路基路面工程课程设计计算书.doc

(一) 路面稳定性分析(1)汽车荷载当量换算N横向分布车辆数，四车道N=4；Q每一辆车的重力，Q=550kN；g路基填料的容重，g=18.6kN/m3；L汽车前后轴的总距，L=12.8m；B横向分布车辆轮胎外缘之间的总距，B=Nb+(N-1)d=4×1.8+3×1.3=11.1m；(2) 按4.5H法确定滑动圆心辅助线。在此取边坡斜度i0=1:1.5，查表得b1=26°，b2=35°。距此两角分别自坡脚和左顶点作直线相交于O点，BO的延长线即为滑动圆心辅助线。(3)绘出三条不同位置的滑动曲线：一条通过路基中心线；一条通过路基的右边缘；一条通过距右边缘1/4路基宽度处。(4)滑动圆弧中心确定方法：用直线连接可能滑弧的两端点，并作此直线的中垂线相交于滑动圆心辅助线BO于A点。A点即是该滑动曲线的中心。(5)将圆弧范围土体每1.5米分为一段，自滑动曲线的中心到基层直线向两边依次分。算出滑动曲线每一分段中点与圆心竖线之间的偏角ai式中：Xi分段中心距圆心竖线的水平距离，圆心竖线左侧为负，右侧为正； R滑动曲线的半径。(6)每一段的滑动弧曲线可近似取直线，将各分段图形简化为梯形或者三角形，计算面积Wi，其中包括荷载换算成土柱部分的面积在内。(7)以路堤纵向1m计算出各分段的重力Gi；(8)在每一段的重力Gi化为两个分力：a)在滑动曲线法线方向分力：Ni=Gicosaib)在滑动曲线切线方向分力：Ti=Gisinai并分别求出此两者之和，S Ni和STi。(9)算出滑动曲线圆弧长L。(10)计算稳定系数K1=1.67 K2=3.58 K3=2.49由于第一条曲线（通过路基中心线）的稳定系数最小，而又是最靠左边，因此在左边缘与路基中线之间再绘一条滑动曲线，并计算其稳定系数。K1=1.32由此可见，第一条曲线为极限的滑动面，其稳定系数满足1.251.50之间范围要求，因此所采用边坡坡度满足边坡稳定要求。圆弧法边坡稳定性分析见下图、下表：分段siniicosii (m2)Gii(kN)NiGicosi (kN)TiGisini (kN) L10.9064.19°0.444.9992.8440.4283.5822.9320.7548.82°0.668.65160.87105.93121.0730.6238.01°0.7910.84201.55158.81124.1040.4828.62°0.8812.34229.46201.44109.8950.3420.00°0.9413.36248.56233.5785.0360.2111.84°0.9813.79256.51251.0552.6570.073.92°1.0012.06224.37223.8515.358-0.07-3.92°1.0010.56196.47196.01-13.449-0.21-11.84°0.988.75162.73159.27-33.4010-0.34-20.00°0.946.60122.79115.39-42.0111-0.48-28.62°0.884.0775.7966.53-36.3012-0.60-37.23°0.801.1421.2116.89-12.83S Ni= 1769.15STi =453.70分段siniicosii (m2)Gii(kN)NiGicosi (kN)TiGisini (kN)L10.9879.170.191.0519.493.6619.1440.7620.9266.470.4011.41212.2084.72194.5530.8154.000.5915.74292.84172.14236.9040.7044.520.7118.42342.69244.35240.2750.5936.390.8120.37378.86304.99224.7660.4929.040.8721.83405.98354.95197.0670.3822.180.9322.91426.17394.64160.8980.2715.640.9623.69440.59424.27118.8190.169.310.9924.19449.90443.9772.79100.053.091.0024.43454.46453.8024.5111-0.05-3.091.0024.43454.46453.80-24.5112-0.16-9.310.9924.14449.04443.12-72.6513-0.27-15.640.9623.35434.28418.19-117.1114-0.38-22.180.9320.57382.61354.30-144.4515-0.49-29.040.8717.98334.52292.47-162.3716-0.59-36.390.8115.03279.50225.00-165.8117-0.70-44.520.7111.58215.43153.61-151.0418-0.81-54.000.597.40137.6880.93-111.3819-0.91-64.880.422.0037.2915.83-33.76S Ni=5318.74STi=506.60分段siniicosii (m2)Gii(kN)NiGicosi(kN)TiGisini(kN)L10.9368.990.366.04112.2940.26104.8331.3120.8153.640.5911.56214.96127.45173.1030.6842.950.7314.16263.45192.83179.5140.5633.880.8315.98297.17246.71165.6750.4325.700.9017.28321.38289.60139.3660.3118.040.9518.19338.31321.68104.7870.1910.710.9818.77349.11343.0364.8880.063.551.0019.05354.38353.7021.959-0.06-3.551.0018.96352.64351.96-21.8410-0.19-10.710.9816.64309.48304.09-57.5111-0.31-18.040.9514.56270.78257.47-83.8712-0.43-25.700.9012.15225.95203.60-97.9713-0.56-33.880.839.35173.84144.32-96.9214-0.68-42.950.736.03112.2282.14-76.4715-0.80-53.220.601.9736.5521.89-29.28S Ni=3280.69STi=490.23分段siniicosii (m2)Gii(kN)NiGicosi(kN)TiGisini(kN)L10.8558.640.522.1940.7821.2234.8216.1220.7347.250.685.49102.1069.3174.9730.6036.930.807.57140.79112.5584.5840.4727.860.887.54140.15123.9165.4950.3319.500.946.80126.46119.2142.2160.2011.550.985.93110.28108.0422.0870.073.831.004.7388.0787.875.888-0.07-3.831.003.2360.1760.03-4.029-0.21-12.360.981.4627.0626.44-5.79S Ni=728.58STi=320.22(二)挡土墙设计1、采用重力式路肩墙，墙高6m，如图所示：2、车辆荷载换算： 按墙高确定的附加荷载强度进行换算： 由资料查得墙高6m时，附加荷载强度q=15kN/m2 则换算等代均布土层厚度： H0=q/g=15/15=1 m3、土压力计算： Ea=gH2KK1/2 y=a+j+d=00+360+180=540 tanq=-tany+ =-tan540+ =0.5701 q=29.69o K=cos(q+j)×(tanq+tanq)/sin(q+y) = cos(29.690+360)(0.5701+0)/sin(29.690+540) =0.2361K1=1+2h0/H=1+2×1/6=1.3333Ea=0.5×15×36×0.2361×1.3333=85.00 kN土压力作用点:Zy=H/3+h0/(3 K1)=6/3+1/(3×1.3333)=2.25 mZx=B1- Zy tana=3 m4、稳定性验算：（取单位墙长1m计算） 墙体重及其作用点：V=(b1+B1)H/2=0.5×(1+3)×6=12 m3G=Vg1=12×24=288 kNZGx=2×(B1-b1)×H(B1-b1)/6+(B1-b1)+b1/2b1(B1-b1)/12 =1.08 m (2)抗滑稳定性验算: Kc=(G+Easind)f/(Eacosd) =(288+85×sin180)×0.4/(85×cos180)=1.56 > Kc=1.3 抗滑稳定性满足(3)抗倾覆稳定性验算: K0=G ZGx /( Ea × Zy) =288×1.08/(85×2.25)=1.63 > K0=1.5 抗倾覆稳定性满足(4)偏心矩: e=B1/2- ZGx =1.5-1.08=0.42 m smax=G(1+6e/B1)/B1=288×(1+6×0.42/3)/3=176.64 kPa < s=580 kPasmin=G(1-6e/B1)/B1=288×(1-6×0.42/3)/3=15.36 kPa > 05、截面内力验算： （1）正截面强度验算： 计算强度时： Nj=akARk/gk Nj=288 kN e/b1=0.42/1.0=0.42 ak =(1-256×0.428)/(1+12×0.422) =0.2413 A=b1=1.0 m由资料查得25#浆砌片石，12.5#砂浆的极限抗压强度 Rk=3400 kN/m2akARk/gk=0.2413×1.0×3400/2.31=355 kN > Nj 正截面强度符合 (2)墙身稳定验算:Nj £ykakARk/gk查资料得:bs=2H/B1=2×6/3=4 as=0.0025yk =1/1+a s bs(bs -3)1+16(e/b1)2) =1/1+0.0025×4×(4-3)1+16(0.42)2) =0.96ykakARk/gk=0.96×0.2413×1.0×3400/2.31 =342 kN > N j 截面尺寸满足正截面强度与墙身稳定要求 (3)正截面直接受剪验算: Qj£(AjRj /gk)+f N j Qj =Ea=85 kNAj=b1=1.0 m gk =2.31 f=0.4 N j =288 kN由资料得Rj=0.15 Mpa(AjRj /gk)+f N j=(1.0×150/2.31)+0.4×288 =180 kN > 85 kN 符合要求所以挡土墙尺寸偏于安全(三)柔性路面设计一、荷载分析路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载(1)以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力的累计当量轴次轴载换算（交通量组合）计算如下表所示（轴载小于25kN的轴载作用不计）车型Pi(kN)C1C2ni(次/日)C1C2ni(Pi/P)4.35(次/日)解放CA10B后轴60.851122015025.317.3解放CA30A前轴26.50111501800.50.6后轴2×36.702.211501804.25.1东风EQ140后轴69.201117021034.342.3黄河JN150前轴49.0011801003.64.5后轴101.60118010085.7107.1黄河JN162前轴59.501112010012.510.5后轴115.0011120100220.4183.7黄河JN360前轴50.0011160807.83.9后轴2×110.002.2116080532.8266.4长征XD160前轴42.60111802204.45.4后轴2×85.202.21180220197.3241.1交通SH141前轴25.55111202600.30.7后轴55.10111202609.019.51138.1908.1注：这里取第一组交通量累计轴次。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，车道系数取0.45累计当量轴次次(2)验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次轴载换算计算如下表所示(轴载小于50kN的轴载作用不计) 车型Pi(kN)C1C2ni(次/日)C1C2ni(Pi/P)8(次/日)解放CA10B后轴60.85112201504.12.8东风EQ140后轴69.20111702108.911.0黄河JN150后轴101.60118010090.8113.5黄河JN162前轴59.50111201001.91.6后轴115.0011120100367.1305.9黄河JN360前轴50.0011160800.60.3后轴2×110.002.21160801028.9514.5长征XD160后轴2×85.202.21180220149.9183.3交通SH141后轴55.10111202601.02.21653.21135.1注：这里取第一组交通量累计轴次。累计当量轴次 次二、结构组合与材料选取根据规范推荐结构，路面结构面层采用沥青混凝土（15cm），基层采用水泥碎石（25cm），底基层采用石灰土（厚度待定）。路面结构采用三层式面层，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5cm），下面层采用粗粒式密级配沥青混凝土（6cm）。三、各层材料的抗压模量和劈裂强度查表可得各层材料的抗压模量和劈裂强度材料名称抗压模量E（MPa）劈裂强度s（MPa）2015细粒式密级配沥青混凝土140020001.4中粒式密级配沥青混凝土120018001.0粗粒式密级配沥青混凝土100014000.8水泥碎石15000.5石灰土5500.225四、土基回弹模量确定该路段位于1区，粘性土，路基填高6米，查表得稠度w>1.2，土基回弹模量为40.5 MPa。五、设计指标确定对于一级公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算（1）设计弯沉值一级公路，公路等级系数Ac=1.0，面层为沥青混凝土，面层系数As=1.0，半刚性基层、底基层总厚度大于20cm，基层系数Ab=1.0设计弯沉值（2）各层层底容许拉应力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：六、设计资料总结设计弯沉值29.07(0.01mm)，相关资料汇总如下：材料名称h(cm)抗压模量（MPa）容许弯拉应力（MPa）2015细粒式密级配沥青混凝土4140020000.56中粒式密级配沥青混凝土5120018000.40粗粒式密级配沥青混凝土6100014000.29水泥碎石2515000.26石灰土？5500.09土基40.5七、确定石灰土厚度令Ls=Ld=29.01(0.01mm)，查表得a=6.7，查表得K1=1.26，查表得H=4.8d=4.8×10.65=51.2cm由公式得，h5=18.3cm，取h5=20cm八、验算层底弯拉应力(15抗压模量)h1=4cm E1=2000MPah2=5cm E2=1800MPah3=6cm E3=1400MPah4=25cm E4=1500MPah5=20cm E5=550MPa E6=40.5MPa第一层层底：，值非常小，查表查不出具体值；，m1值非常小，查表查不出具体值；，m2值非常小，查表查不出具体值；说明所受弯拉应力(sm)很小，满足要求。第二层层底：，值非常小，查表查不出具体值；，m1值非常小，查表查不出具体值；，m2值非常小，查表查不出具体值；说明所受弯拉应力(sm)很小，满足要求。第三层层底：，值非常小，查表查不出具体值；，m1值非常小，查表查不出具体值；，m2值非常小，查表查不出具体值；说明所受弯拉应力(sm)很小，满足要求。第四层层底：，查表得；，查表得m1=1.24；，查表得m2=1.0；，满足要求。第五层层底：，查表得；，查表得n1=1.05；，查表得n2=0.3；，满足要求。九、路面结构剪应力验算，查表得，；，查表得，r1=1.120；，查表得，r2=0.98；缓慢制动时已知沥青混凝土面层c=0.2MPa，j=37°则因而紧急制动时容许剪应力停车站在设计年限内停车的标准轴次按4车道总累积轴数的15%计，即Nt=0.15×3743068=561461次则缓慢制动时，满足要求。紧急制动时，满足要求。(四)刚性路面设计（我国水泥混凝土路面设计规范规定以汽车轴重100KN的单轴荷载作为设计标准荷载）（1） 轴载换算公式NS =车型PiNi（I）（II）（I）（II）解放CA10B后轴60.8522015010.07770.0530东风EQ140 后轴69.2017021010.47010.5807黄河JN150前轴49.008010010.00090.0011后轴101.60801001103.1128.9黄河JN162前轴59.5012010010.02960.0247后轴115.0012010011122.9935.8黄河JN360前轴50.001608010.00240.0012后轴2110.00160801.991.545.8长征XD160前轴42.6018022010.00020.0003后轴285.201802202.11.92.3交通SH141后轴55.1012026010.00870.0188 NS =1320.01113.5注：小于40KN的单轴与80KN的双轴可略去不计，这里取第一组交通量累计轴次。由表65该路面属于重交通级，设计使用年限为25 年，普通混凝土，初拟板厚为25cm .（2）确定车轮轮迹横向分布系数（公路一级），查表166取=0.20 （3）确定设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数 N= NS= 1320.0=4013000次（4）初拟路面结构初估混凝土面板厚h=25 cm,基层选用水泥稳定砂砾，厚为20cm，E=400MPa，垫层为天然砂砾，厚为25cm，E=150 MPa， 见右图：板平面尺寸选用宽为3.75m ,长为5.0m纵缝设拉杆平缝，横杆为设传力杆的缩缝。（5）确定基层顶面的计算回弹模量E混凝土设计弯拉强度与弹性模量由表168取得，设计弯拉强度f=5.0 MPa, 弹性模量E=30000 MPaE/E=150/32=4.96,垫层厚25cm,由规范查图1611得 Et/E=2.3，Et=2.332=73.6 MPa， E/ Et=400/73.6=5.43，基层厚度20cm，由规范查图1611得 Et / Et=2.2 Et =2.273.6=161.92 MPa 100 MPa 满足规范要求计算基层顶面的计算回弹模量：E=n Et1. 计算荷载应力时n=1.718 =1.718 =1.47 基层顶面回弹模量： E=nEt =1.47161.92=238.02 MPa2. 计算温度应力时，n=0.35此时基层顶面计算回弹模量：E=nEt =0.35161.92=56.67 MPa（6）计算荷载疲劳应力E/E=30000/238.02=126.04 和h =25cm，查图1613可得纵缝板边缘中部的最大应力为：=1.4 MPa因纵缝未设拉杆平缝，查表1611，取应力折减系数K=0.91疲劳应力系数 K= N= 4013000=2.19查表1611得K=1.35= K K K =0.912.191.351.4=3.77 MPa(7) 计算温度疲劳应力IV区由表163查得T=91C/m，混凝土结构的刚度半径为：l=0.841m由板长5 m，L/l=500/84.1=5.95，h=25cm, B/l=3.75100/84.1=4.46查图1610曲线3 得Cx=0.895Cy=0.550=0.85D=2.080.85e-0.154 =2.080.85e-0.154(1-0.85) =0.5538=300000.910.553825/2=1.89 MPa/ f=1.89/5.0=0.378IV区由表1613查得K=0.5278温度疲劳应力= K=0.52781.89=1.00 MPa（8）检验初拟板厚度+=3.77 +1.00=4.77 MPa0.95 f=4.75 MPa <+=4.77 M<1.03 f=5.15 MPa所以路面厚度（25cm）可以承受荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。初拟路面结构符合要求。（9）检查是否满足防冻厚度要求东南温热区 冻结深度1.0路面结构总厚度25+20+25=70cm由表151得 粉性土 中湿地段防冻最小厚度4060cm，该地段满足防冻要求。