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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Ⅳ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δi
交通量Ni
Niδi(Pi/100)16
小客车
前轴
1–1
11.5
776.699
1600
0
后轴
1–1
23
576.514
0.00
中客车SH130
前轴
1–1
25.55
551.03
500
0.00
后轴
1–2
51.1
1
8.90
大客车CA50
前轴
1–1
28.7
524.16
400
0.00
后轴
1–2
68.2
1
40.25
小货车BJ130
前轴
1–1
13.55
723.801
1000
0.00
后轴
1–2
27.2
1
0.00
中货车CA50
前轴
1–1
28.7
524.16
600
0.00
后轴
1–2
68.2
1
60.38
中货车EQ140
前轴
1–1
23.7
569.13
400
0.00
后轴
1–2
69.2
1
43.92
大货车JN150
前轴
1–1
49
416.456
400
2305.71
后轴
1–2
101.6
1
439.97
特大车日野KB222
前轴
1–1
50.2
412.145
300
1978.76
后轴
1–2
104.3
1
386.21
拖挂车五十铃
前轴
1–1
60
381.723
120
0
后轴
3–2
100
0
0.00
（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，车道分
配系数为b=0.8）。

=0.4×5274.11=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 D40—2011)，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gγ=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 D40—2011)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 D40—2011)，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 D40—2011)，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 D40—2011)，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 D40—2011)，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 D40—2011)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）
(5) 温度疲劳应力
新建永州至蓝山高速位于自然区划Ⅳ区，查《规范》(JTG D40—2011)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 D40—2011)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 D40—2011),路基属于干燥状态，选用路基土基的回弹模量值：
=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 D40—2011)，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 D40—2011)，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 D40—2011)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.1.3-2)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Ⅳ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：
（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 D40—2011)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 D40—2011)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》(JTGD40—2011)附录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 D40—2011)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 D40—2011)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.1.2），荷载疲劳应力计算为
（MPa）
(5) 温度疲劳应力
永蓝高速公路属Ⅳ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，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 D40—2011)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 D40—2011)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》(JTGD40—2011)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 D40—2011)附录F.2，天然砂砾的回弹模量选用：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 D40—2011)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.1.2），荷载疲劳应力计算为
（MPa）
(5) 温度疲劳应力
永蓝高速公路属Ⅳ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，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 D40—2011)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 D40—2011)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》(JTGD40—2011)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 D40—2011)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 D40—2011)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.1.2），荷载疲劳应力计算为
（MPa）
(5) 温度疲劳应力
永蓝高速公路属Ⅳ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，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=12cm。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 D40—2011)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 D40—2011)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》(JTGD40—2011)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 D40—2011)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 D40—2011)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 D40—2011)中，按式（B.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Ⅳ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，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
20cm

2
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
20cm

3
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
15cm

2
水泥砼面层
25cm

水泥稳定砂砾基层
25cm
天然砂砾垫层
15cm

3
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
天然砂砾垫层
15cm

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