路面课程设计指导书2015

《路面工程》课程设计指导书

张家平 编

土木与建筑工程学院 二○一五年四月

《路面工程》课程设计指导书

一、新建公路水泥混凝土路面设计 ㈠设计标准的选取

各级公路水泥砼路面结构的设计安全等级及相应的设计基准期、目标可靠度和目标可靠度指标，以及路面的材料性能和结构尺寸参数的变异水平等级应符合表1的规定。

表1 可靠度设计标准

公路等级 安全等级 设计基准期(a) 目标可靠度(％) 目标可靠指标 变异水平等级 95 1.64 低 高速公路 一级公路 二级公路 二级 20 90 1.28 85 1.04 低～中 15 80 0.84 中～高 三级公路 三级 10 70 0.52 四级公路 一级 30

㈡交通量调查与分析

⒈设计车道使用初期的年平均日货车交通量

根据给定的该公路使用初年年平均日交通量（双向）和车辆组成数据，剔除2轴4轮以下的客、货车交通量，得到初期年平均日货车交通量（双向），再乘以方向分配系数（一般可取0.5～0.6）和车道分配系数（见表2），即为设计车道的年平均日货车交通量（ADTT）。

ADTT =（1600＋学号×120）λ1λ2

式中：λ1——方向分配系数；

λ2——车道分配系数。

上式ADTT计算中，注意尚含有2轴4轮以下的客、货车交通量（本设计即小汽车），建议在轴载换算中予以剔除即可。

表2 2轴6轮及以上车辆及交通量的车道分配系数

单向车道数 车道分配系数 高速公路 其他等级公路 1 — 1.00 2 0.70～0.85 0.50～0.75 3 0.45～0.60 0.50～0.75 ≥4 0.40～0.50 —

⒉轴载换算

换算为设计轴载，即设计车道使用初期的标准轴载日作用次数NS计算如下：

?PiNS??Ni??Pi?1?Sn??? ?16式中：NS——设计轴载的作用次数；

Pi——第i级轴载重(kN)，联轴按每一根轴载单独计； PS——设计轴载重(kN)；

n ——各种轴型的轴载级位数； Ni—— i级轴载的作用次数。

⒊设计基准期内水泥砼面层临界荷位处所承受的设计轴载累计作用次数Ne

365Ns?1?gr??1Ne???

grt?? 1

式中：Ne——设计基准期内设计车道所承受的设计轴载累计次数（轴次/车道）；

NS——设计车道使用初年设计轴载日作用次数； t ——设计基准期（年）；

gr ——基准期内交通量的年平均增长率（以分数计）； η——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，见表3。

表3 车辆轮迹横向分布系数 公路等级 高速公路、一级公路、收费站 二级及二级以下公路 行车道宽＞7m 行车道宽≤7m 纵缝边缘处 0.17～0.22 0.34～0.39 0.54～0.62 注:车道、行车道较宽或者交通量较大时，取高值;反之，取低值。

设计轴载计算建议列表4进行计算。

表4 轴载换算及累计轴载

车 型 黄河JN150 解放CA10B 东风EQ140 太脱拉138 ∑ 双向日交通量(量/d) 前轴重(KN) 后轴重(KN) 后轴数 后轴轮组数 设计轴载数 备 注

⒋交通荷载分级

表5 交通荷载等级

交通荷载等级 设计基准期内设计车道承受设计轴载(100KN)累计作用次数Ne(10) 4极重 特重 重 中等 轻 ＜3 ＞1×106 1×106～2000 2000～100 100～3

㈢路基干湿类型划分及土基回弹模量确定 ⒈原规范：

新建公路路基干湿类型按临界高度法确定，改建公路路基干湿类型按分界稠度法确定。 按路基土组及路基干湿类型将全线划分为若干段，使每段路基土及干湿类型大致相同。

再按平均稠度查表得到推荐的土基回弹模量值作为该路段土基回弹模量设计值（见教材P395的表14-11）。

⒉新规范：

路基干湿类型，根据受地下水或地表长期积水影响的临界水位深度，按路基工作区的湿度来源分为如下三类：

潮湿类——受地下水控制； 干燥类——受气候因素控制； 中湿类——兼受两方面影响。

路基湿度临界水位深度（地下水毛细上升的高度），由当地经验根据土质确定。缺乏经验资料时，粘土可采用6m，砂质粘土和粉土可采用3m，砂可采用0.9m。

路基设计状态要求为干燥或中湿状态。处于潮湿状态的路基应进行处理，可采取换填砂、砂砾、碎石等透水性材料，或采取掺入消石灰等材料，或设置土工合成材料和加强路基排水等综合处治。

2

新建公路路基回弹模量设计值E0可由下式确定：

E0?Ks?K??MR E0?[E0]式中：E0——路基回弹模量设计值（MPa）；

［E0］——路面结构设计路基回弹模量要求值（MPa），应符合上表的规定； MR——标准状态（最佳含水率、规定压实度）下路基回弹模量值（MPa），可参照公路路基设计规范附录B，按土组类别或粒料类型由表B.1、B.2查取回弹模量参考值；

KS——路基回弹模量湿度调整系数，为平衡湿度（含水率）状态下的回弹模量与标准状态下的回弹

模量之比，可按公路路基设计规范附录D，根据路基土组和路床顶距地下水位的距离查表D.0.1、D.0.2和D.0.3获得；

Kη——干湿循环或冻融循环条件下路基土模量折减系数，通过试验确定。初步设计时，非冰冻地区可根据土质类型、失水率确定，季节性冰冻区可根据冻结温度、含水率确定，折减系数可取0.7～0.9。

㈣拟定路面结构组合方案及确定材料设计参数

根据交通荷载等级、施工条件以及当地材料供应等情况，合理拟定路面结构组合设计方案。各结构层具体要求如下：

⒈面层

水泥混凝土面层初拟厚度可按表6给定的参考范围选定。

表6 水泥混凝土面层厚度的参考范围

交通荷载等级 公路等级 变异水平等级 面层厚度(mm) 交通荷载等级 公路等级 变异水平等级 面层厚度(mm) 高 250~220 二级 中 240～210 高 极重 — 低 高速 低 中 特重 一级 低 二级 中 280~240 高速 低 中 270~230 重 一级 低 二级 中 ≥320 320~280 300~260 中等 260～220 轻 三、四级 中 230~200 高 三、四级 中 210~180 220~190

⒉基层和底基层

基层和底基层的材料可依据交通荷载等级、结构层组合要求和材料供应条件，参照表7选用。

表7 各交通荷载等级的基层、底基层材料类型

交通荷载等级 极重、特重 基层材料类型 贫混凝土、碾压混凝土 沥青混凝土 密级配沥青稳定碎石 水泥稳定碎石 级配碎石 水泥稳定碎石，石灰、粉煤灰稳定碎石 中等、轻 极重、特重、重 交通荷载等级 底基层材料类型 级配碎石，水泥稳定碎石，石灰、粉煤灰稳定碎石 重 未筛分碎石、级配砾石，或不设 中等、轻

承受极重、特重或重交通荷载的路面，基层下应设置底基层；承受中等或轻交通荷载时，可不设底基层。当基层采用无机结合料稳定类材料，且上路床由细粒士组成时，应在基层下设置粒料类底基层。

硬路肩采用混凝土面层时基层的结构与厚度应与行车道相同。基层的宽度应比混凝土面层每侧宽出300mm(小型机具施工时)或650mm(滑模式摊铺机施工时) 。

各类基层、底基层的适宜厚度见表8。

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表8 各类基层、底基层的适宜施工厚度 类型 贫混凝土或碾压混凝土 无机结合料稳定粒料 沥青混凝土 沥青稳定碎石 多孔隙水泥稳定碎石 级配碎石、未筛分碎石、级配砾石或碎砾石 适宜厚度(mm) 120～200 150～200 25～75 50～100 100～150 100～200

⒊垫层

遇有以下情况时，应在基层或底基层下设置垫层：

⑴季节性冰冻地区，路面结构厚度小于最小防冻厚度要求时，应设置防冻垫层，使路面结构厚度符合要求。

⑵水文地质条件不良的土质路堑，路床土湿度较大时，宜设置排水垫层。

垫层应与路基同宽，厚度不得小于150mm。防冻垫层和排水垫层宜采用碎石、砂砾等颗粒材料。 ⒋路基

路床顶面的综合回弹模量值，轻交通荷载等级时不得低于40MPa，中等或重交通荷载等级时不得低于60Mpa，特重或极重交通荷载等级时不得低于80MPa。

㈤水泥混凝土路面板块划分及接缝设计

纵向接缝的间距(即板宽)宜在3.0～4.5m范围内选用。 横向接缝的间距(即板长)应按面层类型和厚度选定：

⑴普通水泥混凝土面层宜为4～6m，面层板的长宽比不宜超过1.35，平面面积不宜大于25m2。 ⑵碾压混凝土或钢纤维混凝土面层宜为6～10m。

⑶钢筋混凝土面层宜为6～15m ，面层板的长宽比不宜超过2.5，平面面积不宜大于45m2。

横向缩缝、胀缝、施工缝，以及纵向施工缝、缩缝的具体设计和要求详见现行《水泥混凝土路面设计规范》。

㈥水泥混凝土路面板厚验算 ⒈力学计算模型

⑴弹性地基单层板模型一一适用于粒料基层上混凝土面层，旧沥青路面加铺混凝土面层，面层板底面以下部分按弹性地基处理。

⑵弹性地基双层板模型一一适用于无机结合料类基层或沥青类基层上混凝土面层，旧混凝士路面上加铺分离式混凝士面层；面层和基层或者新旧面层作为双层板，基层底面以下或者旧面层底面以下部分按弹性地基处理。

⑶复合板模型一一适用于两层不同性能材料组成的面层或基层复合板。旧混凝土路面上加铺结合式混凝土面层，两层不同性能材料组成的层间教结的面层，作为弹性地基上的单层板或者弹性地基上双层板的上层板；无机结合料类基层或沥青类基层与无机结合料类底基层组成的基层，作为弹性地基上双层板的下层板。

⒉板厚验算标准

⑴混凝土面层板应力验算

水泥混凝士路面结构设计应以面层板在设计基准期内，在行车荷载和温度梯度综合作用下，不产生疲劳断裂作为设计标准；并以最重轴载和最大温度梯度综合作用下，不产生极限断裂作为验算标准。其极限状态设计表达式采用：

?r(?pr??tr)?fr

?r(?p,max??t,max)?fr4

式中：γr——可靠度系数，据所选目标可靠度及变异水平等级按表9确定；

σpr——行车荷载疲劳应力，MPa； σtr——温度梯度疲劳应力，M Pa；

σpmax——最重的轴载在临界荷位处产生的最大荷载应力(MPa) ，计算方法见规范附录B；

σtmax——所在地区最大温度梯度在临界荷位处产生的最大温度翘曲应力(MPa)，计算方法见规范附录B； fr——水泥混凝土弯拉强度标准值(MPa)，按表10确定。 ⑵贫混凝土或碾压混凝土基层或者双层板的下面层板应力验算

贫混凝土或碾压混凝土基层应以设计基准期内行车荷载不产生疲劳断裂作为设计标准。其极限状态设计表达式为：

?r?bpr?fbr

式中：σbpr——基层内产生的行车荷载疲劳应力(MPa)，计算方法见规范附录B；

fbr——基层材料的弯拉强度标准值(MPa)。

表9 可靠度系数

变异水平等级 低 中 高 目标可靠度（%） 95 1.20~1.33 1.33~1.50 — 90 1.09~1.16 1.16~1.23 1.23~1.33 85 1.04~1.08 1.08~1.13 1.13~1.18 80～70 — 1.04~1.07 1.07~1.11 注：变异系数接近教材P479表16-21下限时，可靠度系数取低值；接近上限时，取高值。

表10 水泥混凝土弯拉强度标准值

交通荷载等级 水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa） 钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa） 极重、特重、重 ≥5.0 ≥6.0 中等 4.5 5.5 轻 4.0 5.0 若不能满足上式要求，则需调整砼板厚（按1cm整倍数改变），或改变基层、垫层的结构材料、厚度

及设计参数，或改变板的平面尺寸，重新计算，直至满足要求为止。

计算厚度加6mm磨损厚度后，应按l0mm向上取整，作为混凝土面层的设计厚度。 ㈦路面结构防冻厚度验算

在季节性冰冻地区，路面结构层的总厚度不应小于表11规定的最小防冻厚度。 ㈧绘制路面结构设计图（见附录样图）

表11 水泥混凝土路面结构最小防冻厚度(m)

路基干湿类型 路基土质 易冻胀土 很易冻胀土 易冻胀土 很易冻胀土 当地最大冰冻深度(m) 0.50～1.00 0.30～0.50 0.40～0.60 0.40～0.60 0.45～0.70 1.00～1.50 1.50～2.00 ＞2.00 中湿路基 0.40～0.60 0.50～0.70 0.60～0.95 0.50～0.70 0.60～0.85 0.70～1.10 0.50～0.70 0.60～0.90 0.75～1.20 0.55～0.80 0.70～1.00 0.80～1.30 潮湿路基 注：1.易冻胀土——细粒土质砾(GM 、GC)、除极细粉土质砂外的细粒土质砂(SM、SC)、塑性

指数小于12 的黏质土(CL、CH)。

2.很易冻胀土——粉质土( ML，MH) 、极细粉土质砂(SM)、塑性指数在12～22 之间的黏 质土(CL)。

3.冻深小或填方路段，或基、垫层采用隔温性能良好的材料，可采用低值；冻深大或挖方及 地下水位高的路段，或基、垫层采用隔温性能稍差的材料，应采用高值。

5

4.冻深小于0.50m 的地区，可不考虑结构层防冻厚度。

二、新建公路沥青路面设计 现规范：

新建公路沥青路面设计与水泥混凝土路面的设计步骤类似，区别主要是在设计指标和计算理论与方法上的不同，具体设计程序步骤如下：

㈠交通分析 ⒈轴载换算

⑴当以弯沉值和沥青层层底拉应力为设计指标时，按下式完成轴载当量换算：

?Pi? N ? ? C ? Cn12i??P?i?1k4.35 ⑵当以半刚性材料层的层底拉应力为设计指标时，按下式完成轴载当量换算：

?P? ? ?C1?C2?ni?i?N?P?ik8⑶对于贫混凝土基层以拉应力为设计指标时，按下式完成轴载当量换算：

⒉标准轴载的累计作用次数

?P?N??C1?C2ni?i??P?i?1tk12Ne??1????1??365N???1式中：Ne——设计年限内一个车道的累计标准轴载作用次数（次/车道）； N1——营运第一年双向日平均标准轴载当量轴次（次/日）； ?——设计年限内交通量年平均增长率； ?——车道系数，见规范或教材； t——设计年限，可按表12选用。

表12 各级公路沥青路面的设计年限

公路等级 高速、一级公路 二级公路 设计年限(年) 15 12 公路等级 三级公路 四级公路 设计年限(年) 8 6 ⒊沥青路面交通等级的确定（见表13）

表13 沥青路面交通等级

交通等级 轻交通 中等交通 重交通 特重交通 BZZ-100累计标准轴次Ne (万次/车道) ＜300 300～1200 1200～2500 ＞2500 中型以上货车及大客车 ［辆/(日·车道)］ ＜600 600～1500 1500～3000 ＞3000 ㈡路基干湿类型划分及土基回弹模量确定（同新建水泥混凝土路面）

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㈢拟定路面结构组合方案及确定各层材料设计参数

根据使用要求、气候特点、交通条件、材料供应、结构层的功能等情况，合理拟定沥青路面结构组合与厚度方案。沥青面层可采用二层或三层结构，基层、底基层可采用半刚性或柔性材料结构。

㈣设计弯沉值和容许拉应力计算 ⒈设计弯沉值计算

ld?600Ne?0.2AcAsAb (0.01mm)

式中：Ne－－设计年限内一个车道的累计标准轴载当量轴次；

Ac――公路等级系数； As――面层类型系数； Ab――基层类型系数。

⒉容许拉应力计算

式中：

?R?? spKS?sp——沥青混凝土或半刚性材料的极限抗拉强度(MPa)；

KS——抗拉强度结构系数，按下式计算：

0.2KS?0.09N/Ac(对沥青混凝土面层) e

0.11K?0.35N/Ac（对无机结合料稳定集料） Se

KS?0.45Ne0.11/Ac (对无机结合料稳定细粒土)

㈤计算或验算路面结构层厚度

按双圆垂直均布荷载作用下的弹性层状体系理论，由条件：

lS?ld和?m??R

计算或验算路面结构层厚度。

式中：lS——路表计算弯沉值（0.01mm），按下式计算：

lE2p?实测弯沉lS?1000?CF；F??1.63(S)0.38(0)0.36

E0理论论弯2000?pp、δ——标准轴载的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径（cm）；

?C——理论弯沉系数，?C?f(hEh1h2EE,,???n?1;2,3,???0)； ???E1E2En?1 7

E0、E1、E2、?En?1—— 土基及各层材料回弹模量(MPa)；

。 h1、h2、?hn?1—— 各结构层厚度（cm）

，按下式计算： ?m——计算层底最大拉应力（MPa）

?m?p?m

m ? , 2 ,? ? ? n? 1 ; 2 , 3 ,? ? 。 ?m——理论最大拉应力系数，?f ( 1? 0 )hhh???沥青路面结构设计按设计弯沉值和容许拉应力两项指标控制计算结构层厚度，取其中较厚的作为最终

设计结果，即为同时满足弯沉与拉应力两项设计指标的要求。

上述计算过程比较复杂，可由给定的计算机程序软件hpds2011完成。 ㈦路面结构防冻厚度验算

根据《公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)》表5.2.4“最小防冻厚度”进行验算，若不满足要求，则可增设或增厚垫层来补足防冻厚度。

㈧绘制沥青路面结构设计图（见附录样图） 新规范（即将颁布）：

1、初始年设计车道日平均当量轴次N1

EEE1E2EEn?1?PiN1??c1c2ni??P?s式中：N1——标准轴载的当量轴次；

??? （5.1） ?b； ni——被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）

Ps——标准轴载；

Pi——换算车型的各级轴载；

b——换算指数。分析沥青层疲劳和沥青层永久变形时，b?4；分析路基永久变形时，b?5；

分析无机结合料层的疲劳寿命时，b?13；

C1——被换算轴型的轴数系数，前后轴间距大于3m时，分别按单个轴计算；轴间距小于3m

时，应按《规范》表A3.6-1取值；

C2——被换算轴—轮型轮组系数，双轮组为1.0，单轮时取4.5；

2、交通荷载等级的确定

表14 交通荷载分级

交通荷载等级 设计车道累计货车交通量极重 ≥20 特重 20～9 重 9～5 中等 5～1.5 轻 ＜1.5 (?106)

3、不同结构组合路面的设计指标

表15 不同结构组合路面的设计指标

基层类型 沥青结合料类 粒料类

底基层类型 粒料类 无机结合料类 粒料类 8

设计指标 沥青层永久变形、路基永久变形、沥青层疲劳 沥青层永久变形、无机结合料类层疲劳 沥青层永久变形、路基永久变形、沥青层疲劳 无机结合料类 无机结合料类 粒料类或无机结合料类 沥青层永久变形、沥青层疲劳、无机结合料类层疲劳 沥青层永久变形、无机结合料类层疲劳 沥青层永久变形 水泥混凝土、贫混凝土 注：除表中所列指标外，对于季节冰冻地区的高速公路和一级公路，应增加路面低温开裂的分析。

4、沥青路面结构设计指标验算

⑴沥青层疲劳开裂：沥青层疲劳寿命Nf1不小于按照沥青层疲劳等效换算得到的设计车道累计当量轴载作用次数Ne1。

?1?1?Nf1?6.32?10?15.6?0.37??kT?1????3.97?1??E?a????1.580.43?0.85?0.024ha?5.41???VFA?e2.72?1?0.3Ea??VFA???0.024ha?5.41???1?e??3.33

式中：Nf1——沥青层疲劳寿命（次）；

； ha——沥青层厚度（mm）

?——可靠度指标，取值1.04；

kT1——温度调整系数，按《规范》附录C确定；

，通过软件BISAR3.0计算得到； ?——沥青层层底拉应变（10?6）

； Ea——沥青混合料20℃时的回弹模量（MPa）

VFA——沥青混合料的沥青饱和度（%）。范围70%～85%。

⑵无机结合料层疲劳开裂：无机结合料层疲劳寿命Nf2不小于按照无机结合料层疲劳等效换算得到

的设计车道累计当量轴载作用次数Ne2。

?ke?tlgNf2?a?b??kR?ss式中：Nf2——无机结合料层的疲劳寿命（次）；

?t——无机结合料层的层底拉应力（MPa）；

??ka???k??lgD?k??T2???? ? Rs——无机结合料稳定材料的弯拉强度（MPa），水泥稳定类、水泥粉煤灰稳定类材料的龄期为90d，石灰稳定类、石灰粉煤灰稳定类材料的龄期为180d；

?——可靠度指标，根据公路等级，按规范表3.1取值；

ke——考虑收缩裂缝影响的应力增大系数，根据无机结合料稳定材料无侧限抗压强度和厚度确定；查规范表E.1.3-1确定；

ks——弯拉强度设计值现场综合调整系数，按无机结合料层总厚度和沥青层厚度确定；查规范表E.1.3-2确定；

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附件1: 封皮

《路面工程》课程设计

题 目： 公路路面结构设计 学生姓名： XXX 学 号： XX 院系名称： 土木与建筑工程学院

专业班级： 土木工程（道桥）12-X

指导教师： 张家平/于静波 职 称： 教授/讲师

二○一五年五月四日

附件2: 目录 目 录

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第1章 新建沥青路面（或水泥路面）设计??????????????????1

1.1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX????????????????????????1

1.1.1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX?????????????????????1 1.1.2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX?????????????????????1 1.2 XXXXXXXXXXXX??????????????????????????????2 1.3 XXXXXXXXXXXXXXXXXX???????????????????????????3 1.4 XXXXXXXXXX??????????????????????????????4

第2章 旧路改建路面加铺层设计 ??????????????????????5

2.1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX????????????????????????5 2.1.1 XXXXXXXXXXXXXXXXX????????????????????????5

2.1.2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX?????????????????????8 2.2 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX?????????????????????????15

2.2.1 XXXXXXXXX????????????????????????????15 2.2.2 XXXXXX?????????????????????????????20 2.3 XXXXXXXXXXXXXX???????????????????????????25 2.3.1 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX????????????????????25 2.3.2 XXXXXX?????????????????????????????27

第3章 路面结构设计图 ??????????????????????????30

3.1 各路段路面结构设计图?????????????????????????30 3.2 水泥混凝土路面板平面布置图??????????????????????32 3.3 水泥混凝土路面接缝构造图???????????????????????33 3.4 水泥混凝土路面角隅、边缘补强钢筋构造图????????????????34

设计总结??????????????????????????????????35 参考文献 ????????????????????????????????? 35 附录????????????????????????????????????36

附件3: 正文示例

第1章 新建沥青路面（或水泥路面）设计

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1.1 标题

1.1.1 标题

1.1.2 标题 ...... 1.2 标题

1.3 标题

1.4 标题

第2章2.1 标题

2.1.1 标题 2.1.2 标题

2.2 标题

附件4: 参考文献 ......

......

......

......

...... ...... ......

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旧路改建路面加铺层设计

参考文献

［1］沙爱民.路基路面工程[M].北京：高等教育出版社,2011. ［2］邓学均.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社,2008.

［3］姚祖康.公路设计手册.路面(第三版)[M].北京：人民交通出版社,2006.

［4］中华人民共和国行业标准.公路工程技术标准（JTG B01—2014）[S].北京:人民交通出版社,2002.

［5］中华人民共和国行业标准.公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40-2011) [S].北京:人民交通出版社,2011.

［6］中华人民共和国行业标准.公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006)[S].北京:人民交通出版社,2006.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1rog.html