水泥混凝土路面设计(最新规范)

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1.水泥混凝土路面设计
1.1引言
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依据《公路水泥混凝土路面设计规范》。

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。

1.2题目
广西隆林至百色高速公路（K10+800~K16+000）沥青及水泥混凝土路面设计。

1.3设计资料
1、自然条件
本项目（K10+800~K16+000）位于广西西北端，是滇、黔、桂三省区结合部，属广西山区与云贵高原东南边缘的过渡地带，区域地势由西北向东南逐渐降低，地形以山地为主。

当地属亚热带季风气候类型。

2、设计参数
本道路预测交通量较大，重载运营车辆较多，超载现象严重。

标准轴载采用BZZ-100。

沥青路面设计年限（基准期）为15年。

水泥混凝土路面设计年限（基准期）为30年。

设计基准期内，预测交通量年增长率为8%~12%。

设计初始年交通组成如表1所示。

设计路段路基土为粘性路，路基平均填土高度为2.0m。

地下水位为地面下-1.0m。

2.行车荷载
2.1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上表，通过查表可知车辆轴重参数如下：
在满足任务要求的前提下拟定年平均交通增长率为8.0%。

轴载换算
由《公路水泥混凝土路面设计规范》得标准轴载的有关计算参数见下表：
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》有
16
1
100n
i s i i i P N N δ=⎛⎫
= ⎪⎝⎭∑ (1)
30.432.2210i i P δ-=⨯ (2)
或 50.221.0710i i P δ--=⨯
(3) 或 80.222.2410i i P δ--=⨯ (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 δ—轴-轮型系数，单轴-双轮组时，i δ=1；单轴-单轮时，按（2）计算；双轴-双轮组时，按（3）计算；三轴-双轮组时，按（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。

并由上述公式计算结果列表如下：
则可知本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10356次/d 。

2.2交通分析
由《公路水泥混凝土路面设计规范》可得高速公路的设计基准期为30年，具体数值见下表：
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：
()136511t
i n N γγ⎡⎤=
+-⎣
⎦ 其中，t =30，n 1=10356，γ=8.0% 。

则有。

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道不均匀系数。

方向不均匀系数取0.5，车道不均匀系数取0.4。

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=N i ×0.5×0.4=428183135×0.5×0.4=85636627
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下表所示。

本公路为高速公路，取车辆轮迹横向分布系数η=0.17 。

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·η=85636627×0.17=14558227。

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，分级范围如下表所示。

由上表可知，本道路交通属于重等级交通。

变异水平等级低。

3.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。

以上分析可知，交通等级为重等级交通，变异水平为低级，由下表可知，重等级交通基层类型为水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层，厚度适宜范围为150～250mm；公路面层厚度范围为240～270mm。

按设计要求，路基干湿类型为湿润，下面设计提供设计方案。

以下为路面设计所需各参数表：
初拟方案：
参考《公路混凝土里面设计规范》
1、初拟路面结构：
初拟普通水泥混凝土面层，厚度为h=0.24m；
基层选用水泥稳定粒料基层，厚h1=0.16m；垫层选用级配碎砾石，厚h2=0.2m。

水泥混凝土上面层板的平面尺寸长为4.0m、宽从路基中心至路肩依次为12.5m；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。

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中等型交通，由下表可知：弯拉强度的标准值ƒr=5.0Mpa；相应的弯拉弹性模量标准值为E c=31.0Gpa。

水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层参考有关资料，弯拉强度标准值为
ƒr=4.0MPa；相应的弯拉弹性模量标准值为E c=27.0Gpa。

(2)土基的回弹模量：
路基处于湿润状态，土质为粘质土，由下表可得：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，回弹模量由下表可取：E1=1400Mpa 垫层选用级配碎砾石，回弹模量由下表可取：E2=200Mpa
（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，由《公路水泥混凝土路面设计规范》得基层顶面回弹模量的计算公式如下：
1
300b x t x E E ah E E ⎛⎫= ⎪⎝⎭
(7) 2211222212x h E h E E h h +=+ (8) 1
312x x x D h E ⎛⎫= ⎪⎝⎭
(9) ()1233121122112211124x h h E h E h D E h E h -+⎛⎫+=++ ⎪⎝⎭ (10) 0.4506.221 1.51x E a E -⎡⎤⎛⎫⎢⎥=- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦
(11) 0.5501 1.44x E b E -⎛⎫=- ⎪⎝⎭ (12)
将数据代入上式，可解得：
由《公路水泥混凝土路面设计规范》，有基层顶面的当量回弹模量Et的最低要求见下表所示。

由于所以算的Et=173.630MPa，大于100.0MPa，所以满足要求。

3、荷载疲劳应力计算：
由《公路水泥混凝土路面设计规范》，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层板进行应力分析。

复合式混凝土面层的截面总刚度
式中，层间结合系数。

分离式，取；
复合式混凝土面层的相对刚度半径
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
由《公路水泥混凝土路面设计规范》，标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算：
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。

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
式中：kf—设计基准期内的荷载疲劳应力系数；
Ne—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，
水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层,
根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数K c=1.3。

荷载疲劳应力计算为：
综合系数Kc
普通混凝土面层的荷载疲劳应力计算为：
水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层的荷载疲劳应力计算为：
4、温度疲劳应力计算：
水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下表选用。

本公路位于V3区，滇、黔、桂三省区结合部，最大温度梯度取83℃/m。

普通混凝土面层板长4m。

混凝土面层厚度0.24m。

综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数；
混凝土板的温度翘曲应力系数；
面层板的横缝间距，即板长；
面层板的相对刚度半径；
B x=0.358 ，
C x=0.666
最大温度梯度时混凝土的温度翘曲应力：
分离式双层混凝土板的温度应力系数；
分离式双层混凝土板上层的最大温度翘曲应力（）混凝土的温度线膨胀系数，通常可取为；温度疲劳应力系数：
本公路自然区划处于Ⅴ区，由上表可取a=0.871，b=0.071，c=1.287 。

则临界荷位处的温度疲劳应力为：
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。

由上表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。

再由下表可得可靠度系数r r 。

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 pr tr r r f σσ+≤
普通混凝土面层为，
水泥稳定砂基层为，
弯拉强度满足标准。

因而，拟定的由厚度0.24m 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，可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

（1）季节性冰冻地区，路面总厚度小于最小防冻厚度要求时，其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与变形时，可加设半刚性垫层。

本设计公路处于V3区，滇、黔、桂三省区结合部，主要为黏质土，地下水位一般，故不考虑设置垫层。

最终路面结构：
普通水泥混凝土面层，厚度为 h=240mm
水泥稳定粒料基层，厚度为
h=160mm
5、施工最大容许弯沉值
采用标准轴载BZZ-100，p=0.7MPa，δ=10.65cm
参考《公路路面基层施工技术规范》
计算各个结构顶面施工最大容许弯沉值：
1)路基顶面的回弹模量计算值用回归方程计算
10=9308E0-0.938= 9308×40-0.938=262（0.01mm）
在非不利季节,考虑季节影响系数K（按规范取1.2）
l’=l0/K=296/1.2=218（0.01mm）
2)垫层顶面的弯沉值计算
计算土基和垫层材料的模量比E0/E1及比值h1/δ：
E0/E1=45/200=0.23, h1/δ=16/10.65=1.50
利用双圆双层体系表面弯沉系数诺模图，查得垫层表面弯沉系数αL1=0.48 计算弯沉综合修正系数F的平均值：
F=1.87αL10.6126=1.87 ×0.480.6126=1.193
计算实际弯沉值
l1=2pδαL1F/E0=2×0.7×10.65×0.48×1.193/45=190（0.01mm）
在非不利季节,考虑季节影响系数K（按规范取1.2）
l1’=l1/K=190/1.2=158（0.01mm）
3)基层顶面弯沉计算：
由于基层较厚，需分开两层进行计算，分为底基层、上基层
底基层顶面的弯沉计算：
将具有回弹模量E2和厚度h2的垫层换算为与底基层材料相当的厚度h1：已知垫层顶面的弯沉系数αL1=0.48
E0/E1=45/1400=0.03
查图得h’2
/δ=0.87
’
则h2/δ+h’2’/δ=20/10.65+0.87=2.75，再结合E0/E1=0.03
查图得αL2= 0.21
计算弯沉综合修正系数F的平均值：
F=1.87αL20.6126=1.87×0.210.6126=0.72
计算实际弯沉值
l2=2pδαL2F/E0=2×0.7×10.65×0.21×0.72/45=50（0.01mm）
在非不利季节,考虑季节影响系数K
l2’=l2/K=50/1.2=42（0.01mm）
4)上基层的顶面弯沉计算
由于上基层和底基层回弹模量和厚度相同,已知底基层顶面的弯沉系数αL2= 0.21
结合E0/E1=45/1400=0.03
查得h3’/δ=2.83
h3/δ+h3’/δ=20/10.65 +2.83=4.71，结合E0/E1=45/1400=0.03
查图得αL3= 0.19
计算弯沉综合修正系数F的平均值
F=1.87αL30.6126=1.87×0.190.6126=0.68
计算实际弯沉值
l3=2pδαL3F/E0=2×0.7×10.65×0.19×0.68/45=48（0.01mm）
在非不利季节,考虑季节影响系数K
l3’=l3/K=48 /1.2=40（0.01mm）
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。

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，构造如图所示。

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2.18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。

由于设计混凝土面层厚度为240mm，一车道宽度即到自由边距离为12.5m，（26m-0.5m）/2=12.5m。

选用直径Φ16螺纹钢筋，长度800mm，间距700mm。

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。

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6~10mm的浅槽口，其构造如图所示。

横向缩缝构造图
传力杆采用光面钢筋。

其尺寸和间距可按下表选用。

最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离为200mm。

水泥混凝土面层厚度240mm。

则采用传力杆直径Φ35光面钢筋，长度500mm，间距200mm。