混凝土路面设计

《道路路面工程》

沥青(水泥)混凝土路面工程

设

计

班 级： 08道桥班 姓 名： 龚 钦 指导老师： 贾 老 师

书

设计任务书

一、课程设计的目的和要求

课程设计是高等学校学生在校学习专业课得一个重要环节，也是学生综

合运用所学知识解决实际问题和独立钻研的好时机。课程实际在教学上的要求是：

• 培养综合运用所学知识、解决实际问题的独立工作能力； • 系统巩固并提高基础理论课与专业知识； • 了解路基路面整体设计与个体设计的有机联系； • 提高与加强设计、计算、绘图及编制说明书的基本技能。 • 课程设计的步骤与方法

• 研读路面结构设计与计算的有关例题。 • 认真分析设计任务书所提供的设计依据。 • 进行车辆荷载换算（包括计算荷载、验算荷载）； • 路面结构设计 （1）沥青路面结构设计 a . 计算标准轴载的作用次数；

b . 确定道路的交通分级，选定设计年限及车道系数 c . 计算使用年限内累计当量轴次 d . 确定容许回弹弯沉值 LR

e . 确定各路段干湿类型和路基与各层的回弹模量值；

f . 进行路面结构组合设计（每路段选两个结构组合方案，通过计算比较确定一个）；

g . 按三层体系理论计算路面厚度，确定采用方案。 h .绘制路面结构图。 （2）水泥混凝土路面设计： • 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。

二、 设计资料

Ⅱ4a区某大城市主干道，车行道拟建两快车、两重车的四车道，全宽15m（交通性质：机动车与非机动车分道行驶）。预计使用初期的交通量及其组成如表所列（已包括大于40KN的通过次数），交通量增长率γ＝4％。不利季节（春融时）土基模量E0=27.0MPa，路基系粘性土，属中湿类型。初拟路面结构组合如图，试分别设计水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的结构层厚度，水泥混凝土路面需进行接缝设计。

面层 E1 二灰砂砾 E2 天然砂砾 E3＝160MPa 土基 E0＝27.0MPa

初拟路面结构图（GQ-4表） 轴载分配和换算表(GQ-2表)

每日作后轴数系数αi 计算 用次数BZZ-100的轴次 轴载等级 轴重 （Pi/P）16 设传 不设传 Ni （次/日） （KN） 力杆 力杆 (次/日) 45-50 50 300 0.000015 1 1 0.0046 50-60 60 200 0.000282 1 1 0.0564 60-70 70 300 0.003323 1 1 0.9969 70-80 80 400 0.028147 1 1 11.2590 80-90 90 499 0.185302 1 1 92.4657 90-100 100 200 1.00000 1 1 200.0000 100-110 110 32 4.594937 1 1 147.0391 110-120 120 16 18.488426 1 1 295.8148 双后轴120 设传力不设传110-120 (双) 杆 力杆 3 18.488426 0.23 2.39 （轴距12.7570 132.5620 1.3m） 三、 需提交的文件和图纸

1、详细的设计计算书（水泥混凝土路面应包括横向缩缝设传力杆与不设传力杆的两种解答） （1） 沥青混凝土路面

① 确定结构方案； ② 确定设计参数； ③ 计算待求层厚度； ④ 弯拉应力计算； ⑤ 剪应力计算。 （2） 水泥混凝土路面

① 确定结构方案； ② 确定设计参数； ③ 初拟混凝土板尺寸； ④ 应力计算； ⑤ 接缝设计。

2、提交如下设计图（A3图幅，比例自定，最好用计算机绘制）； （1） 标准横断面图（根据有关参考资料确定横断面形式）； （2） 路面结构图；

（3） 水泥混凝土路接缝构造图、配筋设计图。

四、 参考设计计算步骤

1、 沥青混凝土路面 （1） 确定结构方案；

（2） 路面设计弯沉：①交通参数；②设计弯沉；③土基回弹模量； （3） 计算待求层厚度：①多层体系换算；②厚度计算； （4） 弯拉应力计算：①沥青层层底；②半刚性基层层底； （5） 剪应力验算 （6） 防冻层厚度验算。

2、 水泥混凝土路面 （1） 确定结构方案； （2） 初拟混凝土板尺寸；

（3） 确定设计参数：①交通参数；②材料参数；③当量回弹模量；④计算回弹

模量；

（4） 计算荷载应力、温度应力； （5） 检验板的初拟尺寸； （6） 防冻层厚度验算； （7） 接缝和配筋设计。

沥青路面设计说明书

路面结构设计步骤说明

新建沥青路面按以下步骤进行路面结构设计：

(1) 根据设计任务书和路面等级及面层类型，计算设计年限内一个车道的累计当量轴次和设计弯沉值。

(2) 按路基土类型和干湿状态，将路基划分为几个路段，确定路段回弹模量值。 (3) 根据已有经验和规范推荐的路面结构，拟定几中可能的路面结构组合及厚度方案，根据选用的材料进行配合比实验及测定结构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度，确定各结构层材料设计参数。

(4) 根据设计弯沉值计算路面厚度。对二级公路沥青混凝土面层和半刚性基层材料的基层、底基层，应验算拉应力是否满足容许拉应力的要求。如不满足要求，或调整路面结构层厚度，或变更路面结构层组合，或调整材料配合比，提高材料极限抗拉强度，再重新计算。

沥青路面结构设计算书

沥青路面结构层计算

（1）轴载分析

本设计的累计当量轴次的计算以双轮组单轴载100kN为标准轴载，以BZZ-100表示。标准轴载的计算参数按下表GQ-1确定。

标准轴载计算参数（GQ-1表）

标 准 轴 载 标准轴载P（kN） 轮胎接地压力p（MPa） BZZ-100 100 0.70 标 准 轴 载 单轮传压面当量圆直径d(cm) 两轮中心距（cm) BZZ-100 21.30 1.5d 1）以设计弯沉为指标及验算沥青层层底拉应力

① 轴载换算

由表GQ-2表可知：

轴载换算结果表（弯沉）

轴载等级 45-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 100-110 110-120 计算 轴重 （KN） 50 60 70 80 90 100 110 120 每日作用次数Ni (次/日) 300 200 300 400 499 200 32 16 kC1 1 1 1 1 1 1 1 1 C2 1 1 1 1 1 1 1 1 BZZ-100的轴次 （次/日） 0.0046 0.0564 0.9969 11.2590 92.4657 200.0000 147.0391 295.8148 PCC()∑P12i=1k14.23 0.046 0.056 0.9969 11.2590 92.4657 200.0000 147.0391 295.8148 747.6365 PN1=∑C1C2(1)4.23Pi=1

标准轴载的当量轴次N1=747.6365

② 累计当量轴次为：

[(1+r)t1]×365Ne=N1ηr(1+0.06)121=×365×747.6365×0.600.06=2762270

2）验算半刚性基层底拉应力的轴载换算公式为：

N1'=∑C1'C2'ni(pi/p)8

计算结果如表GQ-3所示(参考GQ-2表)

轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）（GQ-3） 轴载等级 45-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 100-110 110-120 计算 轴重 （KN） 50 60 70 80 90 100 110 120 每日作用次数Ni (次/日) 300 200 300 400 499 200 32 16 C1' 1 1 1 1 1 1 1 1 C2' 1 1 1 1 1 1 1 2.2 BZZ-100的轴次 （次/日） 0.0046 0.0564 0.9969 11.2590 92.4657 200.0000 147.0391 295.8148 C1'C2'ni(pi/p)8 0.0678 0.2374 0.9984 3.3554 9.6159 14.1421 12.1259 17.1993 57.7422 N1'=∑C1'C2'ni(pi/p)8 注：轴载小于50的轴载作用不计 累计当量轴次

N'e为：

t[(1+r)1]×365''Νe=N1ηr(1+0.06)121=×365×54.7422×0.600.06=2022543

（2）路面结构组合材料选取

经计算路面设计使用年限内一个车道上累计标准轴次为250万次左右，根据规范推荐结构，并考虑到当地材料供用条件，决定上面层采用细粒式密集沥青混凝土路面（4cm），中面层采用中粒式沥青混凝土（6cm），下面层采用粗粒式沥青混凝土（8cm），基层采用二灰砂砾基层（厚度待定），底基层采用天然砂砾(20cm)。

（3）各层材料的抗压模量与劈裂强度的选定 由下表可知：

本路段面层结构材料的设计参数为： 材料名称 细粒式密集配沥青混凝土 细粒式密集配沥青混凝土 细粒式密集配沥青混凝土 二灰砂砾 20℃的抗压模量(MP) 劈裂强度（MP） 高度（cm） 1600 1400 1200 1700 1.6 1.2 1.0 0.8 4 6 8 ? 天然砂砾 土基 （4）土基回弹模量的确定

160 27 — — 20 — 该路段处于Ⅱ4a区，为粘性土，中湿类型，稠度1.0，查《路基路面工程》表14-9 14-11得土基回弹模量E0=35.5MP。

由于指导书中GQ-4表中初拟定土基回弹模量E0=27.0MP （5）设计指标的确定 ① 设计弯沉值ld

0.2ld=600Ne 所以：

AcAsAb

ld=600×27622700.2×1.1×1.0×1.0=21.45 ② 各层材料容许层底拉应力

所以密集沥青混凝土面层：

δR=δSPKs

KS=0.09AaNe0.22Ac0.220.09×1.0×2762270=1.1=2.35

所以： 细粒式沥青混凝土为

δR=δSPKS=

1.6=0.682.35

中粒式沥青混凝土为：

δR=δSPKS=1.2=0.512.35

粗粒式沥青混凝土：

δR=δSPKS=

1.0=0.432.35

二灰砂砾：

KS=0.35Ne0.11/Ac0.110.35×2762270=1.1=1.62 δR=δSPKS=

天然砂砾：

0.8=0.491.62

KS=0.45Ne0.11/Ac0.110.45×2762270=1.1=2.09

δR=δSPKS0.35==0.172.09

6、设计资料总结，设计弯沉，抗压模量，已拟定的各结构层厚度，容许拉应力等资料汇总表。

设计资料汇总表

材料名称 细粒式密集配沥青混凝土 细粒式密集配沥青混凝土 细粒式密集配沥青混凝土 二灰砂砾 h（cm） 4 6 8 ？ 20 — 20℃的抗压模量 1600 1400 1200 1700 160 27 容许拉应力（MPa） 0.68 0.51 0.43 0.49 0.17 天然砂砾 土基 （7）确定石灰土层厚度

① 计算容许弯沉值lR

B1.1lR=βAcAs=×1.1×1.0=0.062cm0.22762270Ne

② 计算弯沉综合修正系数F

F=1.63(lR0.38E00.36)()2δP0.0620.38270.36=1.63×()×()2×10.650.7=0.68

③ 计算理论弯沉系数ac

lRE10.062×1600ac==2PδF2×0.7×10.56×0.68=3.18

用多层体系换算，将六层体系按照弯沉等效的原则换算为思层体系。换算图式如图GQ-5图所示。

细粒式沥青上面层 h1=4 E1 沥青面层 h1 E1 中粒式沥青中面层 h2=6 E2 二灰砂砾 h4 E4

粗粒式沥青下面层 h3=8 E3 天然砂砾 h5 E5 二灰砂砾基层 h4=? E4 土基 E0 天然砂砾 h5=20 E5 土基 E0=27

图GB-5 多层体系换算示意图

根据中面层弯拉应力等效公司计算：

'h=hn2+∑hi4

'n3i=1EiEn2

面层为密集沥青面层厚度为h1为:

h=hn'12+∑hi4i=1n3EiEn2E0E1=h1+h3+h34427=4+8+8×1600=14.85

所以：面层的厚度h1=15CM

'

用三层体系为计算体系，将四层体系按照弯沉等效的原则换算为三层体系。换算图式如图GQ-6所示

''h E1=1600

H E4=1700 由已知参数求的： 土基 E0=27 图7 GQ-6 多层体系换算示意图

由只材料可知：

h1δE4E5'15==1.4010.651700==10.63160E027==0.17E5160由公式：

根据表面弯沉三层体系表面弯沉系数诺谟图，可得∂=5.80，K1=1.87。

K2= 得：

ac∂K1

K2=ac3.18==0.29∂K15.8×1.87

'E0Hh151=0.015=3.2==1.40EK=0.29由于：2 ，4 , δ10.65,查诺谟图得：δ

所以：H=34.08

③ 计算二灰砂砾基层厚度h4

根据公式：

h4=H2.4h534.0820==38.05E51602.41700E4

取最小厚度：h4=39

（8）各层底弯拉应力的验算

换算成当量三层体系，此时第一层用15℃抗压模量，其余各层抗压模量不变

h= 15 E1=2200

h=2200 E1=2200 h2= 39 E3=1700

H E4=1700

h3= 20 E4=160

土基 E0=27

体系换算示意图

土基 E0=27 ① 确定允许弯拉应力

查表知沥青混凝土和天然砂砾的抗弯拉强度分别为: SA=1.2MP SL=0.35MP

沥青混凝土和天然砂砾的抗弯拉强度结构系数分别为：

KSA=

0.120.20.120.2Ne=×2762270=2.12AC1.1 0.40.10.40.1Ne=×2762270=1.60AC1.1

SA1.2==0.57KSA2.12MP SL0.35==0.22KSL1.60MP

KSL=其容许弯拉应力分别为：

δRA=δRL=② 验算弯拉应力

沥青混凝土层和二灰砂砾的计算回弹模量分为E1=1600MPa，E2=1700MPa，天然砂砾为E3=170MPa。

a）结构上层等效换算：h=h1=15cm 换算公式为：

H=h20.9E21700+h3=38×0.9+20=544.4E3160

E21700h15==0.78==1.41E2200又 δ10.65，1，换算后的三层体系其上层及中

下层间均是连续接触，查诺谟图知δ为负值，故为δ=pδm1m2负值。

→→KS=0.120.20.120.2Ne=×2762270=2.12Ac1.1 SA1.2==0.56>δr1KS2.12

δRA=即层面满足所给的要求。

b）验算基层的弯拉应力

h=h14

E12200+h2=15×4+38=53.99CME21700

E027h38==0.016→==3.40E1700由 2 , δ10.56,查图可δ=0.08

E21700==0.78E12200查图

→n

h53.99==5.11δ10.561=1.15, 查表得

n =0.16

2

δL=pδn1n2=0.7×0.08×1.14×0.16=0.01MPa

因为

δL<δRL=0.22 设计满足要求。故h2=38cm也满足要求。

综上所述，路面结构各层厚度分别取h1=15cm，h2=38cm，h3=20cm。经过上

述的设计，计算及验算，最终拟定路面结构图如图GB-7所示