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水泥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。1.1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 D402002)，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。1.2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 D402002)可得适宜的基层类型如表1.1所示。表1.1 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1.1 本设计路面基层采用水泥稳定砂。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 D402002)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 D402002)。可知各类基层厚度的适宜范围，如表1.2所示。表1.2 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120200水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层150250沥青混凝土基层4060沥青稳定碎石基层80100级配粒料基层150200多孔隙水泥稳定碎石排水基层100140沥青稳定碎石排水基层80100由于本设计采用水泥稳定砂基层，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的水泥稳定沙粒基层。水泥稳定沙粒底基层的厚度综合考虑采用180mm1.3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。1.4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。1.5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1.3所示。图1.3 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1.4所示。图1.4 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50100m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路面结构层设计2.1初拟路面结构由表2.1知，相应于安全等级一级的变异水平等级为低级。根据二级公路特重交通等级和低变异水平等级，查表2.1初拟普通混凝土面层厚度为0.28m，水泥稳定砂基层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。水泥稳定砂不设纵缝，横缝设假缝，间距(板长)4m。表2.1 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）2602502402702402602302502202.3.1. 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 D402002)可得普通混凝土面层弯拉强度标准值如表2.2所示。表2.2 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）5.05.04.54.0钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）6.06.05.55.0同时可得相应的弯拉弹性模量如表2.3所示。表2.3 水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值弯拉强度（MPa）1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5抗压强度（MPa）5.07.711.014.919.324.229.735.841.848.4弯拉弹性模量（GPa）10151821232527293133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，水泥稳定砂弯拉强度标准值为4.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为27GPa。又由表2.4得水泥稳定粒料基层回弹模量取1300MPa。表2.4 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150200水泥稳定粒料13001700（3）垫层同样由表2.5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 D402002)建议路基土回弹模量取值如表2.5所示。表2.5 中湿路基路床顶面回弹模量（MPa）土组公路自然区划土质砂26424050395035605060粘质土25453040254530453045粉质土22463254305027433045由公路自然区划标准可知：该地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。3、 接缝设计混凝土路面板由于温度或湿度变化、硬化时的收缩等原因，会出现胀缩合翘曲。设置接缝，可减小混凝土板因变形受到约束而产生的内应力，并满足施工的需要。3.1纵向接缝纵缝设在划分车道线的位置，由于一次铺筑宽度小于路面宽度，设置纵向施工缝。纵缝与路线中缝平行。纵向施工缝采用平缝加拉杆形式，上部锯切槽口，深度为30mm，宽度为5mm，槽内灌塞填缝料，构造如图3.1所示。图3.1 纵向施工缝构造图拉杆采用螺纹钢筋，设在板厚中央，并对拉杆中部100mm范围内进行防锈处理。拉杆的直径、长度和间距，参照表3.1选用。施工布设时，拉杆间距按横向接缝的实际位置予以调整。表3.1 拉杆直径、长度和间距（mm）面层厚度（mm）到自由边或未设拉杆纵缝的距离（m）3.003.503.754.506.007.5200250147009001470080014700700147006001470050014700400260300168009001680080016800700168006001680050016800400由于设计混凝土面层厚度为280mm，一车道宽度即到自由边距离为3.75m。选用直径16螺纹钢筋，长度800mm，间距700mm。3.2横向接缝横缝垂直于纵缝，有缩缝、胀缝和施工缝三种。由于设置胀缝不仅给施工带来不便，而且也容易出现碎裂、唧泥和错台等病害。因此本设计主要采用缩缝和施工缝两种接缝形式。每日施工结束或因临时原因中断施工时，设置横向施工缝，其位置选在缩缝处。采用传力杆的平缝形式，其构造如图3.2所示。图3.2 横向施工缝构造图横向缩缝等间距布置，采用假缝形式。由于特重交通，采用设传力杆假缝形式。横向缩缝顶部锯切槽口，深度为面层厚度的1/4，宽度为5mm，槽内填塞填缝料。高速公路的横向缩缝槽口增设深20mm、宽610mm的浅槽口，其构造如图3.3所示。图3.3 横向缩缝构造图传力杆采用光面钢筋。其尺寸和间距可按表3.2选用。最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为200mm。表3.2 传力杆尺寸和间距（mm）面层厚度（mm）传力杆直径传力杆最小长度传力杆最大间距2202840030024030400300260324503002803545030030038500300水泥混凝土面层厚度280mm。则采用传力杆直径35光面钢筋，长度500mm，间距200mm。4、 水混凝土面层混合料设计4.1基本要求水泥混凝土混合料根据公路交通量及公路的使用任务、性质，并结合气候、水文、土质、材料、实践经验以及施工和养护条件等，通过技术经济比较。获得符合使用要求与环境条件相适应的路面。混凝土混合料由水泥、粗集料、细集料、水与外加剂等原材料组成。各种材料的基本技术要求应满足相应的技术规范。基本性能包括抗折强度、抗折疲劳强度、抗压强度、变形性能和耐久性等性能也应满足要求。4.2配合比设计设配置52.5级普通水泥砾石混凝土（1）配置抗折强度设配置滑模摊铺的水泥混凝土，高速公路水泥混凝土路面设计抗折强度5MPa，强度施工保证系数K=1.15。则配置抗折强度由下式确定：则有，（2）计算水灰比W/C实测28d抗折强度平均值取8.40MPa。参照下列两个经验公式计算：带入数据则有，W/C=0.3642 或 W/C=0.544上述两个公式计算的水灰比，一个偏小，一个偏大，取两个公式的计算结果的平均值W/C=0.454较合适。（3）计算单位用水量W0 取细度模数为2.6，参考表4.1得Sp=32%；表4.1砂的细度模数与最优砂率关系砂细度模数2.22.52.52.82.83.13.13.43.43.7砂率（%）碎石30343236343836403842砾石28323034323634383640塌落度h=5cm，由下列经验公式可计算：代入数据得，Sp=162.15kg/m3160kg/m3用水量过大，需使用减水剂。（4）外加剂用量使用外加剂，应采用引气缓凝减水剂用量1.5，最优减水率7% 。减水量计算如下：7%162.15=11.35kg/m3，162.12-11.35=120.8kg/m3，符合砾石混凝土最大控制单位用水量155kg/m3的要求。外加剂用量Y0=3590.0015=0.5385 kg/m3。（5）计算单位水泥用量C0C0=W0（C/W）=150.82.2026=332.15 kg/m3考虑到施工的波动，增加水泥用量C=7.85 。取C0=340 kg/m3，水灰比为150.8/340=0.044 。对比耐久性的要求，高速公路水泥混凝土路面的水灰比不大于0.44，基本符合要求，单位用水量不小于300 kg/m3，满足耐久性要求。（6）计算砂石材料用量使用假定密度法计算，假定砾石混凝土密度2450 kg/m3。由细度模数FM=2.625查表2.20，的砂率Sp=32%。由下式可计算：代入上式得，（8）计算结果汇总上述计算结果如表4.2所示。表4.2 施工配合比材料名称水水泥砂砾石外加剂（kg/m3）15134062713320.52比例0.44411.983.291.54.2路面用钢筋量计算由接缝设计可归纳得路面用拉杆及传力杆所用钢筋的直径、长度和间距等参数，汇总得表4.3所示。表4.3 路面用钢筋参数（mm）接缝纵缝横缝直径1635长度L800500间距S700200路面混凝土板长度为4m，宽度依据行车道宽度及硬路肩宽度分别为3.75m和3.25m。路线起止桩号为K280+030K400+235 。则路线长度为120205m 。依据路线长度和混凝土面板的平面尺寸，计算可得纵缝和横缝所分别消耗的钢筋数量。纵向：N1=6(120205/0.7)=1030329横向：N2=(120205/4)(11.252+3.252)/0.2=4357431查阅相关资料可得钢筋单位质量如表4.4所示。表4.4 钢筋单位质量表接缝纵缝横缝种类螺纹钢筋光圆钢筋直径(mm)1635单根面积(cm2)2.0119.621单位质量(kg/m)1.5787.562则可计算得到所用钢筋的质量：纵缝：G1=10303290.81.578=1300687kg=1300.687t横缝：G2=43574310.57.562=16475448kg=16475.448t则，总量G=1300.687+16475.4448=17776t4.3水泥混凝土路面机械摊铺施工本设计水泥混凝土路面施工采用滑模施工技术。主要参考公路水泥混凝土路面滑模施工技术规范。本设计采用螺旋布料器布料、多根振动棒振动密实、振捣器上下振捣压入粗骨料、成型模板挤压成型和抹光等工序，确保水泥混凝土路面密度，特别是路面的平整度有了明显的提高，能满足高速公路的高标准质量要求。施工要求：（1）施工前的准备：根据质量要求验收基层标高与平整度，避免因基层的标高或平整度的不良而影响水泥混凝土面层。在合格的基层顶面用经纬仪和水准仪测量出道路中心线和标高，然后，放出摊铺机一侧的基准线，放线时每5m（弯道段）或10m（直线段）测设一个点，确保标高准确，线形平顺。摊铺机履带行走部位的地基，应稍整平并有能承载履带接地压力的承载力。（2）混凝土制备螺旋布料器均匀布料虚方控制板控制砼进入成型模板的数量振捣棒将砼加以振动密实振捣器将表面上的粗料压入砼之中成型模板使路