道路工程毕业设计某柔性路面设计及施工工艺分析.doc
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1、摘 要本设计是在详细阐述我国路面工程的发展状况、发展趋势及国内外路面设计方法;路面基本理论;行车荷载、环境因素对路面体系的影响;柔性路面设计原理等内容后,以弹性层状体系理论为基础,对某一具体道路进行了柔性路面设计,其中包括路面结构组合方案、路面厚度计算、弯拉应力和剪应力验算以及路面组合方案比选,最后选定一种比较合理的路面方案。同时又对该道路路面各结构层次施工工艺作了简要介绍。【关键词】柔性路面、结构组合、厚度计算、施工工艺1.前言随着我国改革开放的不断深入,道路的现有状况已不能适应经济的快速发展,因此国家将投入大量资金用于道路建设,特别是高等级道路的建设,从而改善道路的现状,进而形成全国高速公
2、路干线网,以加快地区之间的交流与合作,更好地促进经济发展。本次设计的目的是对某一具体道路进行路面设计和施工工艺分析。路面工程是道路工程的重要组成部分,它主要研究公路与城市道路路面的设计原理和方法、路面结构组合、对路面材料性能以及路面结构层施工、养护、维修和管理技术等。我国道路路面工程的发展概况:1.古代用条石、块石或石板等铺筑道路路面;2.20世纪初一些公路与城市道路开始用砂石铺筑路面;3.20年代末少数大城市用沥青、水泥混凝土和块料等铺筑的高级、次高级路面;4.30、40年代公路上也开始出现上述高级、次高级路面;5.解放初期各地根据就地取材原则,广泛修筑了级配碎(砾)石路面,并进行试验研究;
3、6.50年代中期我国首创一种路面结构形式泥结碎石路面,此外在中、低路面上还广泛修筑了磨耗层保护层;7.60年代初期随着我国石油工业的发展,北方开始使用国产沥青修筑表面处治和贯入式次高级路面;8.70年代后期开始使用水泥混凝土和水泥稳定砂砾修筑路面基层;9.近年来我国已能使用国产沥青修筑沥青混凝土和沥青碎石等高级路面,目前全国铺有各类沥青路面的公路与城市道路占较大的比重。随着道路交通科学技术的进步,大车型、重吨位和高速度的客货运车辆的大量涌现,修建高等级高质量的道路工程在交通建设事业中已占有越来越重要的地位。作为道路工程组成部分的路面工程也正飞跃发展。路面工程发展趋势的主要特点1:1.设计自动化
4、 路面材料和配合比设计,路面应力、应变计算,路面结构选型、各层厚度计算,工程概预算以及路面优化设计,均能使用计算机自动进行计算;2.施工机械化 在路面施工中,从土基整修、路面材料的备料及拌制、运料到摊铺、压实、成形,已全部采用机械化流水作业。路面工程建设普遍使用高效率的工程机械施工。如振动压路机、沥青洒布机、沥青混凝土自动摊铺机、水泥混凝土自动联合摊铺机等,机械化提高了效率,缩短了工期,并保障工程的高质量;3.勘测新技术 随着电子、激光、红外线、微波技术以及航空航天科技的发展,利用这些新技术进行道路勘测和设计,已达到一个崭新的、全自动化的新水平。利用航空摄影测量、地面立体测量、电磁波测量仪器以
5、及遥感技术,使勘测技术正进一步向自动化、数字化、多功能化和高精度方向发展。如红外线测距仪、激光经纬仪等;4.量测自动化 路面量测是对路面工程结构物进行检查、质量鉴定、技术品质检测、工作状态测定的工作。自动化测试仪器如核子密度仪、自动弯沉仪、激光平整仪、自动噪声测量车等,为路面设计与建设提供了快速而正确的采集数据的有效工具;5.设计和质检规范化 对于各类路面材料和结构,强度检验和稳定性监测等都先后制定了有关设计和工程质量检验标准。如公路水泥混凝土路面设计规范、公路沥青路面施工技术规范等,使我国路面设计和施工逐渐做到标准化;6.材料和结构多样化 在高等级沥青路面中,广泛采用高性能、高粘度的重交通沥
6、青和改性沥青。水泥混凝土路面中广泛使用了减水剂、早强剂、缓凝剂和加气剂,可以显著改善水泥混凝土路面的强度和有关的工程性质。路面结构呈多样化的趋势,如沥青路面采用土工布、土工格栅、沥青碎石玛蹄脂SMA;水泥混凝土路面有碾压混凝土、预应力混凝土、连续配筋混凝土路面等。除了柔性路面、刚性路面和半刚性路面,还出现了复合式路面,其中最为典型的是由水泥混凝土作下面层,沥青混合料作上面层组成。这类路面综合了水泥混凝土强度高、刚度大、使用寿命长和沥青混凝土舒适性好、便于修补的长处,是一种经久耐用的优质面层;7.路面管理系统(简称PMS) 路面管理系统是路面工程技术、系统工程理论和计算机技术相结合的产物,是一种
7、现代化的路面养护管理新技术。该管理系统运用现代管理科学的理论、系统分析的方法和计算机运输手段,为管理部门提供科学饿分析工具和方法,使有限的资源实现最佳配置,提供足够的服务水平的路面。路面工程的持续发展必将为快速、安全和舒适的交通运输服务创造美好的前景。在路面设计方面,解放以前完全凭借经验来进行路面设计,解放初期我国一直采用前苏联方法,这不仅不符合我国的实际情况,而且其理论本身也存在一定的问题。进入60年代,我国开始采用国产沥青修筑路面,在此推动下柔性路面设计理论和方法得到初步建立与完善。70年代以来,除了对柔性和刚性路面设计理论进行系统而深入研究外,还对这两种路面的设计参数和工作状态进行大量试
8、验,并运用于实践进行理论验证。现在我国对柔性路面是采用以弹性层状体系为理论基础,并以路表回弹弯沉和层底抗弯拉应力等为控制指标的设计方法;对刚性路面是采用以弹性半无限地基上弹性薄板理论为基础,以混凝土疲劳强度为控制指标,并根据位移法有限元分析结果来进行设计。这些都将为我国路面设计理论和方法打下良好的基础。国外柔性路面设计使用的方法:1.AASHO法 美国各州公路工作者协会(AASHO)于1962年完成了一项综合性的大型足尺道路试验,其中包括柔性路面、刚性路面以及桥梁试验。根据试验结果提出了AASHO柔性路面设计法。该法提出了路面耐用性的概念,路面耐用性的评定,不是以路面强度或稳定性为标准,而是以
9、使用者主观感觉及某些物理量测定为依据。计算时需要对AASHO道路试验所得大量数据进行数理统计,将路面耐用性的变化同荷载大小、荷载重复作用次数和路面厚度联系起来,从而得到一定的关系。此外在AASHO设计方法中规定汽车设计标准轴载为18千磅,同时还需要将路上通行的多种汽车轴载换算为标准轴载。2.Shell法 壳牌(Shell)石油公司于1963年提出自己的柔性路面设计方法。1978年又进行了补充和完整,形成了具有很大实用价值的方法。Shell法通过分析路面破坏状态提出设计标准,建立路面模型并进行力学计算,通过实验获取路面材料参数,从而得出一种体系完整的设计方法。该法以路基压应变、沥青面层拉应变、整
10、体性基层的拉应力、路面表层的饿永久变形为设计标准,将路面结构看作一种多层线性弹性材料体系,各层材料的弹性特性用弹性模量和泊松比表征,计算理论为弹性层状体系理论。路基结构层和土基的性质用动弹性模量表征。计用标准轴载80kN,每个后轮为20kN,轮胎接触压力0.6MPa,轮迹面积半径10.5cm。3.苏联法 苏联运输工程部于1973年颁布的柔性路面设计须知,提出了较为系统的柔性路面设计方法。该法以弯沉、弯拉、剪切为设计标准。路面的力学模型为弹性层状体系,其表面作用单个圆形均布荷载,路面结构内的应力与位移用弹性层状体系理论计算:弯沉计算、整体性材料层的弯拉计算土基与低粘性材料层剪切计算。国外刚性路面
11、设计使用的方法:1.理论法PCA法 PCA法应用文克勒地基上弹性薄板理论,考虑了水泥混凝土路面的使用年限、疲劳强度等多种因素,是一种比较完善的方法。PCA取混凝土路面设计年限为40年,按照目前道路上交通量统计资料,确定目前的年平均日交通量。PCA采用的荷载安全系数以考虑汽车的超载、轮载分配的不均匀性和冲击作用等因素所引起的荷载增大,根据交通分析得出的各级轴载需要乘上荷载安全系数从而得到设计轴载。基础的强度特征以地基反力模量表征。PCA采用横缝边缘作为计算临界应力的荷载位置,此外PCA规定了混凝土板的应力比与允许重复次数的对应关系。2.试验路法美国各州公路工作者(AASHO)协会法 AASHO以
12、足尺试验路为基础,经过长期的观测,建立轴载作用次数、路面厚度和使用性能之间的经验关系式,据此提出了暂行设计方法。AASHO试验路采用“服务功能指数”的概念来表征路面对行车荷载的耐用程度。AASHO法规定混凝土路面的设计年限为20年,路上通行的各类车辆均换算成标准车数量,道路的设计交通量按后轴重和后轴数分类。然后根据设计年限内标准轴载的总通行次数、基础反力模量和混凝土的允许弯拉应力,计算混凝土板厚度。鉴于以上国内外路面设计所用的设计方法,理论法具有广阔的发展前景,因此我们国家柔性路面设计规范规定柔性路面设计理论以三层弹性体系理论为基础,相信在未来路面设计中会得到更加广泛的应用。我的毕业设计题目是
13、某柔性路面设计及施工工艺分析,因此我查阅了路面设计和施工工艺方面的资料,从资料中学到很多对本次毕业设计有帮助的知识。首先知道我国道路路面方面的知识,比如路面的分类与分级、路面的结构组成、路面要满足的基本要求以及环境因素对路面体系的影响等;其次是对柔性路面的设计原理和方法熟练掌握,我国柔性路面设计以弹性层状体系理论为基础,以弯沉指标为设计标准,并进行弯拉应力的验算。具备这些知识后我就以具体实例进行详细设计,通过设计计算和方案比选确定合理的路面结构组合方案;最后就是路面的施工了,路面的每一层次所用的施工方法都不大相同,通过阅读相关方面的资料对每一层次的施工方法有了一定的认识。2.路面基本理论道路路
14、面是在路基表面上用各种不同材料或混合料分层铺筑而成的一种层状结构物,其功能不仅是提供汽车在道路上能全天候地行驶,而且要保证汽车以一定的速度,安全、舒适而经济地运行。本章主要从以下几个方面阐述路面基本理论:路面分级与分类、路面结构层次划分、路面必须满足的基本要求。2.1 路面的分级与分类2.1.1 路面的分级通常按照路面面层的使用性质、材料组成和结构强度的不同把路面分成以下四个等级2:1.高级路面 结构强度高,稳定性好,使用寿命长,能适应较大的交通量,平整无尘,能保证高速、安全、舒适的行车要求。它的养护费用少,运输成本低,但建设投资大,需要质量较高的材料来修筑。2.次高级路面 与高级路面相比,它
15、的强度和刚度较差,使用寿命较短,所适应的交通量较小,行车速度也较低。它的造价虽较高级路面低些,但要定期修理,养护费用和运输成本也较高。3.中级路面 它的强度和刚度低,稳定性差,使用寿命短,平整度差,易扬尘,只能适应较小的交通量,行车速度低,它需要经常维修和补充材料才能延长使用年限。行车噪声大,不能保证行车舒适,造价虽低,但养护工作量大,运输成本也高。4.低级路面 结构强度很低,水稳性、平整度和不透水性都差,晴天扬尘,雨天泥泞,只能适应低交通量下的低速行车,同时雨季不能保证正常行车。造价低,但养护工作量大,运输成本最高。各级路面相适应的面层类型见表1-1。路面等级同时应与道路的技术等级相适应,通
16、常等级较高的道路一般都应采用较高级的路面。各等级路面所具有的面层类型及其所适用的公路等级 表1-1路面等级面 层 类 型适用的公路等级高级路面水泥混凝土、沥青混凝土、厂拌沥青碎石、整齐石块或条石高速公路、一级和二级公路次高级路面沥青贯入式、路拌沥青碎(砾)石沥青表面处治、半整齐石块二级和三级公路中级路面碎(砾)石(泥结或级配)、不整齐石块、其他粒料三级和四级公路低级路面各种粒料或当地材料改善土,如炉渣土砾石土和砂砾土等四级公路2.1.2 路面的分类根据路面的力学特性,可把路面分为柔性路面和刚性路面两类2。1.柔性路面 主要包括用各种基层(水泥混凝土除外)和各种沥青面层、碎(砾)石面层或块石面层
17、所组成的面层结构。力学特点:刚度小,在荷载作用下所产生的弯沉变形较大,路面结构本身抗弯拉强度较低。2.刚性路面 主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构。力学特点:水泥混凝土的强度很高,在车轮荷载作用下的弯沉变形小,荷载通过混凝土板体的扩散分布作用传递到基础上的单位压力较小。此外,对于用石灰或水泥稳定土或处治碎(砾)石,特别是用含水硬性结合料的工业废渣做的基层,前期具有柔性路面的力学特性,后期强度和刚度较大,但最终刚度和强度较刚性基层低,这类路面基层结构称为半刚性基层,用半刚性基层修筑的沥青路面称为半刚性基层沥青路面。2.2 路面结构层次划分路面结构层由面层、基层、垫层三部分组成3。一.面层路
18、面面层是直接同行车和大气相接触的表面层次,直接承受行车荷载的竖向力作用。面层应具有较高的结构强度,抗变形能力,较好的水稳定性、温度稳定性,耐磨性和不透水性,良好的抗滑性和平整度。修筑面层所用的材料主要有:水泥混凝土、沥青混凝土及其他沥青混合料等。二.基层基层位于面层之下,它是路面结构中的主要承重层,主要承受由面层传递下来的车轮荷载的竖向力,并将其扩散到下面的层次中。基层应具有足够的抗压强度、刚度和水稳性,此外水泥混凝土面层下的基层应具有足够的耐冲刷性。修筑基层所用的材料主要有:各种结合料稳定土或碎(砾)石混合料、贫水泥混凝土、天然砂砾、各种碎石或砾石、片石、块石或圆石,各种工业废渣混合料。三.
19、垫层垫层是介于基层和土基之间的层次。其主要作用是调节和改善土基的湿度和温度状况,以保证路面结构的稳定性和抗冻能力。垫层材料强度不一定要高,但水稳定性和隔热性要好。常用的材料有两类:一类是松散粒料,如砂、砾石、炉渣、片石或圆石等材料;另一类是有整体性材料,如石灰土、炉渣石灰土等3.3 对路面的基本要求汽车直接行驶于路面表面,因此路面的作用是能够担负汽车的荷载而不破坏;保证道路全天候安全通车;能够保证车辆以一定的行驶速度在道路上行驶。对路面提出以下几项基本要求4:一.具有足够的强度、刚度和稳定性路面应具有足够的强度和刚度,以承受行车荷载的作用,而不产生导致路面破坏的形变和磨损。同时这种强度和刚度又
20、应有足够的稳定性,在不利的自然因素(水、温度等)作用下,其变化幅度减少到最低限度。二.具有足够的平整度路面的平整度是反映路面使用质量的一项重要指标。路面平整度差会加速汽车的磨损,还会影响行车安全。为保证高速行车,提高安全性和舒适性,路面应保持足够的平整度。三.具有足够的抗滑性路面要平整,但不宜光滑,一方面光滑的路面不能保证高速行车;另一方面容易引起交通事故。行车速度越高,对抗滑性的要求越高,越是高级路面,越应重视抗滑性问题四.具有足够的不透水性对于水稳定性差的基层和土基,应特别重视路面的不透水性。路面透水会导致土基和路面强度降低而产生破坏。五.具有足够的耐久性路面结构在行车荷载和气候因素的重复
21、作用下会产生疲劳破坏和塑性形变累积。另外,路面材料还可能由于老化衰变而导致破坏。因此,路面结构必须具备足够的抗疲劳强度以及抗老化和抗形变累积的能力。六.具有低噪声及低扬尘性噪声与扬尘会对环境造成污染,影响正常的行车秩序。因此对于行车噪声和扬尘,应当从道路工程的设计、施工、养护和管理等方面统筹考虑,才能保证路面具有尽可能低的扬尘性和尽可能小的噪声。3.行车荷载、环境因素对路面的影响路面直接暴露在大气中,经受着大自然中各种不同因素的影响,这些因素势必对路面稳定性等相关方面造成一定的影响。本章主要从行车荷载和环境因素两个方面分析其对路面体系的影响。3.1行车荷载由第2章的相关内容我们已知,道路路面主
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