水泥混凝土路面设计第一组

水泥混凝土路面设计

1 交通量计算：

根据我国的《公路自然区划标准》（JTJ013-86），该路段K0+000—K30+000所经地区属于我国公路自然区划V4区，为中原干湿交替区。现拟新建一条一级公路，双向四车道，设计基准期为12年，交通量年平均增长率为4.67%，车道系数0.20，路基土为粘性土。

计算设计日通过的标准轴载作用次数

车 型 小客车 车 轴 前轴 后轴 大客车CA50 小货车BJ130 中货车EQ140 大货车JN163 拖挂车 五十铃 拖拉机 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 前轴 后轴 轴轮型 1-1 1-2 1-1 1-2 1-1 1-2 1-1 1-2 1-1 1-2 1-1 2-3 1-1 1-2 Pi(KN) 轴载系数 ?i 交通量 ?iNi(Ni(次/日) Pi100)16 13 25.6 28.7 68.2 21.3 61.4 23.7 69.2 58.6 114 60 100 20 8 736.813 1 524.16 1 595.868 1 569.13 1 416.456 1 381.723 8.13×10-9 612.224 1 合 计 1181 1181 161 161 1047 1047 801 801 922 922 275 275 551 551 5.79×10-9 4.02×10 1.79×10-4 0.353 1.12×10-5 0.472 4.52×10-5 2.215 74.244 7502.54 29.64 2.236×10-6 2.211×10 1.551×10-15 7609.419 -6-7

注：1-1表示单轴单轮组，1-2表示单轴双轮组，2-2表示双轴双轮组，2-3表示双轴三轮组

小于40KN的单轴和小于80KN的双轴略去不计；方向分配系数采用0.5，因为是双向4车道，即单向2车道，所以车道分配系数取0.9（0.8-1.0）。故有：设计车道的年平均日货车交通量（ADTT）

Ns=7609.419×0.5×0.9=3424.239

2 交通参数分析

2.1 累计标准轴次计算： 使用年限内的累计标准轴次为

Ne?Ns[(1?gr)?1]?365gr12t??0.2?3424.239[(1?0.0467)0.04676?1]?365?3.903?10(次）

交通等级划分： 2.2

由规范交通分级知，累计作用次数在106-2×107之间，所以交通等级为重交通；水泥混凝土路面设计使用年限12年，车轮轮迹横向分布系数η=0.20。(由《水泥混凝土路面设计规范》中表A.2.2，对一级公路，η为0.17—0.22)。

3 路面结构方案设计

现在按设计要求，由表3.0.1得，相应于安全等级二级的变异水平等级为低-中级。根据一级公路重交通等级和低级变异水平等级，查表4.4.6，面层厚度h取0.22-0.25m之间。根据路基干湿类型，设计多种方案，并进行方案比选如下：

路基为中湿状态时：

方案一：参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002) 1、初拟路面结构：

初拟普通混凝土面层，厚度为h?0.25m；

基层选用水泥稳定粒料基层，厚h1?0.24m；垫层选用级配碎砾石，厚

h2?0.2m。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m，长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）混凝土路面设计弯拉强度与弯拉弹性模量： 本设计为普通混凝土路面为重型交通，查规范得：弯拉强度的标准值

fr?5.0Mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为Ec?31Gpa。

（2）土基的回弹模量：

路基属于中湿状态，土质为粘质土，根据规范附录F 材料参考值表F1，可选用路基土基的回弹模量值：E0?45Mpa

（3）基层和半刚性垫层的回弹模量：

基层选用水泥稳定粒料，回弹模量取：E1?1500Mpa(1300-1700)

垫层选用级配碎砾石，回弹模量取：E2?230Mpa(200-250) （4）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—2002)中，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：

Ex?h1E1?h22222E2h1?h23?1500?0.24?230?0.20.24?0.2(h1?h2)4322222?979.508(Mpa)

Dx?E1h112?E2h21233?(1E1h1?1E2h22)?1

11230?0.2

?1500?0.2412?230?0.212?(0.24?0.2)4?(1500?0.24?)?1

?3.855(MN?m)hx?312DxEx?ExE0)312?3.855979.580?0.362(m)

]?6.22?[1?1.5(979.50845)?0.45a?6.22[1?1.5(?0.45]?3.871

b?1?1.44(ExE0ExE0)?0.55?1?1.44(979.50845)?0.55?0.735

Et?ahxE0(b)13?3.871?0.3620.735?45?(979.50845)13?230.472(Mpa)

普通混凝土面层的相对刚度半径按（B.1.3-2）计算为：

r?0.537h3EcEt?0.573?0.25?331000230.472?0.688(m)

3、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

?ps?0.077r0.60h?2?0.077?0.6880.60?0.25?2?0.984(Mpa)

因纵缝为设拉杆平缝，对于水泥稳定粒料基层，接缝传荷能力的应力折减系数取kr?0.90。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

kf?Ne?3.903?10??60.057??2.375。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kc?1.25。

按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为

?pr?krkfkc?ps?0.90?2.375?1.25?0.984?2.629(MPa)

4、温度疲劳应力分析：

查表3.0 .8，因为该路段位于我国自然区划V4区，所以在83-88之间取低值87，可选取最大温度梯度Tg=87（℃/m）。

取板长l?5m，l/r?5/0.688?7.267

由图B.2.2可查普通混凝土板厚h?0.25m，Bx?0.62。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：

?tm??cEchTg2Bx?1?10?5?31000?0.25?872?0.62?2.09(MPa)，?c混凝土线

膨胀系数。

温度疲劳应力系数kt按式（B.2.3）计算为

kt?fr???tm?a??f???rc1.287???5.0??2.09???b??0.871??0.071?????0.51， ?2.09??5.0????????tm其中a,b,c为回归系数：本项目在云南，为V4区，分别取a=0.871，b=0.071，c=1.287。

再由式（B2.1）计算温度疲劳应力为

?tr?kt?tm?0.51?2.09?1.066(MPa)

由表3.0.1，一级公路的安全等级为二级，相应于二级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为90%。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?r?1.09?1.16，取为1.12

按式（3.0.3）

?r(?pr??tr)?1.12?(2.629?1.066)?4.14MPa?fr?5.0MPa

综上所述，所选的普通混凝土面层厚度h?0.26m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。

方案二：参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002) 1、初拟路面结构：

初拟普通混凝土面层，厚度为h?0.25m；

考虑到本路线为川、滇、黔高原干湿交替区，交通等级为重交通，因此设置多孔隙的水泥稳定碎石基层(水泥剂量9.5％～11％，孔隙率20%)，厚度

h1?0.12m(0.10-0.14)；从而在基层下设置水泥稳定碎石组成的底基层，厚度

；垫层采用级配碎砾石，厚度h3?0.2m。普h2?0.20m（据规范：一般取0.2m）

通混凝土板的平面尺寸宽3.75m，长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）混凝土路面设计弯拉强度与弯拉弹性模量： 本设计为普通混凝土路面为重型交通，查规范得：弯拉强度的标准值

fr?5.0Mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为Ec?31Mpa。

（2）土基的回弹模量：

路基属于中湿状态，土质为粘质土，根据规范附录F 材料参考值表F1，可选用路基土基的回弹模量值：E0?30.0MPa

（3）基层和半刚性垫层的回弹模量：

基层选多孔隙开级配水泥稳定碎石，回弹模量取：E1?1400Mpa（1300-1700）

底基层选用水泥稳定碎石，回弹模量取：E2?1400Mpa（1300-1700）

垫层采用级配碎砾石，回弹模量取：E3?230Mpa（200-250） （4）基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量：

据土基状态拟定基层、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—2002)，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：

Ex?h1E1?h2E2?h3E3h1?h2?h3222222?1400?0.12?1400?0.20?230?0.20.12?0.20?0.20222222?904.237(MPa)

Dx?E1h1123?E2h21233?E3h3123?3(h1?h2?h3)4?230?0.212?132(1E1h1?1E2h2?1E3h3?1)

??1400?0.12124?1400?0.20122(0.12?0.20?0.2)(11400?0.121400?0.20?1230?0.2)?1

?3.45(MN?m)hx?312Dx/Ex?312?3.45/904.237?0.358(m)

?0.45?0.45?????Ex??904.237????6.22??1?1.51??a?6.22?1?1.51????4.192 ?E?30???????0??????Ex??b?1?1.44??E??0??0.55?904.237??1?1.44???30??0.779?0.55?0.779

1/3?Ex?b?Et?ahxE0??E??0?1/3?4.192?0.358?904.237??30???30???175.821(MPa)

普通混凝土面层的相对刚度半径按（B.1.3-2）计算为：

r?0.537h3Ec/Et?0.537?0.25?331000/175.821?0.753(m)

3、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

?ps?0.077r0.6h?2?0.077?0.7530.6?0.25?2?1.039(MPa)

因纵缝为设拉杆平缝，对于多孔隙开级配水泥稳定碎石排水基层，有一定刚性，所以接缝传荷能力的应力折减系数可取kr?0.88。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kf?Ne??3.903?106??0.057?2.375。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

kc?1.25。

按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为

?pr?krkfkc?ps?0.88?2.375?1.25?1.039?2.714(MPa)

4、温度疲劳应力分析：

查表3.0 .8，因为该路段位于我国自然区划V4区，所以在83-88之间取低值87，可选取最大温度梯度Tg=87（℃/m）。

取板长l?5m，l/r?5/0.753?6.640

由图B.2.2可查普通混凝土板厚h?0.25m，Bx?0.61。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：

?tm??cEchTg2Bx??51?10?5?31000?0.25?872?c混凝土线?0.61?2.056(MPa)，

膨胀系数，取1?10?C。

温度疲劳应力系数kt按式（B.2.3）计算为

kt?fr???tm?a??f???rc??5.0??b???2.056???1.287???2.056??0.071??0.502， ??0.871??5.0???????tm其中a,b,c为回归系数：本项目在云南，为V4区，分别取a=0.871，b=0.071，c=1.287。

再由式（B2.1）计算温度疲劳应力为

?tr?kt?tm?0.502?2.056?1.032(MPa)

由表3.0.1，一级公路的安全等级为二级，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90%。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?r?1.09?1.16，取为1.12

按式（3.0.3）

?r(?

pr??tr)?1.12?(2.714?1.032)?4.20MPa?fr?5.0MPa

综上所述，所选的普通混凝土面层厚度h?0.25m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。 方案三：参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002) 1、初拟路面结构：

初拟普通混凝土面层，厚度为h?0.25m；

考虑到，该路段为干湿交替地区，因此设置多孔隙沥青稳定稳定碎石基层（沥青标号选用AH-50，沥青用量为3%），厚度h1?0.09m(0.08-0.10)；从而在排水基层下设置水泥稳定碎石组成的底基层，厚度h2?0.20m（据规范：一般取0.2m）；垫层采用级配碎砾石，厚度h3?0.2m。普通混凝土板的平面尺寸宽3.75m，长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）混凝土路面设计弯拉强度与弯拉弹性模量： 本设计为普通混凝土路面为重型交通，查规范得：弯拉强度的标准值

fr?5.0Mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为Ec?31Gpa。

（2）土基的回弹模量：

路基属于中湿状态，可选用路基土基的回弹模量值：E0?30.0MPa （3）基层和半刚性垫层的回弹模量：

基层选多孔隙沥青稳定稳定碎石，回弹模量取：E1?700Mpa（600-800） 底基层选用水泥稳定碎石，回弹模量取：E2?1400Mpa（1300-1700） 垫层采用级配碎砾石，回弹模量取：E3?230Mpa（200-250） （4）基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量：

据土基状态拟定基层、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—2002)，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：

Ex?h1E1?h2E2?h3E3h1?h2?h3222222?700?0.09?1400?0.20?230?0.20.09?0.20?0.2222222?804.43(MPa)

Dx?E1h1123?E2h21233?E3h3123?3(h1?h2?h3)4?1230?0.212?32(1E1h1?1E2h2?1E3h3?1)

?700?0.09124?1400?0.20122 ?(0.09?0.20?0.2)(11400?0.20700?0.09?1230?0.2)?1

?2.58(MN?m)hx?312Dx/Ex?312?2.58/804.43?0.338(m)

?0.45?0.45?????Ex??804.43????6.22??1?1.51??a?6.22?1?1.51????4.082 ?E??30??????0??????Ex??b?1?1.44??E??0??0.55?804.43??1?1.44???30??0.764?0.55?0.764

1/3?Ex?b?Et?ahxE0??E??0?1/3?4.082?0.338?804.43??30????30??160.03(MPa)

普通混凝土面层的相对刚度半径按（B.1.3-2）计算为：

r?0.537h3Ec/Et?0.537?0.25?331000/160.03?0.776(m)

3、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

?ps?0.077r0.6h?2?0.077?0.7760.6?0.25?2?1.06(MPa)

因纵缝为设拉杆平缝，对于多孔隙沥青稳定稳定碎石基层，接缝传荷能力的应力折减系数可稍大，取kr?0.88。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kf?Ne??3.903?106??0.057?2.375。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kc?1.25。

按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为

?pr?krkfkc?ps?0.88?2.375?1.25?1.06?2.77(MPa)

4、温度疲劳应力分析：

查表3.0 .8，因为该路段位于我国自然区划V4区，所以在83-88之间取低

值87，可选取最大温度梯度Tg=87（℃/m）。

取板长l?5m，l/r?5/0.776?6.44

由图B.2.2可查普通混凝土板厚h?0.25m，Bx?0.58。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：

?tm??cEchTg2Bx?1?10?5?31000?0.25?872?0.58?1.96(MPa)，?c混凝土线

膨胀系数。

温度疲劳应力系数kt按式（B.2.3）计算为

kt?fr???tm?a??f???r1.287???5.0??1.96???b???0.071??0.485， ??0.871???1.965.0?????????c?tm其中a,b,c为回归系数：本项目在云南，为V4区，分别取a=0.871，b=0.071，c=1.287。

再由式（B2.1）计算温度疲劳应力为

?tr?kt?tm?0.485?1.96?0.951(MPa)

由表3.0.1，一级公路的安全等级为二级，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90%。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?r?1.09?1.16，取为1.12

按式（3.0.3）

?r(?pr??tr)?1.12?(2.77?0.951)?4.17MPa?fr?5.0MPa

综上所述，所选的普通混凝土面层厚度h?0.25m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。

路基为干燥状态时：

方案一：参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002) 1、初拟路面结构：

初拟普通混凝土面层，厚度为h?0.25m；

基层采用水泥稳定粒料基层，厚h1?0.22m；设置级配碎砾石底基层，厚度为

h2?0.2m。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m，长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）混凝土路面设计弯拉强度与弯拉弹性模量： 本设计为普通混凝土路面为重型交通，查规范得：弯拉强度的标准值

fr?5.0Mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为Ec?31Gpa。

（2）土基的回弹模量：

路基属于干燥状态，可选用路基土基的回弹模量值：E0?40.0MPa （3）基层和底基层的回弹模量：

基层选水泥稳定粒料，回弹模量取：E1?1400Mpa（1300-1700）

底基层选用级配碎砾石，回弹模量取：E2?230Mpa（200-250） （4）基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量：

据土基状态拟定基层、底基层结构类型和厚度，参照《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：

Ex?h1E1?h2E2h1?h2E1h11232222?1400?0.22?230?0.20.22?0.2(h1?h2)432222?870.588(MPa)

Dx??E2h212332?(1E1h1?1E2h22)?1

11230?0.2?1400?0.2212?230?0.212?(0.22?0.2)4(1400?0.22?)?1

?3.16(MN?m)

hx?312Dx/Ex?312?3.16870.588?0.352(m)

?0.45?0.45?????Ex??870.588????6.22??1?1.51??a?6.22?1?1.51????3.872 ?E?40???????0??????Ex??b?1?1.44??E??0??0.55?870.588??1?1.44???40???0.55?0.735

?Ex?b?Et?ahxE0??E??0?1/3?3.872?0.3520.735?870.588??40???40??1/3?200.734(MPa)

普通混凝土面层的相对刚度半径按（B.1.3-2）计算为：

r?0.537h3Ec/Et?0.537?0.25?331000/200.734?0.72(m)

3、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

?ps?0.077r0.6h?2?0.077?0.720.6?0.25?2?1.01(MPa)

因纵缝为设拉杆平缝，对于水泥稳定粒料基层，接缝传荷能力的应力折减系数可稍大，取kr?0.88。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kf?Ne??3.903?106??0.057?2.375。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kc?1.25。

按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为

?pr?krkfkc?ps?0.88?2.375?1.25?1.01?2.64(MPa)

4、温度疲劳应力分析：

查表3.0 .8，因为该路段位于我国自然区划V4区，所以在83-88之间取低值87，可选取最大温度梯度Tg=87（℃/m）。

取板长l?5m，l/r?5/0.72?6.94

由图B.2.2可查普通混凝土板厚h?0.25m，Bx?0.63。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：

?tm??cEchTg2Bx?1?10?5?31000?0.25?872?0.63?2.12(MPa)，?c混凝土

线膨胀系数。

温度疲劳应力系数kt按式（B.2.3）计算为

fr???tm?a?kt??tm??f??rc??5.0??b???2.12???1.287???2.12??0.071??0.51， ??0.871??5.0??????其中a,b,c为回归系数：本项目在云南，为V4区，分别取a=0.871，b=0.071，

c=1.287。

再由式（B2.1）计算温度疲劳应力为

?tr?kt?tm?0.51?2.12?1.08(MPa)

由表3.0.1，一级公路的安全等级为二级，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90%。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?r?1.09?1.16，取为1.12

按式（3.0.3）

?r(?pr??tr)?1.12?(2.64?1.08)?4.17MPa?fr?5.0MPa

综上所述，所选的普通混凝土面层厚度h?0.25m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。

方案二：参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002) 1、初拟路面结构：

初拟普通混凝土面层，厚度为h?0.26m；

考虑到本路线为季风性湿润气候，年平均降雨量达1200～1900mm，为湿润多雨地区，因此设置多孔隙的开级配水泥稳定碎石基层(水泥剂量9.5％～11％，孔隙率20%)，厚度 h1?0.10m；从而在排水基层下设置水泥稳定碎石组成的底基层，厚度h2?0.15m（据规范：一般取0.2m）。普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m，长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）混凝土路面设计弯拉强度与弯拉弹性模量： 本设计为普通混凝土路面为重型交通，查规范得：弯拉强度的标准值

fr?5.0Mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为Ec?31Gpa。

（2）土基的回弹模量：

路基属于干燥状态，可选用路基土基的回弹模量值：E0?40.0MPa （3）基层和底基层的回弹模量：

基层选多孔隙开级配水泥稳定碎石，回弹模量取：E1?1400MPa

底基层选用水泥稳定碎石，回弹模量取：E2?1400Mpa （4）基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量：

据土基状态拟定基层、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—2002)，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：

Ex?h1E1?h2E2h1?h2E1h11232222?1400?0.100.10(h1?h2)4322?1400?0.15?0.15122?1400(MPa)

Dx??E2h212332?(E1h1?1E2h2)?1

11400?0.1011400?0.15?1400?0.1012?1400?0.1512?(0.10?0.15)42(?)?1

?1.82(MN?m)

hx?312Dx/Ex?312?1.82/1400?0.249(m)

?0.45?0.45?????Ex??1400????6.22??1?1.51??a?6.22?1?1.51????4.324 ?E?40???????0??????Ex??b?1?1.44??E??0??0.55?1400??1?1.44???40??0.796?0.55?0.796

1/3?Ex?b?Et?ahxE0??E??0?1/3?4.324?0.249?1400??40????40??187(MPa)

普通混凝土面层的相对刚度半径按（B.1.3-2）计算为：

r?0.537h3Ec/Et?0.537?0.26?331000/187?0.767(m)

3、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

?ps?0.077r0.6h?2?0.077?0.7670.6?0.26?2?0.97(MPa)

因纵缝为设拉杆平缝，对于多孔隙开级配水泥稳定碎石排水基层，有一定刚性，所以接缝传荷能力的应力折减系数可取kr?0.88。考虑设计基准期内荷载应

6力累计疲劳作用的疲劳应力系数kf?Ne??8.38?10?n0.057?2.481。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

kc?1.30。

按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为

?pr?krkfkc?ps?0.88?2.481?1.3?0.97?2.75(MPa)

4、温度疲劳应力分析：

查表3.0 .8，因为湖南省东南湿热Ⅳ5区，海拔较低湿度大，所以在86-92之间取低值87，可选取最大温度梯度Tg=87（℃/m）。

取板长l?5m，l/r?5/0.767?6.51

由图B.2.2可查普通混凝土板厚h?0.26m，Bx?0.58。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：

?tm??cEchTg2Bx?1?10?5?31000?0.26?872?0.58?2.04(MPa)，?c混凝土线

膨胀系数。

温度疲劳应力系数kt按式（B.2.3）计算为

kt?fr???tm?a??f???rc??5.0??b???2.04???1.323???2.04?0.841??0.058?????0.49，

?5.0??????tm其中a,b,c为回归系数：本项目在湖南省，为Ⅳ5区，分别取0.841，0.058，1.323。

再由式（B2.1）计算温度疲劳应力为

?tr?kt?tm?0.49?2.04?0.99(MPa)

由表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?r?1.20?1.33，取为1.26

按式（3.0.3）

?r(?pr??tr)?1.26?(2.75?0.99)?4.71MPa?fr?5.0MPa

综上所述，所选的普通混凝土面层厚度h?0.26m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。

方案三：参考《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)

1、初拟路面结构：

初拟普通混凝土面层，厚度为h?0.26m；

考虑到本路线为季风性湿润气候，年平均降雨量达1200～1900mm，为湿润多雨地区，因此设置多孔隙沥青稳定稳定碎石基层（沥青标号选用AH-50，沥青用量为3%），厚度h1?0.1m(0.08-0.10)；从而在排水基层下设置水泥稳定碎石组成的底基层，厚度h2?0.20m（据规范：一般取0.2m）。普通混凝土板的平面尺寸宽3.75m，长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）混凝土路面设计弯拉强度与弯拉弹性模量： 本设计为普通混凝土路面为重型交通，查规范得：弯拉强度的标准值

fr?5.0Mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为Ec?31Gpa。

（2）土基的回弹模量：

路基属于干燥状态，可选用路基土基的回弹模量值：E0?40.0MPa （3）基层和半刚性垫层的回弹模量：

基层选多孔隙沥青稳定稳定碎石，回弹模量取：E1?800Mpa（600-800）

底基层选用水泥稳定碎石，回弹模量取：E2?1400Mpa（1300-1700） （4）基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量：

据土基状态拟定基层、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—2002)，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：

Ex?h1E1?h2E2h1?h2E1h11232222?800?0.1?1400?0.200.1?0.20(h1?h2)432222?1200(MPa)

Dx??E2h212332?(1E1h1?1E2h22)?1

111400?0.20?800?0.112?1400?0.2012?(0.1?0.20)4(800?0.1?)?1

?2.31(MN?m)

hx?

312Dx/Ex?312?2.31/1200?2.85(m)

?0.45?0.45?????Ex??1200?????6.22??1?1.51??a?6.22?1?1.51????4.077 ?E40???????0??????Ex??b?1?1.44??E??0??0.55?1200??1?1.44????40?0.763?0.55?0.763

1/3?Ex?b?Et?ahxE0??E??0?1/3?4.077?0.285?1200??40????40??210.1(MPa)

普通混凝土面层的相对刚度半径按（B.1.3-2）计算为：

r?0.537h3Ec/Et?0.537?0.24?331000/210.1?0.751(m)

3、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

?ps?0.077r0.6h?2?0.077?0.7510.6?0.26?2?0.96(MPa)

因纵缝为设拉杆平缝，对于多孔隙沥青稳定稳定碎石基层，接缝传荷能力的应力折减系数可稍大，取kr?0.88。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kf?Ne??8.38?106?n0.057?2.481。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kc?1.30。

按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为

?pr?krkfkc?ps?0.88?2.481?1.3?0.96?2.72(MPa)

4、温度疲劳应力分析：

查表3.0 .8，因为湖南省东南湿热Ⅳ5区，海拔较低湿度大，所以在86-92之间取低值87，可选取最大温度梯度Tg=87（℃/m）。

取板长l?5m，l/r?5/0.751?6.65

由图B.2.2可查普通混凝土板厚h?0.26m，Bx?0.58。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：

?tm??cEchTg2Bx?1?10?5?31000?0.26?872?0.58?2.05(MPa)，?c混凝土线

膨胀系数。

温度疲劳应力系数kt按式（B.2.3）计算为

kt?fr?tm???tm?a??f???r??5.0??b???2.05???c1.323???2.05??0.058??0.49， ??0.841??5.0??????其中a,b,c为回归系数：本项目在湖南省，为Ⅳ5区，分别取0.841，0.058，1.323。 再由式（B2.1）计算温度疲劳应力为

?tr?kt?tm?0.49?2.05?1(MPa)

由表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?r?1.20?1.33，取为1.26

按式（3.0.3）

?r(?pr??tr)?1.26?(2.72?1)?4.69MPa?fr?5.0MPa

综上所述，所选的普通混凝土面层厚度h?0.26m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。

5.4水泥混凝土路面方案比选

交通分析：水泥混凝土路面设计使用年限为12年。按交通量增长率假设为 4.67%， 水泥混凝土路面设计年限累计标准轴次为3903000次，属于道路重交通。

表1

类型 方选 用 材 料 及 厚 度 案 面层：普通水泥混凝土面板，厚h?0.25m； 一 中 湿 状 态 二 基层：水泥稳定碎石，厚h1?0.24m； 垫层：级配碎砾石，厚h2?0.2m 面层：普通水泥混凝土面板，厚h?0.25m； 基层：多孔隙开级配水泥稳定碎石(水泥9.5％~11%)，厚h1?0.12m； 优选 底基层：水泥稳定碎石，厚h2?0.20m 垫层：级配碎砾石，厚h3?0.2m

面层：普通水泥混凝土面板，厚h?0.26m； 基层：开级配多孔隙沥青稳定碎石（沥青2.5%~3.5%），三 厚h1?0.1m； 底基层：水泥稳定碎石，厚h2?0.20m 垫层：级配碎砾石，厚h3?0.2m 面层：普通水泥混凝土面板，厚h?0.26m； 一 基层：水泥稳定碎石，厚h1?0.2m； 底基层：级配碎砾石，厚h2?0.2m 面层：普通水泥混凝土面板，厚h?0.26m； 干 燥 状 态 底基层：水泥稳定碎石，厚h2?0.15m 面层：普通水泥混凝土面板，厚h?0.26m； 基层：开级配多孔隙沥青稳定碎石（沥青2.5%~3.5%），三 厚h1?0.1m； 底基层：水泥稳定碎石，厚h2?0.20m 二 基层：多孔隙开级配水泥稳定碎石(水泥9.5％～11％)，厚h1?0.1m； ★ 从施工上比选： 由于路面对施工的要求较高，但是性能较好，故在选择施工队伍的时候考虑施工技术较成熟，当地有较熟练的施工队伍，经验丰富的施工人员和先进的机械设备。但是对于开机配多孔隙沥青稳定碎石的基层来说，施工和设备要求较高，目前没有完整的施工设备，施工有难度，不可以完全保证施工的质量。而对于水泥稳定类基层，施工相对简单，技术成熟，有系统的施工设备，可以保证施工的质量。故一、二方案多是可行方案。

从材料，经济的角度分析： 方案一、二是水泥稳定类，主要消耗的是水泥和碎石。而湖南是多山地区，这里盛产水泥和碎石，项目区位于灰岩分布地带，岩石为灰色,薄层状,岩质坚硬,岩石较完整。路线所经地段大部分有基岩出露。沿线出露地层从新到老依次有：第四系、三叠系、二叠系、志留系、奥陶系、寒武

系等地层。其中以志留系、奥陶系最发育，其次为寒武系地层。故沿线石料场分布较多，且质量好，储存大，沿线运输条件整体情况较好，水泥产量丰富，产量大，所以基层垫层最好采用水泥稳定粒料，就近取材有利于降低成本。从工程经济和地方利益上考虑，应尽可能利用当地材料，因地制宜。而沥青稳定碎石类，要消耗大量的沥青，不是本地所产，大部分要靠外地和进口。使用沥青材料做基层的费用将远远的贵于水泥材料做基层，经济不合理。故一、二方案多是可行方案。

从技术的角度分析： 水泥混凝土路面，强度高，耐久性好，使用寿命长，稳定性好，环境温度和湿度对其的力学强度影响甚小，养护费用少且运输成本低，夜间行车反光性较好，但接缝多，行车噪音大，阳光下反光太强，对水泥和水需求量大，对路基变形适应性差，面板易损坏，路面维修、养护不便。

由于该路的交通等级是属于重载交通，改路的设计必需

满足交通量的要求，方案一不是开级配基层，不可以满足路面的排水的要求。而湖南地区降雨丰富。使用几年后，会造成水损坏，造成路面的开裂。而开孔隙的基层就可以满足排水要求，故二、三方案是可行方案。

综上所述：从施工、材料、经济和技术的方面进行比选知方案已比较贴合当地的实际情况，所以确定方案二为推荐方案。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/omq3.html