南华大学《路基路面工程》课程设计例

南华大学城市建设学院

路基路面工程课程设计

指导书及任务书

*    ***    **

专    业： 

指导教师：

南华大学道路桥梁系

摘 要

本设计为辽宁省某地新建的一条双向四车道高速公路,设计速度为120km/h.起止桩号为K280+030-K400+235.分为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

1 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，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

二级区名

(包括副区)	水热状态
	潮湿系数(K)	年降水量(mm)	雨型	最高月 K值	最大月雨期长度	最高月平均地温(℃)
II2a辽河平原冻融交替副区	0.5~1.5	900~1500	梅雨秋雨伏旱	1.0~2.0	3.0~3.5	3.0~3.5

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

	粉性土
	地下水
	H1	H2	H3
II2	3.4	2.6	1.9

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120Km/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

高速公路

四车道

120 Km/h	行车道宽度 (m)	分隔带 (m)	左侧路缘带 (m)	硬路肩 (m)	土路肩 (m)
	2×7.5	3	0.75	3.25	0.75

行车道宽度：2×7.5=15m  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)，设有分隔带的高速公路，路基设计标高为分隔带的外侧边缘高程。由于该公路位处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，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1׃1.5，则边坡宽度b=1.5H=9m。

表1.4  路堤边坡坡率

填料类别	边坡坡率
	上部高度（H≤8m）	下部高度（H≤12m）
细粒土	1׃1.5	1׃1.75
粗粒土	1׃1.5	1׃1.75
巨粒土	1׃1.3	1׃1.75

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。

2.1.1 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1׃1.5，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

2.1.2 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1׃1.5，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=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

边坡率m	0	0.25	0.5	0.75	1.00	1.25	1.50	2.00	3.00
b/h	2	1.56	1.24	1.00	0.83	0.70	0.61	0.47	0.32

（3） 水流断面积：  )

由得， =0.92m2；

 断面系数： )

由得， =3.6；

 湿周：  )

由得， =2.78m；

 水力半径： )

由得， =0.33m；

（4） 指数： )

由得， =0.24；

 流速系数： )

由得， =32.05；

 水流断面流速： )

由得=1.3m/s；

 断面流量： )

由得， =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=2.0m/s；

表1.6  容许流速表

沟渠类型	最大容许设计流速（m/s）	沟渠类型	最大容许设计流速（m/s）
粗砂	0.8	草皮护面	1.6
黏土质砂	1.0	干砌片石	2.0
高限黏土	1.2	浆砌片石	3.0
石灰岩	4.0	混凝土	4.0

假设水中主要含土类为中细沙，取α=0.5；

 最小容许流速：  )

由得=0.26 m/s；

因为设计结果=1.3 m/s，介于与值之间，所以流速符合要求。

又因为计算流量=1.2 m3/s，与=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Δh=0.10~0.20m，本设计取Δh=0.14m，所以沟深H=h+Δh=0.66+0.14=0.8m。

截水沟断面如图1.3所示：

图1.3  截水沟构造图

2.1.3 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。主要包括分隔带排水、路面内部排水和边缘排水系统，以及排水基层的排水系统等。

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》(JTG D30—2004)得路堤边坡坡度为定值。

3.1.1 设计参数

路堤填土高h1=8m，路堤边坡坡率为m=1׃1.5，路堤填料为粘质土，粘聚力C=20KPa，内摩擦角φ=30°（tanφ=0.577）。土的容重取γ=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。

3.1.2 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， ； )

式中：N—并列车辆数，双向六车道N=6；

 标准车辆轴载为12.8m；

 一辆重车的重力（标准车辆荷载为550KN）；

 γ—路基填料的重度为20KN/m3；

 荷载横向分布宽度，近似取路基宽35m。

数值带入计算可得：h0=0.37m，取h0=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。

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

边坡坡度	边坡角	β1	β2
1׃1.5	30°40´	26°	35°

（3） 稳定系数K值

由《路基路面工程》有， ； )

式中：Ni—各土条的法向分力，Ni=Qicosαi；

 —各土条的切向分力，Ti= Qisinαi；

 各土条重心与圆心连接线对竖轴y的夹角；

 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

编号	αi	cosαi	sinαi	Ai	Qi	Ni	Ti
1	-6°01´	0.99	-0.10	3.59	71.82	71.42	-7.53
2	5°50´	0.99	0.10	9.62	192.42	191.42	19.56
3	17°34´	0.95	0.30	13.77	275.36	262.2	83.11
4	30°23´	0.86	0.51	15.75	315.04	271.77	159.34
5	45°23´	0.70	0.71	11.70	234.08	1.41	166.62
6	58°48´	0.52	0.86	1.	32.8	16.99	28.06
总和				56.08	1121.52	978.54	449.16

则，稳定系数。

由于K>1.45，所以路基稳定性验算结果满足要求。

3.1.3 路基坡面防护

本路基设计主要采用土质边坡坡度为1׃1.5。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

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。

4.1.1 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

填料应有部位

（路床顶面以下深度）（m）			填料最小强度（CBR）(%)	填料最大粒径 （cm）
路堤	上路床（0~30）		8.0	10
	下路床（30~80）		5.0	10
	上路堤（80~150）		4.0	15
	下路堤（>150）		3.0	15
零填及路堑路床		（0~30）	8.0	10
		（30~80）	5.0	10

（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。

4.1.2 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

填挖类别	路床顶面以下深度（m）	路基压实度（%）
零填及挖方	0~0.30	---
	0~0.80	»96
填方	0~0.80	»96
	0.80~1.50	»94
	>1.50	»93

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：

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1辆；上海SH361  1600辆

后轴小于20KN的小汽车3000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

车型序号	车型名称	前轴重（KN）	后轴重（KN）	后轴数	后轴轮数	交通量
01	CA141	24.50	68.60	1	2	4678
02	长征XD980	37.10	2×72.65	2	2	563
03	东风EQ340	24.2.	70.40	1	2	294
04	跃进NJ130	20.30	38.30	1	2	900
05	黄河JN150	49.00	101.60	1	2	1680
06	黄河JN162	59.50	115.00	1	2	1800
07	北京BJ130	13.55	27.20	1	2	2600
08	太拖拉138	51.40	2×80.00	2	2	480
09	上海SH361	80.60	2×110.00	2	2	1600

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

标 准 轴 载	BZZ—100
轴载P（KN）	100
轮胎接地压强p（MPa）	0.70
单轮传压面当量直径d（cm）	21.30
两轮中心距（cm）	1.5d

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

     )

  )

或  )

或  )

式中：

Ns—100KN的单轴-双轮组标准轴载的作用次数；

Pi—单轴-单轮、单轴-双轮组、双轴-双轮组或三轴-双轮组轴型级轴载的总重（KN）；

—轴型和轴载级位数；

—各类轴型级轴载的作用次数；

—轴-轮型系数，单轴-双轮组时， =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2.1~2.3计算结果列表如下：

表2.3  轴载换算计算表

轴载Pi（KN）	每日通过次数（次/d）			BZZ-100轴次 （次/d）
68.6	4768	1	0.0024	11
70.4	294	1	0.0036	1
49.0	1680	1	0	0
101.6	1680	1	1.21	2166
59.5	1800	1	0.0002	0
115.0	1800	1	9.3576	16844
51.4	480	1	0	0
80.6	1600	1	0.0317	51
2×72.65	563	3.58×10-6	394.6843	1
2×80	480	3.50×10-6	1844.6744	3
2×110	1600	3.26×10-6	301136.1496	1571
				∑=208

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208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

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	一级	二级	三级	四级
设计基准期（a）	30	30	20	20
目标可靠度（％）	95	90	85	80
目标可靠指标	1.	1.28	1.04	0.84
变异水平等级	低	低～中	中	中～高

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：

 )

其中，t =30，n1=208，γ=9.25% 。

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

公路等级		纵缝边缘处
高速、一级公路、收费站		0.17~0.22
二级及二级以下公路	行车道宽大于7m	0.34~0.39
	行车道宽小于或等于7m	0.54~0.62

本公路为高速公路双向六车道，取η=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·η=597441660×0.2=119488332。 )

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

交通等级	特重	重	中等	轻
设计车道标准轴载累计作用次数Ne（104）	＞2000	100～2000	3～100	＜3

由表2.6可知，本道路交通属于特重交通。

2.1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，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

交通等级	基层类型
特重交通	贫混凝土、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

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

基层类型	厚度适宜的范围（mm）
贫混凝土或碾压混凝土基层	120～200
水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层	150～250
沥青混凝土基层	40～60
沥青稳定碎石基层	80～100
级配粒料基层	150～200
多孔隙水泥稳定碎石排水基层	100～140
沥青稳定碎石排水基层	80～100

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180mm

2.2.3 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）分隔带排水的作用主要是排除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分隔带，如图2.2所示。

图2.2  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50~100m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。

2.1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0.16m，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

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

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

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
钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）	6.0	6.0	5.5	5.0

同时可得相应的弯拉弹性模量如表2.10所示。

表2.10 水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值

弯拉强度（MPa）	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0	4.5	5.0	5.5
抗压强度（MPa）	5.0	7.7	11.0	14.9	19.3	24.2	29.7	35.8	41.8	48.4
弯拉弹性模量（GPa）	10	15	18	21	23	25	27	29	31	33

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

材料类型	回弹模量（MPa）
天然沙砾	150~200
水泥稳定粒料	1300~1700

（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（MPa）

土组	公路自然区划
	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅵ
土质砂	26~42	40~50	39~50	35~60	50~60
粘质土	25~45	30~40	25~45	30~45	30~45
粉质土	22~46	32~54	30~50	27~43	30~45

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：

 )

 )

 )

 )

 )

 )

将数据代入上式，可解得：

 

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

交通量等级	特重	重	中等	轻
回弹模量Et（MPa）	120	100	80	80

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=0 。

则有， 

复合式混凝土面层的相对刚度半径。

 )

则有， 

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，。

 )

则有， 

 

 )

则有， 

 

由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)，标准轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算：

 )

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=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。

设计基准期内的荷载疲劳应力系数。

 )

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； 

—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， =0.057，普通混凝土水泥稳定砂和贫混凝土， =0.065；

对普通混凝土面层， 。

对于水泥稳定砂基层， 。

考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查 表2.14可得。

表2.14  综合系数

公路等级	高速公路	一级公路	二级公路	三、四级公路
	1.30	1.25	1.20	1.10

由于本公路为高速公路，取=1.30 。

普通混凝土面层的荷载疲劳应力计算为，

水泥稳定砂基层的荷载疲劳应力计算为，

2.3.5. 温度疲劳应力

水泥混凝土面层的最大温度梯度标准值Tg ，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

公路自然区划	Ⅱ、Ⅴ	Ⅲ	Ⅳ、Ⅵ	Ⅶ
最大温度梯度(℃/m)	88～83	90～95	86～92	93～98

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，。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：

 )

 )

 )

将数据代入上式，可解得：

温度疲劳应力系数可按下式计算确定：

 )

式中：

a、b和c—回归系数，按所在地区的公路自然区划查表2.16确定。

表2.16  回归系数a、b和c

系  数	公路自然区划
	II	III	Ⅳ	V	Ⅵ	V11
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

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 。

在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算确定：

 )

则有， 

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2.17可得可靠度系数。

表2.17  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

确定可靠度系数=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：

 )

普通混凝土面层为，

水泥稳定砂基层为，

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，可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。

2.1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，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。

表2.18  拉杆直径、长度和间距（mm）

面层厚度

（mm）	到自由边或未设拉杆纵缝的距离（m）
	3.00	3.50	3.75	4.50	6.00	7.5
200~250	14×700×900	14×700×800	14×700×700	14×700×600	14×700×500	14×700×400
260~300	16×800×900	16×800×800	16×800×700	16×800×600	16×800×500	16×800×400

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Φ16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）

面层厚度（mm）	传力杆直径	传力杆最小长度	传力杆最大间距
220	28	400	300
240	30	400	300
260	32	450	300
280	35	450	300
300	38	500	300

水泥混凝土面层厚度280mm。则采用传力杆直径Φ35光面钢筋，长度500mm，间距200mm。

2.1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：

则有， 

（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：

带入数据则有，W/C=0.32  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W0 

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

砂细度模数		2.2~2.5	2.5~2.8	2.8~3.1	3.1~3.4	3.4~3.7
砂率 （%）	碎石	30~34	32~36	34~38	36~40	38~42
	砾石	28~32	30~34	32~36	34~38	36~40

塌落度h=5cm，由下列经验公式可计算：

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Y0=359×0.0015=0.5385 kg/m3。

（5）计算单位水泥用量C0

C0=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ΔC=7.85 。取C0=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2450 kg/m3。由细度模数FM=2.625查表2.20，的砂率Sp=32%。由下式可计算：

代入上式得，

（8）计算结果

汇总上述计算结果如表2.21所示。

表2.21  施工配合比

材料名称	水	水泥	砂	砾石	外加剂
（kg/m3）	151	340	627	1332	0.52
比例	0.444	1	1.98	3.29	1.5‰

2.1路面用钢筋量计算

由2.5接缝设计可归纳得路面用拉杆及传力杆所用钢筋的直径、长度和间距等参数，汇总得表2.22所示。

表2.22  路面用钢筋参数（mm）

接缝	纵缝	横缝
直径Φ	16	35
长度L	800	500
间距S	700	200

路面混凝土板长度为4m，宽度依据行车道宽度及硬路肩宽度分别为3.75m和3.25m。路线起止桩号为K280+030~K400+235 。则路线长度为120205m 。

依据路线长度和混凝土面板的平面尺寸，计算可得纵缝和横缝所分别消耗的钢筋数量。

纵向：N1=6×(120205/0.7)=1030329

横向：N2=(120205/4)×(11.25×2+3.25×2)/0.2=4357431

查阅相关资料可得钢筋单位质量如表2.23所示。

表2.23  钢筋单位质量表

接缝	纵缝	横缝
种类	螺纹钢筋	光圆钢筋
直径(mm)	16	35
单根面积(cm2)	2.011	9.621
单位质量(kg/m)	1.578	7.562

则可计算得到所用钢筋的质量：

纵缝：G1=1030329×0.8×1.578=1300687kg=1300.687t

横缝：G2=4357431×0.5×7.562=175448kg=175.448t

则，总量G=1300.687+175.4448=17776t

2.1水泥混凝土路面机械摊铺施工

本设计水泥混凝土路面施工采用滑模施工技术。主要参考《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规范》。

本设计采用螺旋布料器布料、多根振动棒振动密实、振捣器上下振捣压入粗骨料、成型模板挤压成型和抹光等工序，确保水泥混凝土路面密度，特别是路面的平整度有了明显的提高，能满足高速公路的高标准质量要求。

施工要求：

（1）施工前的准备：

根据质量要求验收基层标高与平整度，避免因基层的标高或平整度的不良而影响水泥混凝土面层。在合格的基层顶面用经纬仪和水准仪测量出道路中心线和标高，然后，放出摊铺机一侧的基准线，放线时每5m（弯道段）或10m（直线段）测设一个点，确保标高准确，线形平顺。摊铺机履带行走部位的地基，应稍整平并有能承载履带接地压力的承载力。

（2）混凝土制备

拌制符合质量标准且质量稳定的拌和料，其坍落度宜为30～50mm，砂率直为40％。加强搅拌站材料的计划性，原材料必须有足够的贮存量，满足每天的摊铺量。在满足摊铺量的同时，必须按运输到现场的时间和车辆吨位大小等情况，配备运输车辆，确保摊铺机持续均匀地进行摊铺。

（3）全自动铺筑

摊铺机定位后，安装自动找平传感

装置并检查其完好性及操作灵活性，

它将直接影响到铺筑路面的质量。

全自动摊铺的工艺为：

根据施工情况，调整摊铺速度以及

振动棒位置与振动频率。

（5）整修

摊铺机自动铺筑路面成型后，为了使路面两侧的边角达到要求的平整度，可备有3m轻型直尺进行整修。每天摊铺机在开始和结束铺筑时，两端都采用人工立模板和铺筑。两端平整度必须与机械摊铺整个面层保持一致，上述两端处的人工修边必须认真精修。

（6）拉毛、初期养生

拉毛质量直接影响路面抗滑性能，拉毛可以采用麻袋布拉毛，压纹机压纹或切割成纹。要求纹理均匀、顺直、深度适宜。当混凝土成型后应适时用潮湿的麻袋布或草包覆盖养生，防止表面干缩裂缝，并在7天内保持湿治养生。也可采用喷洒化学养护剂养护。

（7）切缝

掌握好切缝时机是防止施工初期断板的重要措施，应“宁早不晚”和“切缝不浅”，以切缝时刀片不带起碎石为最早切缝时机，切缝深度应为1/3~1/4的板厚（具体根据设计要求）。

（8）灌封缝

当养生结束后即可开始灌封缝，灌封缝前必须清除缝内杂物，保持缝壁干燥，然后选用合适的灌缝料进行灌封缝。

参考文献

1  中华人民共和国行业标准.公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40—2002).  北京：人民交通出版社，2003

2  中华人民共和国行业标准.公路路基设计规范(JTG D30—2004) . 北京：人民交通出版社，2005

3  中华人民共和国行业标准.公路工程技术标准(JTJ B01—2003) . 北京：人民交通出版社，2004

4  中华人民共和国交通部标准.公路自然区划标准. 北京：人民交通出版社，2003

5  中华人民共和国国家标准.公路工程技术标准(JTJ B01—2003) .北京：中国计划出版社，2004

6  中华人民共和国国家标准.土的工程分类标准(GBT_50145-2007). 北京：中国计划出版社，2004

7  黄晓明主编.水泥路面设计. 北京：人民交通出版社，2003

8  王秉纲，郑木莲编著.水泥混凝土路面设计与施工. 北京：人民交通出版社，2004

9  陆鼎中，程家驹编著.路基路面工程.上海：同济大学出版社，2009