高速公路路基路面综合设计

目录

1. 绪论 (1)

1.1总体情况概述 (1)

1.1.1设计任务 (1)

1.1.2任务要求 (1)

1.1.3设计标准 (1)

1.1.4路线起迄点、地形地貌情况 (1)

1.1.5沿线气候水文特征 (1)

1.2总体设计 (2)

1.2.1总体设计原则 (2)

1.2.2技术标准与技术指标的的总体适用情况 (2)

1.3道路设计软件说明 (2)

1.3.1本系统概况 (2)

1.3.2系统的特点 (2)

2. 路基路面设计 (4)

2.1设计简介 (4)

2.1.1设计说明 (4)

2.2.2新建路面结构设计步骤 (4)

2.2.3路面结构综合设计 (4)

3. 路堤边坡稳定性验算 (14)

3.1参数分析 (14)

3.2边坡稳定性验算分析 (14)

3.2.1路基横断面的标准设计 (14)

3.2.2将车辆荷载换算成土柱高（当量高度） (15)

4. 挡土墙设计 (27)

4.1绪言 (27)

4.2 挡土墙的设计及验算 (27)

4.2.1基础资料 (27)

4.2.2设计资料 (27)

4.2.3墙背土压力计算 (29)

4.2.4破裂面计算 (30)

4.2.5破裂面验算 (30)

4.2.6主动土压力计算 (30)

4.2.7墙身截面性质计算 (31)

4.2.8挡土墙的稳定验算及强度验算 (32)

4.3采取措施 (35)

4.3.1基础加固措施 (35)

4.3.2排水措施 (35)

4.3.3沉降缝与伸缩缝的设置 (35)

4.3.4墙顶与路面的衔接 (35)

4.3.5车辆安全行驶保障措施 (35)

4.3.6材料要求 (35)

4.4设计参数 (36)

4.4.1设计参数的选取 (36)

4.4.2安全系数的选取 (36)

4.4.3墙面坡的选取 (36)

4.4.4墙背坡的选取 (36)

4.4.5设计控制重点 (36)

5. 施工组织设计 (37)

5.1编制说明和依据 (37)

5.1.1编制依据： (37)

5.1.2编制原则： (37)

5.1.3编制范围： (37)

5.2工程概况 (37)

5.2.1工程概况及特点 (37)

5.2.2主要技术标准： (38)

5.2.3地形、地貌： (38)

5.2.4气候水文特征： (38)

5.3施工组织的任务和文件 (39)

5.3.1施工组织设计的内容 (40)

5.3.2施工方案 (40)

5.3.3修正施工方案 (41)

5.3.4施工组织计划 (41)

5.3.5主要工程数量: (41)

5.3.6重点和难点工程： (42)

5.3.7机械设备进场计划 (43)

5.3.8施工组织机构 (44)

5.3.9项目部领导及各职能部门职责 (45)

5.3.10各施工队工程任务 (48)

5.3.11施工便道等临时工程方案及临时工程数量、结构 (48)

5.3.12工程特点 (51)

5.4主要工程项目的施工方案、施工方法 (51)

5.4.1总体施工方案 (51)

5.4.2总体施工进度计划 (53)

5.5质量管理组织机构及质量保证体系 (72)

5.5.1建立健全安全保证体系 (73)

5.5.2施工安全与防护 (74)

5.5.3环境保证措施 (76)

5.5.4施工后场地恢复措施 (77)

5.5.5文明施工措施 (78)

5.5.6其它应说明的事项 (78)

结论 (79)

致谢 (80)

参考文献 (81)

附图........................................................

1. 绪论

1.1 总体情况概述

1.1.1设计任务

本设计为平凉至定西高速公路路基路面综合设计。本标段工程位于平凉市崆峒区的A村至土桥村，施工里程为K184＋000～K186＋100，全长2.10km。在整个设计任务主要包括：路面工程的设计（沥青混凝土路面结构设计）；挡土墙设计（路堤边坡稳定性的验算）；施工组织设计（施工方案，施工部署，施工进度安排）专题研究等。

1.1.2任务要求

通过本设计要求能够综合运用专业所学的知识并尽量联系实际，根据有关的设计规范掌握各设计阶段的设计内容，掌握设计过程中设计原始资料的采集方法于内容，掌握路面设计参数的确定、选用及计算方法，掌握道路设计软件程序及方法，将计算机这新世纪科技操作技术灵活运用于公路建设中，以达到熟练从事公路专业的工作能力。1.1.3设计标准

公路等级：双向四车道高速公路；

设计车速：80km/h；

路基宽度：整体式24.5m，分离式2×12.25m；

极限最小平曲线半径：250m；

最大纵坡：5%；

桥涵设计荷载：公路—I 级；

设计洪水频率：特大桥1/100。

1.1.4路线起迄点、地形地貌情况

平定高速公路，全长258.22km，分东西两段(中间为宁夏段)，东段起于庆阳市宁县长庆桥，途经平凉市泾川县、崆峒区，止于宁甘界沿川子；西段起于静宁县司桥，途经平凉市静宁县、白银市会宁县，止于定西市安定区的十八里铺。河道常年有水，河谷地层由砂砾、砾卵石及亚砂土组成。本段通过山区，为中低山地貌，山体岩层风化，山顶部有黄土覆盖，两侧山体坡面较缓，覆盖层较薄。山体地质自下而上为强风化砂砾岩，全风化砂砾岩，砂砾卵石，黄土层，均为V级围岩地质。

1.1.5沿线气候水文特征

项目区属暖温带半湿润、半干旱大陆季风性气候区。夏短冬长，四季分明。多年平均气温13℃，一月平均气温-1℃，七月平均气温26℃，极端最低气温-16.7℃，极端最

高气温41.4℃。盆地及河谷区无霜期210天，深山区无霜期不足100天。区内年平均降雨量701mm，降雨多集中在七月至九月，是关中西部雨水较多地区。路线所经区域属于黄河流域，其大部分路段沿渭河干流和支流布设。地震基本烈度为Ⅶ度。

1.2 总体设计

1.2.1总体设计原则

设计在满足工程经济的前提下既要符合高速公路标准的要求，尽可能采用较高的技术指标，还要综合考虑工程造价，施工技术条件，地质气候，材料来源等其它影响因素。

1.2.2技术标准与技术指标的的总体适用情况

本项设计方案各项技术指标均符合《公路工程技术标准》（JTG B01－2003），《公路路线设计规范》（JTG D20-2006），《公路路基设计规范》（ JTG D30-2004）, 《公路排水设计规范》（JTJ018-97）,《公路水泥混凝土设计规范》（JTG D40-2002），《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）的要求。

1.3 道路设计软件说明

1.3.1本系统概况

本系统是根据现行《公路沥青路面设计规范》JTJ014-97和《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40-2002的有关内容编制的，共包括如下九个程序：

（1）沥青路面设计弯沉值和容许拉应力计算程序HLS

（2）改建路段原路面当量回弹模量计算程序HOC（适用于沥青路面设计）

（3）沥青路面设计程序HMPD

（4）沥青路面及土基竣工验收弯沉值和层底拉应力计算程序HMPC

（5）改建路段原路面当量回弹模量计算程序HOC1

（6）新建单层水泥混凝土路面设计程序HCPD1

（7）新建复合式水泥混凝土路面设计程序HCPD2

（8）旧混凝土路面上加铺层设计程序HCPD3

（9）水泥混凝土路面基（垫）层及土基竣工验收弯沉值计算程序HCPC

1.3.2系统的特点

（1）采用Visual Basic 6.0 for Windows 语言编程，在Windows系统下运行，有良好的用户界面；

（2）功能齐全，凡公路路面设计与计算所需的程序应有尽有；

（3）计算速度快，精度高；

（4）数据输入采用可视化、全屏幕的窗口输入方式，操作简单方便，一目了然。所有

程序既可人机对话输入，又可用数据文件输入，计算结束立即在输出窗口显示设计计算成果文件内容，并可根据用户要求打印输出，十分方便；

（5）具有随机帮助以及自动识别错误并提出警告和提示的功能，让学生无后顾之忧。

2. 路基路面设计

2.1 设计简介

2.1.1设计说明

①设计计算根据《公路沥青路面设计规范》JTGD 50－2004；

②本设计采用路面弯沉值作为设计指标，并验算基底拉应力；

③部分未知参数可查表及规范得出。

④采用软件进行设计。

⑤路基设计按高速公路双向四车道进行设计。

⑥路基设计及路面设计都要说明设计过程，并绘制设计图表。

2.2.2新建路面结构设计步骤

新建沥青路面通常按一下步骤进行路面结构设计：

①根据设计任务书的要求，确定路面等级和面层类型，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路基土类与干湿类型，将路基划分为若干路段（在一般情况下路段长度不宜小于500m，若为大规模机械化施工，不宜小于1km），确定各路段土基回弹模量值。

③根据已有经验和规范推荐的路面结构，拟定几种可能的路面结构组合与厚度方案，根据选用的材料进行配合比试验及测定各机构层材料的抗压回弹模量、抗拉强度，确定个结构层材料设计参数。

④根据设计弯沉值计算路面厚度。对高速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。上述计算应采用弹性多层体系理论编制的程序进行。路面设计流程如图2.1所示。

对于季节性冰冻地区的高级和次高级路面，尚应验算防冻厚度是否满足要求。

2.2.3路面结构综合设计

2.2.

3.1资料：

①公路等级：高速

②自然区划：Ⅳ５

③土基回弹模量：40MPa

④交通增长率：5%

⑤车辆组成及交通量见表2.1

表2.1 车辆组成及交通量

2.2.

3.2轴载分析

路面设计以双轮组单轴载100KN 为标准轴载。

⑴以设计弯沉值为指标及验算沥青层层底拉应力中的累计当量轴次 ①轴载换算

轴载换算采用如下的计算公式：

4.3512()k

i i n i

P

N

C C n P ==∑

计算结果如表2.2所示。

表2.2 轴载换算结果表

（注：轴载小于25KN 的轴载作用不计）

②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0.4。

累计当量轴次： 904185005

.04.02870365]1)05.01[(365]1)1[(151=???-+=?-+=ηγγN N t e

⑵验算半刚性基层层底拉应力中的累计当量轴次 ①轴载验算

验算帮刚性基层层底拉应力的轴载换算公式为8

21

1)(P P C C N i n k

i i '='∑=，计算结果如表

2.3所示。

（注：轴载小于50kN 的轴载作用不计。）

②累计当量轴次

参数取值同上，设计年限是15年，车道系数取0.4.

累计当量轴次：

151[(1)1]365[(10.05)1]36529900.494199060.05

t e N N γηγ+-?+-???'===

2.3.3.3结构组合与材料选取

沥青路面各结构层如何选择和安排，使整个路面结构既能抵抗行车荷载和自然因素的作用，又能发挥各结构层的最大效能，是路面结构组合设计要求解决的问题。

沥青路面时由不同材料组成的多层结构，结构设计时应根据使用要求及当地自然环境条件，结合当地实践经验进行路基路面综合设计，按合理选材、方便施工、利于养护的原则，比较并选择路面结构设计方案。对于分期修建的路面工程，应通过技术经济论证，合理设计层次与厚度，使前期工程在后期能得到充分利用。为确保工程质量，应尽量选用便于机械化、工厂化施工的结构设计方案。 结构组合设计原则：

①面层、基层的结构类型和厚度应与交通量相适应 ②适应车辆荷载的作用 ③保证层间结合紧密稳定 ④在各种自然因素下稳定性好 ⑤适当的结构层数和厚度 ⑥路面结构组合方案

由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900万次左右。根据规范推荐结构，并考虑到公路沿途有大量沙砾且有石灰供应，路面结构面层采用沥青

混凝土（13cm ），基层采用石灰粉煤灰碎石（厚度待定），底基层采用石灰土（取25cm ）和天然砂砾（取15cm ）。

规范规定高速公路、一级公路的面层由二层及三层组成。查规范中的沥青路面的高

级路面中的沥青混合料类型的选择（方孔筛），采用三层式沥青面层，表面层采用细粒式密级配沥青混凝土（厚度约3cm ），中面层采用中粒式密级配沥青混凝土（厚度4cm ），下面层采用组粒式密级配沥青混凝土（厚度6cm ）。

2.3.3.4各层材料的抗压模量与劈裂强度

查表得到各层材料的抗压模量和劈裂强度。抗压模量取20℃的模量，各值均取规范

给定范围的中值，因此得到20℃的抗压模量：细粒式密级配沥青混凝土为1400MPa,中粒式密级配沥青混凝土为1200MPa,粗粒式密级配沥青混凝土为900MPa ，石灰粉煤灰碎石为1500MPa,石灰土为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 ，石灰粉煤灰碎石为0.6MPa,石灰土为0.25MPa.

2.3.3.5土基回弹模量的确定

路基土的回弹模量值除受加荷方式和应力状态等因素的影响外，还与土的性质、密实度、含水量及土基所处的干湿状态有关。路面设计时，应在最不利季节采用现场承载板试验确定土基顶面回弹模量，在路基尚未修建完工的情况下，通过有关参考资料估计土基的回弹模量。该路段处于Ⅳ５区，查得为40MPa 。

2.3.3.6设计指标的确定

对于高速公路，规范要求以设计弯沉值作为设计指标，并进行结构层底拉应力验算。 ①设计弯沉值

路面设计弯沉值根据公式计算。该公路为高速公路，公路等级系数取1.0面层是沥青混凝土，面层类型系数取1.0，半刚性基层，底基层总厚度大于20cm ，基层类型系数取1.0。

设计弯沉值为：

4.240.10.10.190418506006002.02.0=????=??=--b s c e d A A A N l

②各层材料的容许层底拉应力

S sp R K /σσ= 细粒式密级配沥青混凝土

05.30.1/90418500.109.0/09.022.022.0=??=?=c e a S A N A K

MPa K s sp R 46.005.3/4.1/===σσ

中粒式密级配沥青混凝土

05.30.1/90418500.109.0/09.022.022.0=??=?=c e a S A N A K

MPa K s sp R 33.005.3/0.1/===σσ 粗粒式密级配沥青混凝土

36.30.1/90418501.109.0/09.022.022.0=??=?=c e a S A N A K

MPa K s sp R 24.036.3/8.0/===σσ 石灰粉煤灰碎石：

05.20.1/941990635.0/35.011.011.0=?==c e s A N K

MPa K S sp R 29.005.2/6.0/===σσ 石灰土：

63.20.1/941990645.0/45.011.011.0=?==c e s A N K a 09.063.2/25.0/sp

MP K S R ===σ

σ

公路等级系数1，面层类型系数1，路面设计弯沉值24.4（0.01mm ）。

表2.4 各结构层设计参数

计算设计层厚，输入及计算结果如下：

公路等级：高速公路；新建路面的层数：6；标准轴载：BZZ-100；路面设计弯沉值：

24.4（0.01mm）;路面设计层层位：6；设计层最小厚度：20cm。

表2.5 各设计层厚度计算参数

按设计弯沉值计算设计层厚度 :

LD= 24.4 (0.01mm)

H( 4 )= 20 cm ， LS= 25.5 (0.01mm)

H( 4 )= 25 cm ， LS= 22.7 (0.01mm)

H( 4 )= 22 cm(仅考虑弯沉)

按容许拉应力验算设计层厚度 :

H( 4 )= 22 cm(第 1 层底面拉应力验算满足要求)

H( 4 )= 22 cm(第 2 层底面拉应力验算满足要求)

H( 4 )= 22 cm(第 3 层底面拉应力验算满足要求)

H( 4 )= 22 cm(第 4 层底面拉应力验算满足要求)

H( 4 )= 22 cm(第 5 层底面拉应力验算满足要求)

路面设计层厚度 :

H( 4 )= 22 cm(仅考虑弯沉)

H( 4 )= 22 cm(同时考虑弯沉和拉应力)

验算路面防冻厚度 :

路面最小防冻厚度80cm

验算结果表明 ,路面总厚度比路面最小防冻厚度小5cm ,程序将自动在上述刚设计的路面最下层厚度中予以补足。

通过对设计层厚度取整和将路面防冻厚度不足部分增补到路面最下层, 最后得到路面结构设计结果如下:

---------------------------------------

细粒式沥青混凝土 3 cm

---------------------------------------

中粒式沥青混凝土 4 cm

---------------------------------------

粗粒式沥青混凝土 6 cm

---------------------------------------

石灰粉煤灰碎石 22 cm

---------------------------------------

石灰土 25 cm

---------------------------------------

天然砂砾 20 cm

---------------------------------------

土基

2.3.3.7竣工验收弯沉值和层底拉应力计算

公路等级: 高速公路；新建路面的层数: 6；标准轴载: BZZ-100；路面设计弯沉值：24.4（0.01mm）。

计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 :

第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 23.5 (0.01mm)

第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 25.2 (0.01mm)

第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 27.6 (0.01mm)

第 4 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 31.2 (0.01mm)

表2.6 弯沉值和层底拉应力计算表第 5 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 73.4 (0.01mm) 第 6 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 220.2 (0.01mm) 土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 292.5 (0.01mm)

LS= 232.9 (0.01mm)

计算新建路面各结构层底面最大拉应力 :

第 1 层底面最大拉应力σ( 1 )=-0.251 (MPa)

第 2 层底面最大拉应力σ( 2 )=-0.107 (MPa)

第 3 层底面最大拉应力σ( 3 )=-0.055 (MPa)

第 4 层底面最大拉应力σ( 4 )= 0.119 (MPa)

第 5 层底面最大拉应力σ( 5 )=0 .06 (MPa)

3. 路堤边坡稳定性验算

3.1 参数分析

本设计任务段总长1400m，按设计标准共有71个设计横断面，其中填方路堤的K184+960 横断面中最高填方高度为16.48m。所以路堤边坡稳定性验算采用此断面为验算对象。

图3.1 路堤边坡稳定性验算断面图

此断面高度为16.48m，顶宽为26m，边坡坡度一级采用1:1.5。路堤填土为粘性土，土的粘聚力25

c KPa

=，摩擦角φ=190（tgφ=0.344），容重为γ=19.8kN/m3，荷载为公路——Ⅰ级。

3.2 边坡稳定性验算分析

3.2.1路基横断面的标准设计

路基横断面的标准设计也称为路基标准横断面，是根据有关横断面的设计原则和规定而编制的，它仅适宜于一般水文、地质条件，填挖高度不大的普通土质地基。

①路堤标准横断面

边坡高度不大于八米。两侧有取土坑的普通土质路堤。

当填方高度大于 8 米而不小于 20 米时，采用上陡下缓的变坡形式。 地面横坡大于 1 ：5 而小于 1 ：2.5 的斜坡上的路堤横断面。 ②路堑标准横断面

在横断面的标准设计中，路基排水设备也是重要的组成部分。路基地面排水设备包括路堤的排水沟、取土坑及路堑的侧沟、天沟、排水槽等。对于足以破坏路基稳定性及坚固性的地下水，应修筑地下排水建筑物以降低水位或将水聚集并排至路基范围以外。地下排水建筑物有渗沟、隧道等。有关路基排水设备的设计、构造可参阅路基设备手册。

为设有侧沟平台的路堑断面，适用于黄土及黄土类土、细纱土及易风化岩石的路 因为这类边坡容易风化剥落，设置侧沟平台以避免侧沟堵塞、方便养护维修

3.2.2将车辆荷载换算成土柱高（当量高度）

设一辆车停在路肩上，另三辆以最小间距d=0.6m 与它并排。按以下公式换算土柱高度为

BL

NQ

h γ=

0 公式中：L ——纵向分布长度（等于汽车前后轴轮胎的总距），L=13

B ——横向分布车辆轮胎最外缘间总距

B=Nb+（N-1）d

其中：N 为车辆数为4；d 为车身之间的净距为0.6m ；b 可以近似取车身宽，为2.5m 。 则： B=4×2.5＋（4－1）×0.6＝11.8m 故 0h =(4×550)/(19.8×11.8×13)＝0.724

H = h +0h =4.69+0.724=17.204m 按H 5.4法确定滑动圆心辅助线。

查教材《路基路面工程》 表4-1得?=?=35,2621ββ。据此两角分别自坡脚和左顶点作直线相交于O 点，BO 的延长线即为滑动圆心辅助线，在辅助线延长线上从O 点向左上方每0.3H 长取一圆心点。

按简化Bishop 法检算

(1)出各滑动曲线每一分段中点与圆心竖线之间的偏角i α。圆心竖线左侧为负，右侧为

正。

(2)每一分段的滑动弧曲线可近似取直线，将各分段图形简化为梯形或三角形, 计算其面积i Ω，其中包括荷载换算成土柱部分的面积在内； (3)以路堤纵向长度3m 计算出各分段的重力i W ； (4)求出各土条滑动面的弧长i l

(5) 由简化毕肖普法计算土坡稳定安全系数的公式：

[]

11

1

cos sin i n

i

i

i i

i

i i

i n

i

i

i W tg c l m K W αφαα

====+=

∑∑ ………………. （*）

其中i i i i tg K

m α?ααsin 1

cos +

=式中含有K 值，用迭代法求解，先假定一个K 值，求得i m α，代入（*）式求得新的K 值，若此值与假定不符，则用此K 值重新计算i m α求得新的K 值，如此反复迭代，直至假定的K 值与求得的K 值相近为止。 以下用表格分别计算各个滑动面的K 值： ① 第一滑动面

第一次试算假定安全系数K=1.369，计算结果列于表3.1中，可按式（*）求得稳定

安全系数：[]11

1

cos 1574.4

1.3681150.91

sin i n

i i i i i i i

i n

i

i

i W tg c l m K W αφαα

====+=

=

=∑∑

第二次试算假定K=1.368，计算结果列于表3.1中，可得 K 1574.4

1.3681150.91

=

=

计算结果与假定接近，故得第一滑动面的土坡稳定安全系数1 1.368K =

图3.2 第一滑动面计算图

②第二个滑动面

第一次试算假定安全系数K=1.489，计算结果列于表3.2中，可按式（*）求得稳定

安全系数：[]11

1

cos 1730.8

1.8983.5

sin i n

i i i i i i i

i n

i i

i W tg c l m K W αφαα

====+=

=

=∑∑ 表3.1 第一滑动面计算结果表