道路工程路面课程设计2012

《道 路 工 程 》课 程 设 计

任 务 指 导 书

河海大学交通学院

2012－6

《道路工程》课程设计任务书

一、设计任务及内容： （一）设计任务：

1．沥青路面结构设计 2．旧路面补强设计； 3．水泥混凝土路面结构设计。 （二）设计内容：

1．车辆荷载换算；

2．初拟沥青路面结构（结构、材料、层厚） 6．确定计算参数（各层材料和土基的回弹模量） 7．用容许弯沉值验算路面整体强度；

8．验算沥青混凝土层和整体性材料结构层的弯拉应力；

9．计算旧路面的计算弯沉值、确定补强层结构、计算补强层厚度； 10．初拟水泥混凝土路面结构（结构、材料、层厚、平面尺寸及接缝）； 11．确定各层回弹模量及当量回弹模量； 12．荷载及温度疲劳应力计算； 13．检验并确定水泥混凝土路面结构；

14．确定沥青路面与水泥混凝土路面的衔接方式。 二、设计资料

Ⅱ5区平原微丘区某二级公路，原有路面宽度9米 ，厚度为 25 cm 天然砂砾垫层，20cm 石灰土基层，2.5cm 沥青表面处治层。近年来由于大吨位车辆的增加，个别路段不能适应交通运输的需要，对下列路段的路面按一级路面改造，并作如下处理：

k0+500～k3+500 段，改线需在新路基上铺沥青混凝土路面； k3+500～k5+000 段，旧路面强度不足，需进行补强设计；

k5+000～k6+300 段，接近城镇为改线路段，在新路基上铺水泥混凝土路面。 三、路状调查资料 1．交通调查

在不利季节调查的双向双车道平均日交通量见表1。

表1 双向双车道平均日交通量

预计未来十年，交通量年平均增长率为6% ， 10 年后增长率为 3% 。 2．自然条件调查

沿线土质为粉质亚粘土， 液限wL=30% ，塑限wp＝18%。当地多年平均最大冻深为 1.1 米 。（气象部门调查的田野冻深）。

k0+500~k1+500 段，路槽底距地下水位 2.6 米；

k1+500~k3+500 段，路槽底距地下水位 2.1 米；

k3+500~k5+000 段，测得路槽底以下 80 cm 分层含水量为： 19.55%、19.90% 、 20.78%、21.10% 、 21.74% 、 21.10% 、 21.66% 、 21.90% （ 0～80cm , 每 10cm 为一层）

k5+000~k6+300段，路基填土高度为0.8米，调查得地下水埋深为 1.4 米。 对k3+500~k5+000 段，在冻前进行路面弯沉实测弯沉值为：28、40、 50、 31、53、40、28、46、40、29、45、40、50、25、50、39、41、30、35、37、24 、52 、31、39、49、31、33、33、20、49（单位为 1/100mm ）。 3．材料调查

沿线可采集各种砂、石料；附近有矿渣、炉渣可利用；水泥、石灰、沥青等材料当地可供应。

四、设计方法、步骤 （一）沥青路面结构设计

1. 计算标准轴载的作用次数；

2 . 确定道路的交通分级，选定设计年限及车道系数 3 . 计算使用年限内累计当量轴次 4 . 确定容许回弹弯沉值 LR 新建沥青路面设计：

a . 确定各路段干湿类型和路基与各层的回弹模量值； b . 进行路面结构组合设计；

c . 按三层体系理论计算路面厚度，确定采用方案，并验算防冻厚度。 绘制路面结构图。 （二）原有路面补强设计：

a .确定路段干湿类型和计算弯沉值 L0 ； b .路面补强方案拟定

d . 采用双层或多层弹性层状体系计算路面补强厚度，确定采用方案； e .绘制路面补强设计图。 （三）新建混凝土路面设计

• 计算标准荷载的作用次数；

• 确定交通量分级，选定设计年限及轮迹横向分布系数； • 计算设计使用年限内累计当量轴次；

• 初拟路面结构，包括结构层次、类型和材料组成，各层的厚度、面板平面尺寸和接缝构造；

〃确定材料参数，确定混凝土的设计弯拉强度和弹性模量，基层垫层和路基得回弹模量，基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量；

• 计算荷载疲劳应力：

a . 查应力计算图得最大荷载应力；

b . 定接缝传荷系数，疲劳应力系数，综合系数； c . 计算荷载疲劳应力； d . 计算温度应力。

〃由自然区划选最大温度梯度；按路面结构和板平面尺寸计算最大温度梯度时的翘曲温度应力，最后计算温度疲劳应力。

〃检验初拟路面结构

按 0.95fcm ≤ σp+σt ≤1.03fcm 公式检验，如不满足，重拟路面结构，重新计算，直到满足要求为止。计算厚度取整至厘米。

〃画出最后选定的路面结构图。 三、课程设计文件装订

完成设计项目后，将设计任务书、说明书、计算书、设计图纸装订成册。

〃 参考资料

1．《道路工程》教材；

2．《公路路基设计规范》（ JTJ 013-2004 ）人民交通出版社，1995. 北京 3．《公路沥青路面设计规范》 JTJ 014-97), 人民交通出版社，1997. 北京

4．《公路水泥混凝土路面设计规范》（ JTJD40-2002 ）人民交通出版社， 2002. 北京。

附录：新建沥青路面设计步骤 一、标准轴载及轴载换算

路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载，以BZZ-100表示；

1．当以设计弯沉值及沥青面层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN的各级轴载（包括车轮的前、后轴）P1的作用次数n1均应按下式换算成标准轴载作用次数：

P1

NC1C2n1

Pi1

式中：N—标准轴载的当量轴次（次/日）；

K

4.35

n1—被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）； P—标准轴载（KN）；

P1—被换算车型的各级轴载（KN）； C1—轴数系数；

C2—轮组系数，单轮组6.4,双轮组1,四轮组0.38。

当轴间距大于3m时,应按单独的一个轴载进行计算,此时轴数系数为m；当轴间距小于3m时,按双轴或多轴进行计算，轴数系数为

C1112.m1

2． 当以半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50KN的各级轴载（包括车轮的前、

后轴）P1的作用次数n1均应按下式换算成标准轴载作用次数：

P1'''

NC1C2n1

Pi1

式中：N—标准轴载的当量轴次（次/日）；

n1—被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）； P—标准轴载（KN）；

P1—被换算车型的各级轴载（KN）； C1—轴数系数；

C2—轮组系数，单轮组18.5,双轮组1,四轮组0.09；

当轴间距大于3m时,应按单独的一个轴载进行计算,此时轴数系数为m=1；当轴间距小于3m时,按双轴或多轴进行计算，轴数系数为

'''

K

8

C1'12m1

3．上述换算公式仅适用于单轴轴载小于130KN的各种车型的轴载换算。 二、累计交通荷载

Ne

365N111

t







式中:Ne—设计年限内一个车道上的累计交通轴次（次）； t—设计年限（年）；

N1—路面竣工后第一年双向日平均当量轴次（次/日）； --设计年限内的交通量平均年增长率（%）； --车道系数，如表1。

表1 车 道 系 数

三、厚度计算

1．拟定路面结构组合及材料参数

根据道路等级拟定合适的路面结构层，高速公路面层采用沥青混凝土，基层一般采用水泥稳定碎石，底基层一般采用二灰土，可根据具体条件确定，如考虑施工时间和工艺等，底基层亦可采用水泥稳定碎石等。具体可参照相关规范。

 根据自然条件确定路基顶面的回弹模量

半刚性材料的设计参数采用抗压回弹模量，沥青混合料的抗压回弹模量试验温度为20℃、15℃；

 沥青混合料的劈裂强度试验温度为15℃；  沥青混合料建议参数参见规范。 2．设计指标的确定 （1）设计弯沉 1）弯沉计算

设计弯沉可按下式计算：

ld600Ne

0.2

AcAsAb

式中:Ac—公路等级系数,高速公路、一级公路为1.0,二级公路为1.1,三、四级公路为1.2; As—面层类型系数,沥青混凝土为1.0,沥青碎石为1.1,沥青表处为1.2;

Ab—基层类型系数,半刚性基层厚度大于15厘米时为1.0,级配碎石层小于15厘米,可取1.0,其它取1.6。 2）厚度计算

采用三层体系计算设计层厚度。假定设计弯沉与理论弯沉相等，ls= ld

l

2p

LE1

l

F1.63s

2

0.38

E0p

0.36



ls

l

在设计中，假定理论弯沉与设计弯沉相等，根据 lsld 求出理论弯沉系数αL。

ls

lE2p

acF，Ls1 E12pF

其中：δ为双圆荷载半径，本次设计取10.65cm，p为轮载，本次设计取0.7MPa.

αL＝a k1 k2

查诺模图获得a和k1，计算k2值，再反查图获得设计层的厚度。 （2）各层材料的容许层底拉应力

容许层底拉应力计算：

R

SP

Ks

0.09AaNe0.22

沥青混凝土：Ks，Aa—沥青混凝土级配类型系数，细、中粒式为1.0,

Ac

粗粒式1.1

0.35Ne0.11

无机结合料稳定粒料:Ks

Ac0.45Ne0.11

无机结合料稳定细粒土:Ks

Ac

3．三层体系理论简介

厚度计算采用弹性层状体系理论的简化算法三层体系理论进行厚度计算。

四层及四层以上（任意层）的弹性层状体系，在缺乏计算机条件的情况下，则可采用一些简化计算但又不过多影响精度的近似方法，把多层体系换算为等效的三层（或双层）体系，然后利用三层（或双层）体系理论解的诺谟图来分析多层体系的应力和位移。 相同加荷条件下，影响路面结构应力或位移量的因素主要是各结构层的弹性常数（模量和泊松比）及厚度。具有某一模量和厚度的结构层，可以等效地换算为具有另一种模量和厚度的结构层，使两者得到的应力或位移计算值完全相同。

目前设计方法采用轮隙中心处的路表弯沉及上层和中层底面的弯拉应力作为设计指标。为此，通过试算和对比分析，分别为这些指标找到相应的等效换算关系式，使多层体系可换算为三层（或双层）体系。

根据上述方法计算出未知层的厚度。

根据计算编绘出三层体系上层和中层底面的主拉应力系数的诺谟图，具体方法见附图。 改建道路设计步骤 1．计算弯沉的确定

①计算所测弯沉值平均值及标准差

1n

l0li

ni1

S

②确定计算弯沉值

(l

i1

n

1

l0)

2

n1

l0(l0'ZaS')K1K2K3

K1，K2－分别为季节影响系数和湿度影响系数，可根据当地经验选取，具体参照规范。 K3－温度修正系数。

Za－保证率系数，补强二级或二级以上公路路面时，取1.5，三四级公路时取1.3。

③确定容许弯沉值

ld600Ne

0.2

AcAsAb

2．原路面当量回弹模量计算

Et1000

2p

m1m2 l0

m1－用标准轴载的汽车在原有路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测得的

回弹变形值之比，在没有对比资料的情况下，推荐取值为1.1（轮系弯沉法）。 m2－原路面当量回弹模量扩大系数。计算与原有路面接触的补强层层底拉应力时，按下式计算：

m2e

n1

hEn1

0.037p



0.25

Ei

h'hiE

i1n1

0.25

式中：En-1－与原路面接触层材料的抗压回弹模量，MPa

h/－各补强层等效与原路面接触层En-1 相当的等效厚度，cm。 当计算其它补强层层底拉应力及弯沉值时，m2＝1.0。 3．按照新建路面的方法进行厚度设计和层底拉应力验算。

《道 路 工 程 》课 程 设 计

任 务 指 导 书

河海大学交通学院

2012－6

《道路工程》课程设计任务书

一、设计任务及内容： （一）设计任务：

1．沥青路面结构设计 2．旧路面补强设计； 3．水泥混凝土路面结构设计。 （二）设计内容：

1．车辆荷载换算；

2．初拟沥青路面结构（结构、材料、层厚） 6．确定计算参数（各层材料和土基的回弹模量） 7．用容许弯沉值验算路面整体强度；

8．验算沥青混凝土层和整体性材料结构层的弯拉应力；

9．计算旧路面的计算弯沉值、确定补强层结构、计算补强层厚度； 10．初拟水泥混凝土路面结构（结构、材料、层厚、平面尺寸及接缝）； 11．确定各层回弹模量及当量回弹模量； 12．荷载及温度疲劳应力计算； 13．检验并确定水泥混凝土路面结构；

14．确定沥青路面与水泥混凝土路面的衔接方式。 二、设计资料

Ⅱ5区平原微丘区某二级公路，原有路面宽度9米 ，厚度为 25 cm 天然砂砾垫层，20cm 石灰土基层，2.5cm 沥青表面处治层。近年来由于大吨位车辆的增加，个别路段不能适应交通运输的需要，对下列路段的路面按一级路面改造，并作如下处理：

k0+500～k3+500 段，改线需在新路基上铺沥青混凝土路面； k3+500～k5+000 段，旧路面强度不足，需进行补强设计；

k5+000～k6+300 段，接近城镇为改线路段，在新路基上铺水泥混凝土路面。 三、路状调查资料 1．交通调查

在不利季节调查的双向双车道平均日交通量见表1。

表1 双向双车道平均日交通量

预计未来十年，交通量年平均增长率为6% ， 10 年后增长率为 3% 。 2．自然条件调查

沿线土质为粉质亚粘土， 液限wL=30% ，塑限wp＝18%。当地多年平均最大冻深为 1.1 米 。（气象部门调查的田野冻深）。

k0+500~k1+500 段，路槽底距地下水位 2.6 米；

k1+500~k3+500 段，路槽底距地下水位 2.1 米；

k3+500~k5+000 段，测得路槽底以下 80 cm 分层含水量为： 19.55%、19.90% 、 20.78%、21.10% 、 21.74% 、 21.10% 、 21.66% 、 21.90% （ 0～80cm , 每 10cm 为一层）

k5+000~k6+300段，路基填土高度为0.8米，调查得地下水埋深为 1.4 米。 对k3+500~k5+000 段，在冻前进行路面弯沉实测弯沉值为：28、40、 50、 31、53、40、28、46、40、29、45、40、50、25、50、39、41、30、35、37、24 、52 、31、39、49、31、33、33、20、49（单位为 1/100mm ）。 3．材料调查

沿线可采集各种砂、石料；附近有矿渣、炉渣可利用；水泥、石灰、沥青等材料当地可供应。

四、设计方法、步骤 （一）沥青路面结构设计

1. 计算标准轴载的作用次数；

2 . 确定道路的交通分级，选定设计年限及车道系数 3 . 计算使用年限内累计当量轴次 4 . 确定容许回弹弯沉值 LR 新建沥青路面设计：

a . 确定各路段干湿类型和路基与各层的回弹模量值； b . 进行路面结构组合设计；

c . 按三层体系理论计算路面厚度，确定采用方案，并验算防冻厚度。 绘制路面结构图。 （二）原有路面补强设计：

a .确定路段干湿类型和计算弯沉值 L0 ； b .路面补强方案拟定

d . 采用双层或多层弹性层状体系计算路面补强厚度，确定采用方案； e .绘制路面补强设计图。 （三）新建混凝土路面设计

• 计算标准荷载的作用次数；

• 确定交通量分级，选定设计年限及轮迹横向分布系数； • 计算设计使用年限内累计当量轴次；

• 初拟路面结构，包括结构层次、类型和材料组成，各层的厚度、面板平面尺寸和接缝构造；

〃确定材料参数，确定混凝土的设计弯拉强度和弹性模量，基层垫层和路基得回弹模量，基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量；

• 计算荷载疲劳应力：

a . 查应力计算图得最大荷载应力；

b . 定接缝传荷系数，疲劳应力系数，综合系数； c . 计算荷载疲劳应力； d . 计算温度应力。

〃由自然区划选最大温度梯度；按路面结构和板平面尺寸计算最大温度梯度时的翘曲温度应力，最后计算温度疲劳应力。

〃检验初拟路面结构

按 0.95fcm ≤ σp+σt ≤1.03fcm 公式检验，如不满足，重拟路面结构，重新计算，直到满足要求为止。计算厚度取整至厘米。

〃画出最后选定的路面结构图。 三、课程设计文件装订

完成设计项目后，将设计任务书、说明书、计算书、设计图纸装订成册。

〃 参考资料

1．《道路工程》教材；

2．《公路路基设计规范》（ JTJ 013-2004 ）人民交通出版社，1995. 北京 3．《公路沥青路面设计规范》 JTJ 014-97), 人民交通出版社，1997. 北京

4．《公路水泥混凝土路面设计规范》（ JTJD40-2002 ）人民交通出版社， 2002. 北京。

附录：新建沥青路面设计步骤 一、标准轴载及轴载换算

路面设计以双轮组单轴载100KN为标准轴载，以BZZ-100表示；

1．当以设计弯沉值及沥青面层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN的各级轴载（包括车轮的前、后轴）P1的作用次数n1均应按下式换算成标准轴载作用次数：

P1

NC1C2n1

Pi1

式中：N—标准轴载的当量轴次（次/日）；

K

4.35

n1—被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）； P—标准轴载（KN）；

P1—被换算车型的各级轴载（KN）； C1—轴数系数；

C2—轮组系数，单轮组6.4,双轮组1,四轮组0.38。

当轴间距大于3m时,应按单独的一个轴载进行计算,此时轴数系数为m；当轴间距小于3m时,按双轴或多轴进行计算，轴数系数为

C1112.m1

2． 当以半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50KN的各级轴载（包括车轮的前、

后轴）P1的作用次数n1均应按下式换算成标准轴载作用次数：

P1'''

NC1C2n1

Pi1

式中：N—标准轴载的当量轴次（次/日）；

n1—被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）； P—标准轴载（KN）；

P1—被换算车型的各级轴载（KN）； C1—轴数系数；

C2—轮组系数，单轮组18.5,双轮组1,四轮组0.09；

当轴间距大于3m时,应按单独的一个轴载进行计算,此时轴数系数为m=1；当轴间距小于3m时,按双轴或多轴进行计算，轴数系数为

'''

K

8

C1'12m1

3．上述换算公式仅适用于单轴轴载小于130KN的各种车型的轴载换算。 二、累计交通荷载

Ne

365N111

t







式中:Ne—设计年限内一个车道上的累计交通轴次（次）； t—设计年限（年）；

N1—路面竣工后第一年双向日平均当量轴次（次/日）； --设计年限内的交通量平均年增长率（%）； --车道系数，如表1。

表1 车 道 系 数

三、厚度计算

1．拟定路面结构组合及材料参数

根据道路等级拟定合适的路面结构层，高速公路面层采用沥青混凝土，基层一般采用水泥稳定碎石，底基层一般采用二灰土，可根据具体条件确定，如考虑施工时间和工艺等，底基层亦可采用水泥稳定碎石等。具体可参照相关规范。

 根据自然条件确定路基顶面的回弹模量

半刚性材料的设计参数采用抗压回弹模量，沥青混合料的抗压回弹模量试验温度为20℃、15℃；

 沥青混合料的劈裂强度试验温度为15℃；  沥青混合料建议参数参见规范。 2．设计指标的确定 （1）设计弯沉 1）弯沉计算

设计弯沉可按下式计算：

ld600Ne

0.2

AcAsAb

式中:Ac—公路等级系数,高速公路、一级公路为1.0,二级公路为1.1,三、四级公路为1.2; As—面层类型系数,沥青混凝土为1.0,沥青碎石为1.1,沥青表处为1.2;

Ab—基层类型系数,半刚性基层厚度大于15厘米时为1.0,级配碎石层小于15厘米,可取1.0,其它取1.6。 2）厚度计算

采用三层体系计算设计层厚度。假定设计弯沉与理论弯沉相等，ls= ld

l

2p

LE1

l

F1.63s

2

0.38

E0p

0.36



ls

l

在设计中，假定理论弯沉与设计弯沉相等，根据 lsld 求出理论弯沉系数αL。

ls

lE2p

acF，Ls1 E12pF

其中：δ为双圆荷载半径，本次设计取10.65cm，p为轮载，本次设计取0.7MPa.

αL＝a k1 k2

查诺模图获得a和k1，计算k2值，再反查图获得设计层的厚度。 （2）各层材料的容许层底拉应力

容许层底拉应力计算：

R

SP

Ks

0.09AaNe0.22

沥青混凝土：Ks，Aa—沥青混凝土级配类型系数，细、中粒式为1.0,

Ac

粗粒式1.1

0.35Ne0.11

无机结合料稳定粒料:Ks

Ac0.45Ne0.11

无机结合料稳定细粒土:Ks

Ac

3．三层体系理论简介

厚度计算采用弹性层状体系理论的简化算法三层体系理论进行厚度计算。

四层及四层以上（任意层）的弹性层状体系，在缺乏计算机条件的情况下，则可采用一些简化计算但又不过多影响精度的近似方法，把多层体系换算为等效的三层（或双层）体系，然后利用三层（或双层）体系理论解的诺谟图来分析多层体系的应力和位移。 相同加荷条件下，影响路面结构应力或位移量的因素主要是各结构层的弹性常数（模量和泊松比）及厚度。具有某一模量和厚度的结构层，可以等效地换算为具有另一种模量和厚度的结构层，使两者得到的应力或位移计算值完全相同。

目前设计方法采用轮隙中心处的路表弯沉及上层和中层底面的弯拉应力作为设计指标。为此，通过试算和对比分析，分别为这些指标找到相应的等效换算关系式，使多层体系可换算为三层（或双层）体系。

根据上述方法计算出未知层的厚度。

根据计算编绘出三层体系上层和中层底面的主拉应力系数的诺谟图，具体方法见附图。 改建道路设计步骤 1．计算弯沉的确定

①计算所测弯沉值平均值及标准差

1n

l0li

ni1

S

②确定计算弯沉值

(l

i1

n

1

l0)

2

n1

l0(l0'ZaS')K1K2K3

K1，K2－分别为季节影响系数和湿度影响系数，可根据当地经验选取，具体参照规范。 K3－温度修正系数。

Za－保证率系数，补强二级或二级以上公路路面时，取1.5，三四级公路时取1.3。

③确定容许弯沉值

ld600Ne

0.2

AcAsAb

2．原路面当量回弹模量计算

Et1000

2p

m1m2 l0

m1－用标准轴载的汽车在原有路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测得的

回弹变形值之比，在没有对比资料的情况下，推荐取值为1.1（轮系弯沉法）。 m2－原路面当量回弹模量扩大系数。计算与原有路面接触的补强层层底拉应力时，按下式计算：

m2e

n1

hEn1

0.037p



0.25

Ei

h'hiE

i1n1

0.25

式中：En-1－与原路面接触层材料的抗压回弹模量，MPa

h/－各补强层等效与原路面接触层En-1 相当的等效厚度，cm。 当计算其它补强层层底拉应力及弯沉值时，m2＝1.0。 3．按照新建路面的方法进行厚度设计和层底拉应力验算。