2019年《道路工程课程设计》任务书及指导书

2019年道路工程课程设计任务书及指导书沥青路面设计1. 设计资料河南某地（II ）拟修建高速公路，设计为双向四车道，路基宽度27.0m。其5中，行车道7.5mX20经交通量0D调查分析，断面大型客车和货车交通量为4052 辆/日，交通年平均增长率为6.05%。根据交通历史数据，按表确定该 设计公路为TTC0类，根据表得到车辆类型分布系数如表1所示。表 1. 车辆类型分布系数车辆类型2类3类4类5类6类7类8类9类10类11类车型分布系数（%）38.231.324.00.00.06.50.00.00.00.0根据路网相邻公路的车辆满载情况及历史数据的调查分析，得到各类车型非 满载与满载比例，如表 2 所示。表 2. 非满载车与满载车所占比例（%）车辆类型2类3类4类5类6类7类8类9类10类11类非满载车比例90.075.085.065.050.065.060.040.055.060.0满载车比例10.025.015.035.050.035.040.060.045.040.0公路新建部分路基平均填土高度1.8m，平均地下水位0.8m,平均冻深0.48m, 土质为粘土质砂，其重度错误!未找到引用源。为18.0kN/m3。根据气象资料，连 续十年路面最低气温平均值为-2C。路基路基标准状态下回弹模量取90MPa，回 弹模量湿度调整系数Ks取0.88,干湿与冻融循环作用折减系数K取0.80,则经 n 过湿度调整和干湿与冻融循环作用折减的路基顶面回弹模量为 63MPa。2. 设计内容（1）交通分析；确定交通荷载等级。（2）初拟沥青路面结构（结构层组合、各结构层材料、层厚）。（3）确定各层材料参数（各层材料模量、强度和土基的回弹横量）。（4）轴载换算，计算 Ne。（5）进行路面结构验算。（6）计算路基顶面和路表验收弯沉值。3. 设计所需参考资料(1) 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2017)(附电子版)；(2) 路基路面工程(第五版)，黄晓明主编；(3) 道路工程教材。4. 设计验算好路网在线设计沥青路面结构分析(APAD)(规范编写组提供的网页版程序)()5. 提交成果(1) 课程设计计算书A4手写，要求过程详实，表格、公式规范。 注：计算书后面附“课程设计总结”1份。(2) 沥青路面结构设计图A3 一张，要求按照制图标准规范绘制。参考算例(两个)：1.手算+电算1)设计资料：华北某地(II )拟修建高速公路，按双向六车道设计，采用整体式路基，4路基宽度34.5m。其中，行车道11. 25mX20 2019年底建成通车。经调查分析提供的2018年的年平均日交通量及车辆组成如下：车型分类中型货车重型货车重型货车中型货车重型货车重型货车代表车型解放CA390黄河JN162齐齐哈尔QQ560东风EQ140交通SH361太脱拉138S辆/日129112610911602151089并由此至2023年的交通增长率为7.05%，其后年份的增长率平均为5.35%。公路新建部分路基平均填土高度1.5m，平均地下水位0.7m,平均冻深0.65m, 土质为粘土质砂，其重度错误！未找到引用源。=18.0kN/m3，路面部分的当量等 效厚度错误!未找到引用源。=80cm，据调查毛细水上升最大高度为1.2m。部分旧路可以利用，原旧路沥青面层厚度15cm，由落锤式弯沉仪测试原旧路表面的实测弯沉值(1/100mm)分别为：57.9, 61.8, 68.5, 69.0, 65.5, 59.0,67.0，78.0，53.0，44.3，31.0，40.0，45.0，35.0，30.5，27.5，31.0，65.5，79.5, 82.5, 91.0,测定时沥青结合料类材料层中点实测温度为27.5C（注：湿度影响系数错误!未找到引用源。=1）。2）设计内容（1）交通分析；（2）初拟沥青路面结构（结构层组合、各结构层材料、层厚）；（3）确定各层材料参数（各层材料模量、强度和土基的回弹横量）；（4）用设计弯沉值计算路面结构层厚度；（5）验算沥青混凝土层和整体性材料结构层的弯拉应力；（6）计算旧路面的计算弯沉值、确定补强层结构、计算补强层厚度。新建沥青路面结构设计（一）交通分析设计资料表明，此路等级为高速公路，按双向六车道设计。查公路沥青路 面设计规范知，公路设计基准期为15年，取方向系数DDF=0.55，车道系数 LDF=0.5。根据交通统计数据知，2018年的年平均日交通量Q=3828辆，由此至2023年交通增长率为7.05%，其后年份增长率为5.35%。故设计道路的初始年平均日交通量错误!未找到引用源。=4098辆。设计车道的年平均日货车交通错误!未找到引用源。=4098X0.55X0.5=1127 辆依据设计年限内设计车道累计交通量公式：36.5x1127x （1+7.05%）5-1 365x1L27k（1+7W）4（1+5.35%）（1+5.35%）12-1 Q=+y7.05%3.35%错误!未找到引用源。9.64X106辆查规范知，属于重交通荷载等级。（二）轴载换算根据表6.2.1,该设计路面对应的设计指标为沥青混合料层永久变形与无机 结合料层疲劳开裂。1）以沥青混合料层永久变形为设计指标换算车辆类型车辆分布系 数轴型轴载换算系数设计车道日 当量轴次设计车道当量轴载 作用次数错误!未找到引用源。3类车0.659单轴单 轮0.01431741681153966460.0777040.4505080.536098单轴双 轮0.2234040.2234041.7338472.022244类车0.341单轴单 轮0.2059010.63333双轴双 轮1.5208443.1026562）以无机结合料层疲劳开裂为设计指标换算车辆类型车辆分布系 数轴型轴载换算系数设计车道日 当量轴次设计车道当量轴载 作用次数错误!未找到引用源。3类车0.659单轴单 轮3.44X10-82816258051198.40X10-60.00250.0045单轴双 轮0.007670.007675.98129.86194类车0.341单轴单 轮0.00020.0077双轴双 轮0.73587.4669三）初拟路面结构及材料参数结构层编号层位材料类型厚度（mm）模量（MPa）泊松比1上面层沥青混合料4090000.252中面层沥青混合料60100000.253下面层沥青混合料80100000.254基层无机结合料300100000.255底基层粒料1502500.356土基630.4路基标准状态下回弹模量取90MPa,由于土基湿度类型为中湿，干燥部分厚 度为1m，潮湿厚度为0.6m，查干燥和潮湿类路基土湿度调整系数，进行厚度加 权得礼二，干湿与冻融循环作用折减系数“取0.8,则经过湿度调整和干湿与 冻融循环作用折减的路基顶面回弹模量为65MPa，满足规范要求。（四）路面结构验算 无机结合料层疲劳开裂验算路面结构沥青面层由三层不同材料结构层组成，依据当量结构层换算公式得错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。基层由两层不同材料结构层组成，故错误!未找到引用源。=450mm,错误！未找到引用源。=3219MPa。又路面结构温度调整系数错误!未找到引用源。其中：错误!未找到引用源。Ah=D.734+0.67BE=0.15ln(kE/1.14)0.44 ln(Xh/0.45)错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。错误!未找到引用源。查表知为1.22。经计算得错误!未找到引用源。=1.43。依据无机结合料稳定层疲劳开裂寿命公式：错误!未找到引用源。季节性冻土地区调整系数。查表为0.76； 错误!未找到引用源。无机结合料稳定类材料弯拉强度。错误!未找到引用源。=1.1MPa;a、b疲劳试验回归参数。查表知a=13.24, b=12.52；错误!未找到引用源。现场综合修正系数。错误!未找到引用源。其中，查表知错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。，计算得错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。目标可靠指标。查表知错误!未找到引用源。=1.65 错误!未找到引用源。无机结合料稳定层的层底拉应力，根据弹性层状理论 计算。错误!未找到引用源。=0.289MPa。故错误！未找到引用源。=42548679。因基于无机结合料稳定层层底拉应力换算得到疲劳开裂寿命大于基于无机结合料稳定层层底拉应力换算得到的设计年限内当量轴载作用次数，故满足结构 要求。 沥青混合料层永久变形验算查表知，基准等效温度错误!未找到引用源。结合沥青混合料层的等效温度计算公式：故错误!未找到引用源。22.9C。依据规范规定的分层方法，将沥青混合料层分为7个分层，各分层厚度错误! 未找到引用源。如下表所示，利用弹性层状体系理论，分别计算设计荷载作用下 各分层顶部竖向压应力错误!未找到引用源。，依据各分层永久变形量和沥青混合 料总的永久变形量公式：其中错误!未找到引用源。为综合修正系数，依照以下公式计算:错误!未找到引用源。二错误!未找到引用源。两二1 .茹M1 加4.5=41、屯=&打加 1 O 11/-1.516 6错误!未找到引用源。沥青混合料第i分层厚度最终计算结果如下表：分层编号分层厚度（mm）竖向压力（MPa）修正系数（错误！未找到引用源。）永久变形（mm）1100.73.80.32150.74.570.53150.697.110.74200.677.363.85200.626.222.86200.554.741.77800.481.941.6总计11.5沥青层永久变形计算结果查表知沥青层容许永久变形为15mm，拟定的路面结构满足要求。 路面低温开裂验算根据气候条件，所在地区低温设计温度T=-6.7C,路基类型参数b=2,表面 层沥青在TOC条件下弯曲梁流变试验的劲度模量S为120MPa,依据路面低温开t裂指数公式：CI=1.95X10-3错误!未找到引用源。丨gb-0.075错误!未找到引用源。 lg错误！未找到引用源。+0.15，故CI=-0.7,查表知低温开裂指数不应大于3, 故所选路面结构及材料满足低温开裂要求。 防冻厚度验算根据调查资料，大地多年最大冻深为650mm,由表、B.6.1-3 得到材料热物性系数a=1.3,路基湿度系数b=0.95，路基断面形式系数c=1.02, 代入公式错误!未找到引用源。计算得 错误!未找到引用源。=819mm。根据公路多年最大冻深和路基干湿类型，由表确定最小防冻厚度为325 mm,路面结构总厚度为630mm，拟定的路面结构满足防冻厚度要求。 贯入强度验算公路所在地区月平均气温大于0C的月份数为9个月，由此得到对应于贯入 强度验算的设计车道累计设计轴载作用次数错误!未找到引用源。为13214229。 所在地区月平均气温大于0C的各月份气温平均值为17C。根据公路等级，参照 表3.0.6-1,得到沥青混合料容许永久变形量为15 mm。路面结构系数根据式 （）计算为 0.86，沥青混合料层的综合贯入强度由式（）确定 为0.7MPa，根据式（5.5.8-1）得到沥青混合料层的贯入强度要求值为0.54，所 以拟定的路面结构和材料满足贯入强度要求。(五) 路基顶面和路表验收弯沉值根据附录B.7节，确定路基顶面和路表验收弯沉值时，采用落锤式弯沉仪， 荷载盘半径为150mm，荷载为50kN。路基标准状态下回弹模量取90MPa，回弹模量湿度调整系数错误！未找到引 用源。=0 . 88 ，则平衡湿度状态下的回弹模量为79 MPa ，采用公式错误!未找到引 用源。，计算得到路基表面验收弯沉值为235.8 (0.01mm)。采用拟定的路面结构以及各层结构模量值，路基顶面回弹模量采用平衡湿度 状态下的回弹模型乘以模量调整系数kl (kl=0.5)为40Mpa,根据弹性层状体系 理论计算得到路表验收弯沉值错误!未找到引用源。=25.8 (0.01mm)。(六) 结果汇总验算内容计算值对比值是否满足沥青层车辙11.515.0是半刚性层疲劳开裂 对应累积当量轴次4254867932596330是沥青层贯入强度0.70.54是低温开裂指数-0.73是防冻厚度630325是2.电 算双辽至洮南段高速公路设计新建路面设计(IT)1. 项目概况与交通荷载参数该项目位于吉林省，属于高速公路，起点桩号为K0+000，终点桩号为K150+762，设计使用年限为15.0年，根据交通量0D调查分析，断面大型客车和 货车交通量为5003辆/日, 交通量年增长率为6.4%,方向系数取60.0%, 车道系 数取85.0%。根据交通历史数据，按表确定该设计公路为TTC0类，根 据表得到车辆类型分布系数如表1所示。表 1. 车辆类型分布系数车辆类型2类3类4类5类6类7类8类9类10类11类车型分布系数(%)49.726.915.60.00.00.00.07.80.00.0根据路网相邻公路的车辆满载情况及历史数据的调查分析，得到各类车型非 满载与满载比例，如表 2 所示。表 2. 非满载车与满载车所占比例(%)车辆类型2类3类4类5类6类7类8类9类10类11类非满载车比例80.085.060.070.050.065.040.055.050.060.0满载车比例20.015.040.030.050.035.060.045.050.040.0根据表 ，该设计路面对应的设计指标为沥青混合料层永久变形与无机结合料层疲劳开裂。根据附表，可得到在不同设计指标下，各车型对应的非满载车和满载车当量设计轴载换算系数，如表 3 所示。表 3. 非满载车与满载车当量设计轴载换算系数设计指标沥青混合料层永久变形无机结合料戻疲劳开裂车辆类型非满载车、卄 4、满载车非满载车、卄 4、满载车2类0.82.80.535.53类0.44.11.3314.24类0.74.20.3137.65类0.66.30.672.96类1.37.910.21505.77类1.46.07.8553.08类1.46.716.4713.59类1.55.10.7204.310类2.47.037.8426.811类1.512.12.5985.4根据公式(A.4.2)计算得到对应于沥青混合料层永久变形的当量设计轴载 累计作用次数为 31,831,093, 对应于无机结合料层疲劳开裂的当量设计轴载累 计作用次数为 726,754,209。 本公路设计使用年限内设计车道累计大型客车和 货车交通量为 22,349,293，交通等级属于特重交通。2. 初拟路面结构方案初拟路面结构如表 4 所示。表 4. 初拟路面结构结构层编号层位材料类型厚度(mm)模量(MPa)泊松比1上面层沥青混合料40.0105000.252中面层沥青混合料60.0112500.253下面层沥青混合料80.090000.254基层无机结合料稳定材料360.0115000.255底基层无机结合料稳定材料180.085000.256土基610.40路基标准状态下回弹模量取92MPa,回弹模量湿度调整系数Ks取0.83,干湿 与冻融循环作用折减系数Kn取080,则经过湿度调整和干湿与冻融循环作用折 减的路基顶面回弹模量为 61MPa。3. 路面结构验算3.1 沥青混合料层永久变形验算根据表，基准等效温度Tg为14.9C，由式(G.2.1)计算得到沥青 混合料层永久变形等效温度为17.8C。可靠度系数为1.65。根据条规定的分层方法，将沥青混合料层分为7个分层，各分层厚度 (hi)如表5所示。利用弹性层状体系理论，分别计算设计荷载作用下各分层顶 部的竖向压应力(Pi)。根据式(B.3.2-3)和式(B.3.2-4)，计算得到d仁-4.15, d2=0.66。把di和d2的计算结果带入式(B.3.2-2)，可得到各分层的永久变形 修正系数(kRi),并进而利用式(B.3.2-1 )计算各分层永久变形量(Rai)。各计 算结果汇总于表 5 中。各层永久变形累加得到沥青混合料层总永久变形量Ra=5.8(mm)，根据表，沥青层容许永久变形为15.0(mm)，拟定的路面结构满足要求。表 5. 沥青层永久变形计算结果分层编号分层厚度(mm)竖向压力(MPa)修正系数(kRi)永久变形(mm)110.00.703.800.3215.00.704.570.6315.00.697.110.9420.00.677.361.2520.00.616.220.9620.00.544.740.5780.00.471.941.3总计5.83.2 无机结合料层疲劳开裂验算 根据弹性层状体系理论，计算得到无机结合料层层底拉应力为 0.128MPa。根据气象资料，工程所在地区冻结指数F为1308.0C 日，按照表，季节性冻土地区调整系数ka取0.76。根据式(B.2.1-2)，现场综合修正系数为-1.411根据工程所在地区，查表 G.1.2 得到基准路面结构温度调整系数为 0.97， 根据初拟路面结构和路面结构层材料参数，按式（G.1.3T）计算得到温度调整 系数kT2为088。由表B.2.1-1,对于无机结合料稳定粒料，疲劳开裂模型参数 a=13.24, b=12.52。弯拉强度为 1.7MPa。根据以上参数，按式（B.2.1-1 ）计算得到无机结合料层底疲劳寿命为 7,584,562,233。3.3 贯入强度验算公路所在地区月平均气温大于0C的月份数为7个月，由此得到对应于贯入 强度验算的设计车道累计设计轴载作用次数 Ne5 为 18,568,138。所在地区月平 均气温大于0C的各月份气温平均值为15.0C。根据公路等级，参照表， 得到沥青混合料层容许永久变形量为15.0mm。路面结构系数根据式（5.5.8-2） 计算为 1.09，沥青混合料层的综合贯入强度由式（5.5.8-3）确定为 0.91MPa， 根据式（5.5.8-1）,得到沥青混合料层的贯入强度要求值为 0.59，所以，拟定 的路面结构和材料满足贯入强度要求。3.4 路面低温开裂指数验算根据气候条件，所在地区低温设计温度T为-28.0C。路基类型参数b=3， 表面层沥青在- 10C条件下弯曲梁流变试验的劲度模量St为168MPa，由公式（B.5.1），计算得到低温开裂指数Cl=2.9,根据表3.0.6-2,低温开裂指数要求 为 3.0，所选路面结构及材料满足低温抗裂的要求。3.5 防冻厚度验算根据调查资料，所大地多年最大冻深为1750mm，由表、 B.6.1-3,得到材料热物性系数a=1.20，路基湿度系数b=1.00,路基断面形式系 数c=1.05，将这些参数代入公式，可得公路多年最大冻深为2205mm。根 据公路多年最大冻深和路基干湿类型，由表，确定沥青路面结构最小防 冻厚度为650 mm,路面结构总厚度为720 mm,拟定的路面结构满足防冻厚度要求。4. 路基顶面和路表验收弯沉值根据附录B.7节，确定路基顶面和路表验收弯沉值时，采用落锤式弯沉仪， 荷载盘半径为150mm，荷载为50kN。路基标准状态下回弹模量取92MPa,回弹模量湿度调整系数Ks取0.83,则平衡湿度状态下的回弹模量为76MPa，采用公式(B.7.1)计算得到路基顶面验收 弯沉值为 244.6(0.01mm)。采用拟定的路面结构以及各层结构模量值，路基顶面回弹模量采用平衡湿度 状态下的回弹模型乘以模量调整系数kl(kl=0.5),为38MPa,根据弹性层状体系 理论计算得到路表验收弯沉值la为18.7 (0.01mm)。5. 结果汇总各项验算结果汇总如下表所示：表 6. 分析结果汇总验算内容计算值对比值是否满足沥青层车辙(mm)5.815.0是半刚性层疲劳开裂对应的累积当量轴次7,584,562,233726,754,209是沥青层贯入强度0.910.59是低温开裂指数2.93.0是防冻厚度(mm)720.0650.0是由上表可知，所选路面结构和材料能满足各项验算内容的要求。中砂)uIIIz；中0-1.路 面 结 构 图 式中粒式沥青混 凝土番ifh K.某新建二飆略凜微丘）二灰土路面结构图尺寸单位：m）中砂垫层干燥巴ULi5_.中粒式沥青混凝土 粗粒式沥青混凝土. .水泥碎石二灰土干燥（尺寸单位:4cmw；中粒式沥青混凝土 粗粒式沥青混凝土水泥碎石二灰土粗粒式沥青混 凝土水泥碎石结构大样图软石、中湿 次坚石1.忙代号 路基模量自然区划 干湿类型 路基土组干燥粘丄