建筑给排水类高速公路路面设计及排水设计参考Word格式.docx
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12=439.248m2,由表查得沥青路面径流系数为C3=0.95。
由此,总的汇水面积为F=274.53+36.604+439.248=750.382m2,汇水区的径流系数为C=。
图4.21边沟计算示意图
1.1.2计算汇流历时:
由克毕公式计算坡面汇流历时,
其中:
L——坡面流长度;
i——坡面流坡度;
m——地表粗糙系数;
由表查得拱式护面墙防护路堑边坡的粗度系数m=0.4,且路堑坡度为1:
0.5,得路堑坡面汇流历时。
由表查得边沟平台(植草护面)的粗度系数m=0.4,横向坡度为4%,则
查表得沥青混凝土路面粗糙系数为m=0.013,横坡4%,坡面流长度为12m,所以历时时间为。
因此取坡面汇流历时t=3.816min(取最大值)。
设边沟底宽为0.6m,高0.65m,以浆砌片石砌筑,沟壁粗糙系数n=0.025。
设计水深为0.5m。
求得过水断面段面积为A=,水力半径为R=m。
按曼宁公式,得沟内平均流速为:
,因此沟内汇流历时为。
由上可得汇流历时为。
1.1.3计算降雨强度:
据设计手册,高速公路路界内坡面排水设计降雨重现期为15年。
求设计重现期和降雨历时内的降雨强度(mm/min),由于公路在贵州六盘水境内,据《公路排水设计手册》,可取公式。
1.1.4计算设计径流量:
可按降雨强度由推理公式确定:
,
式中Q---设计径流量;
C---径流系数;
F---汇水面积(Km);
所以。
1.1.5检验径流:
设定边沟的截面形式为矩形,底宽0.6m,过水断面为底宽0.6m,水深0.5m,断面积为0.3m2,则泄水能力Qc=0.3×
2.3=0.69m/s。
因为设计径流量Q=0.0345m/s<
泄水能力Qc=0.69m/s,所以假定的边沟尺寸符合要求。
1.1.6冲淤检验:
边沟的平均流速应使水流在设计流量条件下不产生冲刷和淤泥。
为此,应保证设计流速在最大和最小允许流速范围内。
对于浆砌片石边沟,最大允许速度为3.0m/s,由于水深不大于0.5m,则修正系数为0.85,故修正最大允许流速为2.55m/s,而最小允许速度为0.4m/s。
对于平均流速V=2.3m/s在最大与最小范围内,故满足冲淤检验。
综上所述,边沟尺寸符合要求。
拦水带设计验算:
本次设计以沥青路面设计为例,单侧路面和路肩横向排水的宽度为12m,出水口的间距初拟为50m,以K10+983.396~K11+020段为设计段,纵坡坡度为0.03%,路拱横坡度为4%。
计算图见图4.3-1:
图4.31拦水带设计示意图
1.1.7设计径流量计算
(1)设计重现期
按公路重要程度(高速公路),对路面和路肩表面排水取设计重现期为5年。
(2)汇水面积和径流系数
设出水口间距为50米,则两个出水口之间的汇水面积为F=50×
12×
10-6=600×
10-6km2,对于沥青混凝土路面取径流系数C=0.95。
(3)汇流历时
由克毕公式计算坡面汇流历时t1,由表查得地表粗度系数m1=0.013,路面横坡为is=4%,坡面流长度LS=12m,可计算得到坡面汇流历时=1.287min
由沟底(即路线)纵坡ig=0.03%,则由齐哈近似估算:
==0.154m/s,所以沟内汇流历时为:
ts=50/(60×
0.154)=5.411min
由此,可得到汇流历时为t=t1+t2=6.698min
(4)降雨强度
贵州六盘水的降雨强度公式为:
3.170mm/min,
由此得到设计径流量为:
=16.67×
0.95×
3.170×
600×
10-6=0.030m3/s
1.1.8确定路缘带内的水深与水面宽度
硬路肩宽为3m,外侧边缘设沥青路缘带,近路缘带60cm宽度范围内路肩横坡采用5%,由以上求得设计径流量Q=0.03m3/s。
折线型底边的过水断面图见图4.3-2。
查表得,光滑沥青表面的粗糙系数为n=0.013,
对于浅三角形沟的水力计算采用修正的曼宁公式来计算泄水能力,由QC=,带入Q=0.03m3/s,ih=0.04,i=0.0003,来反算ha=0.104m。
则离路缘带60cm处的水深hb=ha-Bwia=0.104-0.6×
0.04=0.08m。
水深为0.08、横坡为0.04的过水断面的泄水量按修正的曼宁公式来计算。
=0.00211m3/s
图4.32
路缘带内60cm宽度范围内的泄水量为:
0.028m3/s。
路缘带内60cm宽度范围外的泄水量为:
=0.0028m3/s。
总泄水量Qa+Qb=0.0308m3/s>
Q=0.03m3/s
改水深ha=0.06m,按上述方法知:
hb=ha-Bwia=0.06-0.6×
0.04=0.036m
m3/s,
Qa=0.028-0.0016=0.0264m3/s
m3/s
总泄水量Qa+Qb==0.0264+0.0021=0.0285m3/s,接近于设计流量Q=0.03m3/s,因而,拦水带边沟水深为6cm,沟内水面宽度到达离硬路肩边缘0.6+0.02/0.03=1.27m。
1.1.9确定拦水带尺寸
水力计算主要关心边沟排泄设计流量时的水深和水面宽度,前者影响到路缘带或缘石的高度,后者用于检验沟内水面是否超过设计规定的限值(硬路肩内侧边缘)。
根据拦水带边沟水深为6cm,以及水面宽度为1.27m(硬路肩宽度为3m),选择拦水带的形式为水泥混凝土拦水带,拦水带堤高12cm,正面边坡1:
1,背面边坡直立。
具体尺寸见下图。
本节设计的公式均来自于公路排水设计手册。
拦水带尺寸图(单位:
cm)
4水泥混凝土路面设计
4.1交通量计算
立德高速K10+000~K12+250段,在自然区划上属于区。
拟建一条高速公路,双向四车道,交通量年平均增长率为8.5%,路基土为低液限粘土。
表4-1计算设计年限通过的标准轴载作用次数
车型
车轴
车轴车轮型
(KN)
小客车
前轴
1-1
11.5
2700
2.52656E-12
后轴
23
1.6558E-07
中客车
SH130
16.5
800
2.41453E-10
1-2
4.90609E-08
大客车
CA50
28.7
500
1.05945E-06
68.2
1.095267
小货车
BJ130
13.55
1700
2.19522E-11
27.2
1.52599E-06
中货车
600
1.27134E-06
1.314320388
EQ140
23.7
850
8.42156E-08
69.2
2.350262856
大货车
JN150
49
0.009387635
101.6
1095.76709
特大车
日野
KB222
50.2
0.009759121
104.3
拖挂车
五十铃
60
75
0.0.21158324
3-2
100
合计
2352.360544
2轴4轮略去不计;
方向分配系数0.5,车道分配系数为0.8。
故有:
=ADTT×
(×
)
=2352×
0.5×
0.8=941(次)
4.2交通参数分析
1、累计标准轴次
设计使用年限为30年,车轮轮迹横向分布系数为η=0.20。
(《公路水泥混凝土路面设计规范》中表A.2.4查得)
使用年限内的累计标准轴次:
=〔-1〕×
365×
=
=8532682≦2000×
(次)
使用年限内标准轴载作用次数(100,2000),属于重交通等级。
4.3方案设计
方案一:
面层:
水泥混凝土板,厚0.28m
基层:
5%水泥稳定碎石,厚0.18m
底基层:
6%级配碎石,厚0.16m
(一)初拟路面结构
由表3.0.1,相应于安全等级一级的变异水平等级为低等。
根据高速公路、重交通等级和低等级变异水平等级,查表4-1和表4-3,初拟普通混凝土面层厚度为=0.28m。
基层选用水泥稳定碎石(水泥用量5%),厚=0.18m,底基层为=0.16m的级配碎石(颗粒含量6%)。
单向路幅宽度为24m(行车道)+2×
2.5m(硬路肩),普通混凝土板的平面尺寸为3.75m,长5.0m。
纵缝为设拉杆平缝,横缝设计为传力杆的假缝。
(二)材料参数的确定
1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量
按表3.0.8,取普通混凝土面层的弯拉强度标准值=5.0MPa,相应弯拉弹性模量标准值为=31GPa泊松比0.15。
2、土基的回弹模量
参照《公路水泥混凝土路面设计规范》附录表E.0.1、表F.0.1路基回弹模量取=70MPa,查表E.0.1-2,取地下水位1.0m时湿度调节系数0.80。
由此,路床顶综合回弹模量取为700.8=56MPa为查附录E.0.2水泥稳定碎石基层回弹模量=1300MPa。
泊松比0.35级配碎石底基层回弹模量=220MPa。
泊松比为0.35,砾石粗集料混凝土的线膨胀系数=11/℃。
按式(B.2.4-1)~式(B.2.4-4)计算板底地基综合回弹模量如下:
===220MPa
===0.16m
=0.26ln()+0.86=0.26×
ln(0.16)+0.86=0.384
===94.7MPa
板底地基综合回弹模量取为90MPa
混凝土面层板的弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面结构总相对刚度半径为:
===58MN.m
===0.66MN.m
=1.21=1.21=1.05m
(3)荷载应力
按式(B.4.1-1),标准荷载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为:
==
=1.434MPa
=1.51MPa
按式(B.2.1),计算面层荷载疲劳应力。
按式(B.2.6)计算面层最大荷载应力。
==0.872.4841.151.434=3.56MPa
==0.871.151.51=1.51MPa
应力折减系数=0.87(B.2.1条);
综合系数=1.15(表B.2.1);
疲劳应力系数===2.484。
(4)温度应力
由表3.0.10,最大温度梯度取88℃/m。
按B.3.3和B.5.2计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。
===3390MPa/m
===0.118m
=_=_=0.101
t===1.59
=1-=1-=0.619
=1.77=1.77=0.263
按式(B.3.2)计算面层最大温度应力:
===1.10MPa
温度疲劳应力系数,按式(B.3.4)计算:
===0.241
按式(B.3.1)计算温度疲劳应力:
==0.2411.10=0.265MPa
(5)结构极限状态校核
查表3.0.4,一级安全等级,低变异水平条件下,可靠度系数取1.24。
按式(3.0.4-1)和式(3.0.4-2)校核路面结构极限状态是否满足要求:
1.24(3.56+0.265)=4.743≦=5.0MPa
=1.24×
(1.51+1.1)=3.24MPa≦=5.0MPa
拟定的由计算厚度0.28m的普通混凝土面层和厚度0.18m的水泥稳定粒料基层组成的路面结构满足要求,可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用,以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。
取混凝土面层设计厚度为0.28m。
方案二:
水泥混凝土板,厚0.27m
5%水泥稳定碎石,厚0.15m
4%水泥稳定碎石,厚0.16m
(一)初拟路面结构
根据高速公路、重交通等级和低等级变异水平等级,查表4-1和表4-3,初拟普通混凝土面层厚度为=0.27m。
基层选用水泥稳定碎石(水泥用量5%),厚=0.15m,底基层为=0.16m的水泥稳定碎石(水泥用量4%)。
单向路幅宽度为23.75m(行车道)+2×
(二)材料参数的确定
1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量
2、土基的回弹模量
泊松比0.35,水泥稳定碎石底基层回弹模量=1300MPa。
===1300MPa
===187.3MPa
板底地基综合回弹模量取为185MPa
===52MN.m
===0.42MN.m
=1.21=1.21=0.80m
=1.29MPa
=1.34MPa
==0.872.4841.151.29=3.21MPa
==0.871.151.34=1.34MPa
===4029MPa/m
===0.101m
=_=_=0.062
t===2.08
=1-=1-=0.90
=1.77=1.77=0.46
===1.86MPa
===0.46
==0.461.86=0.86MPa
1.24(3.21+0.86)=5.04MPa≈5MPa≦=5.0MPa
(1.34+1.86)=3.97MPa≦=5.0MPa
拟定的由计算厚度0.27m的普通混凝土面层和厚度0.15m的水泥稳定粒料基层组成的路面结构满足要求,可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用,以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。
取混凝土面层设计厚度为0.27m。
方案三:
5%水泥稳定碎石,厚0.16m
天然砂砾,厚0.22m
基层选用水泥稳定碎石(水泥用量5%),厚=0.16m,底基层为=0.22m的天然砾石。
泊松比0.35,天然砾石底基层回弹模量=150MPa。
===150MPa
===0.22m
ln(0.22)+0.86=0.466
===88.6MPa
板底地基综合回弹模量取为85MPa
===0.51MN.m
=1.21=1.21=1.07m
=1.45MPa
==0.872.4841.151.45=3.60MPa
==0.871.151.51=1.63MPa
===3785MPa/m
===0.108m
=_=_=0.088
t===1.56
=1-=1-=0.59
=1.77=1.77=0.24
===1.01MPa
===0.20
==0.201.01=0.202MPa
1.24(3.6+0.202)=4.71MPa≦=5.0MPa
(1.63+1.01)=3.27MPa≦=5.0MPa
拟定的由计算厚度0.28m的普通混凝土面层和厚度0.16m的水泥稳定粒料基层组成的路面结构满足要求,可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用,以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。
5沥青路面结构层厚度计算
5.1设计资料
拟建一条高速公路,双向四车道,车道系数为η=0.5,拟采用沥青路面结构,设计年限为15年,交通量年平均增长率为8.5%,沿线土质为低液限粘土,沿线地质情况为覆盖层以种植土、亚砂土和亚粘土为主,含少量的碎石质土,覆盖层厚2m左右,稻田中种植土厚0.6m左右。
公路沿线有较丰富的砂砾材料、砂,当地沿线无矿石料场,矿石材料需外购,当地有水泥厂和电厂,粉煤灰较丰富,有少量石灰生产,但产量不高。
5.2轴载分析
表5-1交通组成及交通量表(双向)
后轴型号
交通量(辆/昼夜)
中客车SH130
大客车CA50
小货车BJ130
中货车CA50
中货车EQ140
大货车JN150
特大车日野KB222
拖挂车五十铃
交通量年平均增长率(%)
8.5
我国沥青路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载,表示为BZZ-100。
按照《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2006),标准轴载的计算参数按表5-2确定。
表5-2标准轴载计算参数
标准轴载名称
BZZ-100
标准轴载P(KN)
单轮当量圆直径d(mm)
21.30
轮胎接地压强P(Mpa)
0.70
两轮中心距(cm)
1.5d
﹙1﹚当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时,各级轴载的作用次数均换算成标准
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