道路工程毕业设计计算书

摘要
根据设计任务书提供的设计资料和设计要求以及交通部颁发的标准和规范对怀化至通道高速公路K176+500-K178+500段提供了路基路面综合设计。

此次设计主要内容包括：路线设计、路基、路面设计，英文翻译，计算机程序编制。

根据提供的路线原始资料，考虑土石方填挖平衡、最大纵坡、最小纵坡、坡长、高程控制点等因素进行纵断面设计,由此结合平面图进行横断面设计。

根据设计段内的地形状况，设置了边沟、截水沟、排水沟、圆管涵等排水设施。

同时，进行挡土墙设计计算和防护工程设计,设置挡土墙，采用植草皮等形式进行边坡防护。

高填路堤路段采用修筑挡土墙的方法收缩坡脚，减少填方，增加路堤边坡稳定性；用毕肖普法进行了边坡稳定性验算。

设计进行了沥青混凝土路面的设计和水泥混凝土路面的设计，由给定的交通量等条件，按照路面结构组合设计的原则，选用不同路面结构层厚度和材料进行结构设计验算。

通过本次毕业设计，在专业知识方面得到了综合训练和提高，增强了独立分析问题和解决问题的能力。

关键词：高速公路、路基设计、路面设计、综合设计
ABSTRACT
According to the design information, demands of the design task instrument, the technical standards and specifications for highway design published by the Ministry of Communications of China, the comprehensive design of highway subgrade and pavement from K178+500 to K178+500 has been carried out based on the data of Huaihua—Tongdao expressway in HuNan province.
Our prime contents of the design project includes highway vertical alignment,the design of pavement, translating an English article into Chinese, and compile a simple computer programme. According to route firsthand information that is offered ,we must onsider the balance between the diging of filling out,heavy vertical slope, minimum vertical slope, the longth of slope, high control point,etc. During designing the vertical section, and combine the plane figure and design the cross section. According to the condition of climate district and remitting calculation water of quantity, set up side ditch, intercepting ditch, round culverts, cover pulls culverts etc. Meanwhile, do block design of wall of soil calculate and protect engineering design , set up the retaining wall to go on, adopt plant turf to protect the slope ,etc. In high embankment highway section, shrink slope foot by building the retaining wall, reduce the filling, increase the slope stability; make use of BISHOP to follow the checking stability calculation. Do the design which has carried on the pitch concrete road surface and design of the cement concrete road surface by giving volume of traffic definitely terms, according to the design principle of the road surface structure, select for different road surface structure layers of thickness and material then carry on structural design checking computations.
Through the graduation project, the specialized knowledge has been comprehensively applied and improved and the ability to analyse and solve problems on our own hai been enhanced.
Keyword：expressway; roadbed design; pavement design; integrated design；
目录
第一章线形设计 (6)
1.1平曲线的计算 (6)
1.1.1平曲线要素的计算 (6)
1.1.2各主点桩号的计算 (6)
1.1.3 逐桩坐标表 (7)
1.2竖曲线的计算 (10)
1.2.1 竖曲线要素的计算 (10)
1.2.2 竖曲线要点桩号及高程的计算 (11)
第二章路堤边坡稳定性分析 (13)
2.2 计算分析 (15)
第三章挡土墙设计 (23)
3.1 设计资料 (23)
3.1.1墙身构造 (23)
3.1.2土壤地质情况 (24)
3.1.3墙身材料 (24)
3.1.4车辆荷载换算 (24)
3.2 墙背土压力计算 (24)
3.2.1 破裂面计算 (24)
3.2.2 验算破裂面是否交于荷载内 (25)
3.2.3 主动土压力计算 (25)
3.2.4 主动土作用点位置确定 (25)
3.3 墙身截面性质计算 (25)
3.3.1 截面面积 (25)
3.3.2 各截面重心到墙趾的水平距离 (26)
3.4 墙身稳定性验算(分项安全系数法) (26)
3.4.1抗滑动稳定性验算 (26)
3.4.2 抗倾覆稳定性验算： (27)
3.4.3 基底应力及合力偏心距验算 (27)
3.4.4 地基承载力抗力值验算 (28)
3.4.5 墙身截面强度计算 (28)
3.4.6 正截面直接受剪验算 (29)
第四章排水设计 (30)
4.1 气候与地质条件介绍 (30)
4.2 边沟的设计 (30)
4.3 设计流量的确定与验算 (30)
4.3.1 计算汇水面积和径流系数 (30)
4.3.2 计算汇水历时 (31)
4.3.3 计算降雨强度 (32)
4.3.4 计算设计径流量 (32)
4.3.5 汇流历时检验 (32)
4.3.6 冲淤检验 (32)
第五章水泥混凝土路面 (34)
5.1 水泥混凝土路面设计总则 (34)
5.2 结构组合设计原则 (34)
5.2.1路基 (34)
5.2.2 垫层 (34)
5.2.3 基层 (34)
5.2.4 面层 (35)
5.2.5 路肩 (35)
5.3 交通量计算 (36)
5.4 交通参数分析 (37)
5.5 方案设计与验算 (37)
5.5.1 方案一 (37)
5.5.2 方案二 (43)
5.5.3 方案三 (50)
5.6 水泥混凝土路面结构设计及方案比选原则与总结 (56)
第六章沥青混凝土路面设计 (58)
6.1 据交通量确定累计标准轴次 (58)
6.2 方案一：半刚性 (60)
6.2.1 假定路基为干燥状态 (60)
6.2.2假设路基为中湿状态 (62)
6.2.3假设路基为潮湿状态 (64)
6.3.方案二：柔性基层 (65)
6.3.1：假设路基为干燥状态 (65)
6.3.2：假设路基为中湿状态 (67)
6.3.2：假设路基为潮湿状态 (69)
6.4方案三：组合路基 (71)
6.4.1：假设路基为干燥状态 (71)
6.4.2：假设路基为中湿状态 (73)
6.4.3：假设路基为潮湿状态 (75)
6.5.1 基层比选： (77)
6.5.2 面层比选 (78)
6.5.3经济上比较 (79)
6.5.4 沥青路面方案比选表 (80)
第七章程序设计 (81)
外文文献译文 (83)
参考文献 (84)
致谢 (85)
第一章 线形设计
1.1平曲线的计算
1.1.1平曲线要素的计算
已知： JD4 圆曲线半径R=1000m ，转角1α=42º53ˊ05.3〞(右)；曲线总长
m R L L 48.998180=︒
⨯⨯=
=π
α圆总；Ls=250m 。

计算：
β0=28.6479×Ls/R=7.162，q=Ls/2=125m ，p=Ls ²/24R=2.604m ， 外距m R R E 158.772
sec
=-⨯=α
；
曲线总长L h =(α-2β0)Rπ/180+2Ls =998.481 切线长；T=(R+p)×tgα/2+q =518.707 切曲差m L T J 634.382=-=总。

1.1.2各主点桩号的计算
已知： JD1桩号为： K177+865.720； 计算：
直缓点桩号为ZY=JD-T= K177+846.253； 缓圆点桩号为HY=ZH+L S1= K177+347.013 曲中点桩号为QZ=ZY+L 总/ 2= K177+846.253； 圆缓点桩号为HY=ZH+L S1= K178+095.494 圆直点桩号为YZ=ZY+Ls= K178+345.494。

1.1.3 逐桩坐标表
1.2竖曲线的计算
1.2.1 竖曲线要素的计算
已知：第1变坡点：K175+996.079，高程：452.3568m，竖曲线半径R1=21000m，
i 1= 2.209%， i
2
=-0.748%，为凹形曲线；
第2变坡点：K176+980，高程：445m，竖曲线半径R
2
=10000m，i
1
=-0.748%，i
2
=2.166%，
为凸形曲线；
第3变坡点：K177+857.213，高程：464m，竖曲线半径R
2=30000m，i
1
=2.166%，
i
2=-0.623%，为凸形曲线；
计算得：
竖曲线一：0%847.11212>+=-=i i w ，为凸形曲线，曲线长m w R L 008.6181211=⨯=；切线长m L T 310.504211==；外距m R T E 2.29621
211==。

竖曲线二： 同理求得：曲线长切线长L 2=291.366m ；T 2=145.683m ，外距E 2= 1.061m 。

竖曲线三： 同理求得：曲线长切线长L3=836.472m ；T3= 418.236m ，外距E3= 2.915m 。

1.2.2 竖曲线要点桩号及高程的计算 竖曲线一：
起点桩号= K175+685.575－T 1=K175+685.575； 终点桩号= K175+685.575＋T 1=K175+996.079； 变坡点对应桩号设计高程=450.061； 竖曲线一起点设计高程=442.364m ； 竖曲线一终点设计高程=448.973m 。

竖曲线二：
起点桩号= K176+834.317； 终点桩号=K177+125.683；
变坡点二对应桩号设计高程=445+E 2=456.062m ； 竖曲线二起点设计高程=441.671； 竖曲线二终点设计高程=454.639m 。

竖曲线 三：
起点桩号= K177+438.977； 终点桩号=K178+275.449；
变坡点三对应桩号设计高程=461.085m ； 竖曲线三起点设计高程=453.950m ； 竖曲线三终点设计高程=460m 。

第二章 路堤边坡稳定性分析
2.1 边坡资料：
本路段中填方路堤K177+960横断面为最高路堤，所以路堤边坡稳定性验算采用此断面为验算对象。

此横断面高19.03m ，路基宽度24.5米，边坡坡度采用1：1.5 和1：1.75，路堤填土为粘性土，，根据《公路路基设计手册》取土粘聚力kpa C 251=，填土容重
31/18γm kN =，内摩擦角为35°，根据《公路工程技术标准》(JTGB01—2003)，高速公
路的汽车荷载等级为公路Ⅰ级，其分析过程如下： 2.1.1. 把汽车荷载换算成土柱高(当量高度)。

按公式换算土柱高度为
BL
NQ
h γ=
0 公式中：L ——纵向分布长度(等于汽车后轴轮胎的总距)，L=12.8m B ——横向分布车辆轮胎最外缘间总距。

B
N b
N 1
m
d
其中：N 为车辆数为3；m 为两辆车后轮的中心距离，取1.3m ；b 为后轮轮距，为1.8m ；
d 为轮胎的着地宽度，取0.6，则：B=12.8m
故
h 0=0.8238m H = 19.03
其中h 0为荷载的换算高度，H 为荷载均匀分布于路基时路堤坡脚至荷载顶面的高度。

2.1.2确定滑动圆心辅助线EF 。

用4.5H 法确定滑动圆心的辅助线。

边坡坡度为30°由《路基设计手册》表1-2-14 得
1
＝26°， 2＝35°据此作AF 、BF 线交于F 点；再在坡脚下H 处的C 点及沿水平线4.5H
处得E 点，连EF 线得最危险滑弧圆心位置的辅助线，见图2-1
图2-1 4.5H 法确定滑动圆心辅助线示意图
2.1.3 用简化毕绍普法求稳定系数Fs
通过计算选中的五个圆心点对应的安全系数Ki ，得到最小值K 和对应的圆心点，再进行验算。

计算Ki 时，采用简化bishop 法，并假设滑动面通过坡脚。

简化bishop 法需要迭代，先假设一个K 值进行反复带入计算(具体迭代过程见表)。

简化毕肖普法的计算公式如下：
ai
ti
i ti i ti i m tg Q W b c K ϕ)(++=
i i ai a k
a m cos tan sin +=
ϕ
式中： K ——安全系数； W i ——各土条重，KN ； c ——填土的粘聚力，KPa ； b i ——各土条宽度，m ；
h i ——各土条高度，包括堤顶车辆荷载的换算土柱高度。

用迭代法求解安全系数K 计算步骤为：先假定一个K 1 值，代入公式的右边，计算出K 2；再将K 2 代入公式的右边，计算出K 3 ……，如此反复迭代，直至K n+1≈K n 为止；
2.2 计算分析
其计算过程为：
(1)在圆心辅助线上取圆心点O1，作半径为R1=42.35m 的圆弧滑动面，对滑动面范围内的土体按断面形式将滑动面分为10个土条，如图2-2验算其稳定性，计算结果见表2-1
图 2-2 圆心为O1时的滑动面
(2)在滑动圆弧圆心辅助线上取同一圆心点O2，作半径为R2=39.84m 的圆弧滑动
面，按断面形式将滑动面分为10 个土条，如图2-3 验算其稳定性，计算结果见表2-2。

图2-3 圆心为O2 的滑动面示意图
(3)在滑动圆弧圆心辅助线上取同一圆心点O3，作半径为R3=38.01m 的圆弧滑动
面，按断面形式将滑动面分为11个土条，如图2-4 验算其稳定性，计算结果见表2-3。

图2-4 圆心为O2 的滑动面示意图
(4)在滑动圆弧圆心辅助线上取同一圆心点O4，作半径为R4=36.7m 的圆弧滑动面，按断面形式将滑动面分为10 个土条，如图2-5 验算其稳定性，计算结果见表2-4。

综合上述分析，得出K 值曲线图如下。

通过比较，过坡角的六个滑动面中Fs 最小的是过圆心O3 画的弧所得滑动面，Fs(min)= Fs3=1.402。

所以，最不利滑动面圆心为O3；滑动半径R3= 40.01m。

滑动安全系数Fs3= 1.402>[Fs]=1.25，所以验算的K177+960m 处的边坡处于稳定状态。

表2-1
表2-2
表2-3
表2-4
第三章挡土墙设计
3.1 设计资料
挡土墙是支撑路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的构造物。

为了收缩边坡坡脚，防止陡坡路堤下滑，设置路堤挡土墙，同时也避免与其它建筑干扰或者多占农田。

设计验算挡土墙时需要计算其所受土压力，一般为主动土压力。

而库伦理论本来只考虑不具有粘聚力的砂性土的土压力问题。

当墙后填料为粘性土时，土的粘聚力对主动土压力的影响很大，因此应考虑粘聚力的影响。

采用等效内摩擦角：通常将内摩擦角φ和单位粘聚力c，换算成比φ值大的等效内摩擦角φ
，按砂性土的公式
D
来计算土压力。

但是影响土压力数值的因素是多方面的，不能用上述方法
确定一个固定的换算关系或固定的换算值。

用上述方法换算的内摩擦角，
只与某一特定的墙高相适应，对于矮墙偏于安全，对于高墙则偏于危险。

3.1.1墙身构造
本设计任务段中K178+100～K178+220的左侧设置了俯斜式路堤挡土墙，以收缩坡脚，减少占地，减少填方量，增强路基的稳定性，现取K178+180截面的左侧进行挡墙设计计算，其断面尺寸如图3-1所示：
拟采用浆砌片石俯斜式路堤墙，墙高H=9.4米，墙顶填土高a =3m，顶宽2.8米，底水平宽5米，墙背府斜，坡度为1：0.2故(a=arctan (0.2/1)=11.94°)，墙面垂直，基底倾斜，坡度为1：5故(a
=arctan(0.2)= 11.31°)，路基边坡角β=33.69°故b=4.5m。

设计荷载公路I级。

由于经典库伦理论只考虑不具有粘聚力的砂性土的土压力问题。

因
此计算粘性土土压力时采用等效内摩擦角法，取其等效内摩擦角进行计算。

3.1.2土壤地质情况
填土为粘性土，土的粘聚力C=25KPa ，其等效内摩擦角φ=35°，墙背与填土间的摩擦角δ=φ/2= 17.5°，容重为γ=18kN m 3。

粘性土地基容许承载力[]=0σ350Kpa ，基底摩擦系数μ取0.4。

3.1.3墙身材料
采用7.5 号砂浆，25 号片石，砌体容重为γk =23KN/ m 3 查《规范》得砌体容许压应力为[]=a σ600KPa ，容许剪应力为[]=τ100KPa ，容许拉应力为[]wl σ＝60KPa 。

3.1.4车辆荷载换算
根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)，为计算的方便车辆荷载，可简化换算为路基填土的均布土层，并采用全断面布载。

换算土层厚：
(10-2)/(20-10)=(10-8)/(q -10) 解得：q=11.667 h 0
q/γ=11.667/18=0.648m
式中，q 为附加荷载强度，γ为墙后填土容重γ=18kN/ m3
3.2 墙背土压力计算
对于墙趾前土体的被动土压力Ep ，在挡土墙基础一般埋深的情况下，考虑到各种自然力和人畜活动的作用，以偏于安全，一般均不计被动土压力，只计算主动土压力。

3.2.1 破裂面计算
假设破裂面交于荷载中部，则：
A0=1/2(a+H+2h0)(a+H)=1/2(3+9.4+2×0.648)(3+9.4)=84.915
B0=1/2ab+(b+d)h0-1/2H(H+2a+2h0)tana =1/2×3×4.5+(4.5+0.75)×0.648-1/2×9.4(9.4+2×3+2×0.648)tan11.97°=-6.485
()(
)Bo
tg tg ctg tg tg Ao
θψϕψψ=-±++
=0.54
其中ψ=40.56°′ 破裂角θ=28.18
3.2.2 验算破裂面是否交于荷载内
堤顶至墙踵的距离：(H+a)tanθ=(9.7+3) ×0.54=6.7m
荷载内缘至墙踵的距离：-Htan a+b+d=-9.4×0.2+4.5+0.75=3.37 荷载外缘至墙踵的距离：
-Htan a+b+d+ l0 =-9.4×0.2+4.5+0.75+11.5=14.87
3.37＜6.7＜1
4.87 假设满足要求。

3.2.3 主动土压力计算
Ea=γ(A0tanθ- B0)cos(θ+)/sin(θ+)
=18×(84.915×0.54+6.485)cos63.18°/sin63.18°=476.304KN
cos()x E E αδ=+=476.304×cos(11.31+17.5°)=417.348KN sin()y E E αδ=+=476.304×sin(11.31+17.5°)=229.534KN
3.2.4 主动土作用点位置确定
h1=d/(tanθ+ tan a )=0.75/(0.54+0.20)=1.014m
h2=(b-atanθ)/(tanθ+ tan a )=(4.5-3×0.54)/(0.54+0.20)=3.892m h3=H- h1- h2=9.4+1.014-3.892=6.522m
Z y =[H ³+a(H ²-3h1H+ h2²)+3 h0h3²]/3×(H ²+2aH-ah1-2 h0h3) =[9.4 ³+3×(9.4 ²-3×1.014×9.4+3.892 ²)+3×0.648×6.522 ²]/[3×(9.4²+2×3×9.4-3×1.014-2×0.648×6.522)] =2.846m
Z x =B- Z y tan a=5-2.846×0.2=4.43m 3.3 墙身截面性质计算 3.3.1 截面面积 A1=26.47m ² A2=9.37m ² A3=2.36m ²
ΣA=A1+A2+A3=38.1m ² 3.3.2 各截面重心到墙趾的水平距离 X1=1.4m X2=3.46m X3=3.26m
∴ 墙身重心到墙趾的水平距离为
i i
g i
A X Z A
=
∑∑=(26.47×1+9.37×3.46 +2.36×3.26)/38.1=1.607m
墙身重力：G=γk ΣAi=23×38.1=876.3KN
3.4 墙身稳定性验算(分项安全系数法)
3.4.1 抗滑动稳定性验算
验算采用“极限状态分项系数法”。

滑动稳定方程：
[0.9G+γQ1(Ey+Extanα0)]μ+(0.9G+γQ 1Ey)tanα0-γQ 1Ex =[0.9×876.3+1.4×(229.534+417.348×0.25)]
×0.4+(0.9×876.3+1.4×229.534) ×0.25－1.4×417.348+0.5×0=195.653＞0
抗滑稳定性系数：
N=(GγG +γQ1E y -W)cos a 0+γQ1E x sin a 0
=(876.3×1.2+1.4×229.534-0)cos11.31°+1.4×417.348sin11.31° =1460.835KN Kc 0000
cos sin sin sin [G αE (ααδ)]μ
E (ααδ)G α+++=
++-
={[1460.835+(417.348-0) ×0.2] ×0.39+0}/(417.348－1460.835×0.2) =4.811＞[Kc]=1.3 ∴ 所以抗滑稳定性满足要求。

3.4.2 抗倾覆稳定性验算： 验算采用“极限状态分项系数法”。

倾覆稳定方程：
0.8GZ G +γQ1(E y Z x -E x Z y )+ γQ2E p Z p ＞0
=0.8×876.3×1.607+1.4×(229.534×4.43-417.348×2.846)+ 0 =859.303＞0
0g y x
x y
G Z E Z K E Z ⨯+=
=(876.3×1.607+229.534×4.43)/(417.348×2.846) =2.042>[K 0]=1.5
∴ 所以抗倾覆稳定性满足要求 3.4.3 基底应力及合力偏心距验算
为了保证挡土墙基底应力不超过地基承载力，应进行基底应力验算；同时，为了避免挡土墙不均匀沉陷，控制作用于挡土墙基底的合力偏心距。

(1) 轴心荷载作用时：p=N/A
N1=(GγG+γQ1Ey -W)cos a0+γQ1Exsin a0
=(876.3×1.2+1.4×229.534-0)cos11.31°+1.4×417.348sin11.31° =1460.835KN
所以：p=N/A=1460.835/(5.1×1)=286.438KPa＜[]=0σ350Kpa 式中：A=B×1(B 为倾斜基底宽度：B=5.0/cos11°18′=5.1m，P 为基地平均压应力，N1为每延米作用于基地的总竖向设计值(KN)故基础地面压应力满足要求。

(2)偏心荷载作用时： 作用于基底的合力偏心距 ∵ e 01
M
N =
=0.05 | e 0|=0.05<B/6= 0.85
M=G×(Zg -B/2)+Ey(Zx-B/2)-ExZy= -876.3×(1.607-5.1/2)+ 229.534 ×(4.43 -5.1/2)- 417.348×2.846=70.102kN·m N1=(GrG+ rQ1Ey)cosα0+rQ1Exsinα0=1460.835 (N)
则：∴ Pmax 161N e
()A B =+=303.288KPa)<[σ0]=350(KPa) Pmin 161N e
()A B
=
-=269.585(KPa)<[σ0]=350(KPa) 其中A=B×1.0=5.1×1=5.1m 2
故偏心距与基底应力均满足要求。

3.4.4 地基承载力抗力值验算
当挡土墙的基础宽度大于3m ，或埋置深度大于0.5m 时，除岩石地基外，地基承载应力抗力值按下式计算：
1122(3)(0.5)k f f k b k h γγ=+-+-
=350+0.3×18×(5.1-3)+1.6×18×(1.5 -0.5)=390.14KPa 式中：f —地基承载应力抗力值； f k —地基承载应力标准值； 1k 取0.3，2k 取1.6
(1) 轴心荷载作用时，P =286.438 KPa ＜390.14KPa (2) 当偏心荷载作用时，Pmax=303.288KPa ＜390.14KPa 故地基承载力抗力值符合要求。

3.4.5 墙身截面强度计算
查《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)表5.4.4-1，抗力分项系数γk=2.31
αK=
2
080)(121)
(
2561B
e B e +-=0.998，为轴向力偏心影响系数。

K K
K
αAR γ=2205.58 Nj=γ0(γGNG+γQ1NQ1+∑γQiψCiNQi)=1.05×(1.2×417.438+1.4×229.534+0) =863.387KN＜2205.58KN 故墙身强度满足要求。

稳定计算，要求：j Q ≤
k
j
j R A γ1N f m + 。

查《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)表5.4.4-3，与材料有关的系数 αs =0.002
βS =B
H
2=(2×9.4)/5.1=3.686 ψK 2
01
13116S S S αβ(β)[(e /B)]
=
+-+ =1÷{[1+0.002×3.386×(3.386-3)]×[1+16×(0.05/5.1) ²]} =0.996
γ0 N d = 2196.452KN 故稳定性满足要求。

3.4.6 正截面直接受剪验算 要求：j Q ≤
k
j
j R A γ1N f m +
其中， j Q =E x =417.348KN
A j R j /k γ1N f m +=(4.43×90) ÷2.31+0.42×1460.835=786.148KN＞Q j 式中： Q j —正截面剪力(KN) A j —受剪截面面积(m ²)
R j —砌体截面的抗剪截面强度(kpa) f m —摩擦系数，f m =0.42。

故：抗剪满足要求。

综上分析计算，所设计挡土墙的抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、基底应力及合力偏心距、截面应力等安全系数的验算，均满足要求。

挡土墙最终截面按照拟定设计。

第四章排水设计
4.1 气候与地质条件介绍
本路线区域属问亚热带，气候温和湿润，雨量充沛。

4~8月为雨季，历年平均
降水量1326.3~1468.4毫米。

历年平均蒸发量1379.02~1390.03毫米，历年平均相对湿
度80~83﹪，潮湿系数0.96~1.05，为湿度适中带~湿度充足带.极端最低气温-8.5°C，
7~8月份气温最高，平均27.6~27.8°C，极端最高气温39.9°C.12月至翌年3月为雪期，全年有霜期80~90天.本段基岩主要为白垩系中统。

白垩系上统岩性主要为粉砂岩
与粉质粉砂岩互层局部夹少量细砂岩。

本合同段地下水一般贫乏，对边坡稳定影响不大，综合来看，本合同段场地稳定性较好。

4.2 边沟的设计
在K89+500至K89+700之间的左侧挖方段为挖方最大汇水面积段，本次设计以沥青混
凝土路面为例。

粘性土土路堑(坡度为1：0.5，坡面水流长度为8.945m)，路基宽度24.5m，取侧路面和路肩横向排水宽度为11.25m，路拱横坡为2%，在纵断面方面，此处纵坡
i=0.802%，边沟坡脚和路肩边缘间设置梯形边沟。

计算简图如图1。

图一
4
.3
设
计
流
量
的
确
定与验算
4.3.1 计算汇水面积和径流系数
由图一计算汇水区域在路堑一侧(由平台沟到边坡平台)的面积A
=2237.2m2由于坡
1
面上采用植草防护，则由《公路排水设计规范》得坡面径流系数取C 1=0.5。

汇水区域在边沟平台上的面积A 2=147.03m 2，取坡面径流系数(浆砌片石护面)C 2=0.4，汇水区域在路面一侧(公路路中线到边沟)的面积为A 3=1482.19m 2，由表查得沥青路面径流系数为C 3=0.95。

由此，总的汇水面积为F=3718.66m 2，汇水区的径流系数为C=(2237.2×0.5+147.03×0.4+1482.19×0.95)/3718.66=0.695
4.3.2 计算汇水历时 由克毕公式467.0s
s
11)i L m (
*445.1t =计算坡面汇流历时，
式中：L s 为坡面长度；i s 为坡面坡度； t 1为坡面汇流历时； m 1地表粗糙系数；
由表查得草皮防护路堑边坡的粗度系数m 1=0.4，且路堑坡度为1：0.5，得路堑坡面汇流历时t 1=1.445×[(0.4×23.42) /1.19
=3.858min
由表查得边沟平台(浆砌片石护面)的粗度系数m 1=0.02，横向坡度为2%，则
m in 700.0)0.02
.510.02(
*445.1t 467
.01=⨯= 查表得沥青混凝土路面粗糙系数为m 1=0.013，横坡2%，坡面流长度为12.25m ，所以历时时间为 1.527min )02
.012.250.013(
445.1t 467
.01=⨯⨯=。

因此取坡面汇流历时t 1=3.858min(取最大值)。

设边沟底宽为0.6m ，高0.6m ，两边坡度为1：1，以浆砌片石砌筑，沟壁粗糙系数n=0.025。

设计水深为0.5m 。

求得过水断面段面积为A=1/2×(1.6+0.6)×0.6=0.55m 2，水力半径为R=0.4/[0.6+0.4×
]=0.273m 。

按曼宁公式，得沟内平均流速为：
=1.33m/ s
因此沟内汇流历时为：t2=L/V=105.494/1.33=1.332min 。

由上可得汇流历时为。

t= t1+ t2=3.858+1.332=5.19min
4.3.3 计算降雨强度
据设计手册，高速公路路界内坡面排水设计降雨重现期为15年。

求设计重现期和降雨历时内的降雨强度(mm/min)，由于公路在湖南通道至怀化境内，查《公路排水设计规范》，图3.0.7-1，可得湖南吉首至怀化境内5年重现期和10min降雨历时的标准降雨强度为q5，10=2.5，查《公路排水设计规范》表3.0.7-1 可知该地区15 年重现期期转换系数Cp=1.27，查《公路排水设计规范》图3.0.0-2 得该地区60min 降雨强度转换系数
C60=0.45，查《公路排水设计规范》表3.0.7-2 查得5min 降雨量的转换系数Ct=1.25，则：降雨强度I= c p c t q5,10=1.27×1.25×25=4mm/min
式中：q5，10为5年重现期和10min降雨历时的标准降雨强度，
Cp为重现期转换系数，
Ct为降雨历时转换系数。

4.3.4 计算设计径流量
可按降雨强度由推理公式确定：F
16
⨯
⨯
=，
Q⨯
I
C
67
.
式中：Q---设计径流量；
C---径流系数；
F--汇水面积(Km2)
所以：Q=16.67×0.695×4×3718.665×10-6=0.248m3/s。

4.3.5 汇流历时检验
根据4.3.2 中对边沟的假设，得出过水断面为底宽0.6m，水深0.5m，断面积为
0.55m2，
则泄水能力Qc=0.55×1.33=0.732m 3 /s。

因为设计径流量Q=0.248m3/s<泄水能力Qc=0.732m3/s，所以假定的边沟尺寸符合要求。

4.3.6 冲淤检验
排水沟的平均流速应使水流在设计流量条件下不产生冲刷和淤泥。

为此，应保证设计流速在最大和最小允许流速范围内。

对于浆砌片石边沟，最大允许速度为3.0m/s，由于水深不大于0.4m，则修正系数为0.85，故修正最大允许流速为2.55m/s，而最小允许速度0.4m/s。

对于平均流速V=1.33m/s在最大与最小范围内，故满足冲淤检验。

故：满
足冲淤检验。

第五章水泥混凝土路面
5.1 水泥混凝土路面设计总则
水泥混凝土路面设计方案，应根据公路的使用任务、性质和要求，结合当地气侯、水文、土质、材料、施工技术、实践经验以及环保要求等，通过技术经济分析确定。

水泥混凝土路面设计应包括结构组合、材料组成、接缝构造和钢筋配制等。

水泥混凝土路面结构应按规定的安全等级和目标可靠度，承受预期的荷载作用，并同所处的自然环境相适应，满足预定的使用性能要求。

水泥混凝土路面设计除应符合公路水泥混凝土路面设计规范外，尚应符合国家现行有关标准的规定。

5.2 结构组合设计原则
5.2.1路基
路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承。

高液限粘土及含有机质细粒土，不能用做高速公路和一级公路的路床填料或二级和二级以下公路和上路床填料；高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于3％的低液限粘土，不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。

因条件限制而必须采用上述土做填料时，应掺加石灰或水泥等结合料改善。

5.2.2 垫层
遇有下述情况时，需在层基下设置垫层：
(1)季节性冰冻地区，路面总厚度小于最小防冻厚度要求时差值应以垫层厚度补足；
(2)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；
(3)路基可能产生不均匀沉降或不均匀变形时，可加设半刚性垫层。

垫层的宽应与路基同宽，其最小厚度为150mm。

防冻垫层和排水垫宜采用砂、砂砾等颗粒材料。

半刚性垫层可采用低剂量无机结合料稳定粒料或土。

5.2.3 基层
基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。

基层类型宜依照交通等级按表4.3.2
选用。

混凝土预制块面层应采用水泥稳定砂粒基层湿润和多雨地区，路基为低透水性细粒土的高速公路和一级公路或者承受特重或重交通的二级公路，宜采用排水基层。

排水基层可选用多孔隙的开级配水泥稳定。

碎石、沥青稳定碎石或碎石，其孔隙率约为20％。

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。

碾压混凝土基层应设置与混凝土面层相对应的接缝。

贫混凝土基层在其弯拉强度超过1.8MPa时，应设置与混凝土面层相对应的横向缩缝；一次摊铺宽度大于7.5m时，应设置纵向缩缝。

基层下未设垫层，上路床为细粒土、粘土质砂或级配不良砂(承受特重或重交通时)，或者为细粒土(承受中等交通时)，应在基层下设置底基层。

底基层可采用级配粒料、水泥稳定砂粒或石灰粉煤灰稳定砂粒，厚度一般为200mm。

5.2.4 面层
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。

面层一般采用设接缝的普通混凝土；面层板的平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路等有可能产生不均匀沉降时，应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。

横向接缝的间距按面层类型和厚度选定：
(1)普通混凝土面层一般为4～6m，面层板的长宽不宜超过1.30m，平面尺寸不宜大25m2；
5.2.5 路肩
路肩铺面结构应具有一定的承载能力，其结构导线组合和材料选用应与行车道路面相协调，并保证进入路面结构中水的排除。

路肩铺面可选用水泥混凝土面层或沥青面层。

路肩水泥混凝土面层的厚度通常采用与行车道面层等厚，其基层宜与行车道基层相同。

选用薄面层时，其厚度不宜小于150mm，基层应采用开级配粒料。

路肩沥青面层宜选用密实型沥青混合料。

5.3 交通量计算
怀化至通道K176+500~K178+500段，在自然区划上属于Ⅳ
区。

拟新建一条高速公
5
路，双向四车道，交通量年平均增长率为8.7%。

表5-1 设计日通过标准轴载作用次数计算表
单轴和小于80KN 的双轴略去不计；方向分配系数为0.5，车道分配系数为0.8故有：= 1897.1×0.5×0.8=758.84 (次)
N
s
5.4 交通参数分析
由《水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2002)中表A.2.2查得取轮迹横向分布系数为η=0.22，查规范表3.0.1，设计基准期30年。

可计算得到设计年限内标准轴载累计作用次数N e 为：
)(357038722.0087.0365]1)087.01[(84.758365]1)1[(30次=⨯⨯-+⨯=⨯⨯-+=ηr t r e g g N Ne
使用年限内标准轴载作用次数∈ (100×104，2000×104)，属于重交通等级。

5.5 方案设计与验算
按设计要求，根据路基的干湿类型，设计三种方案如下： 5.5.1 方案一 I. 路基为干燥状态： (1)初拟路面结构
查《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)表5-1，初拟普通混凝土面层厚度为h=0.24m ，基层为h 1=0.1m 的沥青稳定碎石，底基层为h 2=0.19m 的水泥稳定碎石(4%)。

普通混凝土面层板的平面尺寸为长4.0m 、宽从中央分隔带至路肩依次为4m 、4m 、3.25m 。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

(2)路面材料参数的确定
1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量
取普通混凝土面层的弯拉强度标准值f r =5.0Mp ，相应弯拉弹性模量标准值为E c =31GPa
2、土基的回弹模量
参照附录F.1，路基回弹模量取E 0=42MPa ，ATB-25基层回弹模量取E 1=700MPa ， 水泥稳定碎石(4%)底基层回弹模量取E 2
=1500MPa 。

计算基层顶面当量回弹模量如下：
MPa h h E h E h 46.132619.01.0150019.07001.02
22222
2122
2121=+⨯+⨯=++=x E 1
221122123
213
1)
11(4)(1212-++++=h E h E h h E h E h D x
1233)19
.0150011.07001(4)19.01.0(12150019.0127001.0-⨯+⨯++⨯+⨯=
m MN ⋅=10.2
)(27.046.1326/1.212/1233m E D x x =⨯== h x
23.4)4246.1326(51.1122.6)(51.1122.645.045.00=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-=--E E x a 78.0)42
46.1326(1441)(
44.1155
.055.00=-=-=--E E x b MPa E E E ah x b
x 34.199)42
46.1326(4227.023.4)(
3
/178.03/100=⨯⨯⨯==t E 普通混凝土面层的相对刚度半径
)(69.034.991/3100024.0537.0/537.033m E E h t c =⨯⨯==r
(3) 荷载的疲劳应力
标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为
MPa h r ps 07.124.0751.0077.0077.026.026.0=⨯⨯==--σ
因纵缝为设拉杆平头缝，取应力折减系数为88.0=r K 。

由表B.1.2，路面疲劳损坏影响的综合系数30.1=c K 设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数：
36.25703873057.0===v
e f N K
，得疲劳应力计算为
MPa K K K ps c f r pr 90.207.1.03.136.288.0=⨯⨯⨯==σσ
(4)温度疲劳应力
怀化至通道K176+500~K178+500段，在自然区划上属于Ⅳ5区，最大温度梯度取：
m C T o g /88=，板长m l 4=，77.5751.0/4/==r l ，由图B.2.2查得普通混凝土板厚
h=0.24m ，B x =0.56
最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为
MPa B hT E x g
c c tm 83.156.02
24.0883********
5=⨯⨯⨯⨯⨯==
-ασ
温度疲劳应力系数为t K ，按式(B.2.3)计算为
502.0038.0)583.1(837.083.15)(323.1=⎥⎦⎤
⎢⎣
⎡-⨯⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=
b f a f
c t tm tm r t σσK 计算温度疲劳应力为
MPa K tm t tr 92.083.1502.0=⨯==σσ
查表3.0.1，高速公路的安全等级为一级，相应的变异水平等级为低，目标可靠度为95%。

在查表3.0.3，确定可靠度系数为3.1=t γ
MPa f MPa r tr pr t 0.597.4)92.090.2(3.1)(=≤=+⨯=+σσγ
因此，所选的普通混凝土面层厚度为h=0.24m ，基层为h 1=0.1m 的ATB-25，底基层为h 2
=0.19m 的水泥稳定碎石(4%)构成的路面结构可以承受设计基准期内的荷载应力
和温度疲劳应力的综合疲劳作用。

Ⅱ.假定路基为中湿状态： (1)初拟路面结构
查《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)表5-1，初拟普通混凝土面层厚度为h=0.24m ，基层为h1=0.1m 的沥青稳定碎石，底基层为h2=0.19m 的水泥稳定碎石(4%)垫层为h 3=0.16m 的天然砂砾。

普通混凝土面层板的平面尺寸为长4.0m 、宽从中央分隔带至路肩依次为4m 、4m 、3.25m 。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

(2)路面材料参数的确定
1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量
按表3.0.6，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值f r =5.0Mpa ，相应弯拉弹性模量标准值为E c =37GPa
2、土基的回弹模量
参照附录 F.1，路基回弹模量E 0=36MPa ，查附录 F.2，ATB-25基层回弹模量取E 1=700MPa ，水泥稳定碎石(4%)底基层回弹模量取E 2=1500MPa ，天然沙砾垫层回弹模量
E 3=200 MPa 。

计算基层顶面当量回弹模量如下：
MPa h h E h E h 17.94816
.019.0170
16.0150019.02
2222
3
223
2
3222'
=+⨯+⨯=++=
x E 1
3
32223233
323
2'
)11(4)(1212-++++=h E h E h h E h E h D x。