南京工業(yè)大學(xué)路基路面工程課程設(shè)計(jì)(共11頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上路面結(jié)構(gòu)與路基邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)交通1001 朱天南一、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（一）瀝青路面設(shè)計(jì)1.交通組成與軸載當(dāng)量計(jì)算車(chē)輛車(chē)型與日交通量的選用如下表所示：交通組成表 表1序號(hào)車(chē)型前軸重(kN)后軸重(kN)后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距(m)交通量1黃河JN16259.51151雙輪組6502黃河JN162A62.28116.221雙輪組6503解放CA10B19.460.851雙輪組6504解放CA1520.9770.381雙輪組6505解放CA30A29.536.752雙輪組<3500按交通量年平均增長(zhǎng)率5%計(jì)，乘以折算系數(shù)得設(shè)計(jì)年年初日平均交通量為8000，設(shè)計(jì)年限末年日平

2、均交通量為14367，符合二級(jí)公路對(duì)日平均交通量500015000的要求。(1) 當(dāng)以設(shè)計(jì)彎沉值為指標(biāo)及瀝青層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)：設(shè)計(jì)年限末年日平均當(dāng)量軸次：N=i=1KC1C2nI(PiP)4.35=3663 設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車(chē)道上累計(jì)當(dāng)量軸次：Ne=1+rt-1×365r·N·=622.13（萬(wàn)次）(2) 當(dāng)進(jìn)行半剛性基層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)：設(shè)計(jì)年限末年日平均當(dāng)量軸次：N=i=1KC1'C2'nI(PiP)8=4665設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車(chē)道上累計(jì)當(dāng)量軸次：Ne=1+rt-1×365r·N·=792.31（萬(wàn)次）綜上，瀝青路面

3、交通屬于中等交通等級(jí)。2. 路面材料及路面結(jié)構(gòu)的選取與土基模量的確定由于該二級(jí)公路路面屬于中等交通等級(jí)，故采用以下兩種方案?jìng)溥x：方案一：雙層式瀝青面層+半剛性基層方案二：?jiǎn)螌邮綖r青面層+半剛性基層+墊層由于江蘇處于IV類(lèi)區(qū)劃，故土基模量取36MPa。3. 設(shè)計(jì)彎沉值與容許拉應(yīng)力的確定路面設(shè)計(jì)彎沉值 ld 按下式計(jì)算：ld=600Ne-0.2ACASAB=28.9(0.01mm)結(jié)構(gòu)層容許彎拉應(yīng)力 R 按下式計(jì)算：R=SPKS其中，對(duì)瀝青混凝土面層： KS=0.09Ne0.22/AC對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料： KS=0.35Ne0.11/AC對(duì)無(wú)極結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土：KS=0.45Ne0.11/AC通

4、過(guò)查表計(jì)算得：細(xì)粒式瀝青混凝土：R=0.47MPa中粒式瀝青混凝土：R=0.36MPa水泥穩(wěn)定碎石： R=0.33MPa4. 結(jié)構(gòu)層厚度確定于結(jié)構(gòu)分析(1) 方案一4cm細(xì)粒式瀝青混凝土+6cm中粒式瀝青混凝土+35cm水泥穩(wěn)定碎石，如下圖所示。- 細(xì)粒式瀝青混凝土 4 cm - 中粒式瀝青混凝土 6 cm - 水泥穩(wěn)定碎石 35 cm - 土基路面結(jié)構(gòu)表面彎沉值 ls 與結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力按下式計(jì)算：ls=10002PE1cFm=pm現(xiàn)將結(jié)果匯于下表：結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力與完成值計(jì)算表 表2序號(hào)結(jié)構(gòu)層材料名稱(chēng)20抗壓模量(MPa)15抗壓模量(MPa)厚度(cm)層底拉應(yīng)力(MPa)容許拉應(yīng)力(M

5、Pa)層頂彎沉值(0.01mm)1細(xì)粒式瀝青混凝土160022004-0.2520.4728.52粗粒式瀝青混凝土140020006-0.0940.3632.43水泥穩(wěn)定碎2460.3339.24土基36結(jié)構(gòu)表面彎沉值 ls=28.5<ld=28.9，且各層層底拉應(yīng)力均小于容許拉應(yīng)力，故設(shè)計(jì)合理。(2) 方案二10cm細(xì)粒式瀝青混凝土+22cm水泥穩(wěn)定碎石+20cm水泥砂礫土，如下圖所示： - 細(xì)粒式瀝青混凝土 10 cm - 水泥穩(wěn)定碎石 22 cm - 水泥砂礫土 20 cm - 土基路面結(jié)構(gòu)表面彎沉值 ls 與結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力計(jì)算方法同方案一，并匯于下表

6、：結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力與完成值計(jì)算表 表3序號(hào)結(jié)構(gòu)層材料名稱(chēng)20抗壓模量(MPa)15抗壓模量(MPa)厚度(cm)層底拉應(yīng)力(MPa)容許拉應(yīng)力(MPa)層頂彎沉值(0.01mm)1細(xì)粒式瀝青混凝土140020002000-0.660.4728.12水泥穩(wěn)定碎石1500150015000.950.3337.83水泥砂礫土1000100010000.1540.17111.84土基36結(jié)構(gòu)表面彎沉值 ls=28.1<ld=28.9，且各層層底拉應(yīng)力均小于容許拉應(yīng)力，故設(shè)計(jì)合理。（二）混凝土路面設(shè)計(jì)1.交通分析車(chē)輛車(chē)型與日交通量的選用如下表所示：交通組成表 表4序號(hào)車(chē)型前軸重(kN)后軸重(kN)

7、后軸數(shù)后軸輪組數(shù)后軸距(m)交通量1黃河JN16259.51151雙輪組6502黃河JN162A62.28116.221雙輪組6503解放CA10B19.460.851雙輪組6504解放CA1520.9770.381雙輪組6505解放CA30A29.536.752雙輪組<3500按交通量年平均增長(zhǎng)率5%計(jì)，乘以折算系數(shù)得設(shè)計(jì)年年初日平均交通量為8000，設(shè)計(jì)年限末年日平均交通量為14367，符合二級(jí)公路對(duì)日平均交通量500015000的要求。二級(jí)公路的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為20年，安全等級(jí)為三級(jí)，臨界荷位處的車(chē)輛輪跡橫向分布系數(shù)取0.39，交通量年平均增長(zhǎng)率取5%。由設(shè)計(jì)車(chē)道使用初期標(biāo)準(zhǔn)軸載日作用

8、次數(shù)13473，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)荷載累計(jì)作用次數(shù)計(jì)算如下：Ne=1+grt-1×365gr·Ns·=6341.7（萬(wàn)次）屬于特重交通等級(jí)，故在設(shè)計(jì)路面應(yīng)加厚考慮。2. 初擬路面結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為三級(jí)的道路對(duì)應(yīng)的變異水平等級(jí)為中級(jí)。根據(jù)二級(jí)公路、重交通等級(jí)與中級(jí)變異水平等級(jí)，初擬如下兩個(gè)方案：方案一：24cm混凝土面層+18cm水泥穩(wěn)定粒料基層+15cm無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土方案一：30cm混凝土面層+20cm水泥穩(wěn)定粒料基層兩方案中普通混凝土板的平面尺寸為4.5m×5.0m，縱縫為設(shè)拉桿的平縫，橫縫為設(shè)傳力桿的平縫。3. 方案一設(shè)計(jì)校核(24cm混凝土面層

9、+18cm水泥穩(wěn)定粒料基層+15cm無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土)(1) 路面材料參數(shù)的確定取普通混凝土面層的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為5.0MPa，相應(yīng)彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值為31GPa。由于施工路段處于江蘇IV類(lèi)區(qū)劃，故土基模量取36MPa，無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土墊層回彈模量取600MPa，水泥穩(wěn)定粒料基層取1300MPa。基層頂面當(dāng)量回彈模量計(jì)算如下：Ex=h12E1+h22E1h12+h22=1300×0.182+600×0.1520.182+0.152=1013MPaDx=h13E112+h23E212+h1+h2241E1h1+1E2h2-1=1300×0.18312+600

10、5;0.15312+0.15+0.×0.18+1600×0.15-1=2.57MN·mhx=312Dx/Ex=0.312ma=6.221-1.51ExE0-0.45=4.128b=1-1.44ExE0-0.55=0.770Et=ahxbE0ExE01/3=4.128×0.3120.77×36×/3=184.35MPa普通混凝土面層的相對(duì)剛度半徑：r=0.573h3Ec/Et=0.573×0.24×/184.35=0.759(2) 荷載疲勞應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載：ps=0.077r0.6h-2=0.077

11、×0.7590.6×0.24-2=1.133MPa由于縱縫為設(shè)拉桿平縫，接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù) Kr=0.87 ，考慮設(shè)計(jì)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù) Kf=Ne=(6.34×106)0.057=2.44 ，根據(jù)公路等級(jí)，考慮偏載和動(dòng)載等因素對(duì)路面疲勞破壞影響的綜合系數(shù) Kc=1.20 。故疲勞荷載應(yīng)力為：pr=KrKfKcps=0.87×2.44×1.2×1.133=2.89MPa(3) 溫度疲勞應(yīng)力IV區(qū)最大溫度梯度取92(/m)。板長(zhǎng)5m，lr=50.759=6.588 ,查表可知 Bx=0.68 ，故最大溫度梯度

12、時(shí)混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力為：tm=cEchTg2Bx=10-5×31000×0.24×922×0.68=2.32MPa計(jì)算溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)時(shí)，由自然區(qū)劃IV得參數(shù) a=0.841 ，b=0.058 , c=1.323 .Kt=frtmatmfrc-b=5.02.320.841×2.325.01.323-0.058=0.531故溫度疲勞應(yīng)力：tr=Kttm=0.531×2.32=1.23MPa(4) 結(jié)構(gòu)可靠度判別二級(jí)公路的安全等級(jí)為三級(jí)，相應(yīng)于三級(jí)安全等級(jí)的變異水平等級(jí)為中級(jí)，目標(biāo)可靠度為85%，確定可靠度系數(shù) r=1.13 。由于有

13、rpr+tr=1.132.89+1.23=4.66MPa<fr=5.0MPa即所設(shè)計(jì)的路基路面結(jié)構(gòu)可以承受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力的綜合疲勞作用，因此設(shè)計(jì)合理。結(jié)構(gòu)示意圖如下： - 普通混凝土面層 240 mm - 水泥穩(wěn)定粒料 180 mm - 石灰粉煤灰土 150 mm - 土基4. 方案一設(shè)計(jì)校核（30cm混凝土面層+20cm水泥穩(wěn)定粒料基層）(1) 路面材料參數(shù)的確定取普通混凝土面層的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為5.0MPa，相應(yīng)彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值為31GPa。由于施工路段處于江蘇IV類(lèi)區(qū)劃，故土基模量取 E0=36MPa ，水泥穩(wěn)定粒料基層取 E1=1300MPa 。Ex=E1=13

14、00MPaDx=h13E112=0.23×13003=3.47hx=312Dx/Ex=0.317ma=6.221-1.51ExE0-0.45=4.350b=1-1.44ExE0-0.55=0.780Et=ahxbE0ExE01/3=4.350×0.3120.78×36×/3=208.66MPa普通混凝土面層的相對(duì)剛度半徑：r=0.573h3Ec/Et=0.573×0.30×/208.66=0.910(2) 荷載疲勞應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載：ps=0.077r0.6h-2=0.077×0.9100.6×0.

15、3-2=0.808MPa由于縱縫為設(shè)拉桿平縫，接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù) Kr=0.87 ，考慮設(shè)計(jì)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù) Kf=Ne=(6.34×106)0.057=2.44 ，根據(jù)公路等級(jí)，考慮偏載和動(dòng)載等因素對(duì)路面疲勞破壞影響的綜合系數(shù) Kc=1.20 。故疲勞荷載應(yīng)力為：pr=KrKfKcps=0.87×2.44×1.2×0.808=2.06MPa(3) 溫度疲勞應(yīng)力IV區(qū)最大溫度梯度取92(/m)。板長(zhǎng)5m，lr=50.759=6.588 ,查表可知 Bx=0.68 ，故最大溫度梯度時(shí)混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力為：tm=cEchTg

16、2Bx=10-5×31000×0.3×922×0.68=2.91MPa計(jì)算溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)時(shí)，由自然區(qū)劃IV得參數(shù) a=0.841 ，b=0.058 , c=1.323 .Kt=frtmatmfrc-b=5.02.910.841×2.915.01.323-0.058=0.606故溫度疲勞應(yīng)力：tr=Kttm=0.606×2.91=1.76MPa(4) 結(jié)構(gòu)可靠度判別二級(jí)公路的安全等級(jí)為三級(jí)，相應(yīng)于三級(jí)安全等級(jí)的變異水平等級(jí)為中級(jí)，目標(biāo)可靠度為85%，確定可靠度系數(shù) r=1.13 。由于有rpr+tr=1.132.06+1.76=4.3

17、2MPa<fr=5.0MPa即所設(shè)計(jì)的路基路面結(jié)構(gòu)可以承受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力的綜合疲勞作用，因此設(shè)計(jì)合理。結(jié)構(gòu)示意圖如下： - 普通混凝土面層 300 mm - 水泥穩(wěn)定粒料 200 mm - 土基二、路基邊坡穩(wěn)定性設(shè)計(jì)一、 確定路基邊坡率由于本例中設(shè)計(jì)的路基屬于高路基，根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)采用折線(xiàn)性邊坡。其中上段坡高8m，坡比1:1.5；下段坡高17m，坡比1:1.75。路基邊坡示意圖圖如右圖所示：圖1 路基邊坡示意圖二、 穩(wěn)定性驗(yàn)算1. 當(dāng)量土柱換算將公路級(jí)汽車(chē)荷載換算成當(dāng)量土柱高。路基寬度內(nèi)能并排兩輛重車(chē)，則車(chē)輛荷載(公路級(jí)荷載的重車(chē)為550kN)換算土柱高為：h0=GLB=

18、2×55019.2×5.5×12.8=0.81m2. 繪制滑動(dòng)曲線(xiàn)用4.5H法確定圓心輔助線(xiàn)。將坡頂和坡腳連成一直線(xiàn)，如圖中虛線(xiàn)所示。根據(jù)該連線(xiàn)的坡比，從書(shū)中表4-1查得邊坡角為 =30°54'48，輔助角 1=25.5°，2=35°，分別自坡腳作 1 和坡頂點(diǎn)作 2 ，兩直線(xiàn)相交于O點(diǎn)；在坡腳A點(diǎn)作垂線(xiàn)AD=H=25m，過(guò)D作連接OE，滑動(dòng)曲線(xiàn)圓心即在EO的延長(zhǎng)線(xiàn)上，如下圖所示。并依此繪出不同位置的過(guò)坡腳的滑動(dòng)曲線(xiàn)。本計(jì)算以第1條滑動(dòng)曲線(xiàn)為例，R=47.5m。圖2 滑動(dòng)面計(jì)算示意圖3. 分條計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)將圓弧土體分段。本例按

19、第一條滑動(dòng)曲線(xiàn)分為16段，每個(gè)垂直土條的平均寬度為3.025m。計(jì)算每一分段面積時(shí)，將曲線(xiàn)形底部近似取直線(xiàn)，各分段圖形簡(jiǎn)化成矩形、梯形或三角形，進(jìn)而求出其近似面積。其中計(jì)算面積包括換算土柱部分的面積。各分條的抗滑力矩：MRi=fRNi+cLi=fQiRtani+cRi滑動(dòng)力矩：MTi=RTi=QiRsini邊坡穩(wěn)定性系數(shù)：K=MRiMTi=fNi+cLTi其中，摩擦系數(shù) f=tan=0.599現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果匯于下表：土條力矩計(jì)算表 表5土條號(hào)土條寬Bi土條中心高Hi土條重Qi土條對(duì)應(yīng)的圓心角isinicosi抗滑力矩MRi滑動(dòng)力矩MTi12.162.6107.831.00100.8420.539

20、3675.2424312.54922.006.4245.760.93740.8060.5926029.8189408.92232.7510.31544.370.85720.7560.65511865.3119548.2542.7513.21697.490.77400.6990.71515749.3423158.3551.0014.1270.720.71950.6590.7527243.9478474.21364.0014.81136.640.65100.6060.79527030.832718.1874.0014.81136.640.54920.5220.85328683.5328182.99

21、84.0014.41105.920.44780.4330.90129257.5622746.0194.0013.61044.480.36180.3540.93528514.4617562.93104.0012.6967.680.27240.2690.96327058.6212364.53114.0011.4875.520.18610.1850.98324847.827693.632124.009.8752.640.10120.1010.99521501.793610.79132.808.1435.460.00300.0031.00012391.4962.05248143.206.4393.22-0.0340-0.0340.99911108.96-635.044154.004.3330.24-0.1102-0.1100.9949113.361-1725.5163.751.5108.00-0.1779-0.1770.9842664.085-908.01按上表數(shù)據(jù)計(jì)算 K=MRiMTi=1.43 ，符合K值在1.251.50之間的要求。故可認(rèn)為邊坡穩(wěn)定。其余各不同的滑動(dòng)面計(jì)算過(guò)程與上類(lèi)似，且計(jì)算所得K值均符合在1.251.50之間的要求，故認(rèn)為