路基路面工程课程设计

一、 交通量分析（方案一、方案二)
由于路面有一个收费站，各种油类对沥青会有不同程度的污染且宜有车辙，其要求采用水泥混凝土路面。

所以，进行普通水泥混凝土路面设计。

﹙1﹚标准轴载与轴载换算
我国公路水泥混凝土路面设计规范以汽车轴重为100kN 的单轴荷载作为设计标准轴载，表示为BZZ —100。

凡前、后轴载大于40KN （单轴）的轴数均应换算成标准轴数，换算公式为：
161
()100n
i s i i i p
N N α==∑
式中： s N — 100KN 的单轴—双轮组标准轴数的通行次数； i P — 各类轴—轮型；级轴载的总重（KN ）； n — 轴型和轴载级位数；
i N —各类轴—轮型i 级轴载的通行次数； i α—轴—轮型系数。

表1 轴载换算结果
车型
i P （kN ） i α i
N （次/日） 16()100i i i p
N α 跃进NJ230
前轴 23.70 1 585 — 后轴
69.20 1 585 1.62 解放CA10B
前轴 19.40 1 905 — 后轴
60.85 1 905 0.32 黄河JN150
前轴 49.00 1 385 0.01 后轴 101.60 1 385 496.32 长征XD250
前轴
37.80 1 295 — 后轴 2×72.60 3.6×10-6
295 0.42 依士姿TD50
前轴 42.20 1 1485 0.01 后轴
90.00 1 1485 275.17 菲压特650E
前轴
33.00
1
245
—
后轴 72.00 1 245 1.28 太脱拉138
前轴
51.40 1 47 0.01 后轴
2×80.00
3.5×10-6
47
0.30
161
)100(i i n
i P
N N ∑=α
775.46
则设计年限内设计车道的标准轴载累计作用次数:γ
η
γ⨯⨯-+=365]1)1[(t s e N N
式中： e N — 标准轴载累计当量作用次数； t — 设计基准年限30年；
γ — 交通量年平均增长率，由材料知，γ=0.087；
η — 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数η=0.2，见表2。

表2 混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分布系数
公路等级
纵缝边缘处 高速公路、一级公路、收费站
0.17～0.22 二级及二级以下公路
行车道宽>7m
0.34～0.39 0.54～0.62
行车道宽≤7m
606.7297170087
.02.0365]1)087.01[(46.775365]1)1[(30=⨯⨯-+=⨯⨯-+=
γ
η
γt s e N N
二、 初拟路面结构
因为交通量100×104＜729.72×104＜2000×104次，故可知交通属于重交通。

由以上可知相应于安全等级为二级的变异水平等级为低级见表3，根据一级公路、重交通等级和低级变异水平等级。

表3 可靠度设计标准
公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路
安全等级
设计基准期/年目标可靠度/％目标可靠指标变异水平等级一级
30
95
1.64
低
二级
30
90
1.28
低~中
三级
20
85
1.04
中
四级
20
80
0.84
中~高
方案一：
查规范知：初拟普通混凝土面层厚为250mm；基层选用水泥稳定粒料，厚为200mm；垫层为150mm的低剂量无机结合稳定土，见表4。

普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m；长为4.5m。

表 4水泥混凝土面层厚度的参考范围
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 ≥260 ≥250 ≥240 270~240 260~230 250~220
方案二：
查规范知：初拟普通混凝土面层厚为220mm；基层选用沥青稳定碎石，见表5，厚为180mm；垫层为150mm的低剂量无机结合稳定土。

普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m；长为5.0m。

表5 适宜各交通等级的基层类型
交通等级基层类型
特重交通贫瘠混凝土、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
三、确定材料参数
取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0Mpa ，见表6，相应弯拉弹性模量标准值为31Gpa ；路基回弹模量为29Mpa ；低剂量无机结合稳定土垫层回弹模量取600Mpa 。

表6 混凝土弯拉强度标准值
交通等级
特重 重 中等 轻 水泥混凝土的弯拉强度标准值/MPa
5.0
5.0
4.5
4.0
方案一：
水泥稳定粒料基层回弹模量取1300Mpa 。

表7 垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围
基层顶面当量的回弹模量值计算如下：
2
2
2122
2121h h E h E h E x ++==22
2213000.26000.1510480.20.15MPa ⨯+⨯=+ 材料类型
回弹模量（MPa ）
材料类型 回弹模量（MPa ）
级配碎砾石（基层） 250~350 沥青碎石（粗粒式
20℃） 600~800
石灰土 200~700 沥青混凝土（粗粒
式20℃） 800~1200
石灰粉煤灰 600~900 沥青混凝土（中粒
式20℃） 1000~1400
石灰粉煤灰稳定粒
料
1300~1700
多孔隙水泥碎石
（水泥剂量9.5%~11%） 1300~1700
水泥稳定粒料
1300~1700
多孔隙沥青碎石
（20℃沥青含量2.5%~3.5%）
600~800
=
332113000.26000.15(0.20.15)11
()12413000.26000.15
-⨯+⨯+++⨯⨯ =3.08MN m
31
)12(X x x E D h ==1
312 3.08(
)1048⨯=0.328m ])(
51.11[22.645.00
--=E E a x =0.45
10486.22[1 1.51()]29-⨯-⨯=4.35 55.00
)(
44.11--=E E b x =0.55
10481 1.44()0.8029--= 31
0)(E E E ah E x b
x
t ==10.80
310484.350.32829()17129MPa ⨯⨯⨯= 普通混凝土面层的相对刚度半径为：
1
13
3
310000.5370.5370.250.760171c t E h m E γ⎛⎫⎛⎫
==⨯⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
方案二：
沥青稳定碎石基层回弹模量取800Mpa 。

基层顶面当量的回弹模量值计算如下：
2
2
2122
2121h h E h E h E x ++==)(03.71815.018.015.060018.0800222
2MPa =+⨯+⨯ 1
2
21122123
2131)11(4)(12-++++=h E h E h h E h E h D x
=
m MN .07.2)15
.06001
18.08001(4)15.018.0(1260015.080018.01233=⨯+⨯++⨯+⨯- 31
)12(
X x x E D h ==326.0)03.71807.212(31
=⨯ ])(
51.11[22.645.00
--=E E a x =0.4])2903.718(51.11[22.645
.0=-- 55.00
)(
44.11--=E E b x =75.0)2903.718(44.1155.0=⨯--
31
0)(E E E ah E x b
x
t ==MPa 87.145)2903.718(
29326.0431
75
.0=⨯⨯⨯ 普通混凝土面层的相对刚度半径为：
705.0)87
.14531000(22.0537.0)(537.03
1
31=⨯==t c E E h γ
四、 计算荷载疲劳应力 由下列公式求得：
3537.0t c E E =γ 26.0077.0-=h ps γσ ps c r f pr k k k σσ= 057.0e f N k = 式中 γ— 混凝土板的相对刚度半径（m ）； H — 混凝土板的厚度（m ）；
E c — 水泥混凝土的弯沉弹性模量（Mpa ）；
σp — 标准轴载P s 在临界荷位处产生的荷载疲劳应力（Mpa ）；
k r — 考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设杆拉的平缝，
k r =0.87 ～0.92，纵缝为不设杆拉的平缝或自由边界k r =1.0，纵缝为设杆拉的企口缝，k r =0.76 ～0.84，；
k c — 考虑偏载和动载因素对路面疲劳损坏影响综合系数，按公路等级查
下表8；
表 8 综合系数k c
公路等级
高速公路 一级公路 二级公路 三、四级公路
k c
1.30
1.25
1.20
1.10
σps — 标准轴载P s 在四边自由板的临界荷载处产生的荷载应力（Mpa ）。

方案一：
根据一级公路、重交通，由《路基路面工程》查得初拟普通混凝土面层厚度为0.25m 。

26.0077.0-=h ps γσ=0.620.0770 0.7600.25 1.045MPa -⨯⨯= ，057.0e f N k ==2.46
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和系数K C =1.25,则荷载疲劳应力为：ps c r f p k k k σσ==2.46×0.87×1.25× 1.796MPa
方案二：
根据一级公路、重交通，由《路基路面工程》查得初拟普通混凝土面层厚度为0.22m 。

26.0077.0-=h ps γσ=29.122.0705.0077.026.0=⨯⨯- ，057.0e f N k ==2.46
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和系数K C =1.25,则荷载疲劳应力为：ps c r f p k k k σσ==2.46×0.87×1.25×1.29=3.451MPa
五、 计算温度疲劳应力
方案一：
由《路基路面工程》知，II 区最大温度梯度取88﹙℃/m ﹚。

板长4.5m ，L/r=4.5/0.760=5.92；已知混凝土板厚0.25m ，B x =0.63,见表9。

表9 温度应力系数表
则可知最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：2
x
g c c tm B hT E ασ=
表 10水泥混凝土面板的温度梯度值
公路自然区划
II
III IV V VI VII 温度梯度Tg/（℃/m ） 83~88 90~95
86~92
83~88
86~92
93~98
式中： αc — 混凝土的温度线膨胀系数 ；
T g — 最大温度梯度，T g =88°c/m ；
B x — 综合温度翘区应力和内应力的温度应力系数； σtm — 最大温度梯度时土板的温度翘取应力（Mpa ）。

2
x
g c c tm B hT E ασ=
=
51.010310000.25880.63
2.152
MPa -⨯⨯⨯⨯⨯= 温度疲劳系数 ])(
[b f a f k c r
tm
tm
r
t -=σσ，式中a ，b 和c 为回归系数，按所在地区公路
自然区划查下表 11。

表11 回归系数a ，b 和c
系数 公路自然区
Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ a 0.828 0.855 0.841 0.871 0.837 0.834 b 0.041 0.041 0.058 0.071 0.038 0.052 c 1.323
1.355
1.323
1.287
1.382
1.270
])(
[b f a f k c r
tm
tm
r
t -=
σσ=
1.323
5 2.15[0.828()0.041]0.5352.155
⨯⨯-= 则温度疲劳应力：0.535 2.15 1.15t t tm k MPa σσ==⨯=
综合，一级公路的安全等级为二级，相应于二级的安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为90﹪。

再根据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数
1.13γγ=，见表12。

表 12 可靠度系数
变异水平等级 目标可靠度/%
95 90 85 80 低 1.20~1.33 1.09~1.16 1.04~1.08 — 中 1.33~1.50 1.16~1.23 1.08~1.13 1.04~1.07 高 —
1.23~1.33
1.13~1.18
1.07~1.11
MPa f r tr pr r 546.4)15.1796.2(13.1)(=≤=+⨯=+σσγ，
方案二：
由《路基路面工程》知，II 区最大温度梯度取88﹙℃/m ﹚。

板长5.0m ，L/r=5.0/0.705=7.09；已知混凝土板厚0.22m ，B x =0.71。

则可知最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力：2
x
g c c tm B hT E ασ=
2
x
g c c tm B hT E ασ=
=
13.22
71
.08822.0310001015=⨯⨯⨯⨯⨯- 温度疲劳系数 ])(
[b f a f k c r
tm
tm
r
t -=σσ，式中a ，b 和c 为回归系数，按所在地区公路
自然区划查表 8。

])(
[b f a f k c r
tm
tm
r
t -=
σσ=
532.0]041.0)5
13.2(828.0[13.25323
.1=-⨯⨯ 则温度疲劳应力：13.113.2532.0=⨯==tm t t k σσ
综合，一级公路的安全等级为二级，相应于二级的安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为90﹪。

再根据查表7得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数
09.1=γ。

f r tr pr r 5
99.4)13.1451.3(09.1)(=≤=+⨯=+σσγ，故满足要求。

六、防冻厚度检验和接缝设计(方案一、方案二）
﹙1﹚防冻厚度检验
由《公路水泥混凝土路面设计规范》知，路面防冻厚度为0.5m ，而设计路面总厚度为0.60m ，由于0.5<0.60，故满足设计要求。

﹙2﹚接缝设计
为避免由温度产生的应力破坏，所以，在混凝土板中设置横缝与纵缝，这段路为重交通，缝中设拉杆，拉杆长0.5m ，直径22mm ，每隔40cm 设置一个。

① 横向胀缝
缝隙宽20mm ，缝隙上部5cm 深度内浇填缝料拉杆的半段固定在混凝土内，另一半涂以沥青，套上长约10cm 的塑料套筒，筒底与杆端之间留有3cm 空隙，用木屑与弹性材料填充。

② 横向缩缝
缩缝采用假缝，缝隙宽5mm ，深度为5cm. ③ 施工缝
施工缝采用平头缝或企口缝的构造形式，缝上深5cm ，宽为5mm 的沟槽，内浇填缝料。

④ 横缝的布置
缩缝间距一般为5m ，混凝土路面设置胀缝。

⑤ 纵缝的设置
在平行于混凝土路面行车方向设置纵缝，缝间距3.75cm ，设置为假缝带拉杆形式，缝的上部留有5cm 的缝隙，内浇注填缝料，缝与横缝一般做成垂直正交，使混凝土具有90°的角隅。

七、方案的比选
两种方案所选用的板厚与基层材料各不相同。

方案一所选普通混凝土面层厚为
250mm ；基层选用水泥稳定粒料，厚为200mm ；垫层为150mm 的低剂量无机结合稳定土，而方案二选用的普通混凝土面层厚为220mm ；基层选用沥青稳定碎石，厚为180mm ；垫层为150mm 的低剂量无机结合稳定土。

不同的材料选择，导致混凝土路面的荷载疲劳应力、温度疲劳应力以及它们的弯拉应力不同，承受荷载的能力不同。

通过比较，方案一的荷载疲劳应力796.21=ps σ小于方案二的451.32=ps σ。

温度疲劳应力15.11=tr σ近似等于方案二的13.12=tr σ，而弯拉应力21f f <。

综合可知方案一要比方案二较好一点。