路基路面程设计说明书

公路自然区划Ⅳ区一级公路路面结构设计

The Design On The Road Surface Structure Of A Class-A Highway In Ⅳ Rank Nature Division For Highway

作 者 姓 名： 田冲冲 专业、班级 ： 道桥0901 学 号 ： 310907020120 指 导 教 师： 魏海霞 设 计 时 间： 2012.6.13

河 南 理 工 大 学 Henan Polytechnic University

目 录

1 引言 ........................................................................................................................................ 1 2 新建沥青路面设计及计算 .................................................................................................... 2

2.1 基本资料 ..................................................................................................................... 2

2.1.1 自然地理条件 .................................................................................................. 2 2.1.2 土基回弹模量 .................................................................................................. 3 2.1.3 交通量及其年增长率和设计年限 .................................................................. 3 2.2.4 设计轴载 .......................................................................................................... 3 2.2 初拟路面结构 ............................................................................................................. 6 2.3 路面材料配合比设计与设计参数的确定 ................................................................. 6

2.3.1 试验材料的确定 .............................................................................................. 6 2.3.2 路面材料配合比设计 .................................................... 错误！未定义书签。 2.3.3 路面材料抗压回弹模量的确定 ...................................................................... 7 2.3.4 路面材料劈裂强度测定 .................................................................................. 7 2.4 路面结构层厚度确定 ................................................................................................. 8

2.4.1 方案一的结构层厚度计算 ............................................ 错误！未定义书签。 2.4.2 方案二的结构层厚度计算 .............................................................................. 8 2.4.3 方案三的结构厚度验算 ................................................ 错误！未定义书签。 2.4.4 验算防冻厚度 ................................................................................................ 10

2.4.5计算机计算过程对比 ..................................................................................... 10

3 新建普通混凝土路面设计及计算 ...................................................................................... 13

3.1 基本资料 ................................................................................................................... 13

3.1.1 自然地理条件 ................................................................................................ 13 3.1.2 土基回弹模量 ................................................................................................ 13 3.1.3 交通量及其年增长率和设计年限 ................................................................ 13 3.1.4 设计轴载 ........................................................................................................ 13

3.2 初拟路面结构 ........................................................................................................... 15 3.3 路面材料参数确定 ................................................................................................... 15 3.4 荷载疲劳应力 ........................................................................................................... 16 3.5 温度疲劳应力 ........................................................................................................... 17 3.6 可靠度系数确定 ....................................................................................................... 17 3.7 极限状态方程验算 ................................................................................................... 17 3.8 计算机软件计算结果对比 ....................................................................................... 17 致 谢 .................................................................................................. 错误！未定义书签。 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 22

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公路自然区划IV区一级公路路面结构设计

1前 言

1.1 路面设计应遵循下列原则：

1 路面设计应认真做好现场资料收集、掌握沿线路基特点，查明路基干湿类型，在对不良地质路段处理的基础上，进行路基路面综合设计。

2 在满足交通量和使用要求的前提下，应遵循因地制宜、合理选材、节约投资的原则，选择技术先进、经济合理、安全可靠、方便施工的路面结构方案。

3 应结合当地条件，积极、慎重地推广新材料、新工艺、新技术，并认真铺筑试验段，总结经验，不断完善，逐步推广。

4 设计方案应符合国家环境保护的有关规定，注意施工中废弃料的处理，积极推动旧面层和基层的再生利用，应保护施工人员的健康和安全 。

1.2 某地（IV区）拟建一级公路，设计年限为15年，土基为粉质土，确定土基的稠度为1.10，回弹模量取36MPa，路基干湿状态为中湿状态。有关资料如下：

1.初始条件：在双轮组（或多轮组）货车型号中自行选取，型号不少于7种（如表1），日交通量自拟，保证计算的交通等级属于重交通或特重交通。

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表1 交通组成

型号 切贝尔D350 黄河JN150 江淮HF150 解放CA150 湘江HQP40 东风KM140C 东风EQ155 49.0 45.1 28.7 23.1 23.6 26.5 101.6 101.5 68.2 73.2 9.3 56.7 1 1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 4 0 0 24 48 1 2 0 前轴载后轴载(KN) (KN) 后轴数 轮组数 轴距(m) 交通量(辆/日) 2．公路技术等级为一级，为双向四车道。

3．交通组成如表1所示，交通量年增长率为γ= 6%。

采用两种方案拟定路面结构：①沥青路面结构方案的选定与结构层厚度的计算；②水泥混凝土路面结构方案的选定与结构层厚度的计算。

。

2 新建沥青路面设计及计算

2.1 基本资料

2.1.1 自然地理条件

新建一级公路地处IV区，为双向四车道，拟采用沥青路面结构进行施工图设计；沿线土质为粉质土，属中湿状态。

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2.1.2 土基回弹模量

设计路段路基处于中湿状态，路基土为粉质土，土基的稠度为1.10，根据室内实验法确定土基回弹模量设计值为36MPa。 2.1.3 交通量及其年增长率和设计年限

根据工程可行性研究报告可知该路段所在地区近期交通组成与交通量，见表2-1。交通量增长率为6.0%。沥青路面累计标准轴次按15年计。

表2-1 近期交通组成与交通量

型号 切贝尔D350 黄河JN150 江淮HF150 解放CA150 湘江HQP40 东风KM140C 东风EQ155 24 49.0 45.1 28.7 23.1 23.6 26.5 48 101.6 101.5 68.2 73.2 69.3 56.7 1 1 1 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 0 0 0 0 4 0 0 460 1500 1400 560 720 660 640 前轴载(KN) 后轴载(KN) 后轴数 轮组数 后轴距(m) 交通量(辆/日) 2.1.4 设计轴载

（1）当以弯沉值和沥青层的层底拉应力为设计指标时，按P378式14-1计算：

piNC1C2nipi1K4.35

(244.3548.04.35())N1前=1×6.4×460×100=5.93，N1后=1×1×460×100=18.89； 49.04.35101.64.35)()N2前=1×6.4×1500×100=431.15，N2后=1×1×1500×100=1607.23；

((45.14.35101.54.35)()100100N3前=1×6.4×1400×=280.53，N3后=1×1×1400×=1493.67； 28.74.3568.24.35)()N4前=1×6.4×560×100=15.71，N4后=1×1×560×100=105.96；

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23.14.3573.24.35)()N5前=1×6.4×720×100=7.86，N5后=2×[1×1×720×100]=370.67；

(23.64.3569.34.35)()100100N6前=1×6.4×660×=6.36，N6后=1×1×660×=133.88；

((26.54.3556.74.35)()100100N7前=1×6.4×640×=12.69，N7后= 2.2×1×640×=119.31

N=

Ni17i前+

Ni17i后=4610

查P379表14-3，取车道系数η=0.45，按P379式14-6计算可得： 累计当量轴次为

[(10.06)151]Ne1=×365×4610×0.45≈1762.2万次

0.061.2×107＜1.762×107＜2.5×107，属于重交通。

（2） 当以半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标时，按P379式14-3计算： N1前=1×18.5×460×(48.08248)=1.30； )=0.094，N1后=1×1×460×(10010049.08)101.68)=1703.10； N2前=1×18.5×1500×100=92.22，N2后=1×1×1500×(100(N3前=1×18.5×1400×(N4前=1×18.5×560×(N5前=1×18.5×720×(N6前=1×18.5×660×(N7前=1×18.5×640×(7745.18101.58)=44.33，N3后=1×1×1400×()=1577.09； 10010028.7868.28)=0.48，N4后=1×1×560×()=26.21； 10010023.1873.28)=0.11，N5后=2×[1×1×720×()]=118.70； 10010069.2823.68)=34.71； )=0.12，N6后=1×1×660×(10010026.5856.78)=0.29，N7后= 3×1×640×()=20.51 100100N=Ni前+Ni后=3620

i1i1查P379表14-3，取车道系数η=0.45 。按P379式14-6，

[(1r)t1]N = ×365﹒N1﹒η计算可得：

r - 4 -

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累计当量轴次：

15[(10.06)1]×365×3620×0.45≈1384万 Ne1=

0.061.2×107＜1.384×107＜2.5×107，属于重交通。 累计轴次计算结果见表2-2。

表2-2 轴载换算与累计轴次

型号 切贝尔D350 黄河JN150 江淮HF150 解放CA150 湘江HQP40 东风KM140C 东风EQ155 换算方法 累计交通轴次 前轴载(KN) 24 29.3 49.0 45.1 28.7 23.1 23.6 26.5 后轴载(KN) 后轴数 48 48.0 101.6 101.5 68.2 73.2 69.3 56.7 1762万 1 1 1 1 2 1 2 轮组数 2 2 2 2 2 2 2 后轴距(m) 0 0 0 0 >3m 0 0 半刚性层拉应力指标 1384万 交通量(辆/日) 460 1500 1400 560 720 660 640 弯沉以及沥青层拉应力指标

（3） 计算机软件对比：

图2-1 计算机软件轴载换算与累计轴次计算

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2.2 初拟路面结构

根据本地区的路用材料，结合已有工程经验与典型结构，拟定了一个结构组合方案。按计算法确定方案一的路面厚度；根据结构层的最小施工厚度、材料、交通量以及施工机具功能等因素，初步确定路面结构组合与各层厚度如下：

方案： 4cm 细粒式沥青混凝土+7cm中粒式沥青混凝土+18cm密级配沥青碎石+？水泥稳定砂砾+20cm级配砾石垫层，以水泥稳定砂砾为设计层。

2.3 路面材料配合比设计与设计参数的确定

2.3.1 试验材料的确定

半刚性基层所用集料取自沿线料场，结合料沥青选用A级90号，上面层采用SBS改性沥青，技术指标据符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—204）相关规定。

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2.3.2路面材料抗压回弹模量的确定

（1）根据设计及配合比，选取工程用各种原材料制作，测定设计参数。

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057—94）中规定的项目顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量。

（2）按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052—2000）中规定的方法测定沥青混合料的抗压回弹模量，测定20℃、15℃的抗压回弹模量，各种材料的试验结果与设计参数见表2-3和表2-4。 2.3.3 路面材料劈裂强度测定

根据设计配合比，选取工程用各种原材料，测定规定温度和龄期的材料劈裂强度。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》与《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的方法进行测定，结果见表2-5。

表2-3 沥青材料抗压回弹模量测定与参数取值

20℃抗压回弹模量（MPa） 材料名称 15℃抗压回弹模量（MPa） 方差 σ 201 105 55 116 EP 1911 1425 978 1248 EP﹣2σ EPa 1589 1215 868 1016 EP 2680 2175 1320 1715 方差 σ 344 187 60 156 EP﹣2σ EP+2σ EP代 1992 1801 1200 1403 3368 2549 1440 2027 细粒式沥青混凝土 细粒式沥青混凝土 细粒式沥青混凝土 密级配沥青碎石 表2-5 路面材料劈裂强度 材料名称 劈裂强度（Mpa） 细粒式沥 青混凝土 1.2 中粒式沥 青混凝土 1.0 粗粒式沥 青混凝土 0.8 密级配 沥青碎石 0.6 水泥稳 定碎石 0.6 水泥稳 定沙砾 0.5 水泥石灰 沙砾土 0.4 二灰稳 定沙砾 0.6

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表2-4 半刚性材料及其他材料抗压回弹模量测定与参数取值

抗压模量（MPa） 材料名称 方差 EP 3188 1591 2617 400 250 EP﹣2σ EP+2σ σ 782 250 234 — — 1024 1091 2148 — — EP代 4752 291 3086 — — 水泥稳定碎石 水泥石灰沙砾土 水泥稳定沙砾 级配碎石 级配沙砾 2.4 路面结构层厚度确定

2.4.1方案的结构层厚度计算

该结构为柔性基层与半刚性基层组合，沥青层较厚。沥青路面的公路等级系数为1.0，面层类型系数为1.0，根据工程经验，按内插法确定基层类型系数，为1.45，用P390, 式14-21[1]计算设计弯沉值可得：

（0.01mm） ld=600Ne0.2AcAsAB=600×21613624.210.2×1.0×1.0×1.45=29.68

故设计弯沉值为29.68（0.01mm）。

用P392, 式14-22[1]、式14-23a[1]、式14-23b[1]计算容许拉应力可得： 细粒式沥青混凝土：

R1=

sp1Ks1=

sp10.09Ne0.22/Ac=

1.2=0.32（MPa） 0.220.0917626351/1.0中粒式沥青混凝土：

R2=

sp2Ks2=

sp20.09Ne0.22/Ac=

1.0=0.27（MPa）

0.09176263510.22/1.0密级配沥青碎石：

R3=

sp3Ks3=

sp30.09Ne0.22/Ac=

0.6=0.16（MPa） 0.220.0913845243/1.0水泥稳定砂砾：

R4=

sp4Ks4=

sp40.35Ne0.11/Ac=

0.5=0.23（MPa）

0.35138452430.11/1.0 - 8 -

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计算机计算过程如图2-5所示。

利用设计程序计算出满足设计弯沉指标要求的水泥稳定沙砾层厚度为15cm；满足层底拉应力要求的水泥稳定沙砾层厚度为17.5cm。.设计厚度取水泥稳定沙砾层18cm，路表计算弯沉值为22.6（0.01mm）。计算机计算过程见图2-6。

各结构层的验算结果见表2-7。计算机验算过程见图2-7。

表2-7 结构厚度计算结果

序号 结构层 材料名称 细粒式沥青混凝土 中粒式沥青混凝土 密级配沥青碎石 水泥稳定砂砾 级配砂砾 土基 20℃抗压模量（MPa） 均值 1991 1425 1248 2617 250 36 标准差 201 105 116 234 0 0 均值 2608 2175 1715 2617 — — 15℃抗压模量（MPa） 标准差 344 187 156 234 — — 劈裂强度 厚度层底拉应 容许拉应 力（MPa）（MPa） （cm） 力（MPa）1.2 1.0 0.6 0.5 — — 4 7 18 18 20 — －0.235 －0.05 0.006 0.225 — — 0.32 0.27 0.16 0.23 — — 1 2 3 4 5 6 沥青路基结构图

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2.4.2 验算防冻厚度

因所设计路面结构位于公路自然区划Ⅳ区——东南湿热区，气温高，热季长，不会出现冻胀和翻浆现象，故不需进行防冻厚度验算。

2.4.3计算机计算过程对比

图2-5 方案计算机软件设计弯沉及容许拉应力计算

图2-7方案计算机软件计算弯沉及层底拉应力计算

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图2-6 方案二计算机软件设计层厚度计算

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3 新建普通混凝土路面设计及计算

3.1 基本资料

3.1.1 自然地理条件

新建一级公路地处IV区，为双向四车道，拟采用普通混凝土路面结构进行施工图设计；沿线土质为粉质土，属中湿状态。 3.1.2 土基回弹模量

设计路段路基处于中湿状态，路基土为粉质土，土基的稠度为1.10，根据室内实验法确定土基回弹模量设计值为36MPa。 3.1.3 交通量及其年增长率和设计年限

根据工程可行性研究报告可知该路段所在地区近期交通组成与交通量，见表3-1.预测交通量增长率前十年为8.0%，中十年为7.0%，后十年为6.0%。混凝土路面累计标准轴次按30年计。

表3-1 近期交通组成与交通量

型号 切贝尔D350 黄河JN150 江淮HF150 解放CA150 湘江HQP40 东风KM140C 东风EQ155 24 49.0 45.1 28.7 23.1 23.6 26.5 48 101.6 101.5 68.2 73.2 69.3 56.7 1 1 1 1 2 1 2 双 双 双 双 双 双 双 0 0 0 0 >3m 0 0 460 1500 1400 560 720 660 640 前轴载(KN) 后轴载(KN) 后轴数 轮组数 后轴距(m) 交通量(辆/日) 3.1.4 设计轴载

p（1）按P457 式16-1 NsiNi(i)16 计算可得：

100i1n- 13 -

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2416)=3.2×105， N1前=（2.22×103×240.43）×460×(100N1后=1×460×(48.016)=3.7×103； 10030.43N2前=（2.22×10×49.0N2后=1×1500×(）×1500×(49.016)=6.9， 100101.616)=1933.7； 100N3前=（2.22×103×45.10.43）×1400×(N3后=1×1400×(101.516)=1776.6； 10045.116)=1.8， 100N4前=（2.22×103×28.70.43）×560×(N4后=1×560×(68.216)=1.2； 10028.716)=6.2×104， 100N5前=（2.22×103×23.10.43）×720×(23.116)=2.7×105， 10073.216)]=4.0×105； 100N5后=2×[（1.07×105×73.20.22）×720×(N6前=（2.22×103×23.70.43）×660×(N6后=1×660×(69.316)=1.8； 10023.616)=3.7×105， 100N7前=（2.22×103×26.50.43）×640×(26.516)=2.1×104， 10056.716)]=6.4×107 100N7后=2×[（1.07×105×56.70.22）×640×(由于公路通行车辆在横断面上分布是不均匀的，根据统计规律，车道数不同，分布概率也不一样，为安全考虑，将分布概率集中的车道作为设计车道。因此，上述调查获得的双向年平均日货车交通量，还应乘以方向系数（通常为0.5）和车道分布系数才能得到设计车道在设计基准期初期的年平均日货车交通量。车道分布系数查P458，表16-2，取0.6。

N=0.5×0.9×（Ni前+Ni后）=0.5×0.6×3722=1098.6

i1i177 - 14 -

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查P459表16-3，取临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数η=0.2，按P458式16-4计算可得：

累计当量轴次：

30(10.06)1×365×1098×0.2=63336829.858 Ne1=

0.06总累计当量轴次：

Ne= Ne1+ Ne2+ Ne3 =12102101≈1210万

2000×104＜6336.85万属于特重交通，累计轴次计算结果见表3-2。

表3-2 轴载换算与累计轴次

型号 切贝尔D350 黄河JN150 江淮HF150 解放CA150 湘江HQP40 东风KM140C 东风EQ155 49.0 45.1 28.7 23.1 23.6 26.5 101.6 101.5 68.2 73.2 69.3 56.7 1 1 1 2 1 2 双 双 双 双 双 双 0 0 0 >3m 0 0 1500 1400 560 720 660 640 24 48 1 双 0 460 前轴载(KN) 后轴载(KN) 后轴数 轮组数 后轴距(m) 交通量(辆/日) 3.2 初拟路面结构

由P479，表16-20[1]可知，一级公路对应的变异水平等级为低~中级。根据一级公路，重交通等级和低~中级变异水平等级，查P477，表16-17[1]，初拟普通混凝土面层厚度为0.242m。考虑到排水需求，基层选用多孔隙水泥碎石，厚0.12mm。垫层为0.15m天然砂砾。普通混凝土板的尺寸为宽4.5m，长5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

3.3 路面材料参数确定

按P480，表16-23[1]和P481，表16-25[1]，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31Gpa。

已知路基回弹模量为36 Mpa。查P482，表16-27[1]多孔隙水泥碎石基层回弹模量取1300MPa，天然砂砾垫层回弹模量取150MPa。

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公路自然区划Ⅳ区一级公路路面结构设计

按P481，式16-53计算基层顶面当量回弹模量如下： EX=

h1E1h2E2h1h232222315000.1221500.152==676.829Mpa

0.1220.152E1h1E2h2(h1h2)211DX=++（）1 41212E1h1E2h21115000.1231500.153(0.120.15)2=++（）1

15000.121500.1512412=0.623MN·m

hX=3120.623/676.829==0.223（m） a=6.22[1－1.51(b=1-1.44(bEx0.45676.8290.45)]=6.22×[1－1.51×(]=3.712 )36E0Ex0.55676.8290.55))=1－1.44×(=0.713 36E0Ex1/3676.8291/3)=121.893MPa )=3.7120.2230.71336(36E0Et=ahxE0(普通混凝土面层的相对刚度半径按P481，式16-52b计算为 r =0.537h3Ec/Et=0.537×0.25×331000/121.893=0.851m

3.4 荷载疲劳应力

按P481，式16-52a[1]，标准轴载在临界荷位处差生的荷载应力计算为 ps=0.077r0.6h2=0.077×0.8330.60.2422=1.118MPa

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr=0.90。考虑荷载基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数Kf=Nev=（4.074501×106）0.057=2.381。根据公路等级，由P481，表16-24，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数Kc=1.25。

按P481，式16-49[1]，荷载疲劳应力计算为

pr=KcKfKrps=0.90×2.381×1.25×1.118=2.995MPa

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3.5 温度疲劳应力

由P483，表16-28[1]，IV区最大温度梯度取92（℃/m）。板长5m，l/r =5/0.833=6.00，由P483，图16-14[1]可查普通混凝土板厚0.22m，Bx=0.6。按P483，式16-56[1]，最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为

tm=

cEchTg21105310000.24292BX=0.6=2.07 MPa

2温度疲劳应力系数Kt，按P483，式16-57[1]计算，查P484，表16-29[1]可得，自然区划为IV区，式中a=0.841，b=0.058，c=1.323，Kt为

Kt=

fr[a(tmfrtm)b]=

5.02.071.323[0.841()0.058]=0.49 2.075.0再由P483，式16-55[1]计算温度疲劳应力为

tr=Kttm=0.49×2.07=1.01 MPa

3.6 可靠度系数确定

查P479，表16-20[1]，公路一级的安全等级为二级，相当于二级安全等级的变异水平系数为低~中级，目标可靠度为90%。再查P480，16-22[1]，确定可靠度系数r=1.16。

3.7 极限状态方程验算

按P480，式16-48有

r（pr+tr）=1.16×（3.25+1.01）=4.94 MPa≤fr=5.0 MPa

因此，所选普通混凝土面层厚度（0.242m）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。故所设计方案可以采用。

3.8 计算机软件计算结果对比

图3-1 计算机软件计算结果

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公路自然区划Ⅳ区一级公路路面结构设计

图3-1 计算机软件计算结果

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公路自然区划Ⅳ区一级公路路面结构设计

水泥混凝土路面板块布置图

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致 谢

首先，我要感谢魏老师的教学工作，魏老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次课程设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了很多理论上的难题，让我把设计做得更加完善。在这个学期，我们跟从魏老师学习了《路基路面工程》，魏老师工作勤恳踏实，她讲课认真严谨，不放过任何一个错误，对待同学耐心仔细，从魏老师的授课中，我学到了很多专业课知识，比如在《路基路面工程》的学习中，我学习到了公路的路基设计要求，挡土墙的设计，公路面层类型的组成和材料要求等等，通过学习这些知识使我可以完成这次课程设计，对毕业后工作的帮助也将是巨大的。另外，在跟魏老师的学习中，除了专业课外，我还学到了认真严谨的做事态度，开阔了视野，提高了自己将理论运用于实践中的能力。这些都是可以一生受用的财富。

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公路自然区划Ⅳ区一级公路路面结构设计

参 考 文 献

[1] 邓学钧，《路基路面工程》，人民交通出版社，2005； [2] 严家伋，《道路建筑材料》，人民交通出版社，2003；

[3] 交通部行业标准，《沥青路面设计规范》JTGD50-2004，人民交通出版社，1997； [4] 交通部行业标准，《公路工程技术标准》JTG B01-2003，人民交通出版社，2004； [5] 交通部行业标准，《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004，人民交通出版社，2005；

[6] 交通部行业标准，《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40-2002，人民交通出版社，2003；

[7 ] 交通部行业标准，《公路路基设计规范》JTG D30-2004，人民交通出版社，2005； [8] 交通部第二公路勘察设计院主编．路基（第二版）．北京：人民交通出版社，1996。

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