路面工程课程设计路面设计

课程名称：路面工程

设计题目： 路面设计 院 系： 土木工程 专 业： 铁道工程 年 级： 2007 姓 名： XX 学 号： XXXXXXXX 指导教师： XXX

年 月 日

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课 程 设 计 任 务 书

专 业 铁道工程 姓 名 XX 学 号 XXXXXXXX 开题日期：2010年 5月17日 完成日期： 年 月 日

题 目 路面设计

一、设计的目的

⑴掌握沥青路面和普通水泥混凝土路面的厚度设计过程以及矿质混合料配合

比设计； ⑵熟悉我国现行的《公路沥青路面设计规范》JTG D50－2006和《公路水泥 混凝土路面设计规范》JTG D40－2002； ⑶学会使用路面厚度计算软件。

二、设计的内容及要求

⑴根据所给的资料，对沥青路面与普通水泥混凝土路面各拟定2种结构组合； ⑵进行路面结构厚度计算，并对沥青路面所采用的沥青混合料进行矿质混合料配合比设计；

⑶要求设计计算过程详细、条理清晰、符合要求；

⑷设计应参考相关规范进行。 三、指导教师评语

四、成 绩

指导教师 (签章)

年 月 日0

目 录

第1章 任务书和指导书 ....................................... 2

设计任务书 ................................................ 2 第2章 沥青路面设计 ......................................... 2 第3章 矿质混合料配合比设计 ................................. 9 第4章 水泥混凝土路面设计 .................................. 11 参考文献 ................................................... 18

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第1章 任务书和指导书

设计任务书

拟在四川松潘县至若尔盖修建一级公路，双向四车道。所在地区自然区划属VII5区。已知资料如下：

预计竣工后第一年双向平均日交通量如表1。经过调查，预期交通量平均年增长率为r（见表1和表2）。沥青路面设计中，车道系数η选用。

路基土质为粉质土，在春季不利季节调查得知地下水位离地面1.0m，路基填土高度0.8m。 任务：

⑴在可行性研究阶段，设计沥青路面（半刚性路面与柔性路面各一种）和水泥混凝土路面（普通混凝土路面与复合式路面各一种）。

对于水泥混凝土路面至少手算一种，对2种水泥混凝土路面结构均要电算。

⑵对沥青路面所采用面层材料进行1种（如上面层、中面层或下面层）矿质混合料配合比设计，可采用材料筛分通过率见表3。

采用电子表excel进行矿质混合料配合比设计，并绘制相应的图形，将计算表格和所绘制图形（见图1，excel绘制）粘贴到设计中。

表1 第一年双向平均日交通量 车型 黄河QD352 交通SH-141 东风EQ144 罗曼SQ9251 前前轴 前轴重 轴轮组（kN） 数 数 1 单 1 单 1 单 1 单 后轴重 （kN） 2× 2× 3× 后轴数 1 2 2 3 后轴 交通量 后轴 轮组（辆/轴距 数 日） 双 - Q1 双 >3m Q2 双 <3m Q3 双 >3m Q4 r(%) + 表2交通量以及年平均增长率 学号末尾2位数k Q1 Q2 Q3 Q4 00-33 540-k 440-k 380-k 80-k 33-66 590-k 380-k 400-k 90+k 第2章 沥青路面设计 设计年限内一个车道的累计标准当量轴次计算

学号末尾两位数为19，算的Q1=521辆/日,Q2=421辆/日,Q3=361辆/日,Q4=61辆/日，γ=%

以弯沉进行厚度设计和沥青层层底拉应力验算时

4.35K PNC1C2niiPi12

进行半刚性基层层底拉应力验算时

PN=CCn1

i1P'

K'18'21轴载换算与累计轴载

轴重交通量（KN） （辆/日） 汽车车型 前轴 黄河QD352 后轴 前轴 交通SH-141 后轴 前轴 东风EQ144 后轴 前轴 罗曼SQ9251 后轴 换算方法 累计交通轴次 C1 C2 N1 1 1 1 2 1 C1 C2 1 1 1 2 1 3 1 N1 1 1 23 50 521 521 421 421 361 361 61 61 1 1 1 1 1 3 3 1 1 弯沉及沥青拉应力 指标 半刚性层拉应力指标 +06 +06 查规范的该道路交通等级为中等 采用柔性路面

2.2.1路面结构组合及材料的确定

筑路地区处于自然区划VII5区，该地气候寒冷，昼夜气温相差大，最低气温零下20℃左右，路面易遭受冬季雪水渗入而破坏，潮湿系数为5，为中干。根据以上资料，路面结构应防水，防低温，且交通等级为中等，为一级公路。故面层采用两层结构，上面层为AC-13，下面层为AC-20，基层采用AM-25，底基层采用级配碎石。 结构层 材料 上面层 细粒式沥青混凝土AC-13 下面层 中粒式沥青混凝土AC-20 基层 沥青碎石混合料ATB-25 底基层 级配碎石 3

适宜厚度cm 4—6 6—10 8—12 10—20 拟定厚度cm 5 9 12 待定

2.2.2用临界高度法确定土基模量

路基土质为粉质土，在春季不利季节调查得知地下水位离地面1.0m，路基填土高度，故H=

该路段地处VII5 。查规范附录F可得H1=，H2=，H3=。

H30.2ld=600NeAcASAb=600×（×106）0.2×××=（0.01mm）

计算容许拉应力 抗拉强度结构系数计算

.22沥青混凝土类Ks= N0/Ac=×（×106）0.22/= e.11无机结合料稳定集料类Ks= N0/Ac=×（×106）0.11/= e.11无机结合料稳定细粒土Ks= N0/Ac=×（×106）0.11/= e回弹模量、劈裂强度、容许拉应力

查取规范JTG D50-2006附录E可得一下数据 抗压回弹模量（MPa） 弯沉计算用拉应力计算用（20℃） （15℃） 1400 1200 1200 275 2000 1800 1400 - - 材料名称 细粒式沥青混凝土AC-13 中粒式沥青混凝土AC-20 沥青碎石混合料ATB-25 级配碎石 劈裂强度（MPa） 容许拉应力按下式计算

4

R=

sp Ks劈裂强度（MPa） - 抗压回弹模量（MPa） 弯沉计算拉应力计算用20℃ 用15℃ 1400 1200 1200 275 2000 1800 1400 - - - 抗拉强度结构系数 - 容许拉应力（MPa） 材料名称 细粒式沥青混凝土AC-13 中粒式沥青混凝土AC-20 沥青碎石混合料ATB-25 级配碎石 综上资料，可得数据 材料名称 细粒式沥青混凝土AC-13 中粒式沥青混凝土AC-20 沥青碎石混合料ATB-25 级配碎石 容许拉应厚度力（MPa） （cm） 5 9 12 待定 2.2.4待定结构层厚度的计算

采用东南大学交通学院的公路沥青混凝土路面设计系统。

计算弯沉值ls=（）﹤（） 抗压回弹模量（MPa） 底层计拉应力计算拉应弯沉计算算用容许拉应力厚度材料名称 用20℃ 15℃ 力（MPa） （MPa） （cm） 细粒式沥青混凝土AC-13 1400 2000 0 5 中粒式沥青混凝土AC-20 1200 1800 9 沥青碎石混合料ATB-25 1200 1400 12 级配碎石 275 - - - 40 5

2.2.5防冻厚度验算

该路段为潮湿路段，应进行防冻厚度验算。 ZMax=abcZd

松潘位于四川省阿坝藏族羌族自治州东北部，查规范GB50007-2002附录F可得， Zd=90 a=

59121.35401.45905912401.1=

90路基干湿类型为潮湿，填土高度为，查规范，得b=，c= ZMax=×××90=108cm

查取规范可知，取最小防冻厚度65cm 路面结构层厚度为：5+9+12+40=66cm＞65cm 采用半刚性路面 2.3.1路面结构确定

面层采用三层式路面，上面层为AC-13，中面层为AC-20,下面层为AC-25。 基层采用水泥稳定碎石，该路段潮湿，底基层采用二灰土。 结构层 上面层 中面层 下面层 基层 底基层 材料 6

材料 细粒式沥青混凝土AC-13 中粒式沥青混凝土AC-20 粗粒式沥青混凝土AC-25 水泥稳定碎石 二灰土 适宜厚度cm 4—6 6—10 8—12 18—20 18—20 拟定厚度cm 5 8 10 19 待定 劈裂强度（MPa） 抗压回弹模量（MPa） 弯沉计算用拉应力计算用

20℃ 细粒式沥青混凝土AC-13 中粒式沥青混凝土AC-20 粗粒式沥青混凝土AC-25 水泥稳定碎石 二灰土 材料 细粒式沥青混凝土AC-13 中粒式沥青混凝土AC-20 粗粒式沥青混凝土AC-25 水泥稳定碎石 二灰土

1400 1200 1000 1500 750 15℃ 2000 1800 1400 3600 2400 1 容许拉应力（MPa） 抗拉强度结劈裂强度（MPa） 构系数 1 材料 细粒式沥青混凝土AC-13 中粒式沥青混凝土AC-20 粗粒式沥青混凝土AC-25 水泥稳定碎石 二灰土 7

抗压回弹模量（MPa） 弯沉计算拉应力计算用20℃ 用15℃ 1400 1200 1000 1500 750 2000 1800 1400 3600 2400 容许拉应力（MPa） 厚度 5 8 10 19 待 定

2.3.2待定层层厚计算

采用东南大学交通学院的公路沥青混凝土路面设计系统。

计算弯沉值ls=（）﹤（） 抗压回弹模量（MPa） 容许拉底层计算弯沉计算拉应力计算应力弯拉应力厚材料 用20℃ 用15℃ （MPa） （MPa） 度 细粒式沥青混凝土AC-13 1400 2000 0 5 中粒式沥青混凝土AC-20 1200 1800 0 8 粗粒式沥青混凝土AC-25 1000 1400 0 10 水泥稳定碎石 1500 3600 19 二灰土 750 2400 43 2.3.3防冻厚度验算

该路段为潮湿路段，应进行防冻厚度验算。 ZMax=abcZd

松潘位于四川省阿坝藏族羌族自治州东北部，查规范GB50007-2002附录F可得，

Zd=90

58101.35191.4441.35905810441.05= a=

90路基干湿类型为潮湿，路基填图高度为，查，得b= c=

ZMax=×××90=127cm

查取规范可知，取最小防冻厚度65cm

路面结构层厚度为：5+8+10+19+43=85cm＞65cm 综上，设计满足要求。

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第3章 矿质混合料配合比设计

对半刚性路面结构的上面层，即细粒式沥青混凝土AC-13进行矿质混合料配合比设计。

公路所在地区，气温低，且持续时间较长。故选用细型密级配沥青混合料AC-13F，即控制筛孔通过率大于40％。

工程设计级配范围应比规范级配范围窄，其中和通过率的上下限差值宜小于12％。

为形成s型曲线，适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量，减少以下部分细粉的用量，使中等粒径集料(如5～10mm、10～15mm)较多。 查规范得

用电子表excel进行矿质混合料配合比设计，并绘制相应的图形。

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通过率及配合比 碎石碎石规范A （5-10mm）B 石屑B 砂子A 矿粉A 合成级级配规范筛孔直（10-15mm）径（mm） 配 中值 级配 16 100 100 100 100 100 100 100 90～ 100 100 100 100 95 100 68～ 100 100 100 85 38～ 100 53 68 24～ 100 37 50 15～ 100 38 10～ 100 19 28 7～ 100 20 5～ 10 15 6 4～8

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合成级配曲线12010080通过率（%）中值60下限上限40合成级配最大理论密度200筛孔直径（mm）级配合成曲线

第4章 水泥混凝土路面设计

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搜集并分析交通参数 有所给资料可得以下数据 车型 黄河QD352 交通SH-141 东风EQ144 罗曼SQ9251 r=%

前前轴 前轴重 轴轮组（kN） 数 数 1 单 1 单 1 单 1 单 后轴重 （kN） 2× 2× 3× 后轴数 1 2 2 3 后轴 交通量 后轴 轮组（辆/轴距 数 日） 双 - 551 双 >3m 411 双 <3m 441 双 >3m 69 列表进行轴载换算 车型 前轴 后黄河QD352 轴 前轴 后交通SH-141 轴 前轴 后东风EQ144 轴 前轴 后罗曼SQ9251 轴 合计 系数取小值 Ns=××=

标准轴载累计当量作用次数Ne计算

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Ni（辆/Pi（KN） 日） 23 191 50 521 521 421 421 361 361 61 61 δi 413. 1 576. 549. 412. Ns 3. 0. 方向系数取，交通量较大，公路类型为一级公路，双向四车道，车道分配

查表，取η=，已知r=%，公路为一级公路设计使用年限30年

tNS1gr1365N e gr1136.9210.053913650.2=×106 Ne=

0.053930查表可知，交通等级为重交通 采用普通混凝土路面 4.2.1初拟路面结构

查表16-20知，一级公路变异水平可取中。查表16-17，知一级公路，重交通，中等变异水平时面层水泥混凝土厚度可取；基层材料为水泥稳定粒料，查表16-19，知重交通水泥稳定粒料基层厚度可取（水泥用量5%）；垫层为厚的级配粒料。普通混凝土板的平面尺寸为宽、长。 4.2.2确定材料参数

查表16-23知，fr=5MPa；查表16-25，知弯拉弹性模量为31GPa；已算的路基回弹模量为；查表级配碎砾石（垫层）的回弹模量取225MPa；水泥稳定粒料基层回弹模量取1500MPa。 计算基层顶面当量回弹模量

2h12E1h2E215000.222250.152==1041MPa Ex22220.20.15h1h23hh2E1h13E2h2Dx=++112124211EhEh2211115000.232250.153++=121210.20.152411=·m

15000.22250.15hx=312Dx3121.99==

1041Ex13

Exa=11.51E0Exb=E00.550.450.451041=×11.51=

32.51041=×32.51/30.55=

1041=163MPa 32.5ExbEt=ahxE0E0=×0.786××3按式（16-52b）计算相对刚度半径 r=3Ec31000=××3=0.741m

163Et4.2.3荷载疲劳应力计算

ps=0.60.0572=×0.60.242=

纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr=。Kf=Nev=（×106）

=。由公路等级，查表16-24，取Kc=

pr= KrKfKcps=×××= 4.2.4温度疲劳应力计算

公路处于Ⅶ区，查表16-28，最大温度梯度可取95（℃/m）。板长为5m，l/r=5/=,查图16-14知，当h=时，Bx=。

tm=

cEchTg21105310000.2495Bx=0.65=

2温度疲劳系数计算

道路处于Ⅶ区，查表16-29，知a=、b=、c=。

c1.275.0tmfr2.30aKt=0.052= b=2.300.8345.0tmfr计算疲劳应力 tr= Kttm=×=

查表16-20、16-22，取 r=

r（pr+tr）=×（+）=

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综上，所选普通混凝土面层厚度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。 采用复合式路面 4.3.1初拟路面结构

查表16-20，知变异水平可取中级。有一级公路、重交通、中变异水平等级，查表16-17，初拟普通混凝土面层厚度为；碾压混凝土基层；底基层选用水凝稳定粒料（水泥用量5%），厚度为；垫层为低剂量无机结合稳定土。

4.3.2材料参数确定

按表16-23和表16-25，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为，相应的弯拉弹性模量标准值为31Gpa。碾压混凝土弯拉强度标准值为，相应弯拉弹性模量标准值为27Gpa。

据表16-14，路基回弹模量取。查表16-27，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。 按式（16-53）计算基层顶面当量回弹模量如下：

2h12E1h2E213000.1826000.152==1013MPa Ex22220.180.15h1h2Dx=

hh2EhEh+2+11212431132211EhEh2211113000.1836000.153++=121210.180.152411=·m

13000.186000.15hx=312Dx3122.57==0.312m

1013Ex0.450.451013=×11.51=

32.5Exa=11.51E0Exb=E00.551013=×32.51/30.55=

1013=173MPa 32.5ExbEt=ahxE0E015

=×0.783××3

4.3.3荷载疲劳应力计算

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0,hx03。复合式混凝土面层的截面总刚度，按式（16-69）计算为：

32Ec1h01Ec2h02Ec1h01Ec2h02h01h02310000.233270000.143DgKu12124Ec1h01Ec2h021212310000.23270000.140.140.23037.61MNm 4310000.23270000.14复合式混凝土面层的相对刚性半径计算

Dg37.613rg1.231.2330.751m Et1652按式（16-67a），标准轴载在普通混凝土面层临界荷载处产生的荷载应力

计算为

ps10.077rg0.6Ec1h01310000.230.0770.7510.61.02Mpa 12Dg1237.61ps20.077rg0.6Ec20.5h02hxKu270000.50.14000.0770.7510.60.543Mpa6Dg637.61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

Kr0.87；碾压混凝土基层不设纵缝，不考虑接缝传荷能力的折减系数Kr。水泥混凝土面层，考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳应力系数

KfNe5.93106v0.0572.433；碾压混凝土基层，考虑设计基准期内荷载

v应力累计疲劳作用的疲劳应力系数KfNe5.931060.0652.756。根据公

路等级，由表16-24，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合

系数Kc1.25

按式16-49，普通混凝土面层荷载疲劳应力计算为

pr1KrKfKcps0.872.4331.251.022.699Mpa 碾压混凝土基层荷载疲劳应力计算为

pr2KfKcps2.7561.250.5431.871Mpa 4.3.4温度疲劳应力

r由表16-28，VII5区最大温度梯度取95（℃/m）。板长4m，l/g=4/=，由

hB0.62Cx0.97。图16-14可查普通混凝土板厚01=0.23m，x，按式16-71

最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为

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1C0.971.072 Bx11Bx1.0720.620.665

cEc1h01Tg1105310000.2395tm1Bx10.6652.252MPa

22h01Ec1h010.320.8lnhE2.5h0202c2x0.230.23310000.320.81ln2.50.140.1427000普通混凝土面层的温度疲劳应力系数

，按式16-57计算，查表16-29可K得，自然区划为VII5，式中a=，b=，c=，t为

c1.27f5.02.252Kttmra=b0.0520.557 0.834tmfr2.2525.0再由式16-55计算温度疲劳应力为trKttm0.5572.2521.254Mpa 分离式复合式路面中碾压混凝土基层的温度翘曲应力课忽略不计。

查表16-20，一级公路的安全等级为二级，目标可靠度90％，相应于二级安全等级的变异水平等级为中级。再根据查的的目标可靠度和变异水平等级，查表16-22，确定可靠度系数r1.20。

按式（16-48），普通混凝土面层

rprtr1.22.6991.2544.744Mpa5.0Mpa 碾压混凝土基层

rprtr1.21.87102.245Mpa4.0Mpa

因而，拟定的由厚度0.23m的普通混凝土上面层和厚度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。

Kt17

参考文献

[1]《路基路面工程》，邓学钧.人民交通出版社出版，2005，第二版 [2]《公路沥青路面设计规范》（JTJ D50-2006），中交公路规划设计院.人民交通出版社，2006

[3]《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTJ D40-2002），中交公路规划设计院.人民交通出版社，2002

[4]《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），中交公路规划设计院.人民交通出版社，2004 [5]《道路建筑材料》，李立寒，张南鹭.人民交通出版社出版，2003，第四版

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