《沥青路面工程》课程设计计算书

路面工程课程设计计算书沥青路面设计21 设计资料21.1 公路等级情况及周边情况21.2 公路2007年交通量调查情况如下表:21.3 沿线地理特征32 轴载分析32.1以设计弯沉值为设计指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次32.1.1 轴载换算32.1.2 计算累计当量轴次42.2 验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次42.2.1 轴载换算42.2.2 计算累计当量轴次53 确定路面等级和面层类型53.1 路面等级53.2 面层类型53.3 结构组合与材料的选取54 确定各结构层材料设计参数。64.1 各层材料的抗压模量与劈裂强度64.2 土基回弹模量的确定64.2.1 确定路基的平均稠度64.2.2 确定土基回弹模量75 设计指标的确定75.1 设计弯沉值75.2 各层材料的容许底层拉应力76 设计资料总结87 确定石灰土层的厚度88 计算路面结构体系的轮隙弯沉值（理论弯沉值）109 验算各层层底拉应力119.1 上层底面弯拉应力的验算119.1.1 第一层地面拉应力验算119.1.2 第二层地面拉应力验算119.1.3 第三层换算129.1.4 第四层换算139.2 计算中层底面弯拉应力。13水泥路面设计141 设计资料141.1 公路等级情况及周边情况141.2 公路1998年交通量调查情况如下表:141.3 沿线地理特征152 交通分析152.1 标准轴载与轴载换算152.2 交通分级，设计使用年限，和累计作用次数162.2.1 设计年限内一个车道累计作用次数162.2.2 交通等级的确定及初估板厚163 路面结构层组合设计164 确定结构层材料设计参数174.1 基层顶面的当量回弹模量与计算回弹模量174.2 复合式混凝土面层的截面总刚度与相对刚度半径185 荷载应力计算185.1荷载疲劳应力计算185.2 温度疲劳应力计算196 路面接缝处理206.1 纵向接缝206.1.1 根据规范的要求纵向接缝的布设应路面宽度和施工铺筑宽度而定。206.2 横向接缝216.3 端部处理226.4 接缝填封材料227 纵向配筋设计227.1 计算参数227.2 横向裂缝间距计算237.3 裂缝宽度的计算237.4 钢筋应力的计算237.5 钢筋间距或根数的计算248 补强钢筋的设计248.1 边缘钢筋设计248.2 角隅钢筋设计24 沥青路面设计1 设计资料1.1 公路等级情况及周边情况 沪杭高速人民广场至枫泾段公路，共有4车道，路面宽度为27.50m，设计年限为20年。交通量年平均增长率为6%。沿途有大量的碎石集料，砂砾并有石灰供应。1.2 公路2007年交通量调查情况如下表:序号汽 车型 号总重（KN）载重(KN)前轴重（KN）后轴重（KN）后轴数轮组数轴距（cm）交通量（辆/日）1解放CA1591.3550.0020.9770.381双8002东风EQ14092.9050.0023.7069.201双12003吉尔13085.2540.0025.7559.501双5004尼桑CK20L149.8585.2549.85100.001双6005依土兹TD50132.2076.6542.2080.001双3006玛斯200137.0072.0036.00101.001双1001.3 沿线地理特征该公路位于区，沿线土质为粘性土。冻前地下水位为1.5m，路基平均填土高度约为0.6m。2 轴载分析轴载分析：根据我国混凝土路面设计规范和沥青路面设计规范规定路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载。2.1以设计弯沉值为设计指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次2.1.1 轴载换算计算标准轴载的当量轴次：其中、分别采用以下来计算：，（双轮），计算结果如下表所示：（单位为次/日）车型轴名轴载计算轴载（Pi）C1C2解放CA15前轴20.970118000后轴70.3870.3811800 173.58东风EQ140前轴23.7001112000后轴69.2069.20111200241.90吉尔130前轴25.7525.75115001.37后轴59.5059.501150052.25尼桑CK20L前轴49.8549.851160029.04后轴100.00100.0011600600依土兹TD50前轴42.2042.20113007.03后轴80.0080.0011300113.65玛斯200前轴36.0036.00111001.17后轴101.00101.0011100104.421324.42注：轴载小于25KN的轴载作用不计。2.1.2 计算累计当量轴次根据设计规范及道路设计的本身要求，本公路沥青路面的设计年限取20年，根据规范规定的双向四车道的车道系数是0.4-0.5，在本设计中车道系数取0.45，计算累计当量轴次的公式： 本式中：r表示交通量在设计使用年限的平均增长率，本公路取值为6%。 t表示公路的设计使用年限，本公路取值为20年。 表示车道系数，本公路取值为0.45. 表示单日换算轴载次数，本公路取值为1324.42。因此有，=8002190（次）2.2 验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次2.2.1 轴载换算 验算半刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为：其中，表示轴数系数，；表示轮组系数，（双轮组）计算结果如下表所示：（单位为次/日；注：轴载小于50KN的轴载作用不计）车型轴名轴载计算轴载（Pi）C1C2解放CA15前轴20.970118000后轴70.3870.381180048.16东风EQ140前轴23.7001112000后轴69.2069.2011120063.10吉尔130前轴25.7525.75115000.01后轴59.5059.50115007.85尼桑CK20L前轴49.8549.85116002.29后轴100.00100.0011600600依土兹TD50前轴42.2042.20113000.30后轴80.0080.001130050.33玛斯200前轴36.0036.00111000.03后轴101.00101.0011100108.29880.362.2.2 计算累计当量轴次计算累计当量轴次的公式为： 参数取值同上:设计年限t为20年,车道系数取0.45, 设计使用年限的平均增长率r取6%，单日换算轴载次数取880.36。则，对于半刚性基层层底拉应力累计当量轴次：=5319164（次）根据设计规范的规定，累计当量轴次应当取不利值，所以，应该取值为8002190累计当量轴次。3 确定路面等级和面层类型3.1 路面等级由以上计算可以得出，设计年限内一个行车道上的累计标准轴载次数约为800万次左右。根据由累计当量轴次划分的交通等级可以定出该路的设计路面等级为中等交通等级。3.2 面层类型由于规范规定高速公路、一级公路的面层由二层或三层组成。对于本公路的设计，初步拟定采用三层式沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土，中面层采用中粒式密级配沥青混凝土，底面层采用粗粒式密级配沥青混凝土。3.3 结构组合与材料的选取 由上面的计算可以得出，设计年限内一个行车道上的累计轴载次数约为800万次左右，根据公路沥青路面设计规范JTG D50-2006规定的结构要求，查表4.1.3-1，并考虑到公路沿途有大量碎石且有石灰供应，路面结构面层采用的材料及厚度初步拟定如下：沥青混凝土（厚度取17cm），基层采用水泥碎石（厚度取25cm），底基层采用石灰土（厚度待定）。由于本公路，采用三层式沥青面层，加上其等级为中等交通，拟定表面层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚度4cm），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度6cm），底面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（厚度7cm）。材料的具体厚度列表如下：路面结构材料选用材料厚度（单位cm）面层细粒式密级配沥青混凝土4中粒式密级配沥青混凝土6粗粒式密级配沥青混凝土7基层水泥碎石25底基层石灰土待定4 确定各结构层材料设计参数。4.1 各层材料的抗压模量与劈裂强度根据相关表格及设计规范，可以得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。规范规定抗压模量取的模量，且在设计中各值均取规范给定范围的中值，因此得到的抗压模量如下：细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa，中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa，粗粒式密级配沥青混凝土为1000MPa,水泥碎石为1500MPa，石灰土为550MPa。各层材料的劈裂强度如下：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，粒式密级配沥青混凝土为0.8MPa,水泥碎石为0.5MPa，石灰土为0.225MPa。列表表示如下：材料选用的抗压模量劈裂强度细粒式密级配沥青混凝土1400MPa1.4MPa中粒式密级配沥青混凝土1200MPa1.0MPa粗粒式密级配沥青混凝土1000MPa0.8MPa水泥碎石1500MPa0.5MPa石灰土550MPa0.225MPa4.2 土基回弹模量的确定4.2.1 确定路基的平均稠度 由于没有确定的实测稠度，根据相应的知识，可根据路基的临界高度判断土的干湿类型。由于冻前地下水位为1.5m，位于（1.71.9）及（1.21.3）之间，然后查路基路面工程一书中表（149）有，土基的平均稠度的范围是：。因此，判定土的干湿类型为中湿，故有粘性土，因此，选用。4.2.2 确定土基回弹模量 本路段处于区，为粘性土，稠度为1.00，在路基路面工程一书中查表14-11有土基回弹模量为30MPa。5 设计指标的确定 对于高速公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构底层拉应力验算。5.1 设计弯沉值 路面设计弯沉值公式为：。由于该公路为一级公路，故公路等级系数取1.0；面层是沥青混凝土，面层系数取1.0；半刚性基层，底基层总厚度大于20cm，所以基层系数取1.0。则，设计弯沉值为。 （0.01mm）5.2 各层材料的容许底层拉应力计算各层材料的容许底层拉应力的公式为：本式中：指路面结构层材料的容许拉应力； 指结构层材料的极限抗拉强度； 指抗拉强度结构系数，对于沥青混凝土面层：、对于水泥碎石：，对于石灰土：。所以有： 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: 水泥碎石： 石灰土： 6 设计资料总结设计弯沉值为24.98（0.01mm）,相关设计资料汇总如下表：材料名称h(cm)模量（MPa）容许拉应力（Mpa）细粒式密级配沥青混凝土414000.471中粒式密级配沥青混凝土612000.337粗粒式密级配沥青混凝土710000.245水泥碎石2515000.260石灰土 待定5500.0911土基-30-7 确定石灰土层的厚度将各层结构简化为下图，即多层体系转化为三层体系：细粒式密级配沥青混凝土h1=4cmE1=1400MPa中粒式密级配沥青混凝土h2=6cmE2=1200MPa粗粒式密级配沥青混凝土h3=7cmE3=1000MPa水泥碎石h4=25cmE4=1500MPa石灰土h5=?E5=550MPaE0=30Mpa转化为：细粒式密级配沥青混凝土h1=4cmE1=1400MPa中粒式密级配沥青混凝土h2=?E2=1200MPaE0=30MPa换算时，将多层体系的第一层作为上层，其厚度与模量保持不变，将2至5层作为中层，并将其转化为第二层的模量，厚底转化为等效厚度。即，变成一个弯沉等效的三层体系。转化时，采用BZZ-100为标准。因为，查三层体系表面弯沉系数诺普图有 。又有，同样查三层体系表面弯沉系数诺普图有 。因为，其中，,而，对于BZZ-100为标准来说，,则有 （mm） 所以可以得出由，则可以在三层体系表面弯沉系数诺普图中查出。所以有：（cm）然后，由有， ，计算得出（cm）即，石灰土的厚度为18.45cm，设计时为了方便施工，设计石灰土厚度为40cm。8 计算路面结构体系的轮隙弯沉值（理论弯沉值）根据上个步骤设计出的石灰土的厚度将多层体系按弯沉等效的原则换算成为三层体系。即由有， （cm）用图表示为如下：h1=4cmE1=1400MPah2=6cmE2=1200MPah3=7cmE3=1000MPah4=25cmE4=1500MPa h5=40cmE5=550MPaE0=30MPa因为，查三层体系表面弯沉系数诺普图有 。又由，同样查三层体系表面弯沉系数诺普图有 。又由，同样查三层体系表面弯沉系数诺普图有 。则有，轮隙弯沉值（理论弯沉值）为：（mm）9 验算各层层底拉应力9.1 上层底面弯拉应力的验算这里说的上层是换算为三层体系之后的上层，当计算第i层面的弯拉压力时，需将i层以上的各层换算成为模量、厚度为h的一层即为上层，换算公式为：，将第i+1层至n-1层换算为模量、厚度为H的一层即为中层，换算公式为：。换算后，查出三层连续体系上层底面拉应力，再根据相关规范的规定验算是否符合要求。9.1.1 第一层地面拉应力验算有，上层：h=，中层： cm 所以有，查三层连续体系上层底面拉应力系数诺普图有，则满足的要求。图示如下：h1=4cmE1=1400MPa=h1=4cmE1=1400MPah2=6cmE2=1200MPah3=7cmE3=1000MPah2=60.56cmE2=1200MPah4=25cmE4=1500MPa h5=40cmE5=550MPaE0=30MpaE0=30Mpa9.1.2 第二层地面拉应力验算有，上层：cm中层： cm 所以有，查三层连续体系上层底面拉应力系数诺普图有，则满足的要求。图示如下：h1=4cmE1=1400MPa=h1=10.32cmE1=1200MPah2=6cmE2=1200MPah3=7cmE3=1000MPah2=62.84cmE2=1000MPah4=25cmE4=1500MPa h5=40cmE5=550MPaE0=30MpaE0=30Mpa9.1.3 第三层换算有，上层：cm中层： cm 所以有，查三层连续体系上层底面拉应力系数诺普图有，则满足的要求。图示如下：h1=4cmE1=1400MPa=h1=18.03cmE1=1000MPah2=6cmE2=1200MPah3=7cmE3=1000MPah2=41.81cmE2=1500MPah4=25cmE4=1500MPa h5=40cmE5=550MPaE0=30MpaE0=30Mpa9.1.4 第四层换算有，上层：cm中层： 所以有，查三层连续体系上层底面拉应力系数诺普图有，又可以由， ，查出1.35 0.7所以有，25cm。3 路面结构层组合设计由以上计算可以知道，本公路交通属于重交通，根据公路水泥混凝土路面设计规范 JTG D402002的要求规定，现将该道路的路面结构由三个层次组成，垫层，基层，面层。根据规范的相关要的规定，由表3O1知，相应于安全等级一级的变异水平等级为低级。根据高速公路重交通等级和低变异水平等级，查路基路面工程表1617，初拟普通混凝土面层厚度为O.26m，碾压混凝土基层O.16m，底基层选用水泥稳定粒料(水泥用量5)，厚0.2m，垫层为O.15m低剂量无机结合料稳定土。水泥混凝土上面层板的平面尺寸为水泥板的尺寸选择为4m4m,和3.5m4 m、宽从中央分隔带至路肩依次为4m、3.5m；纵缝为设拉杆平缝，横向缩缝为设传力杆的假缝。碾压混凝土不设纵缝，横缝设假缝。另外，修筑好符合设计规范的路肩和路面排水设施。4 确定结构层材料设计参数根据规范的相关规定，查取相应的表格数据有，在特重交通，水泥混凝土的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa。碾压混凝土弯拉强度标准值为4.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为27GPa。4.1 基层顶面的当量回弹模量与计算回弹模量 由于基层的，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：（MPa） 4.2 复合式混凝土面层的截面总刚度与相对刚度半径又由于普通混凝土面层与碾压混凝土基层组成分离式复合式面层。此时ku=O，hx=O。则复合式混凝土面层的截面总刚度，按下式计算为：复合式混凝土面层的相对刚度半径，按按下式计算为：。5 荷载应力计算5.1荷载疲劳应力计算标准轴载在普通混凝土面层临界荷位处产生的荷载应力计算为： 普通混凝土面层，因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数= O87；碾压混凝土基层不设纵缝，不考虑接缝传荷能力的应力折减系数。水泥混凝土面层，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 ： 碾压混凝土基层，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：根据公路等级，相关规范规定，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数后有=130。则普通混凝土面层的荷载疲劳应力计算为：碾压混凝土基层的荷载疲劳应力计算为5.2 温度疲劳应力计算由路基路面工程表1628 区最大温度梯度取90(m)。普通混凝土面层板长4m，则：，在设计规范的附录中，可由普通混凝土面层h01=O.26m，查得Bx=0.48则，最大温度梯度时普通混凝土上面层的温度翘曲应力计算为： 普通混凝土面层的温度疲劳应力系数的计算式为：式中，a、b、c、查回归系数表，有地区，系数a,b,c分别为a=0.841，b=0.058，c=1.323。则温度疲劳应力系数为： 计算温度疲劳应力为： 分离式复合式路面中碾压混凝土基层的温度翘曲应力可忽略不计。在规范中查表3.0.1，高速公路的安全等级为一级，目标可靠度为95，相应的变异水平等级为低。再据此查表3.0.3，确定可靠度系数。则，普通混凝土面层碾压混凝土基层因而，拟定的由厚度0.2m的普通混凝土上面层和厚度O.16m的碾压混凝土基层组成的分离式复合式路面，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。6 路面接缝处理6.1 纵向接缝6.1.1 根据规范的要求纵向接缝的布设应路面宽度和施工铺筑宽度而定。根据规范的要求，一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝。由于一次铺筑宽度不大于4.5m，因此，本公路的纵向施工缝采用平缝形式，上部锯切槽口，深度为35mm，宽度为5mm，槽内灌塞填缝料，基本构造如下图所示：6.1.2 纵缝应与路线中缝平行。在路面等宽的路段内或路面变宽路段的等宽部分，纵缝的间距和形式应保持一致。路面变宽段的加宽部分与等宽部分之间，以纵向施工缝隔开。加宽板在变宽段起终点处的宽度不应小于1m。6.1.3 由于本道路面层采用连续配筋混凝土面层，所以其纵缝拉杆可由板内横向钢筋延伸穿过接缝代替。故不用单独设计。6.2 横向接缝6.2.1 根据相关规范的规定，每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处。在缩缝处的施工缝处采用传力杆的平缝形式，其构造如下图所示;设在胀缝处的施工缝,其构造与胀缝相同.6.2.2 横向缩缝等间距布置，采用设传力杆假缝形式，其构造如下图所示。6.2.3 横向缩缝顶部锯切槽口，深度为60mm，宽度为5mm，槽内填塞填缝料。根均规范的规定，在槽口处增设深20mm、宽8mm的浅槽口，其构造如下图所示。6.2.4 传力杆应采用光面钢筋。其尺寸和间距查表，根据面层厚度，应该选用为传力杆直径32mm，传力长度500mm，传力杆间距250mm。最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为250mm。6.3 端部处理由于本公路采用连续配筋混凝土面层，所以与其他类型路面或构造物相连接的端部，应设置成锚固结构。端部锚固结构采用钢筋混凝土地梁或宽翼缘工字钢梁接缝形式。6.4 接缝填封材料 胀缝接缝板选用泡沫橡胶板、沥青纤维板，接缝填料选用有聚氨酯焦油类、氯丁橡胶类、乳化沥青类、聚氯乙烯胶泥、沥青橡胶类、沥青玛蹄脂及橡胶嵌缝条等。7 纵向配筋设计本公路面层设计为连续配筋混凝土面层，其配筋计算的时候，应该采用以下3项技术标准：1.混凝土面层横向裂缝的平均间距为1.0-2.5m；2.裂缝间隙最大宽度为1mm；3.钢筋拉应力不超过钢筋的屈服强度。7.1 计算参数 混凝土强度等级为C35，查表得混凝土抗拉强度标准值=3.2(MPa)，粘结刚度系数=32(MPamm)，连续配筋混凝土干缩应变=O.0003。选用HRB335螺纹钢筋，直径：16mm，查表得到弹性模量Es= 200GPa、屈服强度 =335MPa。地区最高日平均气温与最低日平均气温之差为T=30。 7.2 横向裂缝间距计算混凝土的温缩应力系数的计算式为：初步拟定配筋率为，则钢筋的贡献率为：。在路基路面工程查取图1616不同值时系数b与系数的关系曲线有，b=5.3则横向裂缝间距为：满足横向间距1.0-2.5m的要求。7.3 裂缝宽度的计算 根据钢筋贡献率为和b=5.3，在在路基路面工程中查取图1617不同值时系数b与裂缝宽度系数的关系曲线有，裂缝的宽度系数，则计算裂缝宽度为： 满足规范的要求。7.4 钢筋应力的计算根据钢筋贡献率为和b=5.3，在在路基路面工程中查取表1618不同值时系数b与钢筋温度应力系数的关系曲线有，裂缝的宽度系数，则计算钢筋应力为：满足规范的要求。7.5 钢筋间距或根数的计算因为上述计算均满足要求，则初拟的纵向钢筋配筋率是合适的。钢筋间距为所以取钢筋间距为130mm。每1米纵向钢筋根数为 在实际施工的过程中，取8根。8 补强钢筋的设计8.1 边缘钢筋设计边缘钢筋，设计用2根直径为14mm厚的螺纹钢筋，设在板的下部板厚的处，即距板底的厚度为6.5cm，距离边缘为7cm，2根钢筋的间距设为10cm。且纵向边缘钢筋设计在一块板内，不穿过缩缝，以免妨碍板的翘曲。为了加强锚固能力，钢筋2端应该向上弯起。且在横胀缝两侧板边缘以及混凝土路面的起终端处，为加强板的横向边缘，亦设置了横向边缘钢筋。具体设计尺寸，布置方法见图。8.2 角隅钢筋设计角隅钢筋，设置在胀缝两侧板的角隅处，使用2根直径为13mm长为2.4m的钢筋弯制而成。角隅钢筋布设在板的上部，距板顶面为距离为6cm，距胀缝和板的各边缘为10cm，在交叉口处，对无法避免形成的锐角，设计成双层钢筋网补强，以避免发生板角断裂。钢筋布置在板的上下部，距板顶（底）6cm。具体设计尺寸，方法见图。参考文献路基路面工程 主 编：邓学钧 出版社：人民交通出版社 路面工程 主 编：方福森 出版社：人民交通出版社 道路路基与路面工程 主 编：姚祖康 出版社：人民交通出版社 Design of Pavement 主 编: E.J.Jouer, M.W.Weiters道路建筑材料 主 编: 严家及 出版社：人民交通出版社公路水泥混凝土路面设计规范，JTG D402002 交通部标准公路沥青路面设计规范，JTJ014-97 交通部标准25