各类公路路基路面的设计书

各类公路路基路面的设计方案
一、设计原始资料
公路自然区划II
1
区拟建一条双车道二级公路，该地区为粘性土，粘稠度1.0，山岭重丘区。

沿线的工程地质及水文地质良好。

山体附近有许多采石厂，矿石材料丰富，其他材料均需外购。

依附录1：表1.1.1-1.1.3，拟定设计时速为40km/h，路基宽度为8.5m。

车道宽度为3.5米，土路肩0.75m，无硬路肩。

路面宽度范围内交通调查得到交通组成见表一，在使用期内交通量的年平均增长率为4%。

表一预测该路竣工后第一年的交通组成
车型解放
CA-10B 东风
EQ-140
日野
KB222
黄河
JN-150
小汽车
辆/日1500 1400 75 65 1400
二、路基横断面设计
根据《公路工程技术标准》和《公路路基设计规范》规定，设计路基横断面形式如下：
(1) 行车道宽度：2×3.5m
(2) 硬路肩宽度：2×0.75m
(3) 路基总宽度：8.5m
(4)路基填筑高度拟为3m，边坡率为1.5，边沟底宽和深度均为0.4m
三、混凝土路面设计
3.1交通分析
3.1.1混凝土路面设计基准期
由附录2：表2.1.1可靠度计算指标，三级公路混凝土路面设计基准期为20年；
3.1.2标准轴载及轴载当量换算
水泥混领土路面结构设计以100KN单轴-双轮组荷载为标准荷载。

不同轴-轮型和轴载的作用次数，应按
16
1
100
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
=∑
=
i i
n
i i
S
p N
Nδ
式中：
S
N——100KN的单轴一双轮组轴载的通行次数
i
p——各类轴一轮型i级轴载的总重
n——轴型和轴载级位数
i
N——各类轴—轮型i级轴载通行次数；
i
δ——轴-轮型系数；
单轴—双轮组：
i
δ=1
单轴—单轮组：
i
δ=2.22×103P -0.43
双轴—双轮组：
i
δ=1.07×10-5P -0.22
三轴—双轮组：
i
δ=2.44×10-8P -0.22
由已知交通组成资料计算的各轴载当量次数如下表
次
3.1.3标准轴载及轴载当量作用次数N e
由附录2表2.1.1可靠的设计标准得：该三级公路设计基准期20年，安全等级为四级。

由表2.1.2，临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取0.62。

交通量年平均增长率为4%。

所以设计基准期内混凝土面板临界荷位处所承受的标准轴载累计当量作用次数：
()[]()[]
757102
62.036504
.0104.0135.1123651120
=⨯⨯-+⨯=⨯⨯-+⨯=ηr t
r S e g g N N
(次)
式中：
N s ——100KN 的单轴—双轮组标准轴载的通行次数； t ——设计基准期（年）； g r ——交通量年平均值； η——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数。

3.1.4混凝土路面交通等级划分
该设计车道标准轴载累计Ne=75.7102×104（次），依据附录2：表2.1.3得路面交通等级为中等。

3.2 初拟路面结构
3.2.1路面厚度及材料设计
由表2.1.1可靠度设计标准可知，安全等级为四级的道路对应的变异水平等级为中~高级。

根据三级公路中交通等级和中级变异水平等级，查表2.2.1得水泥混凝土面层厚度参数范围200mm~230mm ，初拟面层厚度为220mm 。

根据中等交通等级查表2.2.2和表2.2.3，基层选用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚度220mm 。

垫层为150mm 低剂量无机结合料稳定土，见图一。

普通混凝土的平面尺寸为宽3.5m ，长4.0m 。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传立杆的假缝。

3.2.1接缝设计
1、纵向接缝的布设应视路面宽度和施工铺筑宽度而定;
（1）一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝。

纵向施工缝采用平缝形式，上部应锯切槽口，深度为30—40mm，宽度为3—8mm，槽内灌塞填缝料，构造如图二所示；因混凝土板块小于4.5m，故可不必考虑设置纵向缩缝。

（2）纵缝应与路线中线平行。

在路面等宽的路段内或路面宽度路段的等宽部分，纵缝的间距和形式应保持一致。

路面变宽段的加宽部分与等宽部分之间，以纵向施工缝隔开。

加宽板在变宽段起终点处的宽度不应小于1m。

（3）拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚中央，并应对拉杆中部100mm范围内进行防锈处理。

拉杆的直径、长度和间距，可参照附表2：表2.2.4取用14×700×600。

施工布设时，拉杆间距应按横向接缝的实际位置予以调整，最外侧的拉杆距横向接缝的距离不得小于100mm。

（4）连续配筋混凝土面层的纵缝拉杆可以由板内横向钢筋延伸穿过接缝代替。

2、横向接缝设计
（1）每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处。

设在缩缝处的施工缝，应采用加传立杆的平缝形式，其结构如图三a）所示；设在胀缝处的施工缝，其构造与胀缝相同。

遇有困难需设在缩缝之间时，施工缝采用设拉杆的企口缝形式，其构造如图三b）所示。

（2）横向缩缝可等间距或变间距布置，采用假缝形式。

本公路属非特重和重交通公路，故可采用不设传立杆假缝形式，其构造如图四所示。

（3）横向缩缝顶部应锯切槽口，深度范围为44-55mm，取50mm，宽度为3-8mm，槽内填塞填缝料。

（4）在邻近桥梁或其他固定构造物处或与其他道路相交处应设置横向胀缝。

设置的胀缝条数，视膨胀量大小而定。

低温浇筑混凝土面层或选用膨胀性高的集料时，宜酌情确定是否设置胀缝。

胀缝宽20mm，缝内设置填缝板和可滑动的传立杆。

胀缝的构造如图五所示。

（5）传立杆应采用光面钢筋。

其尺寸和间距可按附录2：表2.2.5选用28×400×300。

最外层传立杆距纵向接缝和自由边的距离为150-250mm。

3.3 路面材料参数确定
3.3.1混凝土面层参数
按附录2：表2.3.1和表2.3.2，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为f r 为5.0MPa ，相应弯拉弹性模量标准值E c 为31MPa 。

3.3.2土基参数
按表2.3.3中湿路基床顶面回弹模量经验参考值，自然区划II 1区粘性土路基回弹模量E 0取25MPa
3.3.3 基层、垫层参数
按表 2.3.4垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围，水泥稳定粒料基层回弹模量E 1取1300MPa ，低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量E 2取600MPa
3.3.4基顶当量回弹模量确定
（1）基层和垫层的当量的回弹模量：
MPa h h E h E h E X 1.101315.018.060015.0130018.02
222212122
2121=+⨯+⨯=++=
（2）基层和垫层的当量弯曲刚度：
()()MNgm
H E H E h h h E h E D X 57.215.0600118.013001415.018.01215.06001218.01300114
12121
2
331
221
12
2
13
2
2311=⎪⎭⎫
⎝⎛⨯+⨯++⨯+⨯=⎪⎪⎭⎫
⎝⎛++++=--
（3）基层和垫层的当量厚度：
m E D h X X x 312.01.1013/57.212/1233=⨯== （4）回归系数啊a 、b ：
81
.0251.101344.1144.1144
.4251.101351.1122.651.1122.655
.055
.00
45.045
.00=⎪
⎭
⎫
⎝⎛-=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-==⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫
⎝⎛-=⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=----E
E b E E a X
X
所以基层顶面的当量回弹模量：
MPa E
E E ah E X
b
x t 420.148251.101325312.044.43
/181.03
/10
0=⎪
⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=
式中：
E0—路床顶面的回弹模量（MPa ）；
E1、E2—分别是基层和垫层的回弹模量（MPa ）； h1、h2—分别是基层和垫层的厚度（m ）；
3.4 荷载疲劳应力
3.4.1荷载应力σps 计算
（1）普通混凝土板的相对刚度半径：
m E E h r t C 700.0420.148/3100022.0537.0/537.033=⨯⨯==
式中：
h —混凝土板的厚度（m ）
E C —水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa ）； E t —基层顶面的当量回弹模量（MPa ）。

（2）标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力：
MPa h r PS 28.122.0700.0077.0077.026.026.0=⨯⨯==--σ
式中：
r —普通混凝土面层的相对刚度半径； h —混凝土板的厚度（m ）。

3.4.2荷载疲劳应力σpr
因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr=0.89。

普通混凝土路面设计基准期内荷载应力累计疲劳应力系数
163.2757102057.0===ν
e f N K
式中：ν—与混合料性质有关的指数，普通混凝土取0.057。

根据公路等级三级，查附录2：2.4.1综合系数表，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数为Kc=1.1。

所以荷载疲劳应力MPa K K K ps c f r pr 710.228.11.1163.289.0=⨯⨯⨯==σσ
3.5温度疲劳应力
3.5.1温度翘曲应力αtm 计算
由附表2：2.5.1最大温度梯度标准值得，II 区最大温度梯度取88°C/m 。

板长4m ，1/r=4/0.700=5.714，混凝土板厚h=0.22m ，查图六得Bx=0.625
图六：温度应力系数Bx 所以最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力
MPa B hT E X g
C c tm 705.1625.02
8822.0310*******=⨯⨯⨯⨯⨯==
-ασ
式中：
c α—混凝土的线性膨胀系数（1/°C ），通常可取为1×10-5
/°C
C E —水泥混凝土的弯拉弹性模量（MPa ）；
h —混凝土板面层厚度（m ）
g T —最大温度梯度（°C /m ）
X B —综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数。

3.7电算水泥混凝土路面设计
3.7.1水泥混凝土路面基本参数输入
3.7.2水泥混凝土路面验算
3.7.3水泥混凝土路面结果输出
水泥混凝土路面设计
设计内容 : 新建单层水泥混凝土路面设计
公路等级 : 三级公路
变异水平的等级 : 中级
可靠度系数 : 1.07
面层类型 : 普通混凝土面层
序号路面行驶
车辆名称
单轴
单轮
组的
个数
轴载
总重
(kN)
单轴
双轮
组的
个数
轴载
总重
(kN)
双轴
双轮
组的
个数
轴载
总重
(kN)
三轴
双轮
组的
个数
轴载
总重
(kN)
交通
量
1 解放CB-10B 1 19.4 1 60.85 0 0 0 0 1450
2 东风EQ-140 1 23.7 1 69.2 0 0 0 0 1500
3 日野KB222 1 50.2 1 104.3 0 0 0 0 35
4 黄河JN-150 1 49 1 101.6 0 0 0 0 30
行驶方向分配系数 1 车道分配系数 1
轮迹横向分布系数 0.62 交通量年平均增长率 4％
混凝土弯拉强度 5.0 MPa 混凝土弯拉模量 31000 MPa 混凝土面层板长度 4 m 地区公路自然区划Ⅱ
面层最大温度梯度 88 ℃/m 接缝应力折减系数 0 .89
基(垫)层类型----新建公路土基上修筑的基(垫)层
层位基（垫）层材料名称厚度(mm) 回弹模量(MPa)
1 水泥稳定粒料 180 1300
2 石灰粉煤灰土 150 600
3 土基 25
基层顶面当量回弹模量 ET= 148.420MPa
HB= 220 r=0 .700 SPS= 1.28 SPR= 2.71 BX=0 .63 STM= 1.71 KT= 0.76 STR= 1.30 SCR= 3.71 GSCR= 3.98 RE=-11.78 %
设计车道使用初期标准轴载日作用次数 : 115
路面的设计基准期 : 20 年
设计基准期内标准轴载累计作用次数 : 757102
路面承受的交通等级 :中等交通等级
基层顶面当量回弹模量 : 148.4MPa
混凝土面层设计厚度 : 220 mm
验算路面防冻厚度 :
路面最小防冻厚度 500 mm
新建基(垫)层总厚度 330 mm
验算结果表明, 路面总厚度满足路面防冻要求 .
通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下:
--------------------------------------- 普通混凝土面层 220 mm --------------------------------------- 水泥稳定砂砾 180 mm --------------------------------------- 石灰粉煤灰土 150 mm --------------------------------------- 土基
四、沥青路面设计
4.1 交通分析
4.1.1路面设计年限
根据交通等级、公路在路网中的功能定位、当地国民经济发展需求以及以后投资
条件等因数综合考虑，依照规范要求查附录3：表3.1.1各级公路沥青路面设计年限，三级公路设计年限为8年。

4.1.2累计标准轴载当量轴次计算
我国路面设计以双轮组单轴100KN 为标准轴载。

以BZZ-100表示。

（1）采用弯沉值和沥青层的层底弯拉应力为设计指标 1）各级轴载按下式换算成标准轴载P 的当量轴次N
35
.4211⎪⎪
⎭
⎫
⎝⎛⋅⋅=∑=P p n C C N i i K
i
式中：
N —标准轴载当量轴次（次/日）；
n i —各种被换算车辆的作用次数（次/日）； P i —各种被换算车型的轴载（KN ）； C 1—轴数系数；
C 2—轮组系数，双轮组为1，单轮组为6.4，四轮组为0.38。

当轴间距大于3m 时，轴数系数等于轴数m ；
当轴间距小于3m 时，双轴或多轴的轴数系数C 1=1+1.2（m-1）。

由已知交通组成资料计算各轴载当量换算次数如下表：
2）设计年限内累计当量标准轴载数
已知设计年限t 为8年，设计年限内交通辆平均增长率r 为4%，查表3.1.2车道系数表，对双向车道取车道系数η=0.65。

所以设计年限内一个车道通过的累计当量标准轴次
()[]()[]6
8
1
1023.165.042.56336504
.0104.0136511⨯=⨯⨯⨯-+=⨯⨯-+=
ηN r
r N t
e
（次）
（2）采用半刚性材料结构层的层底拉应力为设计指标
1）各级轴载按下式换算成标准轴载P 的当量次数N
8
211⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⋅⋅=∑=P p n C C N i i K
i
式中： n i —各种被换算车辆的作用次数（次/日）； P i —各种被换算车型的轴载（KN ）; C 1—轴数系数；
C 2—轮组系数，双轮组为1，单轮组为18.5，四轮组为0.09。

当轴间距大于3m 时，轴数系数等于轴数m ；
当轴间距小于3m 时，双轴和多轴的轴数系数C 1=1+2（m －1）。

由已知交通组成资料计算的各轴载当量换算成次数如下表：
注：小汽车和轴载小于40KN 的特轻轴重对结构影响忽略不计，不纳入当量换算。

2）设计年限内累计当量标准轴载数
已知设计年限t 为8年，设计年限内交通辆平均增长率r 为4%，查表3.1.2车道系数表，对双向车道取车道系数η=0.65。

所以设计年限内一个车道通过的累计当量标准轴次
()[]()[]6
8
1
10
205.065.067.19336504
.0104.0136511⨯=⨯⨯⨯-+=⨯⋅⨯-+=
ηN r
r N t
e （次）
4.1.3交通等级
两种设计指标计算出的累计标准轴次最大值N e =1.23×106（次），查表3.1.3沥青路面交通等级得本沥青路面交通等级为轻交通。

4.2 初拟路面结构
根据结构层最小施工厚度、材料、水文、交通量以及施工机具的功能等因数，查表3.2.1、3.2.2，初步确定路面结构与各层厚度如下：2cm沥青表面处治，石灰稳定碎石基层+20cm级配砂砾垫层，以石灰稳定碎石为设计层。

4.3路面设计弯沉值
根据公路沥青路面设计规范8.0.3规定，高速公路、一级公路、二级公路的路面结构，以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底弯拉应力及半刚性材料层的层底弯拉应力为设计指标。

三级公路、四级公路的路面结构以路表面设计弯沉值为设计指标。

有条件，对重载交通路面宜检验沥青混合料的的抗剪切强度。

本工程属轻交通辆的三级公路，故只需以路表面设计弯沉值为设计指标。

路面设计弯沉值是表特征路面整体刚度大小的指标，是路面厚度计算的主要依据，是路面厚度的主要依据。

路面设计弯沉值应依据公路等级、在设计年限内累计标准轴次、面层和基层类型综合确定。

路面设计弯沉值：
I d =600N
e
-0.2A
C
A
S
A
B
=600×(1.23×106)-0.2×1.2×1.1×1.0=47.95(0.01mm)
式中：
A
C
—公路等级系数，高速公路、一级公路1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2；
A
S
—面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌沥青碎石、冷拌沥青碎石、上拌下贯或贯入式路面、沥青表面处治为1.1；
A
B
—路面结构类型系数，刚性基础、半刚性基层、沥青路面为1.0，柔性基层沥青路
面为1.6，若基层由半刚性材料层与柔性材料层组合而成，则A
B
介于两者之间通过线性内插决定。

4.4路面结构厚度设计参数
路面结构厚度的确定应满足结构整体刚度（即承载力）与沥青层或半刚性基层、底基层抗疲劳开裂的要求。

对轻交通量三级公路，要求轮隙中心处路表计算弯沉值I
s
应小于或等于设计弯沉
值I
d ，即I
s
<<I
d。

路表计算弯沉值I
s
计算:
路标计算弯沉值I
s
计算：
36
.0038
.010232
1211
200063.1,1,,21000
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎪
⎭
⎫
⎝⎛=⎪⎪⎭⎫
⎝
⎛==--p E I F E E K E E
E E
h
K h
h f F E p I S n n C C S δδδδααδ
式中：p 、δ—标准车型的轮胎接地压强（MPa ）和当量圆半径（cm ）； C
α—理论弯沉系数； 0
E 获
n
E —土基抗压回弹模量值（MPa ）； 3
21,,E E E —各层材料抗压回弹模量（MPa ）；
121,,-n h h h —各结构层厚度（cm ）。

沥青表面处治层抗压模量参考沥青贯入式，查表3.2.2沥青混合料设计参数，取
沥青表面处治20°C 抗压模量为400MPa 。

石灰稳定碎石基层取石灰碎石土，查表3.2.3基层、底基层材料设计参数，取石
灰碎石抗压模量为1000MPa 。

级配砂砾垫层抗压模量查表3.2.3，取200MPa 。

图集抗压模量查公路沥青路面设计规范表F.0.3二级自然区划各土组土基回弹模
量参考值，由公路自然区划II 1区、粘性土、稠度1.0得土基抗压模量为25MPa
4.5电算沥青路面设计
4.5.1沥青路面设计参数
4.5.2沥青路面验算
4.5.3沥青路面验算
轴载换算及设计弯沉值计算
序号车型
前轴重
(kN)
后轴重
(kN)
后轴数
后轴轮组
数
后轴距
(m)
交通量
1 解放CA10B 19.4 60.85 1 双轮组—1400
2 东风EQ140 23.7 69.2 1 双轮组—1400
3 日野KB222 50.2 104.3 1 双轮组—40
4 黄河JN150 49 101.6 1 双轮组—40 设计年限 8 车道系数 .6
5 交通量平均年增长率 5 ％路面竣工后第一年日平均当量轴次 : 580
设计年限内一个车道上累计当量轴次 : 1314005
公路等级三级公路
公路等级系数 1.2 面层类型系数 1.1 基层类型系数 1
路面设计弯沉值 : 47.3 (0.01mm)
新建路面结构厚度计算
公路等级 : 三级公路
新建路面的层数 : 3
标准轴载 : BZZ-100
路面设计弯沉值 : 47.3 (0.01mm)
路面设计层层位 : 2
设计层最小厚度 : 15 (cm)
层位结构层材料名称厚度(cm) 抗压模量(MPa)
1 沥青表面处治
2 400
2 石灰碎石土 ? 1000
3 级配砂砾 20 200
4 土基 25
按设计弯沉值计算设计层厚度 :
LD= 47.3 (0.01mm)
H( 2 )= 35 cm LS= 47.5 (0.01mm)
H( 2 )= 40 cm LS= 41.2 (0.01mm)
路面设计层厚度 :
H( 2 )= 35.2 cm(仅考虑弯沉)
验算路面防冻厚度 :
路面最小防冻厚度 50 cm
验算结果表明 ,路面总厚度满足防冻要求 .
通过对设计层厚度取整, 最后得到路面结构设计结果如下:
---------------------------------------
沥青表面处治 2 cm
---------------------------------------
石灰碎石土 36 cm
---------------------------------------
级配砂砾 20 cm
---------------------------------------
土基
竣工验收弯沉值计算
公路等级 : 三级公路
新建路面的层数 : 3
标准轴载 : BZZ-100
层位结构层材料名称厚度(cm) 抗压模量(MPa)
1 沥青表面处治
2 400
2 石灰碎石土 36 1000
3 级配砂砾 20 200
4 土基 25
计算新建路面各结构层及土基顶面竣工验收弯沉值 :
第 1 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 46.1 (0.01mm)
第 2 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 47.5 (0.01mm)
第 3 层路面顶面竣工验收弯沉值 LS= 270.5 (0.01mm)
土基顶面竣工验收弯沉值 LS= 454.6 (0.01mm)(根据“基层施工规范”第88页公式) LS= 372.6 (0.01mm)(根据“测试规程”第56页公式)。