高速公路-路基-混凝土路面课程设计.doc

徐州工程学院 土木学院
土木工程道桥隧专业 课程设计

任 务 书

设计题目：高速公路 路基+混凝土路面
使用班级： 09道桥隧
学生姓名： 陈雅南
指导教师： 高兴元

结构教研室
2012年12月1日

目录
一、 设计依据
二、 设计标准
三、 工程概况
四、 设计内容
1.1 路基横断面设计
1.1.1 确定路基横断面形式
1.1.2 确定自然区划和路基干湿类型
1.1.3 拟定路基断面尺寸
1.2 道路横断面排水设计
1.2.1 确定边沟布置、断面形式及尺寸
1.2.2 确定截水沟布置、断面形式和尺寸
1.2.3 其他排水设施
1.3 路基稳定性验算
1.3.1 设计参数
1.3.2 稳定性验算
1.3.3 路基坡面防护
1.4 路基施工设计
1.4.1 施工要点
1.4.2 路基压实
2 水泥混凝土路面设计
2.1 行车荷载
2.1.1 车辆的类型和轴型
2.1.2 轴载换算
2.1.3 交通分析
2.2 路面结构组合设计
2.2.1 垫层设计
2.2.2 基层设计
2.2.3 面层设计
2.2.4 路肩设计
2.2.5 路面排水设计
2.3 路面结构层设计
2.3.1. 初拟路面结构
2.3.2. 路面材料参数的确定
2.3.3. 基层顶面回弹模量
2.3.4. 荷载疲劳应力
2.3.5. 温度疲劳应力
2.4 接缝设计
2.4.1 纵向接缝
2.4.2 横向接缝
2.5水泥混凝土路面机械摊铺施工
五、 参考文献

一、 设计依据
本设计为山东省某地新建的一条双向四车道高速公路,设计速度为120km/h.起止桩号为K00+000-K2+000分为路基设计和路面设计两部分.
路基设计中主要以一般路堤形式进行设计,路堤平均高度为 2.5 m，土质为粉性土，平均地下水位1.0m。主要进行了路基横断面设计、道路横断面排水设计、路基稳定性验算和施工设计.其中,路基稳定性验算取10m高一般路堤进行设计.
路面设计中主要是初拟路面结构的不同.设计路面为水泥混凝土刚性路面,主要包括路面结构组合设计、混凝土路面板尺寸设计、接缝设计以及施工设计。
二、 设计标准
1、《路基路面工程》（人民交通出版社第二版）
2、《公路工程技术标准》JTGB01-2003
3、《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2006
4、《公路沥青路面设计规范》JTGD30-2004
5、《公路水泥混凝土路面设计规范》JTGD4013-2002
6、《公路设计手册》（交通部第二版）
7、《路基路面工程》第二版 黄晓明
三、 工程概况
1、公路自然区划是： Ⅱ5 ；
2、公路等级是： 高速公路 ；
3、路线总长度为2000.00米；
4、设计年限 30 年 ；
5、交通等级为 特重交通 ；
6、材料参数均是通过试验获得，具体内容参照设计基础资料。
四、 设计内容
1 路基设计
路基根据其使用要求和当地自然条件，并结合施工方案进行设计，既有足够的强度和稳定性，又要经济合理。影响路基强度和稳定的地面水和地下水，必须采取拦截或排出路基以外的措施，并结合路面排水，综合排水设计，形成完整的排水系统。修筑路基取土和弃土时，应符合环保要求，以适当处理，减少弃土侵占耕地，防止水土流失和瘀塞河道。本路基设计主要依据《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)、《公路工程技术标准》(JTJ B01—2003)、《公路自然区划标准》及《土的工程分类》(GBT_50145-2007)和《路基路面工程》教材进行设计。
1.1 路基横断面设计
1.1.1 确定路基横断面形式
由设计任务书所给条件，路基横断面可采用路堤、路堑和半填半挖三种形式，以及公路曲线的超高、加宽时的路基横断面。本设计主要才用一般路堤形式，按照标准横断面形式进行设计。
1.1.2 确定自然区划和路基干湿类型
由《公路自然区划标准》可知：山东大部分位于II5鲁豫平原轻冻区，属于东部温润季冻区。路基土质为粉质土。
由《公路自然区划标准》得公路二级区划的特征和指标：

由表1.1可知Ⅱ5 鲁豫平原轻冻区的潮湿系数K值较低。
由《路基路面工程》可得路基临界高度：
表1.2 路基临界高度参考值
土
组
路
槽
底
至
水
位
临
界
高
度
自
然
区
划

粉性土
地下水
H1
H2
H3
II5
2.4~2.9
1.8~2.3

该公路为高速公路双向四车道,要求标准较高,故取路基干湿类型为干燥,则由表1.2可得路基最小高度H>2.9m。
1.1.3 拟定路基断面尺寸
山东地区地形以平原为主，属于平原微丘区，本公路为高速公路双向四车道，并考虑该地区经济较发达，取计算行车速度为120Km/h。
（1） 路基宽度：
由《公路工程技术标准》(JTJ B01—2003)可归纳得：
表1.3 路基宽度参数
高速公路
四车道
120 Km/h
行车道宽度
(m)
中央分隔带
(m)
左侧路缘带
(m)
硬路肩
(m)
土路肩
(m)
2×7.5
3
0.75
3.25
0.75
行车道宽度：2×7.5=15m 中央分隔带：3m 路缘带：0.75m×2=1.5m
硬路肩宽度：3.25m×2=6.5m 土路肩宽度：0.75m×2=1.5m
则，路基宽度：15+3+1.5+6.5+1.5=27.5m
得路基横断面图如图1.1所示：

图1.1 路基横断面图
（2） 路基高度：
由《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)，设有中央分隔带的高速公路，路基设计标高为中央分隔带的外侧边缘高程。由于该公路位处Ⅱ5 鲁豫平原轻冻区，主要自然病害以冻胀与翻浆为主，且公路等级要求高，设计需求路基干湿类型为干燥，由表1.2知，路基高度H>2.9m，设计资料中路基平均高度为2.5m。综合考虑路线纵坡要求，路基稳定性和工程经济等因素，本设计取路基高度H=6m。
（3） 路基边坡坡率：
路堤填土高度为6m，路基填料为细粒土，由表1.4可得，取路基边坡坡率为1׃1.5，则边坡宽度b=1.5H=9m。
表1.4 路堤边坡坡率
填料类别
边坡坡率
上部高度（H≤8m）
下部高度（H≤12m）
细粒土
1׃1.5
1׃1.75
粗粒土
1׃1.5
1׃1.75
巨粒土
1׃1.3
1׃1.75
1.2 道路横断面排水设计
公路位于Ⅱ5 鲁豫平原轻冻区，主要自然病害以冻胀与翻浆为主，其次崩塌、土流。自然条件对公路工程的影响主要表现在冻土多，公路的不利季节为11月-次年3月，公路由宽广的平原地通过条件不太困难。
1.2.1 确定边沟布置、断面形式及尺寸
边沟的排水量不大，一般不需进行水文和水力计算。依据沿线情况，选用标准横断面形式。边沟的纵坡一般与路线纵坡一致。边沟横断面采用梯形，内测边坡坡率为1׃1.5，外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同。由于该公路位于东南潮热区，降雨量较大，梯形边沟的底宽和深度都采用0.6m。由于水量较大，边沟采用浆砌片石铺砌，砌筑用砂浆M7.5号。

边沟断面如图1.2所示：
图1.2 边沟构造图
1.2.2 确定截水沟布置、断面形式和尺寸
截水沟的位置应尽量与绝大多数的地面水流方向垂直，以提高截水沟的效能和缩短截水沟的长度。沟底采用0.5%的纵坡。截水沟截面采用对称梯形，沟的边坡坡度采用1׃1.5，沟底采用干砌片石铺筑。对截水沟断面尺寸采用试算法进行水力计算，以获得最佳断面。
（1） 设计参数：纵坡i=0.005，坡率m=1.5，粗糙系数n=0.025，设计流量 =1.10m3/s。
（2） 假定沟底宽度b=0.4m；由表1.5可得b/h=0.61,取h=0.66m；
表1.5 水力最佳断面宽深比
边坡率m
0
0.25
0.5
0.75
1.00
1.25
1.50
2.00
3.00
b/h
2
1.56
1.24
1.00
0.83
0.70
0.61
0.47
0.32
（3） 水流断面积： (1-1)
由 得，=0.92m2；
断面系数： (1-2)
由 得，=3.6；
湿周： (1-3)
由 得，=2.78m；
水力半径： (1-4)
由 得，=0.33m；
（4） 指数： (1-5)
由 得，=0.24；
流速系数： (1-6)
由 得，=32.05；
水流断面流速： (1-7)
由 得=1.3m/s；
断面流量： (1-8)
由 得，=1.2 m3/s；
（5） 验算 沟底铺砌采用干砌片石。
则由表1.6可得最大容许设计流速为=2.0m/s；
表1.6 容许流速表
沟渠类型
最大容许设计流速（m/s）
沟渠类型
最大容许设计流速（m/s）
粗砂
0.8
草皮护面
1.6
黏土质砂
1.0
干砌片石
2.0
高限黏土
1.2
浆砌片石
3.0
石灰岩
4.0
混凝土
4.0
假设水中主要含土类为中细沙，取α=0.5；
最小容许流速： (1-9)
由得=0.26 m/s；
因为设计结果=1.3 m/s，介于与值之间，所以流速符合要求。
又因为计算流量=1.2 m3/s，与 =1.10m3/s相差为超过10%，一般可认为符合设计要求。

综上可知：因为流量和流速均符合要求，本截水沟可采用底宽0.4m，而沟深H，应为水深h加安全高度Δh=0.10~0.20m，本设计取Δh=0.14m，所以沟深H=h+Δh=0.66+0.18=0.8m。
截水沟断面如图1.3所示：
图1.3 截水沟构造图
1.2.3 其他排水设施
道路的排水设施主要包括路基排水和路面排水。
常用的路基地面排水设施，除了已经进行设计的边沟和截水沟外，还包括排水沟、跌水与急流槽。这些排水设备，分别设在路基的不同部位，各自的排水功能、布置要求和构造形式均有所差异。各类地表水沟沟顶应高出设计水位0.2m以上。当地下水影响路基路面的强度或边坡稳定时，应设置暗沟、渗沟和检查井等地下排水设施。
路面表面排水主要是迅速把降落在路面和路肩表面得降水排走，一面造成路面积水而影响行车安全。主要包括中央分隔带排水、路面内部排水和边缘排水系统，以及排水基层的排水系统等。
1.3 路基稳定性验算
由于本设计标准横断面采用一般路堤形式，路堤平均填土高度为2.5m。对于路基的稳定性分析，采用一般路堤的最高值8m。由《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)得路堤边坡坡度为定值。
1.3.1 设计参数
路堤填土高h1=10m，路堤边坡坡率为m=1׃1.5，路堤填料为粘质土，粘聚力C=20KPa，内摩擦角φ=30°（tanφ=0.577）。土的容重取γ=20KN/m3。车辆荷载为公路一级汽车荷载。由《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)，对路堤和地基的整体稳定性采用简化的Bishop法进行分析计算。
1.3.2 稳定性验算
（1） 车辆荷载的换算
在进行路堤稳定性验算时，将车辆荷载按最不利情况排列，并换算成相当的土层厚度。
公路一级汽车荷载换算成土柱高：
由《路基路面工程》有， ； (1-10)
式中：N—并列车辆数，双向四车道N=4；
L— 标准车辆轴载为12.8m；
Q—一辆重车的重力（标准车辆荷载为550KN）；
γ—路基填料的重度为20KN/m3；
B—荷载横向分布宽度，近似取路基宽28m。
数值带入计算可得：h0=0.3069 m，取h0=0.4m，偏于安全计算。
（2） 路堤横断面
用4.5H法滑动面圆心位置的辅助线，取通过路堤坡脚和距路基左边缘1/4
路基跨度处的圆弧。
绘出圆弧滑动面的计算图示，如图1.4所示：
图1.4 4.5H法确定圆心位置图示

其中，辅助线的作图表值参考表1.7：
表1.7 辅助线的作图表值
边坡坡度
边坡角
β1
β2
1׃1.5
30°40´
26°
35°

（3） 稳定系数K值
由《路基路面工程》有， ； (1-11)
式中：Ni—各土条的法向分力，Ni=Qicosαi；
Ti—各土条的切向分力，Ti= Qisinαi；
αi—各土条重心与圆心连接线对竖轴y的夹角；
L—圆弧滑动面全长，L=16.59m
边坡计算高度H=h0+h1=10.4m。
综上可列稳定性计算表如表1.8所示：

表1.8 路堤稳定性计算表
编号
αi
cosαi
sinαi
Ai
Qi
Ni
Ti
1
-6°01´
0.99
-0.10
3.59
71.82
71.42
-7.53
2
5°50´
0.99
0.10
9.62
192.42
191.42
19.56
3
17°34´
0.95
0.30
13.77
275.36
262.2
83.11
4
30°23´
0.86
0.51
15.75
315.04
271.77
159.34
5
45°23´
0.70
0.71
11.70
234.08
164.41
166.62
6
58°48´
0.52
0.86
1.64
32.8
16.99
28.06
总和

56.08
1121.52
978.54
449.16
则，稳定系数 。
由于K>1.45，所以路基稳定性验算结果满足要求。
1.3.3 路基坡面防护
本路基设计主要采用土质边坡坡度为1׃1.5。考虑到山东地区降雨量较大，坡面冲刷比较严重，并结合工程防护，采用骨架防护，并铺草皮相结合的路基坡面防护形式，具体为采用片石铺砌成方格，方格内再铺草皮。
坡面防护如图1.4所示：
图1.4 坡面防护示意图
1.4 路基施工设计
理想的设计必须通过施工来实现,施工实践是检验设计的重要过程。路基施工的主要内容，大致可归纳为施工前的准备工作和基本工作两大部分。土质路基的基本工作，是路堑挖掘成型、土的移运、路堤填筑压实，以及与路基直接有关的各项附属工程。施工的准备工作，内容较多，大致可以归纳为组织准备、技术准备和物质准备三个方面。
1.4.1 施工要点
（1） 基本要求
土质路基的挖填，首先必须搞好施工排水，包括地面临时排水沟槽及设法降低地下水位,以便始终保持施工场地的干燥。路基挖填范围内的地表障碍物，事先应予以拆除。路堑开挖，应在全横断面进行，自上而下一次成型。土质路堤分层填平压实，是确保施工质量的关键。
路堤填方材料，应有一定的强度。经野外取土试验，高速公路应符合表1.9的规定时才能使用。
表1.9 路堤填方材料最小强度和最大粒径表
填料应有部位
（路床顶面以下深度）（m）
填料最小强度（CBR）(%)
填料最大粒径
（cm）
路堤
上路床（0~30）
8.0
10
下路床（30~80）
5.0
10
上路堤（80~150）
4.0
15
下路堤（>150）
3.0
15
零填及路堑路床
（0~30）
8.0
10
（30~80）
5.0
10

（2） 填挖方案
土质路堤填筑，主要采用不同的土水平分层平铺的方式，以保证强度均应。
土质路堑开挖，主要采用纵向全款掘进和横向通道掘进两种方式。
（3） 机械化施工
主要采用机械化施工，人工辅助配合的方式进行路基施工。
1.4.2 路基压实
（1） 机具选择与操作
根据各种填料的不同性质以及不同土层厚度，采用最适宜的压实机械进行施工。路基压实应在最佳含水率条件下进行。
（2） 压实标准
本公路为高速公路，路面为混凝土，对路基强度要求较高，按现行规范规定，路基压实度应满足表1.10的要求。
表1.10 路基压实度
填挖类别
路床顶面以下深度（m）
路基压实度（%）
零填及挖方
0~0.30
---
0~0.80
»96
填方
0~0.80
»96
0.80~1.50
»94
>1.50
»93
2 水泥混凝土路面设计
水泥混凝土路面板为刚性路面，具有较高的力学强度，在车轮荷载作用下变形较小。所以，混凝土板通常工作在弹性阶段。本水泥混凝土路面设计主要依据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40—2002)。在荷载图示方面采用静力作用均布面荷载，在地基模型方面，采用温克勒地基模型。在路面板形态方面，采用半空间弹性地基有限大矩形板理论。
2.1 行车荷载
2.1.1 车辆的类型和轴型
由交通调查和预测得知，本路建成初期每昼夜双向混合交通量组成如下：
解放CA141 4678辆；长征XD980 563辆；东风EQ340 294辆
跃进HJ130 900辆； 黄河JN150 1680辆；黄河JN162 1800辆
北京BJ130 2600辆；太拖拉138 480辆；上海SH361 1600辆
后轴小于20KN的小汽车3000辆，预计年平均交通增长率为9.25%。
根据交通调查结果，查阅相关资料可得2.1表如下：
表2.1 车辆轴重参数参考表
车型序号
车型名称
前轴重（KN）
后轴重（KN）
后轴数
后轴轮数
交通量
01
解放CA141
24.50
68.60
1
2
4678
02
长征XD980
37.10
2×72.65
2
2
563
03
东风EQ340
24.2.
70.40
1
2
294
04
跃进NJ130
20.30
38.30
1
2
900
05
黄河JN150
49.00
101.60
1
2
1680
06
黄河JN162
59.50
115.00
1
2
1800
07
北京BJ130
13.55
27.20
1
2
2600
08
太拖拉138
51.40
2×80.00
2
2
480
09
上海SH361
80.60
2×110.00
2
2
1600
2.1.2 轴载换算
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)得标准轴载的有关计算参数见表2.2：
表2.2 标准轴载计算参数
标 准 轴 载
BZZ—100
轴载P（KN）
100
轮胎接地压强p（MPa）
0.70
单轮传压面当量直径d（cm）
21.30
两轮中心距（cm）
1.5d
水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴轮型和轴载的作用次数，换算为标准轴载的作用次数。
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002) 有
(2-1)
(2-2)
或 (2-3)
或 (2-4)
式中：
Ns—100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；
Pi—单轴-单轮、单轴-双轮组、双轴-双轮组或三轴-双轮组轴型级轴载的总重（KN）；
—轴型和轴载级位数；
—各类轴型级轴载的作用次数；
—轴-轮型系数，单轴-双轮组时，=1；单轴-单轮时，按（2-2）计算；双轴-双轮组时，按（2-3）计算；三轴-双轮组时，按（2-4）计算。
对于标准轴载作用次数的统计，去掉影响较小的轴载小于40KN的交通量。并由式2.1~2.3计算结果列表如下：
表2.3 轴载换算计算表
轴载Pi（KN）
每日通过次数（次/d）

BZZ-100轴次
（次/d）
68.6
4768
1
0.0024
11
70.4
294
1
0.0036
1
49.0
1680
1
0
0
101.6
1680
1
1.2891
2166
59.5
1800
1
0.0002
0
115.0
1800
1
9.3576
16844
51.4
480
1
0
0
80.6
1600
1
0.0317
51
2×72.65
563
3.58×10-6
394.6843
1
2×80
480
3.50×10-6
1844.6744
3
2×110
1600
3.26×10-6
301136.1496
1571

∑=20648
则可知本路建成初期每昼夜双向混合交通量换算成标准轴载的作用次数为20648次/d。
2.1.3 交通分析
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)可得高速公路的设计基准期为30年，具体数值见表2.4：
表2.4 可靠度设计指标
公路技术等级
高速公路
一级公路
二级公路
三、四级公路
安全等级
一级
二级
三级
四级
设计基准期（a）
30
30
20
20
目标可靠度（％）
95
90
85
80
目标可靠指标
1.64
1.28
1.04
0.84
变异水平等级
低
低～中
中
中～高

则设计基准期内路面所承受的标准轴载累计作用次数为Ni，则有：
(2-5)
其中，t =30，n1=20648，γ=9.25% 。
则有 。
由于路面设计依据的交通量是设计车道上的交通量，所以，应对道路交通量乘以方向不均匀系数及车道不均匀系数。
方向不均匀系数取0.5，车道不均匀系数取1.0。
则有设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数Ns为：
Ns=Ni×0.5×1.0=1194883319×0.5×1.0=597441660 。
车道横断面上各点所受的轴载作用次数，仅为通过该车道断面的轴载作用次数的一部分。水泥混凝土路面的临界疲劳荷位为纵缝边缘中部，该处的轮迹横向分布系数，按实际测定结果参照表2.5所示。
表2.5 车辆轮迹横向分布系数
公路等级
纵缝边缘处
高速、一级公路、收费站
0.17~0.22
二级及二级以下公路
行车道宽大于7m
0.34~0.39
行车道宽小于或等于7m
0.54~0.62
本公路为高速公路双向四车道，取η=0.2 。
则，设计基准期内面层临界荷位出得标准轴载累积作用次数Ne。
Ne=Ns·η=597441660×0.2=119488332。 (2-6)
水泥混凝土路面所承受的交通轴载作用，按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为4级，分级范围如表2.6所示。
表2.6 交通分级
交通等级
特重
重
中等
轻
设计车道标准轴载累计作用次数Ne（104）
＞2000
100～2000
3～100
＜3

由表2.6可知，本道路交通属于特重交通。
2.2 路面结构组合设计
组成水泥混凝土路面的结构层包括：垫层、基层和面层等，各结构层的功能和作用各不相同。
2.2.1 垫层设计
本公路路基土质较差、水温状况不良，需要在路基和基层之间设置垫层，以改善路基的湿度和温度状况，保证面层和基层的强度、刚度及温度性。
由于修筑垫层的材料，强度要求不一定要求很高，但水稳性和隔温性能要好，本设计考虑到公路所在地区降雨量较大，地下水位较高，主要采用排水垫层。排水垫层所采用的材料是砂砾，砂砾垫层应采用洁净的中、粗砂及砾石，含泥量不大于5%，并将其中的植物、杂质清除干净，也可以采用天然级配的砂砾料，其最大粒径不大于50mm。应注意防止粗细粒料分离现象。
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)，垫层的宽度应与路基同宽，其最小厚度为150mm。本设计取垫层厚度为180mm。
2.2.2 基层设计
在面层下设置基层的主要目的是防止唧泥、错台和由此引起的面板断裂等损坏的出现。要求刚度与面层匹配，细粒土含量少、耐冲刷能力强和有排水设施。由于本公路为高速公路，对基层的上述要求较高。
（1） 类型
由于本公路交通属于特重交通。由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)可得适宜的基层类型如表2.7所示。
表2.7 适宜各类交通等级的基层类型
交通等级
基层类型
特重交通
贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土基层
重交通
水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层
中等或轻交通
水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料或级配粒料基层

由表2.7 本设计路面基层采用贫混凝土。同时考虑到特种交通的需求，同时加设选用水泥稳定粒料(水泥用量5％)的底基层。
（2） 宽度
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)知。基层的宽度应比混凝土面层每侧至少宽出300mm（采用小型机具施工时）或500mm（轨模式摊铺机施工时）或650mm（滑模式摊铺机施工时）。路肩采用混凝土面层，其厚度与行车道面层相同时，基层宽度宜与路基同宽。级配粒料基层的宽度也宜与路基同宽。本设计采用与路基同宽度的基层。
（3） 厚度
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)。可知各类基层厚度的适宜范围，如表2.8所示。
表2.8 各类基层厚度的适宜范围
基层类型
厚度适宜的范围（mm）
贫混凝土或碾压混凝土基层
120～200
水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层
150～250
沥青混凝土基层
40～60
沥青稳定碎石基层
80～100
级配粒料基层
150～200
多孔隙水泥稳定碎石排水基层
100～140
沥青稳定碎石排水基层
80～100
由于本设计采用贫混凝土基层，且考虑到交通容量特别大，并结合贫混凝土的材料性能，决定采用160mm的贫混凝土基层。贫混凝土底基层的厚度综合考虑采用180mm
2.2.3 面层设计
水泥混凝土面层应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。
面层采用设接缝的普通混凝土。具体设计参数见下节，水泥混凝土路面设计。

2.2.4 路肩设计
路肩的作用是为路面提供侧向支承，并承受一定的荷载。
本设计路肩铺面采用水泥混凝土面层。高速公路硬路肩水泥混凝土面层的厚度采用与行车道面层等厚，基层与行车道基层相同。
2.2.5 路面排水设计
（1）高速公路因平纵横三方面均要求较高，所以路基填挖较大。一般需设置拦水带，防止雨水集中冲刷填方坡面，造成坡面拉沟，甚至冲毁路基。拦水带采用形式如图2.1所示。

图2.1 拦水带示意图
（2）中央分隔带排水的作用主要是排除中央分隔带范围内的表面渗入水，本设计采用凸形表面有铺面封闭的中央分隔带，如图2.2所示。

图2.2 中央分隔带排水
（3）行车道路面应设置双向或单向横坡，坡度为2％。路肩铺面的横向坡度值比行车道路面的横坡值大1％，为3％。
（4）行车道路面结构设置了排水垫层，在排水垫层外侧边缘设置纵向集水沟，并间隔50~100m设置横向排水管。排水垫层的纵向边缘集水沟设在路床边缘。集水沟的纵坡与路线纵坡相同。
（5）集水沟的宽度通常采用300mm。集水沟的深度为保证集水管管顶低于排水层底面，并有足够厚度和回填料使集水管不被施工机械压裂。采用200mm。
2.3 路面结构层设计
2.3.1. 初拟路面结构
由表2.4知，相应于安全等级一级的变异水平等级为低级。根据高速公路特重交通等级和低变异水平等级，查表2.9初拟普通混凝土面层厚度为0.28m，贫混凝土基层0.16m，底基层选用水泥稳定粒料(水泥用量5％)，厚0.18m，垫层为0.18m天然沙砾。水泥混凝土上面层板的平面尺寸长为4.0m、宽从中央分隔带至路肩依次为3.75m、3.75m、3.25m；纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。贫混凝土不设纵缝，横缝设假缝，间距(板长)4m。
表2.9 水泥混凝土面层厚度参考范围
交通等级
特重
重
公路等级
高速
一级
二级
高速
一级
二级
变异水平等级
低
中
低
中
低
中
低
中
面层厚度（mm）
≥260
≥250
≥240
270～240
260～230
250～220
2.3.2. 路面材料参数的确定
（1）面层
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)可得普通混凝土面层弯拉强度标准值如表2.9所示。
表2.9 水泥混凝土设计弯拉强度标准值
交通等级
特重
重
中等
轻
水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa）
5.0
5.0
4.5
4.0
钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）
6.0
6.0
5.5
5.0
同时可得相应的弯拉弹性模量如表2.10所示。
表2.10 水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值
弯拉强度（MPa）
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
抗压强度（MPa）
5.0
7.7
11.0
14.9
19.3
24.2
29.7
35.8
41.8
48.4
弯拉弹性模量（GPa）
10
15
18
21
23
25
27
29
31
33
综上分析，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。
（2）基层
参考有关资料，贫混凝土弯拉强度标准值为4.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为27GPa。又由表2.11得水泥稳定粒料基层回弹模量取1300MPa。
表2.11 垫层和基层材料回弹模量经验参考值
材料类型
回弹模量（MPa）
天然沙砾
150~200
水泥稳定粒料
1300~1700
（3）垫层
同样由表2.11得天然砂砾垫层的回弹模量取200MPa。
（4）路基
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)建议路基土回弹模量取值如表2.12所示。
表2.12 中湿路基路床顶面回弹模量（MPa）
土组
公路自然区划
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
土质砂
26~42
40~50
39~50
35~60
50~60
粘质土
25~45
30~40
25~45
30~45
30~45
粉质土
22~46
32~54
30~50
27~43
30~45
由《公路自然区划标准》可知：山东大部分位于Ⅱ5 鲁豫平原轻冻区，属于东部温润季冻区。路基土质为粉质土。路基土回弹模量取40MPa。

2.3.3. 基层顶面回弹模量
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)得基层顶面回弹模量的计算公式如下：
(2-7)
(2-8)
(2-9)
(2-10)
(2-11)
(2-12)
将数据代入上式，可解得：

由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)，有基层顶面的当量回弹模量Et的最低要求见表2.13所示。
表2.13 基层顶面回弹模量Et最低要求
交通量等级
特重
重
中等
轻
回弹模量Et（MPa）
120
100
80
80
由于所以算的Et=168MPa，大于120MPa，所以满足要求。
2.3.4. 荷载疲劳应力
由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)，采用水泥稳定砂或贫混凝土做基层时，宜将基层与混凝土面层视作分离式双层板进行应力分析。
复合式混凝土面层的截面总刚度。
(2-13)
式中，—层间结合系数。分离式，取=0 。
则有，
复合式混凝土面层的相对刚度半径。
(2-14)
则有，
标准轴载在普通混凝土面层临界荷位处产生的荷载应力计算为，。
(2-15)
则有，

(2-16)
则有，

由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)，标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算：
(2-17)
其中：
普通混凝土面层，因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数=0.87；贫混凝土基层不设纵缝，不考虑接缝传荷能力的应力折减系数。
设计基准期内的荷载疲劳应力系数。
(2-18)
式中：
kf—设计基准期内的荷载疲劳应力系数；
Ne—设计基准期内标准轴载累计作用次数；
—与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057，普通混凝土水泥稳定砂和贫混凝土，=0.065；
对普通混凝土面层， 。
对于贫混凝土基层， 。
考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查 表2.14可得。
表2.14 综合系数
公路等级
高速公路
一级公路
二级公路
三、四级公路

1.30
1.25
1.20
1.10