1、第六章 水泥混凝土路面设计 1.设计资料新建永州至蓝山高速位于自然区划区，采用普通混凝路面设计，双向四车道，路面宽26m，交通量年平均增长率为8.0% 2.交通分析2.1使用初期设计车道每日通过标准轴载作用次数 根据昼夜双向交通量统计，有使用初期设计车道日标准轴载换算车型前后轴轴轮数Pi(kpa)轴载系数i交通量NiNii(Pi/100)16小客车前轴1111.5776.69916000后轴1123576.5140.00中客车SH130前轴1125.55551.035000.00后轴1251.118.90大客车CA50前轴1128.7524.164000.00后轴1268.2140.25小货车
2、BJ130前轴1113.55723.80110000.00后轴1227.210.00中货车CA50前轴1128.7524.166000.00后轴1268.2160.38中货车EQ140前轴1123.7569.134000.00后轴1269.2143.92大货车JN150前轴1149416.4564002305.71后轴12101.61439.97特大车日野KB222前轴1150.2412.1453001978.76后轴12104.31386.21拖挂车五十铃前轴1160381.7231200后轴3210000.00（小于40KN的单轴和小于80KN的双轴略去不计，方向分配系数为a=0.5，车道
3、分配系数为b=0.8）。=0.45274.11=2105.64 2.2使用年限内的累计标准轴次 查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)，设计基准期为t =30a，临界荷位处轮迹横向分布系数取0.2, 交通量年平均增长率g=8.0%，累计标准轴次（使用年限内的累计标准轴次）：故此路属于重交通等级 3.初拟路面结构查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)水泥混凝土面层厚度的参考范围：高速公路（重交通等级）安全等级为一级，变异水平为低级；按设计要求，根据路基的干湿类型，设计6种方案，并进行方案比选。 3.1干燥状态 方案一： (1) 初拟路面结构 初拟水泥混凝土面层厚度
4、h=25cm。基层选用水泥稳定碎石，厚度h1=15cm。底基层选用水泥稳定砂砾，厚度h2=20cm。板平面尺寸选为宽3.75m，长4.5m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。 (2) 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 查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)，普通水泥混凝土路面重型交通:设计弯拉强度fr Mpa，对应的设计弯拉弹性模量标准值Ec =31Mpa。2、土基的回弹模量根据公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)，路基土干燥状态时，选用土基的回弹模量值： 基层和底基层的回弹模量 基层选用水泥稳定碎石，查规范(JTG D402011)
5、，水泥稳定碎石基层回弹模量选用： 底基层选水泥稳定砂砾，查规范(JTG D402011)，水泥稳定砂砾底基层的回弹模量选用： Mpa。(3) 基层顶面的当量回弹模量和面层相对刚度半径参照规范(JTG D402011)基层顶面当量回弹模量计算公式： = =1.355MN*m = (MPa) 普通混凝土面层的相对刚度半径： (4) 荷载疲劳应力计算 标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为： (MPa) 因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数：。 根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。荷载疲劳应力计算为：（MPa
6、） (5) 温度疲劳应力 新建永州至蓝山高速位于自然区划区，查规范(JTG D402011)取最大温度梯度=90（/m），板长4.5m，L/r=4.5/0.737=6.106，可温度系数应力表，查普通混凝土板厚m,m。最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力： （MPa） 温度疲劳应力系数，查表得a=0.841,b=0.058,c=1.323，计算： 计算温度疲劳应力： （MPa） 查规范可靠度设计标准，高速公路的安全等级为一级，变异水平低级，目标可靠度为95%。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数 =1.25 （MPa）（MPa） 因而，所选普通混凝土面层厚度（25cm）可以承受设
7、计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。方案二： (1) 初拟路面结构 初拟水泥混凝土面层厚度h=25cm。基层选用水泥稳定碎石，厚度h1=15cm。底基层选石灰粉煤灰碎石，厚度h2=20cm。板平面尺寸选为宽3.75m，长4.5m。纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。 (2) 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 因为设计为普通混凝土路面且交通等级为重交通等级，由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)得：设计弯拉强度 Mpa，弯拉弹性模量 Gpa。 2、土基的回弹模量 参照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011),路基属于干燥状态，选用路基
8、土基的回弹模量值： =45（MPa） 3、底基层和基层的回弹模量 基层选用水泥稳定碎石，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)，水泥稳定碎石的回弹模量选用：E1=1500MPa 底基层选石灰粉煤灰碎石，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)，的回弹模量选用：E2=1300MPa (3) 基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量 根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，参照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)中，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下： MPa (MN-m) (m) (MPa) 普通混凝土面层的相对刚度半径按式(B.1.3-
9、2)计算为 （m） (4) 荷载疲劳应力计算 按式（B.1.3）,标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为 (MPa) 因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数： 根据公路等级，由表B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为 （MPa） (5）温度疲劳应力 新建永蓝高速公路属区，查规范表3.0.8可选取最大温度梯度 应取86（/m）为（/m）。板长4.5m，由图B.2.2可查普通混凝土板厚 h=0.25m,。按式（B.2.2）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为： （MP
10、a） 温度疲劳应力系数，按式（B.2.3）计算为： 再由式（B.2.1）计算温度疲劳应力为： （MPa） 查表3.0.1，高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为95%。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表3.0.3，确定可靠度系数。按式（3.0.3）（MPa）（MPa） 因而，所选普通混凝土面层厚度（25cm）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。方案三： (1) 初拟路面结构 初拟水泥混凝土结构的面层，厚度h=25cm。基层选用多孔隙水泥稳定碎石排水基层厚度h1=12cm。底基层选水泥稳定碎石，厚度h2=20cm。基层与底基层之间采
11、用防水土工布隔开。板平面尺寸选为宽3.75m，长4.5m。纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。 (2) 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因为设计为普通混凝土路面且交通等级为重型交通，由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)表3.0.6和附录F.3查得：设计弯拉强度 Mpa，弯拉弹性模量 Gpa。2、 土基的回弹模量 参照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)附录F.1,判断路基属于干燥状态，选用路基土基的回弹模量值：（MPa）3、底基层和基层的回弹模量基层选用多孔隙水泥稳定碎石排水基层，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTGD402011)附录
12、F.2，多孔隙水泥稳定碎石排水基层回弹模量选用： E1=1500MPa。底基层选水泥稳定碎石，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)附录F.2，水泥稳定碎石基层的回弹模量选用：E2=1500MPa。 (3) 基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量 根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，参照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)中，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下： MPa (m) (MPa) 普通混凝土面层的相对刚度半径按式(B.1.3-2)计算为（m） (4) 荷载疲劳应力计算 按式（B.1.3）,标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为 (M
13、Pa) 因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数： 根据公路等级，由表B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为 （MPa） (5) 温度疲劳应力 永蓝高速公路属区，查规范表3.0.8可选取最大温度梯度 应取86（/m）为=86（/m）。板长4.5m，由图B.2.2可查普通混凝土板厚m,。按式（B.2.2）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为： （MPa） 温度疲劳应力系数，按式（B.2.3）计算为： 再由式（B.2.1）计算温度疲劳应力为： （MPa）查表3.0.1，高
14、速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为95%。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表3.0.3，确定可靠度系数。按式（3.0.3）（MPa）（MPa） 因而，所选普通混凝土面层厚度（25cm）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。4.3.2 中湿状态方案一： (1) 初拟路面结构 初拟水泥混凝土结构的面层，厚度h=25cm。基层选用水泥稳定碎石厚度h1=24cm。垫层选天然砂砾，厚度h2=15cm。板平面尺寸选为宽3.75m，长4.5m。纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。 (2) 材料参数的确定 1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模
15、量 因为设计为普通混凝土路面且交通等级为重型交通，由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)表3.0.6和附录F.3查得： 设计弯拉强度 Mpa，弯拉弹性模量 Gpa。2、土基的回弹模量参照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)附录F.1,路基属于中湿状态，选用路基土基的回弹模量值：（MPa）3、基层和垫层的回弹模量基层选用水泥稳定碎石，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTGD402011)附录F.2，水泥稳定碎石基层回弹模量选用：E1=1500MPa。垫层选天然砂砾，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)附录F.2，天然砂砾的回弹模量选用：E2=180
16、MPa。 (3) 基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量 根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，参照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)中，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下： MPa (m) (MPa) 普通混凝土面层的相对刚度半径按式(B.1.3-2)计算为 （m） (4) 荷载疲劳应力计算 按式（B.1.3）,标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为： (MPa) 因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数： 根据公路等级，由表B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。按式（B.1
17、.2），荷载疲劳应力计算为 （MPa） (5) 温度疲劳应力 永蓝高速公路属区，查规范表3.0.8可选取最大温度梯度 应取86（/m）为=86（/m）。板长4.5m，由图B.2.2可查普通混凝土板厚m,。按式（B.2.2）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为： （MPa） 温度疲劳应力系数，按式（B.2.3）计算为： 再由式（B.2.1）计算温度疲劳应力为： （MPa） 查表3.0.1，高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为95%。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表3.0.3，确定可靠度系数。 按式（3.0.3） （MPa）（MPa） 因而
18、，所选普通混凝土面层厚度（25cm）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。方案二： (1) 初拟路面结构 初拟水泥混凝土结构的面层，厚度h=25cm。基层选用水泥稳定砂砾厚度h1=25cm。垫层选用天然砂砾厚度h3=15cm。板平面尺寸选为宽3.75m，长4.5m。纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。 (2) 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 因为设计为普通混凝土路面且交通等级为重型交通，由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)表3.0.6和附录F.3查得： 设计弯拉强度 Mpa，弯拉弹性模量 Gpa。 2、土基的回弹模量 参照公路水泥混
19、凝土路面设计规范(JTG D402011)附录F.1,路基属于中湿状态，选用路基土基的回弹模量值：（MPa） 3、基层和垫层的回弹模量 基层选用水泥稳定砂砾，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTGD402011)附录F.2，水泥稳定砂砾基层回弹模量选用：E1=1300MPa。 垫层选天然砂砾，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)附录F.2，天然沙粒垫层的回弹模量选用：E2=180MPa。 (3) 基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量 根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，参照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)中，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量
20、如下： MPa (m) (MPa) 普通混凝土面层的相对刚度半径按式(B.1.3-2)计算为 （m） (4) 荷载疲劳应力计算 按式（B.1.3）,标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为： (MPa) 因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数： 根据公路等级，由表B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为 （MPa） (5) 温度疲劳应力 永蓝高速公路属区，查规范表3.0.8可选取最大温度梯度 应取86（/m）为=86（/m）。板长4.5m，由图B.2.2可查普通混凝土板厚m,
21、。按式（B.2.2）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为： （MPa） 温度疲劳应力系数，按式（B.2.3）计算为： 再由式（B.2.1）计算温度疲劳应力为： （MPa） 查表3.0.1，高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为95%。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表3.0.3，确定可靠度系数。 按式（3.0.3）（MPa）（MPa）因而，所选普通混凝土面层厚度（25cm）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。方案三：(1) 初拟路面结构初拟水泥混凝土结构的面层，厚度h=25cm。基层选用多孔隙水泥稳定碎石，厚度h1=12c
22、m。底基层选水泥稳定碎石，厚度h2=20cm。底基层顶面用防水土工织物与基层隔开。垫层选用天然砂砾，厚度h3=15cm。板平面尺寸选为宽3.75m，长4.5m。纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。 (2) 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 因为设计为普通混凝土路面且交通等级为重型交通，由公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)表3.0.6和附录F.3查得： 设计弯拉强度 Mpa，弯拉弹性模量 Gpa。 2、土基的回弹模量 参照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)附录F.1,路基属于中湿状态，选用路基土基的回弹模量值：（MPa） 3、基层和底
23、基层、垫层的回弹模量基层选用多孔隙水泥稳定碎石，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTGD402011)附录F.2，水泥稳定碎石回弹模量选用：E1=1400MPa。底基层选水泥稳定碎石，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)附录F.2，水泥稳定粒料底基层的回弹模量选用：E2=1500MPa。垫层选天然砂砾，查公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)附录F.2，水泥稳定粒料底基层的回弹模量选用：E3=180MPa。 (3) 基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量 根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，参照公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D402011)中，按式（B
24、.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：首先把底基层和垫层换算成既有当量回弹模量和当量厚度的单层，则： 所以： MPa (m) (MPa) 普通混凝土面层的相对刚度半径按式(B.1.3-2)计算为 （m） (4) 荷载疲劳应力计算 按式（B.1.3）,标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为： (MPa)因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数。考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数： 根据公路等级，由表B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数。按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为 （MPa） (5) 温度疲劳应力 永蓝高速公路属区，查规范表3.0.8可
25、选取最大温度梯度 应取86（/m）为=86（/m）。板长4.5m，由图B.2.2可查普通混凝土板厚m,。按式（B.2.2）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为： （MPa） 温度疲劳应力系数，按式（B.2.3）计算为： 再由式（B.2.1）计算温度疲劳应力为： （MPa） 查表3.0.1，高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为95%。再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表3.0.3，确定可靠度系数。按式（3.0.3）（MPa）（MPa） 因而，所选普通混凝土面层厚度（25cm）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。 4.水泥混凝
26、土路面方案比选 技术方面： （1）考虑材料自身特性，根据当地施工经验进行比较； （2）考虑当地的气候、地质、水文条件、材料供应情况； （3）路面结构的适应性：以与的接近程度进行比较。 经济方面：以所选材料基价进行比较 本设计为永州到蓝山高速公路路面在干燥、中湿两种状态下的结构设计，由于设计结构已满足强度要求，故不对路面结构的适应性作比较。对拟定的六种路面结构方案进行比选，选定出最优方案。表5-2 方案汇总路基状态方案结构层厚度优选方案干燥1水泥砼面层25cm水泥稳定碎石基层15cm水泥稳定砂砾底基层20cm2水泥砼面层25cm水泥稳定碎石基层15cm石灰粉煤灰碎石底基层20cm3水泥砼面层25cm优选多孔隙水泥稳定碎石排水基层12cm水泥稳定碎石底基层20cm中湿1水泥砼面层25cm水泥稳定碎石基层24cm天然砂砾垫层15cm2水泥砼面层25cm水泥稳定砂砾基层25cm天然砂砾垫层15cm3水泥砼面层25cm优选多孔隙水泥稳定碎石排水基层
