南京工业大学路基路面工程课程设计Prepared on 22 November 2020路面结构与路基边坡稳定性设计交通1001 朱天南一、路面结构设计（一）沥青路面设计1.交通组成与轴载当量计算车辆车型与日交通量的选用如下表所示：交通组成表 表1设计年限末年日平均交通量为14367，符合二级公路对日平均交通量5000—15000的要求。

(1) 当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时： 设计年限末年日平均当量轴次：N =∑C 1C 2Ki=1n I (P i)4.35=3663设计年限内一个车道上累计当量轴次：N e =[(1+r )t −1]×365r·N ·η=622.13（万次）(2) 当进行半刚性基层层底拉应力验算时： 设计年限末年日平均当量轴次：N =∑C 1′C 2′Ki=1n I (P iP )8=4665设计年限内一个车道上累计当量轴次：N e =[(1+r )t −1]×365r·N ·η=792.31（万次）综上，沥青路面交通属于中等交通等级。

2. 路面材料及路面结构的选取与土基模量的确定由于该二级公路路面属于中等交通等级，故采用以下两种方案备选： 方案一：双层式沥青面层+半刚性基层 方案二：单层式沥青面层+半刚性基层+垫层 由于江苏处于IV 类区划，故土基模量取36MPa 。

3. 设计弯沉值与容许拉应力的确定 路面设计弯沉值 l d 按下式计算：l d =600N e −0.2A C A S AB =28.9(0.01mm)结构层容许弯拉应力 σR 按下式计算：σR =σSPS其中，对沥青混凝土面层： K S =0.09N e 0.22/A C对无机结合料稳定集料： K S =0.35N e 0.11/A C 对无极结合料稳定细粒土：K S =0.45N e 0.11/A C通过查表计算得：细粒式沥青混凝土：σR =0.47MPa 中粒式沥青混凝土：σR =0.36MPa 水泥稳定碎石： σR =0.33MPa 4. 结构层厚度确定于结构分析 (1) 方案一4cm 细粒式沥青混凝土+6cm 中粒式沥青混凝土+35cm 水泥稳定碎石，如下图所示。

--------------------------------------细粒式沥青混凝土 4 cm --------------------------------------- 中粒式沥青混凝土 6 cm ---------------------------------------水泥稳定碎石 35 cm---------------------------------------土基路面结构表面弯沉值 l s与结构层层底弯拉应力按下式计算：l s=10002PδE1αc Fσm=pσ̅m现将结果汇于下表：结构层层底应力与完成值计算表表2s d计合理。

(2) 方案二10cm细粒式沥青混凝土+22cm水泥稳定碎石+20cm水泥砂砾土，如下图所示：---------------------------------------细粒式沥青混凝土 10 cm---------------------------------------水泥稳定碎石 22 cm---------------------------------------水泥砂砾土 20 cm---------------------------------------土基路面结构表面弯沉值 l s与结构层层底弯拉应力计算方法同方案一，并汇于下表：结构层层底应力与完成值计算表表3s d计合理。

（二）混凝土路面设计1.交通分析车辆车型与日交通量的选用如下表所示：交通组成表表4设计年限末年日平均交通量为14367，符合二级公路对日平均交通量5000—15000的要求。

二级公路的设计基准期为20年，安全等级为三级，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取，交通量年平均增长率取5%。

由设计车道使用初期标准轴载日作用次数13473，设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数计算如下：N e=[(1+g r)t−1]×365g r·N s·η=6341.7（万次）属于特重交通等级，故在设计路面应加厚考虑。

2. 初拟路面结构安全等级为三级的道路对应的变异水平等级为中级。

根据二级公路、重交通等级与中级变异水平等级，初拟如下两个方案：方案一：24cm混凝土面层+18cm水泥稳定粒料基层+15cm无机结合料稳定土方案一：30cm混凝土面层+20cm水泥稳定粒料基层两方案中普通混凝土板的平面尺寸为×，纵缝为设拉杆的平缝，横缝为设传力杆的平缝。

3. 方案一设计校核(24cm 混凝土面层+18cm 水泥稳定粒料基层+15cm 无机结合料稳定土)(1) 路面材料参数的确定取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa 。

由于施工路段处于江苏IV 类区划，故土基模量取36MPa ，无机结合料稳定土垫层回弹模量取600MPa ，水泥稳定粒料基层取1300MPa 。

基层顶面当量回弹模量计算如下：E x =ℎ12E 1+ℎ22E 1ℎ12+ℎ22=1300×0.182+600×0.1520.182+0.152=1013MPa D x =ℎ13E 112+ℎ23E 212+(ℎ1+ℎ2)24(1E 1ℎ1+1E 2ℎ2)−1=1300×0.18312+600×0.15312+(0.15+0.18)24(11300×0.18+1600×0.15)−1=2.57MN ·mℎx =√12D x /E x 3=0.312m a =6.22[1−1.51(E x 0)−0.45]=4.128b =1−1.44(E x E 0)−0.55=0.770E t =aℎx bE 0(E x E 0)1/3=4.128×0.3120.77×36×(101336)1/3=184.35MPa普通混凝土面层的相对刚度半径：r =0.573ℎ√E c /E t 3=0.573×0.24×√31000/184.353=0.759(2) 荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载：σps =0.077r 0.6ℎ−2=0.077×0.7590.6×0.24−2=1.133MPa由于纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数 K r=0.87 ，考虑设计期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 K f=N eν=(6.34×106)0.057=2.44 ，根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳破坏影响的综合系数 K c=1.20 。

故疲劳荷载应力为：σpr=K r K f K cσps=0.87×2.44×1.2×1.133=2.89MPa(3)温度疲劳应力IV区最大温度梯度取92(℃/m)。

板长5m，l r⁄=50.759⁄=6.588 ,查表可知 B x= 0.68 ，故最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为：σtm=αc E cℎT g2B x=10−5×31000×0.24×922×0.68=2.32MPa计算温度疲劳应力系数时，由自然区划IV得参数 a=0.841 ，b=0.058 , c= 1.323 .K t=f rσtm[a(σtmf r)c−b]=5.02.32[0.841×(2.325.0)1.323−0.058]=0.531故温度疲劳应力：σtr=K tσtm=0.531×2.32=1.23MPa(4)结构可靠度判别二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85%，确定可靠度系数 γr=1.13 。

由于有γr(σpr+σtr)=1.13(2.89+1.23)=4.66MPa<f r=5.0MPa 即所设计的路基路面结构可以承受设计基准期内荷载应力与温度应力的综合疲劳作用，因此设计合理。

结构示意图如下：---------------------------------------普通混凝土面层240 mm---------------------------------------水泥稳定粒料180 mm---------------------------------------石灰粉煤灰土150 mm---------------------------------------土基4. 方案一设计校核（30cm混凝土面层+20cm水泥稳定粒料基层）(1) 路面材料参数的确定取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa 。

由于施工路段处于江苏IV 类区划，故土基模量取 E 0=36MPa ，水泥稳定粒料基层取 E 1=1300MPa 。

E x =E 1=1300MPaD x =ℎ13E 112=0.23×13003=3.47ℎx =√12D x /E x 3=0.317m a =6.22[1−1.51(E x E 0)−0.45]=4.350b =1−1.44(E x 0)−0.55=0.780E t =aℎx bE 0(E x E 0)1/3=4.350×0.3120.78×36×(130036)1/3=208.66MPa普通混凝土面层的相对刚度半径：r =0.573ℎ√E c /E t 3=0.573×0.30×√31000/208.663=0.910(2) 荷载疲劳应力标准轴载在临界荷位处产生的荷载：σps =0.077r 0.6ℎ−2=0.077×0.9100.6×0.3−2=0.808MPa由于纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数 K r =0.87 ，考虑设计期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 K f =N e ν=(6.34×106)0.057=2.44 ，根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳破坏影响的综合系数 K c =1.20 。

故疲劳荷载应力为：σpr =K r K f K c σps =0.87×2.44×1.2×0.808=2.06MPa(3) 温度疲劳应力IV 区最大温度梯度取92(℃/m)。

板长5m ，l r ⁄=50.759⁄=6.588 ,查表可知 B x =0.68 ，故最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为：σtm=αc E c ℎT g B x =10−5×31000×0.3×92×0.68=2.91MPa计算温度疲劳应力系数时，由自然区划IV 得参数 a =0.841 ，b =0.058 , c =1.323 .K t=f rσtm[a(σtmf r)c−b]=5.02.91[0.841×(2.915.0)1.323−0.058]=0.606故温度疲劳应力：σtr=K tσtm=0.606×2.91=1.76MPa(4)结构可靠度判别二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为85%，确定可靠度系数 γr=1.13 。