《路基路面工程》课程设计

1、双向四车道高速公路 , 设计速度为 120km/h. 分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 2.5m ,土质为粉 性土, 平均地下水位 1.0m , 平均冻深 0.3米。 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 8m 高一 般路堤进行设计 .路面设计中对任务书所给的一些不合理的条件根据规范做出了相应的修改 , 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 . 并对水泥混凝土路 面面层的配

2、合比进行了设计 .关键词 一般路堤、排水、施工、水泥路面、配合比目 录摘 要 . 错误!未定义书签。 1 路基设计 . 4 1.1 路基横断面设计 . 4 1.1.1 确定路基横断面形式 . 4 1.1.2 确定自然区划和路基干湿类型 . 4 1.1.3 拟定路基断面尺寸 . 5 1.2 道路横断面排水设计 . 6 1.2.1 确定边沟布置、断面形式及尺寸 . 6 1.2.2 确定截水沟布置、断面形式和尺寸 . 7 1.2.3 其他排水设施 . 9 1.3 路基稳定性验算 . 9 1.3.1 设计参数 . 10 1.3.2 稳定性验算 . 10 1.3.3 路基坡面防护 . 12 1.4 路基

3、施工设计 . 13 1.4.1 施工要点 . 131.4.2 路基压实 . 142 水泥混凝土路面设计 . 15 2.1 行车荷载 . 15 2.1.1 车辆的类型和轴型 . 15 2.1.2 轴载换算 . 16 2.1.3 交通分析 . 172.2 路面结构组合设计 . 19 2.2.1 垫层设计 . 19 2.2.2 基层设计 . 19 2.2.3 面层设计 . 20 2.2.4 路肩设计 . 21 2.2.5 路面排水设计 . 21 2.3 路面结构层设计 . 22 2.3.1. 初拟路面结构 . 22 2.3.2. 路面材料参数的确定 . 22 2.3.3. 基层顶面回弹模量 . 24

4、 2.3.4. 荷载疲劳应力 . 25 2.3.5. 温度疲劳应力 . 27 2.4 接缝设计 . 29 2.4.1 纵向接缝 . 29 2.4.2 横向接缝 . 30 2.5 水混凝土面层混合料设计 . 31 2.5.1 基本要求 . 31 2.5.2 配合比设计 . 32 2.6 路面用钢筋量计算 . 34 2.7 水泥混凝土路面机械摊铺施工 . 35 参考文献 . 371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,

5、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

6、路自然区划标准可知:辽宁大部分位于 II2a 辽河平原冻融交替副 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:表 1.1 二级区划的特征和指标 由表 1.1可知 II2a 辽河平原冻融交替副区的潮湿系数 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 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>3.4m 。1.1.3拟定路基断面尺寸辽宁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 12

7、0Km /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 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 II2a 辽河平原冻

8、 融交替副区, 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 >3.4m ,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 11.5,则边坡宽度 b=1.5H=9m。表 1.4 路堤边坡坡率 1.2道路横断面排水设计公路位于 II2a 辽河平原冻融交替副区,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

9、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 11.5,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

10、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 11.5,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S Q=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 (3 水流断面积 : 2bh mh =+(1-1 由 2bh mh =+ 得, =0.92m2; 断面系数 K :K = (1-2 由 K =得, K =3.6; 湿周

11、: b Kh =+ (1-3由 b Kh =+ 得, =2.78m;水力半径 R :R = (1-4 由 R = 得, R =0.33m;(4 指数 y:0.130.10y =- (1-5 由 0.130.10y =- 得, y =0.24; 流速系数 C :1yC Rn= (1-6由 1yC Rn =得, C =32.05;水流断面流速 v:v C = (1-7 由 v C =得 v =1.3m/s; 断面流量 Q :Q v = (1-8 由 Q v = 得, Q =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 m ax V =2.0m/s;表

12、1.6 容许流速表 假设水中主要含土类为中细沙,取 =0.5; 最小容许流速 m in V : min V R = (1-9由 2min V R =得 m in V =0.26 m/s;因为设计结果 V =1.3 m/s,介于 m ax V 与 m in V 值之间,所以流速符合要求。 又因为计算流量 Q =1.2 m 3/s,与 S Q =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 h=0.100.20m,本设计取 h=0.14m,所以沟深 H=h+h=0.66+0

13、.14=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

14、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 (JTGD30 2004 得路堤边坡坡度为定值。1.3.1设计参数路堤填土高 h 1=8m,路堤边坡坡率为 m=11.5,路堤填料为粘质土,粘聚力 C=20KPa,内摩擦角 =30°(tan =0.577 。土的容重取 =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

15、.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, 0 N QhBL =; (1-10 式中:N 并列车辆数,双向六车道 N=6;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 ; 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 35m 。数值带入计算可得:h 0=0.37m,取 h 0=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。

16、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 (3 稳定系数 K 值 由路基路面工程有, i if N cLK T+= ; (1-11式中:Ni 各土条的法向分力, Ni=Qicosi ; Ti 各土条的切向分力, Ti = Qisini ;i 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=8.4m。 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 则,稳定系数 5.77978.542016.591.

17、99449.16K += 。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 11.5。考虑到辽宁地区降雨量较大, 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

18、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 (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

19、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 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

20、依 据公路水泥混凝土路面设计规范 (JTG D40 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

21、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 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 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161100ni s i i i P N N = (2-130.432.2210i iP -= (2-2 或 50. 21. 0710i

22、iP -=(2-3或 80. 22. 2410i i P -= (2-4式中:N s 100KN 的单轴 -双轮组标准轴载的作用次数;P i 单轴 -单轮、 单轴 -双轮组、 双轴 -双轮组或三轴 -双轮组轴型 i 级轴载的总 重(KN ;n 轴型和轴载级位数;i N 各类轴型 i 级轴载的作用次数;i 轴 -轮型系数,单轴 -双轮组时, i =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 2.12.3计算结果列表如下:表 2.3 轴载换算计算表 则可知本

23、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 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:(136511ti n N =+-(2-5 其中, t =30, n 1=20648, =9.25% 。 则有(119488331910925. 010925. 02064836530=-+=i N 。 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

24、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 本公路为高速公路双向六车道,取 =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

25、·=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 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,

26、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

27、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 由表 2.7 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 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

28、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 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 180mm2.2.3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

29、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

30、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 。2.3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 ,水 泥稳定砂基层 0

31、.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 2.9 水泥混凝土面层厚度参考范围 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 同时可得相应的弯拉弹性模量如表 2.1

32、0所示。表 2.10 水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值 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 2.11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 (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

33、(MPa 由公路自然区划标准可知:辽宁大部分位于 II2a 辽河平原冻融交替副 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:100bx t x E E ah E E = (2-72211222212x h E h E E h h+=+ (2-812x x x D h E = (2-9(1233121122112211124x h h E h E h D E h E h -+=+ (2-100.4506.2211.51x E a E -=- (

34、2-11 0.55011.44x E b E -=- (2-12将数据代入上式,可解得:2222112222221213000.182000.187500.180.18x h E h E E M Pah h +=+(123312112211222133111240.180.1813000.182000.18111.7412413000.182000.18x h h E h E h D E h E h M n m -+=+ +=+= (112121.740.303750x x x D h m E = 0.450.4507506.2211.516.2211.513.70940x E a E -=-

35、=-= 0.550.55075011.4411.440.71340x E b E -=-=-= (10.713007503.7090.3034016840bx t x E E ah E M Pa E = 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 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

36、层板进行应力分析。复合式混凝土面层的截面总刚度 g D 。(233101202010210120210120212124c c c c g u c c E h E h h h E h E h D k E h E h +=+(2-13式中, u k 层间结合系数。分离式,取 u k=0 。 则有, (3333101202310000.28270000.1665.925121212c c g E h E h D M N m +=+=复合式混凝土面层的相对刚度半径 g r 。gr =(2-14 则有, (1.230.9g r m = 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 1ps ,

37、 2ps 。0.610110.07712c ps ggE h r D = (2-15则有, 0.610110.07712c ps ggE h r D =(0. 6310000. 280. 0770. 90. 7931265. 925M P a =(2020.620.50.0776c x u ps ggE h h k rD += (2-16则有, (2020.620.50.0776c x u ps g gE h h k r D +=(0. 6270000. 50. 160. 0770. 0. 395665. 925M P a =由公路水泥混凝土路面设计规范 (JTG D40 2002 ,标准轴载

38、 s P 在临界 荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算:s r f c psP k k k = (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rk =0.87;水泥稳定砂基层不设纵缝,不考虑接缝传荷能力的应力折减系数 r k 。 设计基准期内的荷载疲劳应力系数 f k 。vf e k N = (2-18式中:k f 设计基准期内的荷载疲劳应力系数; N e 设计基准期内标准轴载累计作用次数;v 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, v =0.057,普通混凝土水泥稳定砂和贫混凝土, v =0.065;对普通混凝土面层, 0.057

39、653767432.789v f e k N = 。 对于水泥稳定砂基层, 0.065653767433.221v f e k N = 。考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数 c k ,按公路等级查 表 2.14可得。表 2.14 综合系数 c k 由于本公路为高速公路,取 c k =1.30 。 普通混凝土面层的荷载疲劳应力计算为,(10.872.7891.300.7932.501pr r f c ps k k k M Pa =水泥稳定砂基层的荷载疲劳应力计算为,(23.2211.300.3951.654pr r f c ps k k k M Pa =2.3.5. 温度疲劳应力水

40、泥混凝土面层的最大温度梯度标准值 T g , 可按照公路所在地的公路自然 区划按表 2.15选用。表 2.15 最大温度梯度标准值 Tg 本公路位于 II2a 辽河平原冻融交替副区,最大温度梯度取 88 /m。 普通混凝土面层板长 4m , /4/0.94.44g l r =。混凝土面层厚度 0.28m 。 查公路水泥混凝土路面设计规范 (JTG D40 2002 附图,可得: Bx=0.41 , Cx=0.85 。分离式双层混凝土板上层的最大温度翘曲应力按下式计算:101112c c gtm x E h T B =(2-1911x x B B =(2-2001101022020.320.81

41、ln 2.51c c h E h h E h xC-+ = (2-21将数据代入上式,可解得:01101022020.28310000.280.320.81ln 2.50.320.81ln 2.50.16270000.1610.851.08c c h E h h E h xC-+ -+ =111.080.410.44x x B B =(510111110310000.28880.441.6822c c gtm x E h T B M Pa -=温度疲劳应力系数 t k 可按下式计算确定:c tmrt tmr f k a b f =- (2-22式中:a 、 b 和 c 回归系数,按所在地区的公

42、路自然区划查表 2.16确定。表 2.16 回归系数 a 、 b 和 c 本公路位于 II2a 辽河平原冻融交替副区,取 a=0.841, b=0.058, c=1.323 。1.3235.01.680.8410.0580.4191.685.0c tm rt tmr f k a b f =-=-= 在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算确定:tr t tm k = (2-23则有, (0.4191.680.7tr t tm k M Pa =分离式复合式路面中水泥稳定砂基层的温度翘曲应力可忽略不计。 由表 2.4可得高速公路的安全等级为一级,目标可靠度为95%,相应的变 异水平等级为低。再由表 2

43、.17可得可靠度系数 r r 。表 2.17 可靠度系数 r r 确定可靠度系数 r r =1.33 。水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂 作为设计的极限状态,其表达式采用下式计算:(r prtr rr f + (2-24普通混凝土面层为,(1.332.5010.74.265.0r prtr r M Pa M Pa=+=+=<水泥稳定砂基层为,(1.331.65402.204.0r prtr r M Pa M Pa=+=+=<因而,拟定的由厚度 0.28m 的普通混凝土上面层和厚度 0.16m 的水泥稳定 砂基层组成的分离式复合式路面, 可以承受设计基

44、准期内荷载应力和温度应力的 综合疲劳作用。2.4 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。2.4.1 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 2.3所示。 图 2.3 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 2

45、.18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 2.18 拉杆直径、长度和间距(mm 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 。2.4.2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 2.4所示。 图 2.4 横向施工缝构造图横向缩缝等间

46、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 2.5所示。 图 2.5 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 2.19选用。最外侧传力杆距纵 向接缝或自由边的距离为 200mm 。表 2.19 传力杆尺寸和间距(mm 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 。2.5水混凝土面层混合料设计2.5.1基本要求水泥混凝土混合料根据公路交通量

47、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。2.5.2 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:c s R K R =则有, (1.1555.75

48、c s R K R M Pa = (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:(/1.54920.4565/1.2618c j C W R R =+- (/1.04/1.38c j W C R R =-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 W 0取细度模数为 2.6,参考表 2.20得 Sp=32%;表 2.20 砂的细度模数与最优砂率关系 塌落度 h=5cm,由下列经验公式可计算:(086.8

49、93.7011.24/1.00p W h C W S =+代入数据得, Sp=162.15kg/m3>160kg/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 Y 0=359×0.0015=0.5385 kg/m3。(5计算单位水泥用量 C 0C 0=W0(C/W =150.8×2.2026=332.15 kg/m3考虑到施工的波动,增加水泥用量 C=7.85 。取 C 0=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