路基路面工程课程设计说明书.docx
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路基路面课程设计
1·基本设计资料································
································
································
········
1
2·水泥混凝土路面设计································
································
·······························
2
目录
2.1交通量分析 2
2.2初拟路面结构 4
2.3材料组成设计 4
2.4确定材料参数 4
2.5计算荷载疲劳应力 5
2.6计算温度疲劳应力 6
2.7防冻厚度检验 6
2.8接缝设计 6
2.9配筋设计 7
2.10单位材料用量 7
2.11施工要求 8
3·沥青路面设计································ ································ ································ ········ 9
3.1轴载分析 9
3.2结构组合与材料选取 13
3.3材料组成设计 13
3.4各层材料的抗压模量和劈裂强度 14
3.5设计指标的确定 14
3.6路面结构层厚度的计算 16
3.7防冻层厚度检验 20
3.8单位材料用量 20
3.9施工要求 22
参考文献································ ································ ································ ·················· 24
1·基本设计资料
新建高速公路地处IV3区,为双向四车道,沿线土质为中液限粘土,填方路基高
3m,地表长期积水距路床0.7m,属于中湿状态,年降雨量为470mm,最高气温38℃,最低气温-26℃,多年最大冻深为120mm,平均冻结指数为700℃,最大冻结指数1150℃,此地有大量碎石集料,并有石灰水泥供应。
交通组成及交通量表
车型
前轴重(KN)
后轴重(KN)
后轴数
后轴轮组
数
后轴距
交通量
(次/日)
小客车
16.50
23.00
1
1
0
2900
黄海JN-150
49.00
106.60
1
2
0
700
斯柯达706R
50.00
90.00
1
2
0
650
解放CA50
28.70
68.20
1
2
0
1600
日野KB222
50.20
104.30
1
2
0
720
长征CZ-361
47.60
90.70
2
2
2
800
东风EQ-140
23.70
69.20
1
2
0
700
日野KF300D
40.75
79.00
2
2
2
900
太脱拉
T-138S
45.40
90.00
2
2
2
88
(注:
由于未查到太脱拉T-138S车型的前后轴重及轴数等参数,故用太脱拉138S代替进行计算)
25
2·水泥混凝土路面设计
2.1交通量分析
﹙1﹚标准轴载与轴载换算
我国公路水泥混凝土路面设计规范以汽车轴重为100kN的单轴荷载作为设计标准轴载,表示为BZZ—100。
凡前、后轴载大于50KN(单轴)的轴数均应换算成标准轴数,换算公式为:
n pi16
Ns=åaiNi( )
i=1
100
式中:
Ns—100KN的单轴—双轮组标准轴数的通行次数;
Pi—各类轴—轮型i级轴载的总重(KN);
n—轴型和轴载级位数;
Ni—各类轴—轮型i级轴载的通行次数;
di—轴—轮型系数。
单轴—双轮组:
di=1
单轴—单轮组:
di
双轴—双轮组:
d
=2.22´103´P-0.43
i
=1.07´10-5´P-0.22
i
三轴—双轮组:
di
i
i
=2.24´10-8´P-0.22
由基本资料可知,小客车为单轴—单轮组,所以用公式:
di
=2.22´103´P-0.43
i
计算轴—轮型系数;长征—CZ361、日野KF300D、太脱拉T—138S为双轴双轮组,所以
采用公式di
=1.07´10-5´P-0.22计算轴—轮型系数;其他车辆均为单轴—双轮组车型,取
i
d=1;此外,所有车型前轮均以单轴—单轮组计算,具体结果见表。
轴载换算结果
车型
Pi
di
Ni(次/日
)N =dN(Pi)16
S i i100
小客车
前轴
16.50
665.02
2900
0.0000
后轴
23.00
576.51
2900
0.0001
黄海JN-150
前轴
49.00
416.46
700
3.2196
后轴
101.60
1
700
902.3964
斯柯达706R
前轴
50.00
412.85
650
4.0947
后轴
90.00
1
650
120.4463
解放CA50
前轴
28.70
524.16
1600
0.0018
后轴
68.20
1
1600
3.5049
日野KB222
前轴
50.20
412.15
720
4.8267
后轴
104.30
1
720
1412.1520
长征CZ-361
前轴
47.60
421.7
800
2.3432
后轴
181.40
3.40E-06
800
37.4775
东风EQ-140
前轴
23.70
569.13
700
0.0000
后轴
69.20
1
700
1.9355
日野KF300D
前轴
40.75
450.81
900
0.2346
后轴
158.00
4.73E-06
900
0.0000
太脱拉T-138S
前轴
45.40
430.35
88
0.1234
后轴
180.00
3.41E-06
88
3.6481
∑N
2508.6342
Ne s r
则设计年限内设计车道的标准轴载累计作用次数:
=N[(1+g)t-1]´365´h
gr
式中:
Ne—标准轴载累计当量作用次数;
t—设计基准年限;
γ— 交通量年平均增长率;
η— 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数,如下表混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分布系数
公路等级
纵缝边缘处
高速公路、一级公路、收费站
0.17~0.22
二级及二级以下公路
行车道宽>7m
0.34~0.39
0.54~0.62
行车道宽≤7m
N[(1+g)t-1]´365´h
2508.6342´[(1+0.063)^20-1]´365´0.20
Ne=s r =
gr
0.063
=6957893
次。
2.2初拟路面结构
因为交通量100×104<6.96´106<2000×104次,故可知交通属于重交通。
由以
上可知相应于安全等级为一级的变异水平等级为低;根据高速公路、重交通等级和低级变异水平等级,查规范后,初拟如下方案。
普通混凝土面层厚为250mm;基层选用水泥稳定碎石(水泥用量5%),厚为200mm;垫层为150mm的石灰土。
普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m,长为4.5m。
纵缝为设拉杆平缝,横缝为设传力杆的假缝。
2.3材料组成设计
路面层
材料
配合比(或含量)
面层
水泥:
砂:
碎石:
水:
添加剂
1:
2.48:
4.41:
0.52:
0.010
含砂率
36%
坍落度
35—50mm
基层
水泥含量
5%
(19~31.5mm)碎石:
(9.5~19mm)碎石
4.75~9.5mm碎石:
石屑
:
25:
25:
10:
40
垫层
石灰土
石灰剂量11%
参照《水泥混凝土路面设计规范》及已建成高速公路实例,初定路面材料及组成如下:
路面材料及组成
2.4确定材料参数
取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0Mpa,相应弯拉弹性模量标准值为31Gpa;路基回弹模量为35Mpa;低剂量无机结合稳定土垫层回弹模量去600Mpa;水泥稳定粒料基层回弹模量取1300Mpa。
2.4.2基层顶面当量的回弹模量值计算如下:
h2E +h2E
1300´0.22+600´0.152
E
=11 22=
=1048MPa
h
2
1
x 2+h2
0.22+0.152
h3E
+h3E
(h+h)2 1
1 -1
Dx=11 22+1 2 ( + )
12 4 E1h1 E2h2
=
1300´0.23+600´0.153
(0.2+0.15)2
+
(
1 + 1
)-1
=3.08MPa
12 4 1300´0.2 600´0.15
12D 1 12´3.081
h=( x)3=( )3=0.328m
E
X
x 1048
E é æ1048ö-0.45ù
a=6.22[1-1.51(x)-0.45]=6.22ê1-1.51ç ÷ ú=4.186
E0 êë
è35ø úû
E æ1048ö-0.55
b=1-1.44(x)-0.55=1-1.44ç ÷ =0.778
E0 è35ø
1
E 1 æ1048ö3
E
=ahbE(x)3=4.186´0.3280.778´35ç ÷=191MPa
E
t x0
0
è35ø
普通混凝土面层的相对刚度半径为:
EC
331000191
r=0.537h3
Et
=0.537´0.25´
=0.732
2.5计算荷载疲劳应力
标准轴载在临界位处产生荷载应力计算为:
ps
s =0.077g0.6h-2=0.077´0.7320.6´0.25-2=1.022MPa
式中γ—混凝土板的相对刚度半径(m);
h—混凝土板的厚度(m);标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力:
spr=krkfkcsps
式中kr—考虑接缝传荷能力的应力折减系数,纵缝为设杆拉的平缝,kr=0.87~0.92,纵缝为不设杆拉的平缝或自由边界kr=1.0,纵缝为设杆拉的企口缝,kr=0.76~0.84;
kf—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,按
e
f
k=Nv计算,其中v=0.057;
kc—考虑偏载和动载因素对路面疲劳损坏影响综合系数,按公路等级查下表;
综合系数kc
公路等级
高速公路
一级公路
二级公路
三、四级公路
kc
1.30
1.25
1.20
1.10
根据公路等级,考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综和系数kc=1.30;
纵缝为设拉杆平缝,
kr=0.88;kf
=Nv=(6.96´106)0.057=2.45
;则荷载疲劳应力
e
为:
spr=kfkrkcsps=2.45*0.88*1.30*1.022=2.87MPa
2.6计算温度疲劳应力
由《路基路面工程》知,IV区最大温度梯度取88﹙℃/m﹚。
板长5m,L/r=4.5/0.732=6.15;已知混凝土板厚0.25m,Bx=0.61。
则可知最大温度梯度时混凝
acEchTgBx
土板的温度翘曲应力:
stm=2
式中:
αc—混凝土的温度线膨胀系数,通常可取为1´10-5/℃;
Tg—最大温度梯度,Tg=88°c/m;
Bx—综合温度翘区应力和内应力的温度应力系数;
σtm—最大温度梯度时土板的温度翘取应力(Mpa)。
stm=
acEchTgBx
2
1´10-5´31000´0.25´88´0.61
=
2
=2.08MPa
温度疲劳系数
kt=
fr
otm
[a(stm)c-b],式中a,b和c为回归系数,按所在地区公路
fr
自然区划查下表。
回归系数a,b和c
系数
公路自然区
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
a
0.828
0.855
0.841
0.871
0.837
0.834
b
0.041
0.041
0.058
0.071
0.038
0.052
c
1.323
1.355
1.323
1.287
1.382
1.270
f s 5 é æ2.15ö1.323 ù
s
k=r[a(tm)c-b]= ´ê0.841´ç ÷ -0.058ú=0.516
f
t
tm r
2.15 êë
è5ø úû
则温度疲劳应力:
str=ktstm=0.516´2.08=1.07MPa
综合所述,高速公路的安全等级为一级,查《可靠度设计标准》可知,相应于一级的安全等级的变异水平等级为低级,目标可靠度为95﹪。
再根据《可靠度系数》表,
确定可靠度系数gr=1.25。
路面板的综合疲劳应力应满足:
r pr tr r
g(s +s)=1.25´(2.87+1.07)=4.93 2.7防冻厚度检验 由《公路水泥混凝土路面设计规范》知,路面防冻厚度为0.45m,而设计路面总厚度为0.60m,由于0.45<0.60,故满足设计要求。 2.8接缝设计 为避免由温度产生的应力破坏,所以,在混凝土板中设置横缝与纵缝,这段路为重交通,缝中设拉杆,拉杆长450mm,直径32mm,每隔30cm设置一个。 (1)横向胀缝 在邻近桥梁或其他固定构筑物处,或者与其他道路相交处,应设置横向胀缝;缝隙宽20—25mm,缝隙上部4cm深度内浇填缝料;拉杆的半段固定在混凝土内,另一半涂以沥青,套上长约10cm的塑料套筒,筒底与杆端之间留有3cm空隙,用木屑与弹性材料填充。 (如附图所示) (2)横向缩缝 缩缝采用设传力杆假缝形式,缝隙宽3—8mm,深度为面层厚度的4cm。 槽口采取二次锯切成型的方式。 (3)施工缝 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;其位置宜选在缩缝或者胀缝处;设在缩缝处的施工缝应采用加力杆的平缝形式;设在胀缝处的施工缝,其构造与胀缝相同。 (4)横缝的布置 缩缝间距一般为4.5m,与板长一样。 (5)纵缝的设置 在平行于混凝土路面行车方向设置纵缝,缝间距3.75cm,设置为设拉杆平缝形式上部缝的上部应锯切槽口,深度以为30—40mm,宽度宜为3—8mm,内浇注填缝料。 纵缝与横缝一般做成垂直正交,使混凝土具有90°的角隅。 2.9配筋设计 该高速公路为重交通等级,在混凝土纵板、横向自由边缘下的基础可能产生较大的塑性变形,因此在其角隅处设置补强钢筋。 角隅钢筋,用两根14mm、长2.4m的HRB335螺纹钢筋弯成规定的形状(如附图所示)设置在涨缝两侧板的教育处;角隅钢筋应设在板的上部,距板顶面不小于5mm,距涨缝和板边缘各为10cm。 2.10单位材料用量 单位材料用量计算说明: 经查《JTGTB06-02-2007公路工程预算定额》得到1000 ㎡路面或者1000m³路面实体所需要的各种相应材料的用量;然后算出一公里设计路面各层结构的体积或路面的总面积,经过换算得到设计路面各种材料的用量。 1公里路面材料用量 名称 计算方法 用量 32.5级水泥(单位: t) Σ单位平方米用量*路面总面积 1934 石油沥青(单位: t) Σ单位平方米用量*路面总面积 3 煤(单位: t) Σ单位平方米用量*路面总面积 0.5 水(单位: m³) Σ单位平方米用量*路面总面积 1124 中(粗)砂 Σ单位平方米用量*路面总面积 1830 碎石(单位: m³) Σ单位平方米用量*路面总面积 3303 生石灰(单位: t) Σ单位平方米用量*路面总面积 900 土(单位: t) Σ单位平方米用量*路面总面积 7330 基层用碎石(单位: m³) Σ单位平方米用量*路面总面积 5729 2.11施工要求 1·在混凝土路面进行铺筑时,一次性铺筑两个车道,即铺筑宽度为7.5m,推荐采用滑模摊铺机械;对混凝土的搅拌、运输和铺筑按如下要求进行。 (1)混凝土拌和物的搅拌 搅拌场配置的混凝土总拌和设备的生产能力应该大于200m3/h;每台搅拌楼在投入生 产前,必须进行标定和试拌;低温或高温天气时,拌和料出料温度易控制在10—35℃,并测定原材料温度、拌和物的温度、坍落度损失率和凝结时间等。 (2)水泥混凝土材料的运输 应根据施工进度、运量、运距及路况,选配车型和车辆总数,总运力应比拌和能力略有富余,确保新拌水泥混凝土能在规定的时间内运到摊铺现场。 (3)混凝土的铺筑 建议选用滑模机械进行铺筑工作;将倾卸在基层或摊铺机箱内的水泥混凝土按摊铺厚度均匀的充满模板范围之内,一次铺筑两个车道。 (4)水泥混凝土拌和物的捣实 滑模摊铺机振捣棒下缘位置应在挤压最低点以上,振捣棒的横向间距不宜大于450mm,均匀排列;两侧最边缘振捣棒与摊铺边距离不宜大于250mm,保证整幅范围内的水泥混凝土振实和均匀。 (5)终饰、整修、锯缝及养生 经振捣密实的水泥混凝土路面应保持其路拱的准确、平整度符合要求;表面整修前因做好清边整缝,清除黏桨,修补掉边、缺角;当混凝土硬化到足以承受锯缝设备时,即可开始锯缝工作;清理完成后,及时采取湿润养护和塑料薄膜养护。 2·水泥稳定碎石基层、石灰土垫层施工要求 (1)一般要求 开始摊铺的前一天进行测量放样,按摊铺机宽度架好导向控制线。 (2)混合料的拌和 拌和场的备料应能满足3—5d的摊铺用料;每次开始搅拌之前,应检查场内的各处集料的含水率,然后计算出当天的配合比,外加水和天然含水率的总和比最佳含水率略高;正式生产时,每1—2h检查一次拌和情况。 (3)运输车辆数一定要满足拌和料与摊铺数量的要求,并略有富余;拌成的混合料应尽快运送到铺筑现场;车上的混合物应覆盖,减少水分损失。 (4)混合料的摊铺 严格控制基层厚度和高度,保证路拱横坡度满足设计要求;要求摊铺机连续作业,其摊铺的速度一般宜在1m/min左右。 (5)每台摊铺机后面应紧跟三轮或者双钢轮压路机进行碾压,一次碾压长度一般为50 —80m;碾压段落必须层次分明,设置明确的分界标志,有监理旁站;要求碾压要充分,振压不起浪、不推移。 (6)养生 每一段碾压完成并经压实度检查合格后,应立即洒水,用麻袋或麻布润湿养生;注意来往车辆的影响。 3.沥青路面设计 3.1轴载分析 我国沥青路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载,表示为BZZ-100。 标准轴载的计算参数按下表确定。 标准轴载计算参数 标准轴载名称 BZZ-100 标准轴载名称 BZZ-100 标准轴载P(KN) 100 单轮当量圆直径d(mm) 21.30 轮胎接地压强P (Mpa) 0.70 两轮中心距(cm) 1.5d p ﹙1﹚当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时,凡前、后轴轴载大于25kN的各级轴载Pi的作用次数ni均换算成标准轴载P的当量作用次数N。 K N=å i=1 C1C2ni( i 4.35 ) p 式中: N—以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的标准轴载的当量次数 ni—被换算车型的各级轴载换算次数(次/日) P—标准轴载(kN) Pi—各种被换算车型的轴载(kN) C2—轮组系数,单轮组为6.4,双轮组为1.0,四轴组为0.38 C1—轴数系数 K—被换算车型的轴载级别 当轴间距离大于3m时,按单独的一个轴载计算;当轴间距离小于3m时,双轴或多轴的轴数系数按下面公式计算: C1=1+1.2(m-1) 式中: m—轴数。 所有车型中,前轴均按单轴单轮组计算,取C2=6.4;车轴系数根据基本资料中前轴的大小,采用: C1=1+1.2*(m-1)进行计算;后轴根据基本资料,分别取C2值以及计算C1值,结果见表。 轴载换算结果 车型 Pi C1 C2 n i Pi4.35
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