水泥混凝土路面设计.doc

第五章 水泥混凝土路面设计5.1 交通量计算根据我国的公路自然区划标准（jtj013-86），龙永高速公路公路走廊带地处湖南省中部至西部的过渡地带，为东南湿热区。现拟新建一条高速公路，双向四车道，设计基准期为30年，交通量年平均增长率为7.0%，路基土为粘性土质。本项目属于高速公路（四车道），根据公路水泥混凝土路面设计规范jtg d40-2011，可靠度设计标准（表3.0.1）：安全等级：一级设计基准期：30年目标可靠度：95%目标可靠指标：1.33计算设计日通过的标准轴载作用次数车 型车 轴轴轮型交通量小客车前轴1-111.527501.9910-8后轴1-222327501.6910-6中客车sh130前轴1-116.58001.6010-6后轴1-2238004.910-8大客车ca50前轴1-128.75306.8710-4后轴1-268.25301.16小货车bj130前轴1-113.417001.3410-5后轴1-227.417001.7210-6中货车ca50前轴1-128.76306.9910-4后轴1-268.26301.38中货车eq140前轴1-123.78504.7910-5后轴1-269.28502.35大货车jn150前轴1-1498704.00后轴1-2101.68701121.55特大车日野kb222前轴1-150.26004.02后轴1-2104.36001176.80拖挂车 五十铃前轴1-16024025.85后轴2-31002401.9510-6合 计 2337.11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；则使用初期年平均日交通量=2377.11。按疲劳断裂设计标准进行结构分析时，以100kn 单轴-双轮组荷载作为设计轴载，对极重交通荷载等级的水泥混凝土路面，宜选用货车中占主要份额特重车型的轴载作为设计轴载。各级轴载作用次数,可按公路水泥混凝土路面设计规范jtg d40-2011中式(3.0 . 6) 换算为设计轴载的作用次数式中第i级轴载重(kn) ，联轴按每一根轴载单独计;设计轴载重(kn) ;n各种轴型的轴载级位数; i级轴载的作用次数;设计轴载的作用次数。设计轴载的作用次数（双向）=2377.11次/日。方向分配系数采用0.5（0.5-0.6），因为是双向4车道，即单向2车道，所以车道分配系数取0.8（0.70-0.85）。故有：设计车道使用初期的设计轴载日作用次数。ns=2699.780.50.8=934.844次/日5.2 交通参数分析5.2.1 累计标准轴次计算：使用年限内的累计标准轴次为：式中: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) ;t设计基准期(a) ;基准期内货车交通量的年平均增长率(以分数计) ;临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数,根据公路水泥混凝土路面设计规范jtg d40-2011中表a.2. 4 选用 5.2.2 交通等级划分：由按公路水泥混凝土路面设计规范jtg d40-2011交通分级知，累计作用次数在之间，所以交通等级为重交。5.3路面结构组合设计5.3.1 面层混凝土板水泥混凝土面层应具有足够的强度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整等良好的路用性能，一半采用接缝、不配筋的混凝土路面板，面板厚度决定于公路和交通等级。本设计路段为高速公路，交通等级为重交通。面层厚度参考2427cm。最终面层确定为普通混凝土面板，厚度26cm。5.3.2混凝土路面基层结构混凝土路面的基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。对于湿润和多雨地区，宜采用排水基层。排水基层下应设置不透水底基层，底基层顶面应铺设沥青封层或防水土工织物。本设计路段位于东南湿热区，路基路面结构组合，首要任务是保证其湿稳性。可考虑采用排水基层。5.3.3 混凝土路面垫层结构混凝土路面垫层一般是为对应路基的特殊需求而设置，多数选用当地廉价材料修筑，或取当地材料掺少量无机结合料处治后使用。本路段在中湿状态路基段设置天然沙砾垫层，厚度15cm。5.4 路面结构方案设计现按设计要求，根据路基的干湿状态，选择干燥和中湿状态，分别设计3种方案，并进行方案比选。该计算书中所用公式及相关参数均参考自公路水泥混凝土路面设计规范jtg d40-2011。（以下简称规范）5.4.1 路基为干燥状态方案一1）初拟路面结构参照规范表3.0.1知，相对于安全等级高速公路水平为低。根据高速公路重交通等级和低水平，初拟普通水泥混凝土结构的面层，厚度土结构的面层，厚度。基层选用水泥稳定粒料基层，厚； 底基层选用级配碎石，底基层厚 。水泥混凝土上面层板的平面尺寸:宽3.75m，长5m。纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。表5-3 初拟路面结构表结构层厚度（cm）模量（mpa）c35水泥混凝土面层2631000水泥稳定粒料基层201400级配碎石底基层20300路基土基-802) 材料参数的确定混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量按表3.0.8 ，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0mpa ，相应弯拉弹性模量与泊松比为31gpa、0.15 。查附录e表e. 0. 3 -2，粗集料为玄武岩的混凝土线膨胀系数。土基的回弹模量参照公路水泥混凝土路面设计规范附录，查表e.0.1-1，粘性土质路基回弹模量80mpa。查表e.0.1-2，取距地下水位2m时的湿度调整系数为0.80，由此得到路床顶综合回弹模量为80x0.80 = 64mpa。查表e.0.2-1 ，取水泥稳定粒料基层回弹模量为1400mpa、泊松比取0.20，取级配碎石底基层回弹模量为300mpa、泊松比取0.35。按附录b 式(b . 2. 4-1) -式(b.2.4-4)计算板底地基当量回弹模量如下:板底地基当量回弹模量 取为125mpa。普通混凝土面层的弯曲刚度d 按式(b. 2. 2-3) 计算，相对刚度半径r 按式(b. 2. 2-2)计算。3) 荷载应力按式(b.2.2-1) 计算设计轴载和最重荷载在临界荷位处产生的荷载应力:mpampa按式(b. 2. 1) 计算荷载疲劳应力，按式(b. 2. 6) 计算最大荷载应力: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。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。材料疲劳指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057疲劳应力系数 式(b.2.3-1)。4) 温度应力由表3.0.10，最大温度梯度取90/m 。按式(b. 3.3-1 ) -式(b. 3.3-3) 计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。按式(b.3.2) 计算最大温度应力:温度疲劳应力系数 按式(b. 3.4) 计算。 其中根据规范表b.3.4查得回归系数，和 再由式(b.3.1) 计算温度疲劳应力:5) 结构极限状态校核查表3.0.1及表3.0.4，高速公路、低等变异水平条件下的可靠度系数 取1.20。按式(3.0.4-1) 和式(3 .0.4-2) 校核路面结构极限状态是否满足要求。满足结构极限状态要求，所选的普通混凝土面层计算厚度0.26m 可以承受设计基准期内设计轴载荷载和温度梯度的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次极限作用。 表5-4 最终路面结构表结构层厚度（cm）模量（mpa）普通水泥混凝土面层2631000水泥稳定粒料基层201400级配碎石底基层20300路基土基（粘性土质）-805.4.2 路基为干燥状态方案二1）初拟路面结构参照规范表3.0.1知，相对于安全等级高速公路水平为低。根据高速公路重交通等级和低水平，初拟普通水泥混凝土结构的面层，厚度土结构的面层，厚度。考虑到本路线为季风性湿润气候，年平均降雨量达12001900mm，为湿润多雨地区，因此设置开级配水泥稳定碎石基层(水泥剂量9.511，孔隙率20%)，厚度(0.10-0.14)； 底基层选用级配砾石，底基层厚 。水泥混凝土上面层板的平面尺寸:宽3.75m，长5m。纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。表5-3 初拟路面结构表结构层厚度（cm）模量（mpa）普通水泥混凝土面层2631000开级配水泥稳定碎石基层121400级配砾石底基层20250路基土基-802) 材料参数的确定混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量按表3.0.8 ，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0mpa ，相应弯拉弹性模量与泊松比为31gpa、0.15 。查附录e表e. 0. 3 -2，粗集料为玄武岩的混凝土线膨胀系数。土基的回弹模量参照公路水泥混凝土路面设计规范附录，查表e.0.1-1，粘性土质路基回弹模量60mpa。查表e.0.1-2，取距地下水位2m时的湿度调整系数为0.80，由此得到路床顶综合回弹模量为80x0.80 = 64mpa。查表e.0.2-1 ，取开级配水泥稳定碎石基层回弹模量为1400mpa、泊松比取0.20，取级配砾石底基层回弹模量为250mpa、泊松比取0.35。按附录b 式(b . 2. 4-1) -式(b.2.4-4)计算板底地基当量回弹模量如下:板底地基当量回弹模量 取为115mpa。普通混凝土面层的弯曲刚度d 按式(b. 2. 2-3) 计算，相对刚度半径r 按式(b. 2. 2-2)计算。3) 荷载应力按式(b.2.2-1) 计算设计轴载和最重荷载在临界荷位处产生的荷载应力:mpampa按式(b. 2. 1) 计算荷载疲劳应力，按式(b. 2. 6) 计算最大荷载应力:因纵缝为设拉杆平缝，对于开级配水泥稳定碎石基层，接缝传荷能力的应力折减系数取。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。材料疲劳指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057疲劳应力系数 式(b.2.3-1)。4) 温度应力由表3.0.10，最大温度梯度取90/m 。按式(b. 3.3-1 ) -式(b. 3.3-3) 计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。按式(b.3.2) 计算最大温度应力:温度疲劳应力系数 按式(b. 3.4) 计算。 其中根据规范表b.3.4查得回归系数，和 再由式(b.3.1) 计算温度疲劳应力:5) 结构极限状态校核查表3.0.1及表3.0.4，高速公路、低等变异水平条件下的可靠度系数 取1.20。按式(3.0.4-1) 和式(3 .0.4-2) 校核路面结构极限状态是否满足要求。满足结构极限状态要求，所选的普通混凝土面层计算厚度0.26m 可以承受设计基准期内设计轴载荷载和温度梯度的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次极限作用。 表5-4 最终路面结构表结构层厚度（cm）模量（mpa）普通水泥混凝土面层2631000开级配水泥稳定碎石基层101400级配砾石底基层20250路基土基（粘性土质）-805.4.3 路基为干燥状态方案三1）初拟路面结构参照规范表3.0.1知，相对于安全等级高速公路水平为低。根据高速公路重交通等级和低水平，初拟普通水泥混凝土结构的面层，厚度土结构的面层，厚度。考虑到本路线为季风性湿润气候，年平均降雨量达12001900mm，为湿润多雨地区，因此设置开级配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(0.08-0.10)； 底基层选用级配碎石，底基层厚 。水泥混凝土上面层板的平面尺寸:宽3.75m，长5m。纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。表5-3 初拟路面结构表结构层厚度（cm）模量（mpa）普通水泥混凝土面层2631000开级配沥青稳定碎石基层10800级配碎石底基层20300路基土基-802) 材料参数的确定混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量按表3.0.8 ，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0mpa ，相应弯拉弹性模量与泊松比为31gpa、0.15 。查附录e表e. 0. 3 -2，粗集料为玄武岩的混凝土线膨胀系数。土基的回弹模量参照公路水泥混凝土路面设计规范附录，查表e.0.1-1，粘性土质路基回弹模量60mpa。查表e.0.1-2，取距地下水位2m时的湿度调整系数为0.80，由此得到路床顶综合回弹模量为80x0.80 = 64mpa。查表e.0.2-1 ，取开级配沥青稳定碎石基层回弹模量为800mpa、泊松比取0.20，取级配砾石底基层回弹模量为300mpa、泊松比取0.35。按附录b 式(b . 2. 4-1) -式(b.2.4-4)计算板底地基当量回弹模量如下:板底地基当量回弹模量 取为125mpa。普通混凝土面层的弯曲刚度d 按式(b. 2. 2-3) 计算，相对刚度半径r 按式(b. 2. 2-2)计算。3) 荷载应力按式(b.2.2-1) 计算设计轴载和最重荷载在临界荷位处产生的荷载应力:mpampa按式(b. 2. 1) 计算荷载疲劳应力，按式(b. 2. 6) 计算最大荷载应力:因纵缝为设拉杆平缝，对于开级配水泥稳定碎石基层，接缝传荷能力的应力折减系数取。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。材料疲劳指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，=0.057疲劳应力系数 式(b.2.3-1)。4) 温度应力由表3.0.10，最大温度梯度取90/m 。按式(b. 3.3-1 ) -式(b. 3.3-3) 计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。按式(b.3.2) 计算最大温度应力:温度疲劳应力系数 按式(b. 3.4) 计算。 其中根据规范表b.3.4查得回归系数，和 再由式(b.3.1) 计算温度疲劳应力:5) 结构极限状态校核查表3.0.1及表3.0.4，高速公路、低等变异水平条件下的可靠度系数 取1.20。按式(3.0.4-1) 和式(3 .0.4-2) 校核路面结构极限状态是否满足要求。满足结构极限状态要求，所选的普通混凝土面层计算厚度0.26m 可以承受设计基准期内设计轴载荷载和温度梯度的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次极限作用。 表5-4 最终路面结构表结构层厚度（cm）模量（mpa）普通水泥混凝土面层2631000开级配水泥稳定碎石基层10800级配砾石底基层20300路基土基（粘性土质）-80 5.4.4路基为中湿状态方案一1）初拟路面结构：初拟普通混凝土面层，厚度为；基层选用水泥稳定碎石基层，厚；设置的级配碎石垫层。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：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 mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为gpa,泊松比取0.15.砾石粗集料混凝土的线膨胀系数土基的回弹模量：路基属于中湿状态，可选用路基土基的回弹模量值：，取距地下水位1.5m时的湿度调整系数为0.75（0.720.80），由此得路床顶综合回弹模量为700.75=52.5mpa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：mpa(200010000),泊松比取0.2 垫层选用级配碎石，回弹模量取：mpa(180-250)，泊松比取0.35 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（b2.4-1）（b2.4-4）计算板底地基综合当量回弹模量如下： 板底地基综合当量回弹模量et取为348mpa混凝土面层板的弯曲刚度dc(b.2.2-3),半刚性基层板的弯曲刚度db（b.4.1-2），路面结构的相对刚度半径按（b.4.1-3）计算为：3）荷载疲劳应力计算： 按式（b4.1-1），标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算为mpa0mpa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(0.870.92)。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.2.1，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.2.1）计算面层荷载疲劳应力 4）、温度疲劳应力分析：查表3.0 .8，因为湖南省东南湿热5区，海拔较低湿度大，所以在86-92之间选取最大温度梯度为=90（/m），按b.3.3和b.5.2计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数bl.按（b.3.2）计算面层最大温度应力，混凝土线膨胀系数。，其中a,b,c为回归系数：本项目在湖南省，为5区，分别取0.871，1.287，0.071按式（b.3.1）计算温度疲劳应力： 5）、结构极限状态校核查表3.0.4，一级安全等级，低变异水平条件下，可靠度系数取1.14.按式（3.0.4-1）和式（3.0.4-2）校核路面结构极限状态是否满足要求：拟定的由计算厚度0.26m的普通混凝土面层和厚度0.2m的水泥稳定粒料基础组成的路面结构满足要求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，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。5.4.5路基为中湿状态方案二1）初拟路面结构：初拟普通混凝土面层，厚度为；考虑到本路线为季风性湿润气候，年平均降雨量达12001900mm，为湿润多雨地区，因此设置多孔隙的开级配水泥稳定碎石排水基层(水泥剂量9.511，孔隙率20%)，厚度(0.10-0.15)；从而在排水基层下设置水泥稳定碎石组成的不透水底基层，厚度（据规范：一般取0.2m）；垫层采用级配碎石，厚度。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：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 mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为gpa,泊松比取0.15.砾石粗集料混凝土的线膨胀系数土基的回弹模量：路基属于中湿状态，可选用路基土基的回弹模量值：，取距地下水位1.5m时的湿度调整系数为0.75（0.720.80），由此得路床顶综合回弹模量为700.75=52.5mpa基层和半刚性垫层的回弹模量：透水基层选用多孔隙的开级配水泥稳定碎石，回弹模量取：mpa(200010000),泊松比取0.2 不透水底基层选用水泥稳定碎石，回弹模量取：mpa(200010000),泊松比取0.2 垫层选用级配碎石，回弹模量取：mpa(180-250)，泊松比取0.35 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（b2.4-1）（b2.4-4）计算板底地基综合当量回弹模量如下： 板底地基综合当量回弹模量et取为474mpa混凝土面层板的弯曲刚度dc(b.2.2-3),半刚性基层板的弯曲刚度db（b.4.1-2），路面结构的相对刚度半径按（b.4.1-3）计算为：3）荷载疲劳应力计算： 按式（b4.1-1），标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算为mpampa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(0.870.92)。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.2.1，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.2.1）计算面层荷载疲劳应力 4）、温度疲劳应力分析：查表3.0 .8，因为湖南省东南湿热5区，海拔较低湿度大，所以在86-92之间选取最大温度梯度为=90（/m），按b.3.3和b.5.2计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数bl. 按（b.3.2）计算面层最大温度应力，混凝土线膨胀系数。，其中a,b,c为回归系数：本项目在湖南省，为5区，分别取0.871，1.287，0.071按式（b.3.1）计算温度疲劳应力： 5）、结构极限状态校核查表3.0.4，一级安全等级，低变异水平条件下，可靠度系数取1.14.按式（3.0.4-1）和式（3.0.4-2）校核路面结构极限状态是否满足要求：拟定的由计算厚度0.26m的普通混凝土面层和0.32m厚基础满足要求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，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。5.4.6路基为中湿状态方案三1）初拟路面结构：初拟普通混凝土面层，厚度为；考虑到本路线为季风性湿润气候，年平均降雨量达12001900mm，为湿润多雨地区，因此设置多孔隙沥青稳定碎石排水基层（沥青标号选用ah-50，），厚度(0.08-0.10)；从而在排水基层下设置水泥稳定碎石组成的不透水底基层，厚度（据规范：一般取0.2m）；垫层采用级配碎砾石，厚度。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：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 mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为gpa,泊松比取0.15.砾石粗集料混凝土的线膨胀系数土基的回弹模量：路基属于中湿状态，可选用路基土基的回弹模量值：，取距地下水位1.5m时的湿度调整系数为0.75（0.720.80），由此得路床顶综合回弹模量为700.75=52.5mpa基层和半刚性垫层的回弹模量：透水基层选用多孔隙沥青稳定碎石排水基层，回弹模量取：mpa(600800),泊松比取0.35不透水底基层选用水泥稳定碎石，回弹模量取：2000mpa（200010000），泊松比取0.2 垫层选用级配碎石，回弹模量取：mpa(180-250)，泊松比取0.35 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（b2.4-1）（b2.4-4）计算板底地基综合当量回弹模量如下： 板底地基综合当量回弹模量et取为413mpa混凝土面层板的弯曲刚度dc(b.2.2-3),基层板的弯曲刚度db（b.4.1-2），路面结构的相对刚度半径按（b.4.1-3）计算为：3）荷载疲劳应力计算： 按式（b4.1-1），标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算为1.026mpa1.783mpa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(0.870.92)。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.2.1，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.2.1）计算面层荷载疲劳应力 4）、温度疲劳应力分析：查表3.0 .8，因为湖南省东南湿热5区，海拔较低湿度大，所以在86-92之间选取最大温度梯度为=92（/m），按b.3.3和b.5.2计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数bl.按（b.3.2）计算面层最大温度应力，混凝土线膨胀系数。，其中a,b,c为回归系数：本项目在湖南省，为5区，分别取0.841，1.323，0.058按式（b.3.1）计算温度疲劳应力：