高速公路路面设计及排水设计参考.docx
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高速公路路面设计及排水设计参考
第三章排水设计计算说明书
3.1气候与地质条件介绍
项目工程区属亚热带湿润季风气候区,整体气温变化幅度小,年均温13T4C,1月均温3.0-月3c,7月均温19.8-22.0C。
极端最高气温为32.8C,最低气温为-12C。
多年平均降水量达到1350毫米/年。
蒸发量最大的月份为2〜5月份,无霜期230-300天。
冬暖夏凉,气候宜人。
地形起伏较大,局部地区气候差异明显。
全市总水量约142.18亿立方米,其中地表水体平均年流量64亿立方米。
项目匚程区地处长江水系和珠江水系的分水岭地区。
长江水系以乌江上游三岔河为干流,展布于市境北部;珠江水系以北盘江为干流,由西向东横贯市境中部;南盘江支流分布于市境南部边缘。
受岩溶地貌影响,地表河网与地下河网均有发育,互有衔接,且反复出现。
境内10公里以上河流43条,多呈现河谷深切,河床狭,水流急,落差大,水利资源丰富。
匚程区年降水量具明显的季候性特征,5〜10月为雨季,多暴雨,降水量占全年总量的三分之二,暴雨常造成洪水灾害,并诱使崩塌、滑坡等地质灾害发生。
项目工程区所属境内岩溶地貌类型齐全,发育典型。
山峦众多,延绵起伏;沟壑纵横,深履险峻。
地势西北高,东南低。
地面最高点为乌蒙山脉的韭菜坪,海拔在2900.3米,人称“贵州屋脊”:
最低点在六枝特区毛口乡北盘江河谷,海拔586米。
境内平均海拔在1400T900米之间。
沿线地质情况为覆盖层以种植土、亚砂土和亚粘土为主,含少量的碎石质土,覆盖层厚2m左右,稻田中种植土厚0.6m左右。
下伏基岩为硅化板岩。
3.2边沟设计验算
在K1O+983,396至K11+020之间的左侧挖方段为挖方最大汇水面枳段,本次设计以沥青混凝土路面为例。
硅化板岩路堑(坡度为1:
05,坡面流长度为75m),路基宽度215m,取单侧路面和路肩横向排水宽度为12m,路拱横坡为2%在纵断面方面,此处属于竖曲线匕采用平均纵坡1=(1518.14-151670)/36604=003%,边沟坡脚和路肩边缘间设置矩形形边沟。
计算简图如图421.
111计算汇水面积和径流系数:
由图一计算汇水区域在路堑一侧(由平台沟到边坡平台)的面枳A!
=7.5X36604=27453m2o由于坡面上采用拱式护面墙防护,则由《公路排水设计规范》得坡面径流系数取C1=078。
汇水区域在边沟平台上的面积A产1x36604=366041^,取坡面径流系数(浆植草护面)02=0.53,汇水区域在路面一侧(公路路中线到边沟)的面积为A3=36604x12=4392481/,由表查得沥青路面径流系数为CK95。
由此,总的汇水面枳为
F=27453+36604+439248=750382m-,汇水区的径流系数为
274.53x0.78+36.604x0.53+439.248x0.95_
C==0.87o
750382
0+983.396
J面排水(4%))
以沥睛混凝土路看设计路面
图0-1边沟计算示意图
1.1.2计算汇流历时:
由克毕公式L=1.445*(竽计算坡面汇流历时,
其中:
L5一一坡面流长度:
is一一坡面流坡度;
mi一—地表粗糙系数:
由表查得拱式护面墙防护路堑边坡的粗度系数叫=04,且路堑坡度为1:
0.5,得路堑坡
面汇流历时力=1.445x(6?
x7方)。
3=205min,
y/V03
由表查得边沟平台(植草护面)的粗度系数mi=04,横向坡度为4%,则
t=1.445*(上上I)。
467=3.816m
V0T04
查表得沥青混凝土路面粗糙系数为m]=0013,横坡4%,坡面流长度为12m,所以历
时时间为h=1.445x(O,0l^2)0467=1287min
V0?
04
因此取坡而汇流历时口=3.816min(取最大值)。
设边沟底宽为0.6m,高065m,以浆砌片石砌筑,沟壁粗糙系数n=0025。
设计水深为05mo
求得过水断面段面积为A=0.6x0.5=0.3m2,水力半径为
bh0.6x0.5c.cc
R===0.188mo
b+2h0.6+2x0.5
按曼宁公式,得沟内平均流速为:
12l1a1
V=-R3i2=x0.1883x0.032=2.30ni/s,因此沟内汇流历时为
0.025
由上可得汇流历时为t=t1+t->=1.287+0.27=1.557miio
1.1.3计算降雨强度:
据设计手册,高速公路路界内坡面排水设计降雨重现期为15年。
求设计重现期和降雨历时内的降雨强度(mm/min),由于公路在贵州六盘水境内,据《公路排水设计手册》,可取公式
=3.170mm/min。
1.557+35
42.25+62.60xlgP_42.25+62.60xlgl5)
1.14计算设计径流量:
可按降雨强度由推理公式确定:
Q=16.67xCxIxF,
式中Q-设计径流量:
C一径流系数;
F--汇水面积(Km2),
Q=16.67x0.87x3.170x750.382xl0^=0.0345nl/So
1.1・5检验径流:
设定边沟的截面形式为矩形,底宽06m,过水断面为底宽06m,水深05m,断面积为03ml则泄水能力Qc=03x23=069m3/s0
因为设计径流最Q=00345m3/s<泄水能力Qc=069m3/s,所以假定的边沟尺寸符合
要求。
1.1.6冲淤检验:
边沟的平均流速应使水流在设计流量条件下不产生冲刷和淤泥。
为此,应保证设计流速在最大和最小允许流速范围内。
对于浆砌片石边沟,最大允许速度为30m/s,由于水深不大于05m,则修正系数为085,故修正最大允许流速为2.55m/s,而最小允许速度为04m/So
对于平均流速V=23m/s在最大与最小范围内,故满足冲淤检验。
综上所述,边沟尺寸符合要求。
拦水带设计验算:
本次设计以沥青路面设计为例,单侧路面和路肩横向排水的宽度为12m,出水II的间距初拟为50m,以K10+983396〜K11+020段为设计段,纵坡坡度为0.03%,路拱横坡度为4%。
计算图见图434:
出水口
路肩边缘
50
道路中线
图0-1拦水带设计示意图
1.1・7设计径流置计算
设计重现期
技公路.币要程度(高速公路),对路面和路肩表面排水取设计审现期为5年。
汇水面枳和径流系数
设出水U间距为50米,则两个出水口之间的汇水面积为FnSOxkxlo'wOOxlO%!
?
对于沥青混凝土路面取径流系数c=095。
汇流历时
由克毕公式力=1.445*(巴拉)°颗
计算坡面汇流历时tl,由表?
f得地表粗度系
数mi=0013,路面横坡为h=4%,坡面流长度Ls=12m,可计算得到坡面汇流历时
ti
=1.445*(
0.013x12)
x/0.04
0.467
=1287rnin
由沟底(即路线)纵坡5)03%,则由齐哈近似估算:
v=20i°6=20x0.000i6=0154mzs,所以沟内汇流历时为:
^=50/(60x0.154)=5411min
由此,可得到汇流历时为t=ti+t2=6.698min
降雨强度
422s+6260x10Pl
贵州六盘水的降雨强度公式为:
1=——:
——巴=3170mmzm叫
t+35
由此得到设计径流量为:
Q=16.67xCxIxF=1667x095x3.170、600x104=0.03007右
甀爀椀攀爀 一攀眀䜀吀确定路缘带内的水深与水面宽度
硬路肩宽为3m,外侧边缘设沥青路缘带,近路缘带60cm宽度范围内路肩横坡采用5%,由以上求得设计径流量Q=0.03m3/s。
折线型底边的过水断面图见图43-2。
查表得,光滑沥青表面的粗糙系数为n=0013,
对于浅三角形沟的水力计算采用修正的曼宁公式来计算泄水能力,由
191
Qc=0.377;—h3i3>带入Q=003m%,.=004,1=00003,来反算ha=0104m。
则离路缘带60cm处的水深hb=ha-Bxvia=O104-0.6x0.04=008m(>
水深为008、横坡为004的过水断面的泄水量按修正的曼宁公式来计算。
Qi
0.377
0.04x0.013
x0.043x0.000字=0.00211m3/s
图0-2
路缘带内60cm宽度范围内的池水量为:
Q=Q—Q=0.03-0.00211=0028m3/so
路缘带内60cm宽度范用外的泄水量为:
x0.041x0.000字=o0028m3/so
小0.377
Qh=
0.03x0.013
总泄水量Qa+Qb=00308m3/s>Q=003m3/s改水深h*=006m,按上述方法知:
卜=%-0.=006-0.6x004=0036m
03775i
Qi=——:
xO.OStfxO.OOO?
=0.0016m3/s,
0.04x0.013
八0-377
Qh=
0.03x0.013
Qa=0028-00016=00264m3/s
x0.036Jx0.000#=0.0021m3/s
总泄水量Qa+Qb=O0264+00021=00285n?
/s,接近于设计流量Q=003m3/s,因而,拦水带边沟水深为6cmi沟内水面宽度到达离硬路肩边缘0.6K).02/0.03=1.27me
甀爀椀攀爀 一攀眀䜀吀确定拦水带尺寸
水力计算主要关心边沟排泄设计流量时的水深和水面宽度,前者影响到路缘带或缘石的高度,后者用于检验沟内水面是否超过设计规定的限值(硬路启内侧边绥〔根据拦水带边沟水深为6cm,以及水面宽度为1.27nl(硬路肩宽度为3m),选择拦水带的形式为水泥混凝土拦水带,拦水带堤高12cm.正面边坡1:
1,背面边坡直立。
具体尺寸见卜.图。
本节设计的公
式均来自于公路排水设计于•册。
拦水带尺寸图(单位:
cm)
4水泥混凝土路面设计
4.1交通量计算
立德高速KIOHOO〜K12+250段,在自然区划上屈于Vs区。
拟建一条高速公路,双向四车道,交通量年平均增长率为8.5%,路基土为低液限粘土。
表47计算设计年限通过的标准轴载作用次数
车型
在轴
车轴车轮型
p(KN)
N.
16
NJ&)100
小客车
前轴
1-1
11.5
2700
2.52656E-12
后轴
1-1
23
2700
1.6558E-07
中客车
SH130
前轴
1-1
16.5
800
2.41453E-10
后轴
1-2
23
800
4.90609E-08
大客车
CA5O
前轴
1-1
28.7
500
1.05945E-06
后轴
1-2
68.2
500
1.095267
小货车BJ130
前轴
1-1
13.55
1700
119522E-11
后轴
1-2
27.2
1700
1.52599E-06
中货车
前轴
1-1
28.7
600
1.27134E-06
CA50
后轴
1-2
68.2
600
1314320388
中货车
EQ140
前轴
1-1
23.7
850
8.42156E-08
后轴
1-2
69.2
850
2350262856
大货车
JN150
前轴
1-1
49
850
0.009387635
后轴
1-2
101.6
850
1095.76709
特大车口野
KB222
前轴
1-1
50.2
600
0.009759121
后轴
1-2
104.3
600
1095.76709
拖挂车
五十铃
前轴
1-1
60
75
0.0.21158324
后轴
3-2
100
75
75
合计
2352.360544
2轴4轮略去不计;方向分配系数0.5,车道分配系数为0.8。
故有:
N5=adttxS(kpjp)
k
=2352x0.5x0.8=941(次)
2交通参数分析
1、累计标准轴次
设计使用年限为30年,车轮轮迹横向分布系数为1-0.20。
(《公路水泥混凝土路面设计规范》中表A.2.4查得)
使用年限内的累计标准轴次:
Ne二((l+r)-l)x365x〃
941「/、30I
=77^7(1+0.085)-1x365x0.20
O.Uo^L.
=8532682W2000x1()4(次)
使用年限内标准轴载作用次数U(1002000),属于重交通等级。
4.3方案设计
方案一:
面层:
水泥混凝土板,厚0.28m
基层:
5%水泥稳定碎石,厚0.18m
底基层:
6%>级配碎石,厚0.16m
(一)初拟路面结构
由表3.0.1,相应于安全等级一级的变异水平等级为低等。
根据高速公路、重交通等级和低等级变异水平等级,杳表4・1和表4・3,初拟普通混凝土面层厚度为hc=0.28m。
基层选用水泥稳定碎石(水泥用量5%),厚h1=0.18m,底基层
为h2=0.16m的级配碎石(颗粒含量6%)o单向路幅宽度为2x4m(行车道)+2X2.5m(硬路肩),普通混凝土板的平面尺寸为3.75m,长5.0m。
纵缝为设拉杆平缝,横缝设计为传力杆的假缝。
(二)材料参数的确定
1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量
按表3.0.8,取普通混凝土面层的弯拉强度标准值f,=5.0MPa,相应弯拉
弹性模量标准值为Ec=31GPa泊松比0.15。
2、土基的回弹模量
参照《公路水泥混凝土路面设计规范》附录表E.0.1、表FO1路基回弹模量取Eo=7OMPa,查表E.0.1・2,取地下水位1.0m时湿度调节系数0.80。
由此,路床顶综合回弹模量取为70x0.8=56MPa为查附录E.0.2水泥稳定碎石基层回弹模量Ei=1300MPa。
泊松比0.35级配碎石底基层回弹模量E2=220MPa。
泊松比
为0.35,砾石粗集料混凝土的线膨胀系数a,=11xioF.C。
按式(B24T)〜式(B24・4)计算板底地基综合回弹模量如下:
Ei=f(hi=h^2=220MPa
m/Ehi2h;
hx=Sh1=h2=oi6m
1=1
a=0.26111(^)40.86=0.26XIn(0.16)+0.86=0.384
Et=
x56=94.7MPa
板底地基综合回弹模量E,取为90Mpa
混凝土面层板的弯曲刚度D」式但22-3)]、半刚性基层板的弯曲刚度
D[式(B.4.1-2小路面结构总相对刚度半径rJ式(B.4.1-3)]为:
Dc=
3
Echo=31000XQ.283
=58MN.m
__EJi/__1300x0.1s3
=0.66MN.m
‘D+D
Ie
、l/3
=1.21x
7
90
58+0.66
=1.05m
(3)荷载应力
按式(B.4.1T),标准荷载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为:
1.45xio3065.-20央
%=n/rg%Ps
145”10065)nQ4
———^xL05055x0.28-xi0(f941+0.66/58
=L434MPa
%=i弋r:
"h「P产=蓝9x1.050",0.28°x104.3,"
1+Di/1+%8
/De
=1.51MPa
按式(B.2.1),计算面层荷载疲劳应力。
按式(B.2.6)计算面层最大荷载应力。
bpr=krkfkcbpR87x2.484xl.15xl.434=3.56MPa
C=kkrr=O87xl.l5xl.51=1.51MPap.nuxAiXvc=pm
其中:
应力折减系数kr=O.87(B.2.1条):
综合系数kc=L15(表B21);疲劳应力系数k产Ne'gSBZGgCgnZ/gd[式(B23-1)]。
(4)温度应力
由表3.0.10,最大温度梯度取88C/m。
按B33和B52计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数Rl。
、T
10.28
—1+ 231000 =3390MPa/m L4 DcDi 58x0.66 (Dc+D)kj (58+0.66)x3390 =0.118m =0.101 (kj\-D,)Ta_(339Oxi,o54-58)xo.U^ (kjjDcJr;-(339Oxo.Ug4-58)xi.o53 L5 t=一==1.59 3r3x1.05 .39)co cos(1.39)siii(1.59)+sinh(l.59)cosh(l.59)1+0.101 =0.619 BLM77e^4SihxCL_0131(1_cj=i.77e^*M,28x0.619-0.131(1-0.619)=0.263 按式(B.3.2)计算面层最大温度应力: C/ OcEchcTg c11xioFx31000<0.28x88八一°…八、e Bl=x0.263=1.1OMPa 温度疲劳应力系数kt,按式(B.3.4)计算: /\bt 按式(B.3.1)计算温度疲劳应力: O\=ktCTtnttX=0.241xl.lO=0.265MPa (5)结构极限状态校核 查表3.0.4,一级安全等级,低变异水平条件下,可靠度系数九取1.24o按式(3.0.4-1)和式(3.0.4・2)校核路面结构极限状态是否满足要求: /r(<Tpt+CTh)=L24x(3.5640.265)=4.743Wf1=5.OMPa 九(bpa+btmJ=L24X(1.51+1.1)=3.24MPaWf】=5.OMPa 拟定的由计算厚度0.28m的普通混凝土面层和厚度0.18m的水泥稳定粒料基层组成的路面结构满足要求,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,以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。 取混凝土面层设计厚度为0.28nio 方案二: 面层: 水泥混凝土板,厚0.27m 基层: 5%水泥稳定碎石,厚0.15m 底基层: 4%水泥稳定碎石,厚0.16m (-)初拟路面结构 由表3.0.1,相应于安全等级一级的变异水平等级为低等。 根据高速公路、重交通等级和低等级变异水平等级,查表4・1和表4・3,初拟普通混凝土面层厚度为hc=0・27m。 基层选用水泥稳定碎石(水泥用量5%),厚hi=0.15m,底基层为h2=0.16m的水泥稳定碎石(水泥用量4%))。 单向路幅宽度为2x3.75m (行车道)+2X2.5111(硬路肩),普通混凝土板的平面尺寸为3.75m,长5.0m。 纵缝为设拉杆平缝,横缝设计为传力杆的假缝。 (二)材料参数的确定 1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量 按表3.0.8,取普通混凝土面层的弯拉强度标准值f,=5.0MPa,相应弯拉 弹性模量标准值为Ec=31GPa泊松比0.15。 2、土基的回弹模量 参照《公路水泥混凝土路面设计规范》附录表E.0.1、表FO1路基回弹模量取Eo=7OMPa,查表E.0.1・2,取地下水位1.0m时湿度调节系数0.80。 由此,路床顶综合回弹模量取为70x0.8=56MPa为查附录E.0.2水泥稳定碎石基层回弹模量Ei=1300MPa。 泊松比0.35,水泥稳定碎石底基层回弹模量E2=1300MPa0 泊松比为0.35,砾石粗集料混凝土的线膨胀系数a,=11xiO-AC。 按式(B24T)〜式(B24・4)计算板底地基综合回弹模量如下: Ei=£ 1-1 hx=Zh=hK・16mi=l 6Z=O.261n(hx)-H).86=O.26Xln(0.16)+0.86=0.384 Et= Ex 3S4 x56=187.3MPa IE 板底地基综合回弹模量E,取为185MPa 混凝土面层板的弯曲刚度D」式(B22-3)]、半刚性基层板的弯曲刚度 D[式(B.4.1-2小路面结构总相对刚度半径鼠[式(B.4.1-31为: 3 D=光E3iy)0x0.4=52MN.m石£如。 同 c_Eih/__1300x0.153 =0.42MN.m =1.21 、"3 D+D八 =1,21x(^^),3=o.8om \185/ (3)荷载应力 按式(B.4.1T),标准荷载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为: 1.45X103065,-20941.45X103065094 bjC/rghePs=]+0.42/X0.80°%0.27-X10(r 1+「De’2 =1.29MPa 1.45刈O'。 巴t0941.45x103Q65、094 a=/rchePm=-xo.8OO65xo,27^xio43094 pC6llcrm14.0.42/ 1+D752 De =1.34MPa 按式(B.2.1),计算面层荷载疲劳应力。 按式(B.2.6)计算面层最大荷载应力。 CrprMkrkfkbpRQxZ/S,xLlSxlNgnBNlMPa zy=Vkrr=0-87xl.15xl.34=1.34MPap,nuxAiXS-c=pm 其中: 应力折减系数女工=0.87(B.2.1条);综合系数kc=l.15(表B21);疲劳 应力系数k产Ne,8532682%2.484[式(B23-1)]。 (4)温度应力 由表3300,最大温度梯度取88C/m。 按B33和B52计算综合温度翘曲应力和内应 力的温度应力系数 、T 1(0.270.15V……, —\+I=4029MPa/m 231000130(/ 1M DcDi 52x0.42 (Dc+D)kj (52+0.42)x4029 =0.101m 匕=6-Dc)rfi_boz-Fzko.ioi3'"[kj L5t=一==2.08 r3x0.8 Clj siiili(1.81)cos(2.08)+cosli(2.08)sin(2.08) +(^Jcos(2.08)siii(2.08)+sinh(2.08)cosli(2.08) 0.104八“ =1=0.90 1+0.062 BL=1.77e^4SiltxCL()131(1_cj=i.77e^4Sx027x0.90-0.131(l-0.90)=0.46 按式(B.3.2)计算面层最大温度应力: C/t,niax (XEchcTg c11x10^x31000x0.27x88八”,。 八e Bl=x0.46=l.86MPa 温度疲劳应力系数kj按式(B.3.4)计算: 按式(B.3.1)计算温度疲劳应力: 6=ktb"=0/6xl.86=0.86MPa (5)结构极限状态校核 查表3.0.4,一级安全等级,低变异水平条件下,可靠度系数九取1.24。 按式(3.0.4-1)和式(3.0.4・2)校核路面结构极限状态是否满足要求: MbJbJ=L24x(3.2140.86)=5.04MP壮5MPaWfI=5.0MPa 九(bpa+bjJlMX(1.34+1.86)=3.97MPa^fr=5.0MPa 拟定的由计算厚度0.27m的普通混凝土面层和厚度0.15m的水泥稳定粒料基层组成的路面结构满足要求,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,以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。 取混凝土面层设计厚度为0.27nio 方案三: 面层: 水泥混凝土板,厚0.28m 基层: 5%水泥稳定碎石,厚0.16m 底基层: 天然砂砾,厚0.22m (-)初拟路
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