一、设计说明。
1、设计资料。
湖北宜昌至巴东某新建一级公路,经调查路基土为高液限粘土,地下水位为1米,路基填土高度1.2米,近期交通量如下。
交通量年平均增长率7%(水泥混凝土路面设计时交通量年平均增长率取4%),沿线可开采碎石、砂砾,并有粉煤灰、石灰、水泥等材料**。
2、设计内容。
分别设计水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的结构层次,并算出结构层厚度,水泥混凝土路面还需进行接缝设计。主要包括以下内容:
1)、详细的设计计算书。
1) 沥青混凝土路面:
、确定结构方案确定设计参数;
、计算待求层厚度; ④弯拉应力计算。
2) 水泥混凝土路面。
、确定结构方案确定设计参数; ③初拟混凝土板尺寸;
、应力计算接缝设计。
2)、设计图。
1) 路面结构图。
2) 相应的计算图。
3) 水泥混凝土路接缝构造图。
3、主要参考资料:
路基路面工程。
公路水泥混凝土路面设计规范。
公路沥青路面设计规范。
公路路基设计规范。
公路设计手册《路面》
二、沥青砼路面的设计。
一、轴载分析。
1)路面设计以双轮组单轴载100kn为标准轴载。
当以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力为设计指标时,轴载换算采用如下的计算公式:
式中:——标准轴载的当量轴次,(次/日);
——被换算车辆的各级轴载作用次数,(次/日);
——标准轴载,(kn);
——被换算车辆的各级轴载,(kn),轴载小于25kn的轴载作用不计;
—轮组系数,单轮组为6.4,双轮组为1,四轮组为0.38。
—轴数系数,当轴间距大于3m时,按单独的一个轴计算,当轴间距小于3m时,双轴或多轴时按下式计算。
—轴数。当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时,采用如下公式:
式中:——轮组系数,双轮组为1.0,单轮组为18.5,四轮组为0.09;
—轴数系数。当轴间距大于3m时,按单独的一个轴计算,当轴间距小于3m时,双轴或多轴时按下式计算。
—轴数。设计年限累计当量标准轴载数公式:
式中:——设计年限内一个车道沿一个方向通过的累计标准当量轴次;
—设计年限(年);
—路面营运第一年双向日平均当量轴次(次/日);
设计年限内交通平均增长率(%)
与车道数有关的车辆横分布系数,简称车道系数;
2)计算:轴载换算结果表(弯沉)
注:轴载小于25的轴载作用不计;
累计当量轴次:
根据设计规范,一级公路沥青路面的设计年限取15年,四车道的车道系数是0.4~0.5,取0.45。
轴载换算结果表(半刚性材料结构层的层底拉应力)
注:轴载小于50kn的轴载作用不计;
累计当量轴次:
根据设计规范,一级公路沥青路面的设计年限取15年,四车道的车道系数是0.4~0.5,取0.45。
二、结构组合与材料选取。
由于上面的计算得到设计年限内一个行车道上的累计标准轴次约为700万次左右。根据规范推荐结构,并考虑到公路沿途可开采碎石、砂砾,并有粉煤灰、石灰、水泥等材料**。路面结构面层采用沥青混凝土(12cm),基层采用二灰稳定砂砾(取30cm),底基层采用石灰土(厚度待定)。
规范规定高速公路、一级公路的面层由二层至三层组成。根据规范,采用三层式沥青面层,表层采用细粒式密级配沥青混凝土(厚度3cm),中面层采用中粒式密级配沥青混凝土(厚度4cm),下面层采用粗粒式密级配混凝土(厚度5cm)。如图所示。
三、各层材料的抗压模量和和劈裂强度。
查表得:得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取200c的模量,各值均取规范给定范围的中值,因此得到200c的抗压模量:
细粒式密级配沥青混凝土为1400mpa,中粒式密级配混凝土为1200mpa,粗粒式密级配沥青混凝土为1000mpa二灰稳定砂砾为1500mpa,石灰土550mpa。各层材料的劈裂强度:细粒式密级配沥青混凝土为1.
4mpa,中粒式密级配沥青混凝土为1.0mpa,粗粒式密级配沥青混凝土为0.8mpa,二灰稳定砂砾为0.
7mpa,石灰土0.225mpa。
四、土基回弹模量的确定。
该路段处于ⅳ7区,为粘质土,处于干燥状态,拟定稠度为1.10,查表“二级自然区划各土组土基回弹模量参考值(mpa)”查得土基回弹模量为40mpa。
五、设计指标的确定。
对于一级公路,规范要求以设计弯沉值为设计指标,并进行结构层拉应力的验算。
1) 设计弯沉什公式:
式中:——设计弯沉值(0.01mm);
设计年限内一个车道累计当量标准轴载通行次数;
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;
面层类型系数,沥青砼面层为1.0,热拌沥青碎石、乳化沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1,中低级路面为1.2。
弯拉应力设计控制指标容许拉应力公式:
式中:——路面结构材料的容许拉应力,即该材料能承受设计年限次加载的疲劳弯拉应力(mpa);
路面结构材料的极限抗拉强度(mpa),由实验室按标准方法测得;
抗拉强度结构系数。根据结构层材料不同,按以下公式计算。
沥青砼面层)
无机结合料稳定集料)
无机结合料稳定细粒土)
贫砼)2)计算:该公路为一级公路,取;面层是沥青砼,取;
、设计弯沉值:
、各层材料的容许层底拉应力:
细粒式密级配沥青砼:
中粒式密级配沥青砼:
粗粒式密级配沥青砼:
二灰稳定砂砾:二灰稳定砂砾属于半刚性基层故。
石灰土:石灰土属于半刚性基层故。
六、设计资料总结。
设计弯沉值为:40.34(0.01mm),相关设计资料汇总如下:
七、确定石灰层厚度。
首先对多层路面体系进行等效换算。
标准轴载bzz—100,轮胎接地压强p=0.7mpa,当量圆半径。
由: 得:
查图得: 由表面弯沉系数: 得:
查图得:当时。
得: 所以:取石灰层厚度为35cm。
八、验算各层层底拉应力。
1)计算方法:
、对多层路面体系进行等效换算。
求第i层的层底拉应力,则:
上层: 下层:
、计算。由公式:或求各层层底拉应力。
式中p——轮胎接地压强p=0.7mpa;
由查“三层连续体系上(中)层底面拉应力系数图”得到;
2)计算。①、多层路面体系进行等效换算。
、计算各层层底的弯拉应力。
第一层底部弯拉应力:
查图得:,,
所以:第一层底部弯拉应力 (符合)
第二层底部弯拉应力:
查图得:,,
所以:第二层底部弯拉应力 (符合)
第三层底部弯拉应力:
查图得:,,
所以:第三层底部弯拉应力 (符合)
第四层底部弯拉应力:
查图得:,,
符合)第五层底部弯拉应力:
查图得:,,
所以:上述设计结果满足设计要求(见附图1);
二、水泥砼路面设计。
一、交通分析。
1)计算方法:
水泥砼路面结构设计以100单轴双轮组荷载为标准轴载。不同轴—轮型和轴载的作用次数,按下式换算为标准轴载的作用次数。
式中:——100的单轴—双轮组标准轴载的通行次数;
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