符合） 第四层底部弯拉应力：

h41.25H35EE550403.87 3.27 20.367 00.073 10.6510.65E11500E2550查图得： 0.14，m11.26，m20.60

pm1m20.70.141.260.600.074MPa0.3483MPa （符合）

第五层底部弯拉应力：

a

a

h41.25H35EE550403.87 3.27 20.367 00.073 10.6510.65E11500E2550查图得： 0.028，n11.68，n20.38

pn1n20.70.0281.680.380.013MPa0.1119MPa

所以：上述设计结果满足设计要求（见附图1）；

二、水泥砼路面设计

一、交通分析 1）计算方法：

水泥砼路面结构设计以100kN单轴双轮组荷载为标准轴载。不同轴—轮型和轴载的作用次数，按下式换算为标准轴载的作用次数。

PNSiNi(i)16

100i1式中：NS——100kN的单轴—双轮组标准轴载的通行次数； Pi——各类轴—轮型；及轴载的总重（kN）； n——轴型和轴载的通行次数；

Ni——各类轴—轮型i级轴载的通行次数； i——轴—轮型系数。 单轴—双轮组： i1.0

单轴—单轮组： i2.2210Pi530.43n

双轴—双轮组： i1.0710Pi80.22三轴—双轮组： i2.2410Pi0.22a

a

标准轴载累计当量作用次数Ne

Ns[(1gr)r1] Ne365

gr式中：Ne——标准轴载累计当量作用次数； r——设计基准期（年） gr——交通量年平均增长率；

——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，查表16-3；本设计为一级公路，取

0.2。

2） 计算:

标准轴载换算表

车型 CA10B 黄河JN162 太脱拉111 尼桑CK20L 后轴 前轴 后轴 后轴 前轴 后轴 i 1 1 1 1 1 1 Ns Ni 520 450 450 320 420 420 Pi(kN) 68.5 59.5 115 74 49.85 100 iNi(Pi16) 1001.22 0.11 4210.93 2.59 0.01 420.00 4634.86 注：小于40kN的单轴和80kN的双轴不计

标准轴载累计当量作用次数：公路为一级公路，故取t=20年，0.2。

Ns[(1gr)r1]4634.86[(10.04)201]Ne3653650.210075257次

gr0.04属于重交通等级。

a

a

二、初拟路面结构

由表16-20相应于安全等级二级的变异水平为中级。根据一级公路、重交通等级和中级变异水平等级，查表16-17，初拟普通砼面层厚度为0.25m。基层选用水泥稳定粒料0.22m（水泥剂量5%）。垫层为0.15m的低剂量无机结合料稳定土。砼板的平面尺寸为长5m，宽3.75m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。 三、路面材料参数的确定 1）计算方法：

新建公路的基层顶面当量回弹模量值：

bEtahxE0(Ex13) E02h12E1h2E2 Ex22h1h23E1h13E2h2(h1h2)2111Dx()

12124E1h1E2h2hx312Dx/Ex a6.22[11.51(Ex0.45)] E0b11.44(Ex0.55 )E0式中：E0——路床顶面的回弹模量(MPa),查表16-26的参考值； Ex——基层和底基层或垫层的当量回弹模量(MPa)；

E1、E2——基层和底基层或垫层的回弹模量（MPa），查表16-27的参考值； hx——基层和底基层或垫层的当量厚度（m）；

Dx——基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度（MNm）； h1、h2——基层和底基层或垫层的厚度；

a

a

a、b——与ExE0有关的回归系数。 砼板的相对刚度半径（m）；

r0.537h3EcEt 式中：h——砼板的厚度（m）；

Ec——水泥砼的弯拉弹性模量（MPa），可查表16-25和参考值； 2）计算：

按表16-23、16-25取普通砼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。

查表16-14，路基回弹模量取30MPa，查表16-27，低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取600MPa，水泥稳定粒料基层回弹模量取1300MPa。

计算基层顶面当量回弹模量如下：

2h12E1h2E20.22213000.152600Ex1078MPa 2h12h20.2220.1523E1h13E2h2(h1h2)2111Dx()12124E1h1E2h2

13000.2236000.153(0.220.15)211()11212413000.226000.15

1.32MNmhx312Dx/Ex3121.32/10780.245m

a6.22[11.51(Ex0.4510780.45)]6.22[11.51()]4.346 E030b11.44(Ex0.5510780.55)11.44()0.799 E030Ex13107813)4.3460.2450.79930()140MPa E030bEtahxE0(普通砼面层的相对刚度半径：

a

a

r0.537h3EcEt0.5370.253310001400.812m 四、荷载疲劳应力 1）计算方法

标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算

prKrKfKcps

式中：纵缝为设拉杆的平缝：Kr——考虑接缝传荷能力的应力折减系数，Kr0.87~0.92，

纵缝为不设拉杆的平缝或自由边界：Kr1.0 ，纵缝为设拉杆的企口缝：

Kr0.76~0.84；

Kc——考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查表

16-24确定；

Kf——考虑设基准期内标准轴载荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按下式计

算： KfNe

式中：Ne——设计基准期内标准轴载累计作用次数；

v——与混合料有关的指数，普通砼取0.057；

ps——标准轴载P，按下式计s在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力（MPa）

算： ps0.077rh

式中：r——砼板的相对半径（m）； h——砼板的厚度（m）； 2）计算

标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为 ps0.077rh0.620.62v0.0770.8120.60.2521.087MPa

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr0.87。考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数

a

a

KfNev100752570.0572.507。根据公路等级，由表16-24，考虑偏载和动载等

因素对路面疲劳损坏的影响的综合系数Kc1.25。 荷载疲劳应力计算为

prKrKfKcps0.872.5071.251.0872.96MPa 五、温度疲劳应力 1）计算方法

在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算：

trKttm

式中：tm——最大温度梯度时砼板的温度翘曲应力（MPa），按下式计算：

tmcEchTg2Bx

5o 式中：c——砼的温度线膨胀系数，通常可取110/C； Tg——最大温度梯度，查表16-28取用；

Bx——综合温度翘曲应力和内应力作用的温度系数，查图16-14； h——砼板厚度（m）；

Kt——考虑温度应力累计疲劳作用于的疲劳系数，按下式计算：

Ktfrtm[a(tmfr)cb]

式中：a,b,c——回归系数，按所在地区的公路自然区划查表16-29确定； 水泥砼路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，极限状态方程式如下：

r(prtr)fra

a

式中：r——可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平等级按表16-22确定； fr——水泥砼弯拉强度标准值（MPa），见表16-23； 2）计算

o由表16-28，Ⅳ区最大温度梯度取92（C/m）。板长5m，l/r5/0.8126.16，

由图16-14可查普通砼板厚h0.25m，Bx0.60。

最大温度梯度时砼板的温度翘曲应力计算为 tmcEchTg21105310000.2592Bx0.602.14MPa

2温度疲劳应力系数Kt，查表16-29可得，自然区划为Ⅳ区，式中a0.841，

b0.058，c1.323，Kt为：

Ktfrtm[a(tmfr)cb]5.02.141.323[0.841()0.058]0.504 2.145.0温度疲劳应力为

trKttm0.5042.141.08MPa

查表16-20，一级公路的安全等级为二级，相应于二级安全等级的变异水平为中级，目标可靠度为90%。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表16-22，确定可靠度系数r1.23

得：

r(prtr)1.23(2.961.08)4.97MPafr5.0MPa

因而，所选用的普通砼面层厚度（0.25m）可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合作用，即：初拟路面结构符合规范要求。（见附图2、3） 六、接缝设计（见附图4、5）

a

a

附图：1

a

a

附图：2

水泥砼路面结构图

自然区划 路面类型 行车道设计参数 路基土组 Ⅳ 水泥砼路面 累计标准轴载作用次数Ne10075257次 粘性土 行车道及 硬路肩路面 结构图示 图例

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附图：3

附图：4

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附图：5

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