《路基路面工程》課程設計

摘 要本設計為山東省某地新建的一條雙向四車道高速公路,設計速度為120km/h.起止樁號為K00+000-K2+000.分為路基設計和路面設計兩部分.路基設計中主要以一般路堤形式進行設計,路堤平均高度為2.5m，土質為粉性土，平均地下水位1.0m，平均凍深0.3米。主要進行了路基橫斷面設計、道路橫斷面排水設計、路基穩(wěn)定性驗算和施工設計.其中,路基穩(wěn)定性驗算取8m高一般路堤進行設計.路面設計中主要是初擬路面結構的不同.設計路面為水泥混凝土剛性路面,主要包括路面結構組合設計、混凝土路面板尺寸設計、接縫設計以及施工設計.并對水泥混凝土路面面層的配合比進行了設計.關鍵詞 一般路堤、排水、施工、水泥路面、配合比目 錄摘 要11 路基設計41.1 路基橫斷面設計41.1.1 確定路基橫斷面形式41.1.2 確定自然區(qū)劃和路基干濕類型41.1.3 擬定路基斷面尺寸51.2 道路橫斷面排水設計61.2.1 確定邊溝布置、斷面形式及尺寸61.2.2 確定截水溝布置、斷面形式和尺寸71.2.3 其他排水設施91.3 路基穩(wěn)定性驗算91.3.1 設計參數(shù)101.3.2 穩(wěn)定性驗算101.3.3 路基坡面防護121.4 路基施工設計131.4.1 施工要點131.4.2 路基壓實142 水泥混凝土路面設計152.1 行車荷載152.1.1 車輛的類型和軸型152.1.2 軸載換算162.1.3 交通分析172.2 路面結構組合設計192.2.1 墊層設計192.2.2 基層設計192.2.3 面層設計202.2.4 路肩設計212.2.5 路面排水設計212.3 路面結構層設計222.3.1. 初擬路面結構222.3.2. 路面材料參數(shù)的確定222.3.3. 基層頂面回彈模量242.3.4. 荷載疲勞應力252.3.5. 溫度疲勞應力272.4 接縫設計292.4.1 縱向接縫292.4.2 橫向接縫302.5 水混凝土面層混合料設計312.5.1 基本要求312.5.2 配合比設計322.6 路面用鋼筋量計算342.7 水泥混凝土路面機械攤鋪施工35參考文獻371 路基設計路基根據(jù)其使用要求和當?shù)刈匀粭l件，并結合施工方案進行設計，既有足夠的強度和穩(wěn)定性，又要經(jīng)濟合理。影響路基強度和穩(wěn)定的地面水和地下水，必須采取攔截或排出路基以外的措施，并結合路面排水，綜合排水設計，形成完整的排水系統(tǒng)。修筑路基取土和棄土時，應符合環(huán)保要求，以適當處理，減少棄土侵占耕地，防止水土流失和瘀塞河道。本路基設計主要依據(jù)公路路基設計規(guī)范(JTG D302004)、公路工程技術標準(JTJ B012003)、公路自然區(qū)劃標準及土的工程分類(GBT_50145-2007)和路基路面工程教材進行設計。1.1 路基橫斷面設計1.1.1 確定路基橫斷面形式由設計任務書所給條件，路基橫斷面可采用路堤、路塹和半填半挖三種形式，以及公路曲線的超高、加寬時的路基橫斷面。本設計主要才用一般路堤形式，按照標準橫斷面形式進行設計。1.1.2 確定自然區(qū)劃和路基干濕類型由公路自然區(qū)劃標準可知：山東大部分位于II5a丘陵副區(qū)，屬于東部溫潤季凍區(qū)。路基土質為粉質土。由公路自然區(qū)劃標準得公路二級區(qū)劃的特征和指標：表1.1 二級區(qū)劃的特征和指標二級區(qū)名(包括副區(qū))水熱狀態(tài)潮濕系數(shù)(K)年降水量(mm)雨型多年平均最大凍深（cm）地下水埋深（m）最高月平均地溫()II5a山東丘陵副區(qū)0.751.256001000夏，秋雨3050一般3谷地海濱32.9m。1.1.3 擬定路基斷面尺寸山東地區(qū)地形以平原為主，屬于平原微丘區(qū)，本公路為高速公路雙向四車道，要求標準較高，主要自然病害以凍脹與翻漿為主，取路基干濕類型為干燥。并考慮該地區(qū)經(jīng)濟較發(fā)達，取計算行車速度為120Km/h。（1） 路基寬度：由公路工程技術標準(JTJ B012003)可歸納得：表1.3 路基寬度參數(shù)高速公路四車道120 Km/h行車道寬度(m)中央分隔帶(m)左側路緣帶(m)硬路肩(m)土路肩(m)27.530.753.250.75行車道寬度：27.5=15m 中央分隔帶：2m 路緣帶：0.75m2=1.5m硬路肩寬度：3 m2=6m 土路肩寬度：0.75m2=1.5m則，路基寬度：15+2+1.5+6+1.5=26m得路基橫斷面圖如圖1.1所示：圖1.1 路基橫斷面圖（2） 路基高度：由公路路基設計規(guī)范(JTG D302004)，設有中央分隔帶的高速公路，路基設計標高為中央分隔帶的外側邊緣高程。由于該公路位處II5a遼河平原凍融交替副區(qū)，主要自然病害以凍脹與翻漿為主，且公路等級要求高，設計需求路基干濕類型為干燥，由表1.2知，路基高度H2.9m，設計資料中路基平均高度為2.5m。綜合考慮路線縱坡要求，路基穩(wěn)定性和工程經(jīng)濟等因素，本設計取路基高度H=6m。（3） 路基邊坡坡率：路堤填土高度為6m，路基填料為細粒土，由表1.4可得，取路基邊坡坡率為11.5，則邊坡寬度b=1.5H=9m。表1.4 路堤邊坡坡率填料類別邊坡坡率上部高度（H8m）下部高度（H12m）細粒土11.511.75粗粒土11.511.75巨粒土11.311.751.2 道路橫斷面排水設計公路位于II5a山東丘陵副區(qū)，主要自然病害以凍脹與翻漿為主，其次崩塌、土流。自然條件對公路工程的影響主要表現(xiàn)在凍土多，公路的不利季節(jié)為11月-次年3月，公路由寬廣的平原地通過條件不太困難。1.2.1 確定邊溝布置、斷面形式及尺寸邊溝的排水量不大，一般不需進行水文和水力計算。依據(jù)沿線情況，選用標準橫斷面形式。邊溝的縱坡一般與路線縱坡一致。邊溝橫斷面采用梯形，內測邊坡坡率為11.5，外側邊坡坡度與挖方邊坡坡度相同。由于該公路位于東南潮熱區(qū)，降雨量較大，梯形邊溝的底寬和深度都采用0.6m。由于水量較大，邊溝采用漿砌片石鋪砌，砌筑用砂漿M7.5號。邊溝斷面如圖1.2所示：圖1.2 邊溝構造圖1.2.2 確定截水溝布置、斷面形式和尺寸截水溝的位置應盡量與絕大多數(shù)的地面水流方向垂直，以提高截水溝的效能和縮短截水溝的長度。溝底采用0.5%的縱坡。截水溝截面采用對稱梯形，溝的邊坡坡度采用11.5，溝底采用干砌片石鋪筑。對截水溝斷面尺寸采用試算法進行水力計算，以獲得最佳斷面。（1） 設計參數(shù)：縱坡i=0.005，坡率m=1.5，粗糙系數(shù)n=0.025，設計流量 =1.10m3/s。（2） 假定溝底寬度b=0.4m；由表1.5可得b/h=0.61,取h=0.66m；表1.5 水力最佳斷面寬深比邊坡率m00.250.50.751.001.251.502.003.00b/h21.561.241.000.830.700.610.470.32（3） 水流斷面積： (1-1)由 得，=0.92m2； 斷面系數(shù)： (1-2)由 得，=3.6； 濕周： (1-3)由 得，=2.78m； 水力半徑： (1-4)由 得，=0.33m；（4） 指數(shù)： (1-5)由 得，=0.24； 流速系數(shù)： (1-6)由 得，=32.05； 水流斷面流速： (1-7)由 得=1.3m/s； 斷面流量： (1-8)由 得，=1.2 m3/s；（5） 驗算 溝底鋪砌采用干砌片石。則由表1.6可得最大容許設計流速為=2.0m/s；表1.6 容許流速表溝渠類型最大容許設計流速（m/s）溝渠類型最大容許設計流速（m/s）粗砂0.8草皮護面1.6黏土質砂1.0干砌片石2.0高限黏土1.2漿砌片石3.0石灰?guī)r4.0混凝土4.0假設水中主要含土類為中細沙，取=0.5； 最小容許流速： (1-9)由得=0.26 m/s；因為設計結果=1.3 m/s，介于與值之間，所以流速符合要求。又因為計算流量=1.2 m3/s，與 =1.10m3/s相差為超過10%，一般可認為符合設計要求。綜上可知：因為流量和流速均符合要求，本截水溝可采用底寬0.4m，而溝深H，應為水深h加安全高度h=0.100.20m，本設計取h=0.14m，所以溝深H=h+h=0.66+0.14=0.8m。截水溝斷面如圖1.3所示： 圖1.3 截水溝構造圖1.2.3 其他排水設施道路的排水設施主要包括路基排水和路面排水。常用的路基地面排水設施，除了已經(jīng)進行設計的邊溝和截水溝外，還包括排水溝、跌水與急流槽。這些排水設備，分別設在路基的不同部位，各自的排水功能、布置要求和構造形式均有所差異。各類地表水溝溝頂應高出設計水位0.2m以上。當?shù)叵滤绊懧坊访娴膹姸然蜻吰路€(wěn)定時，應設置暗溝、滲溝和檢查井等地下排水設施。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，一面造成路面積水而影響行車安全。主要包括中央分隔帶排水、路面內部排水和邊緣排水系統(tǒng)，以及排水基層的排水系統(tǒng)等。1.3 路基穩(wěn)定性驗算由于本設計標準橫斷面采用一般路堤形式，路堤平均填土高度為2.5m。對于路基的穩(wěn)定性分析，采用一般路堤的最高值8m。由公路路基設計規(guī)范(JTG D302004)得路堤邊坡坡度為定值。1.3.1 設計參數(shù)路堤填土高h1=8m，路堤邊坡坡率為m=11.5，路堤填料為粘質土，粘聚力C=20KPa，內摩擦角=30（tan=0.577）。土的容重取=20KN/m3。車輛荷載為公路一級汽車荷載。由公路路基設計規(guī)范(JTG D302004)，對路堤和地基的整體穩(wěn)定性采用簡化的Bishop法進行分析計算。1.3.2 穩(wěn)定性驗算（1） 車輛荷載的換算在進行路堤穩(wěn)定性驗算時，將車輛荷載按最不利情況排列，并換算成相當?shù)耐翆雍穸?。公路一級汽車荷載換算成土柱高：由路基路面工程有， ； (1-10)式中：N并列車輛數(shù)，雙向四車道N=4； L 標準車輛軸載為12.8m； Q一輛重車的重力（標準車輛荷載為550KN）； 路基填料的重度為20KN/m3； B荷載橫向分布寬度，近似取路基寬35m。數(shù)值帶入計算可得：h0=0.37m，取h0=0.4m，偏于安全計算。（2） 路堤橫斷面用4.5H法滑動面圓心位置的輔助線，取通過路堤坡腳和距路基左邊緣1/4路基跨度處的圓弧。繪出圓弧滑動面的計算圖示，如圖1.4所示：圖1.4 4.5H法確定圓心位置圖示其中，輔助線的作圖表值參考表1.7：表1.7 輔助線的作圖表值邊坡坡度邊坡角1211.530402635（3） 穩(wěn)定系數(shù)K值由路基路面工程有， ； (1-11)式中：Ni各土條的法向分力，Ni=Qicosi； Ti各土條的切向分力，Ti= Qisini； i各土條重心與圓心連接線對豎軸y的夾角； L圓弧滑動面全長，L=16.59m邊坡計算高度H=h0+h1=8.4m。綜上可列穩(wěn)定性計算表如表1.8所示：表1.8 路堤穩(wěn)定性計算表編號icosisiniAiQiNiTi1-6010.99-0.103.5971.8271.42-7.5325500.990.109.62192.42191.4219.56317340.950.3013.77275.36262.283.11430230.860.5115.75315.04271.77159.34545230.700.7111.70234.08164.41166.62658480.520.861.6432.816.9928.06總和56.081121.52978.54449.16則，穩(wěn)定系數(shù) 。由于K1.45，所以路基穩(wěn)定性驗算結果滿足要求。1.3.3 路基坡面防護本路基設計主要采用土質邊坡坡度為11.5?？紤]到山東地區(qū)降雨量較大，坡面沖刷比較嚴重，并結合工程防護，采用骨架防護，并鋪草皮相結合的路基坡面防護形式，具體為采用片石鋪砌成方格，方格內再鋪草皮。坡面防護如圖1.4所示：圖1.4 坡面防護示意圖1.4 路基施工設計理想的設計必須通過施工來實現(xiàn),施工實踐是檢驗設計的重要過程。路基施工的主要內容，大致可歸納為施工前的準備工作和基本工作兩大部分。土質路基的基本工作，是路塹挖掘成型、土的移運、路堤填筑壓實，以及與路基直接有關的各項附屬工程。施工的準備工作，內容較多，大致可以歸納為組織準備、技術準備和物質準備三個方面。1.4.1 施工要點（1） 基本要求土質路基的挖填，首先必須搞好施工排水，包括地面臨時排水溝槽及設法降低地下水位,以便始終保持施工場地的干燥。路基挖填范圍內的地表障礙物，事先應予以拆除。路塹開挖，應在全橫斷面進行，自上而下一次成型。土質路堤分層填平壓實，是確保施工質量的關鍵。路堤填方材料，應有一定的強度。經(jīng)野外取土試驗，高速公路應符合表1.9的規(guī)定時才能使用。表1.9 路堤填方材料最小強度和最大粒徑表填料應有部位（路床頂面以下深度）（m）填料最小強度（CBR）(%)填料最大粒徑（cm）路堤上路床（030）8.010下路床（3080）5.010上路堤（80150）4.015下路堤（150）3.015零填及路塹路床（030）8.010（3080）5.010（2） 填挖方案土質路堤填筑，主要采用不同的土水平分層平鋪的方式，以保證強度均應。土質路塹開挖，主要采用縱向全款掘進和橫向通道掘進兩種方式。（3） 機械化施工主要采用機械化施工，人工輔助配合的方式進行路基施工。1.4.2 路基壓實（1） 機具選擇與操作根據(jù)各種填料的不同性質以及不同土層厚度，采用最適宜的壓實機械進行施工。路基壓實應在最佳含水率條件下進行。（2） 壓實標準本公路為高速公路，路面為混凝土，對路基強度要求較高，按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，路基壓實度應滿足表1.10的要求。表1.10 路基壓實度填挖類別路床頂面以下深度（m）路基壓實度（%）零填及挖方00.30-00.8096填方00.80960.801.50941.50932 水泥混凝土路面設計水泥混凝土路面板為剛性路面，具有較高的力學強度，在車輪荷載作用下變形較小。所以，混凝土板通常工作在彈性階段。本水泥混凝土路面設計主要依據(jù)公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)。在荷載圖示方面采用靜力作用均布面荷載，在地基模型方面，采用溫克勒地基模型。在路面板形態(tài)方面，采用半空間彈性地基有限大矩形板理論。2.1 行車荷載2.1.1 車輛的類型和軸型由交通調查和預測得知，本路建成初期每晝夜雙向混合交通量組成如下：解放CA141 4678輛；長征XD980 563輛；東風EQ340 294輛躍進HJ130 900輛； 黃河JN150 1680輛；黃河JN162 1800輛北京BJ130 2600輛；太拖拉138 480輛；上海SH361 1600輛后軸小于20KN的小汽車3000輛，預計年平均交通增長率為9.25%。根據(jù)交通調查結果，查閱相關資料可得2.1表如下：表2.1 車輛軸重參數(shù)參考表車型序號車型名稱前軸重（KN）后軸重（KN）后軸數(shù)后軸輪數(shù)交通量01解放CA14124.5068.6012467802長征XD98037.10272.652256303東風EQ34024.2.70.401229404躍進NJ13020.3038.301290005黃河JN15049.00101.6012168006黃河JN16259.50115.0012180007北京BJ13013.5527.2012260008太拖拉13851.40280.002248009上海SH36180.602110.002216002.1.2 軸載換算由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)得標準軸載的有關計算參數(shù)見表2.2：表2.2 標準軸載計算參數(shù)標 準 軸 載BZZ100軸載P（KN）100輪胎接地壓強p（MPa）0.70單輪傳壓面當量直徑d（cm）21.30兩輪中心距（cm）1.5d水泥混凝土路面結構設計以100KN的單軸-雙輪組荷載作為標準軸載。不同軸輪型和軸載的作用次數(shù)，換算為標準軸載的作用次數(shù)。由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002) 有 (2-1) (2-2)或 (2-3)或 (2-4)式中：Ns100KN的單軸-雙輪組標準軸載的作用次數(shù)；Pi單軸-單輪、單軸-雙輪組、雙軸-雙輪組或三軸-雙輪組軸型級軸載的總重（KN）；軸型和軸載級位數(shù)；各類軸型級軸載的作用次數(shù)；軸-輪型系數(shù)，單軸-雙輪組時，=1；單軸-單輪時，按（2-2）計算；雙軸-雙輪組時，按（2-3）計算；三軸-雙輪組時，按（2-4）計算。對于標準軸載作用次數(shù)的統(tǒng)計，去掉影響較小的軸載小于40KN的交通量。并由式2.12.3計算結果列表如下：表2.3 軸載換算計算表軸載Pi（KN）每日通過次數(shù)（次/d）BZZ-100軸次（次/d）68.6476810.00241170.429410.0036149.01680100101.6168011.2891216659.5180010.00020115.0180019.35761684451.448010080.6160010.031751272.655633.5810-6394.684312804803.5010-61844.67443211016003.2610-6.14961571=20648則可知本路建成初期每晝夜雙向混合交通量換算成標準軸載的作用次數(shù)為20648次/d。2.1.3 交通分析由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)可得高速公路的設計基準期為30年，具體數(shù)值見表2.4：表2.4 可靠度設計指標公路技術等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路 安全等級一級二級三級四級設計基準期（a）30302020目標可靠度（）95908580目標可靠指標1.641.281.040.84變異水平等級低低中中中高則設計基準期內路面所承受的標準軸載累計作用次數(shù)為Ni，則有： (2-5)其中，t =30，n1=20648，=9.25% 。則有 。由于路面設計依據(jù)的交通量是設計車道上的交通量，所以，應對道路交通量乘以方向不均勻系數(shù)及車道不均勻系數(shù)。方向不均勻系數(shù)取0.5，車道不均勻系數(shù)取1.0。則有設計基準期內設計車道所承受的標準軸載累計作用次數(shù)Ns為：Ns=Ni0.51.0=0.51.0= 。車道橫斷面上各點所受的軸載作用次數(shù)，僅為通過該車道斷面的軸載作用次數(shù)的一部分。水泥混凝土路面的臨界疲勞荷位為縱縫邊緣中部，該處的輪跡橫向分布系數(shù)，按實際測定結果參照表2.5所示。表2.5 車輛輪跡橫向分布系數(shù)公路等級縱縫邊緣處高速、一級公路、收費站0.170.22二級及二級以下公路行車道寬大于7m0.340.39行車道寬小于或等于7m0.540.62本公路為高速公路雙向四車道，取=0.2 。則，設計基準期內面層臨界荷位出得標準軸載累積作用次數(shù)Ne。Ne=Ns=0.2=。 (2-6)水泥混凝土路面所承受的交通軸載作用，按設計基準期內設計車道所承受的標準軸載累計作用次數(shù)分為4級，分級范圍如表2.6所示。表2.6 交通分級交通等級特重重中等輕設計車道標準軸載累計作用次數(shù)Ne（104）2000100200031003由表2.6可知，本道路交通屬于特重交通。2.2 路面結構組合設計組成水泥混凝土路面的結構層包括：墊層、基層和面層等，各結構層的功能和作用各不相同。2.2.1 墊層設計本公路路基土質較差、水溫狀況不良，需要在路基和基層之間設置墊層，以改善路基的濕度和溫度狀況，保證面層和基層的強度、剛度及溫度性。由于修筑墊層的材料，強度要求不一定要求很高，但水穩(wěn)性和隔溫性能要好，本設計考慮到公路所在地區(qū)降雨量較大，地下水位較高，主要采用排水墊層。排水墊層所采用的材料是砂礫，砂礫墊層應采用潔凈的中、粗砂及礫石，含泥量不大于5%，并將其中的植物、雜質清除干凈，也可以采用天然級配的砂礫料，其最大粒徑不大于50mm。應注意防止粗細粒料分離現(xiàn)象。由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)，墊層的寬度應與路基同寬，其最小厚度為150mm。本設計取墊層厚度為180mm。2.2.2 基層設計在面層下設置基層的主要目的是防止唧泥、錯臺和由此引起的面板斷裂等損壞的出現(xiàn)。要求剛度與面層匹配，細粒土含量少、耐沖刷能力強和有排水設施。由于本公路為高速公路，對基層的上述要求較高。（1） 類型由于本公路交通屬于特重交通。由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)可得適宜的基層類型如表2.7所示。表2.7 適宜各類交通等級的基層類型交通等級基層類型特重交通貧混凝土、碾壓混凝土或瀝青混凝土基層重交通水泥穩(wěn)定粒料或瀝青穩(wěn)定碎石基層中等或輕交通水泥穩(wěn)定粒料、石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料或級配粒料基層由表2.7 本設計路面基層采用水泥穩(wěn)定砂。同時考慮到特種交通的需求，同時加設選用水泥穩(wěn)定粒料(水泥用量5)的底基層。（2） 寬度由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)知?；鶎拥膶挾葢然炷撩鎸用總戎辽賹挸?00mm（采用小型機具施工時）或500mm（軌模式攤鋪機施工時）或650mm（滑模式攤鋪機施工時）。路肩采用混凝土面層，其厚度與行車道面層相同時，基層寬度宜與路基同寬。級配粒料基層的寬度也宜與路基同寬。本設計采用與路基同寬度的基層。（3） 厚度由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)?？芍黝惢鶎雍穸鹊倪m宜范圍，如表2.8所示。表2.8 各類基層厚度的適宜范圍基層類型厚度適宜的范圍（mm）貧混凝土或碾壓混凝土基層120200水泥或石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料基層150250瀝青混凝土基層4060瀝青穩(wěn)定碎石基層80100級配粒料基層150200多孔隙水泥穩(wěn)定碎石排水基層100140瀝青穩(wěn)定碎石排水基層80100由于本設計采用水泥穩(wěn)定砂基層，且考慮到交通容量特別大，并結合貧混凝土的材料性能，決定采用160mm的水泥穩(wěn)定沙?；鶎印Ｋ喾€(wěn)定沙粒底基層的厚度綜合考慮采用180mm2.2.3 面層設計水泥混凝土面層應具有足夠的強度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。面層采用設接縫的普通混凝土。具體設計參數(shù)見下節(jié)，水泥混凝土路面設計。2.2.4 路肩設計路肩的作用是為路面提供側向支承，并承受一定的荷載。本設計路肩鋪面采用水泥混凝土面層。高速公路硬路肩水泥混凝土面層的厚度采用與行車道面層等厚，基層與行車道基層相同。2.2.5 路面排水設計（1）高速公路因平縱橫三方面均要求較高，所以路基填挖較大。一般需設置攔水帶，防止雨水集中沖刷填方坡面，造成坡面拉溝，甚至沖毀路基。攔水帶采用形式如圖2.1所示。圖2.1 攔水帶示意圖（2）中央分隔帶排水的作用主要是排除中央分隔帶范圍內的表面滲入水，本設計采用凸形表面有鋪面封閉的中央分隔帶，如圖2.2所示。圖2.2 中央分隔帶排水（3）行車道路面應設置雙向或單向橫坡，坡度為2。路肩鋪面的橫向坡度值比行車道路面的橫坡值大1，為3。（4）行車道路面結構設置了排水墊層，在排水墊層外側邊緣設置縱向集水溝，并間隔50100m設置橫向排水管。排水墊層的縱向邊緣集水溝設在路床邊緣。集水溝的縱坡與路線縱坡相同。（5）集水溝的寬度通常采用300mm。集水溝的深度為保證集水管管頂?shù)陀谂潘畬拥酌?，并有足夠厚度和回填料使集水管不被施工機械壓裂。采用200mm。2.3 路面結構層設計2.3.1. 初擬路面結構由表2.4知，相應于安全等級一級的變異水平等級為低級。根據(jù)高速公路特重交通等級和低變異水平等級，查表2.9初擬普通混凝土面層厚度為0.28m，水泥穩(wěn)定砂基層0.16m，底基層選用水泥穩(wěn)定粒料(水泥用量5)，厚0.18m，墊層為0.18m天然沙礫。水泥混凝土上面層板的平面尺寸長為4.0m、寬從中央分隔帶至路肩依次為3.75m、3.75m、3.25m；縱縫為設拉桿平縫，橫縫為設傳力桿的假縫。水泥穩(wěn)定砂不設縱縫，橫縫設假縫，間距(板長)4m。表2.9 水泥混凝土面層厚度參考范圍交通等級特重重公路等級高速一級二級高速一級二級變異水平等級低中低中低中低中面層厚度（mm）2602502402702402602302502202.3.2. 路面材料參數(shù)的確定（1）面層由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)可得普通混凝土面層彎拉強度標準值如表2.9所示。表2.9 水泥混凝土設計彎拉強度標準值交通等級特重重中等輕水泥混凝土的彎拉強度標準值（MPa）5.05.04.54.0鋼纖維混凝土的彎拉強度標準值（MPa）6.06.05.55.0同時可得相應的彎拉彈性模量如表2.10所示。表2.10 水泥混凝土彎拉彈性模量經(jīng)驗參考值彎拉強度（MPa）1.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5抗壓強度（MPa）5.07.711.014.919.324.229.735.841.848.4彎拉彈性模量（GPa）10151821232527293133綜上分析，取普通混凝土面層的彎拉強度標準值為5.0MPa，相應彎拉彈性模量標準值為31GPa。（2）基層參考有關資料，水泥穩(wěn)定砂彎拉強度標準值為4.0MPa，相應彎拉彈性模量標準值為27GPa。又由表2.11得水泥穩(wěn)定粒料基層回彈模量取1300MPa。表2.11 墊層和基層材料回彈模量經(jīng)驗參考值材料類型回彈模量（MPa）天然沙礫150200水泥穩(wěn)定粒料13001700（3）墊層同樣由表2.11得天然砂礫墊層的回彈模量取200MPa。（4）路基由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)建議路基土回彈模量取值如表2.12所示。表2.12 中濕路基路床頂面回彈模量（MPa）土組公路自然區(qū)劃土質砂26424050395035605060粘質土25453040254530453045粉質土22463254305027433045由公路自然區(qū)劃標準可知：山東大部分位于II2a遼河平原凍融交替副區(qū)，屬于東部溫潤季凍區(qū)。路基土質為粉質土。路基土回彈模量取40MPa。2.3.3. 基層頂面回彈模量由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)得基層頂面回彈模量的計算公式如下： (2-7) (2-8) (2-9) (2-10) (2-11) (2-12)將數(shù)據(jù)代入上式，可解得： 由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)，有基層頂面的當量回彈模量Et的最低要求見表2.13所示。表2.13 基層頂面回彈模量Et最低要求交通量等級特重重中等輕回彈模量Et（MPa）1201008080由于所以算的Et=168MPa，大于120MPa，所以滿足要求。2.3.4. 荷載疲勞應力由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)，采用水泥穩(wěn)定砂或貧混凝土做基層時，宜將基層與混凝土面層視作分離式雙層板進行應力分析。復合式混凝土面層的截面總剛度。 (2-13)式中，層間結合系數(shù)。分離式，取=0 。則有，復合式混凝土面層的相對剛度半徑。 (2-14)則有， 標準軸載在普通混凝土面層臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應力計算為，。 (2-15)則有， (2-16)則有， 由公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)，標準軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞應力按下式計算： (2-17)其中：普通混凝土面層，因縱縫為設拉桿平縫，接縫傳荷能力的應力折減系數(shù)=0.87；水泥穩(wěn)定砂基層不設縱縫，不考慮接縫傳荷能力的應力折減系數(shù)。設計基準期內的荷載疲勞應力系數(shù)。 (2-18)式中： kf設計基準期內的荷載疲勞應力系數(shù)； Ne設計基準期內標準軸載累計作用次數(shù)； 與混合料性質有關的指數(shù)，普通混凝土、鋼筋混凝土、連續(xù)配筋混凝土，=0.057，普通混凝土水泥穩(wěn)定砂和貧混凝土，=0.065；對普通混凝土面層， 。對于水泥穩(wěn)定砂基層， ?？紤]偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù)，按公路等級查 表2.14可得。表2.14 綜合系數(shù)公路等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路1.301.251.201.10由于本公路為高速公路，取=1.30 。普通混凝土面層的荷載疲勞應力計算為，水泥穩(wěn)定砂基層的荷載疲勞應力計算為，2.3.5. 溫度疲勞應力水泥混凝土面層的最大溫度梯度標準值Tg ，可按照公路所在地的公路自然區(qū)劃按表2.15選用。表2.15 最大溫度梯度標準值Tg公路自然區(qū)劃、最大溫度梯度(/m)8883909586929398本公路位于II2a遼河平原凍融交替副區(qū)，最大溫度梯度取88/m。普通混凝土面層板長4m，。混凝土面層厚度0.28m。查公路水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTG D402002)附圖，可得：Bx=0.41 ，Cx=0.85 。分離式雙層混凝土板上層的最大溫度翹曲應力按下式計算： (2-19) (2-20) (2-21)將數(shù)據(jù)代入上式，可解得：溫度疲勞應力系數(shù)可按下式計算確定： (2-22)式中：a、b和c回歸系數(shù)，按所在地區(qū)的公路自然區(qū)劃查表2.16確定。表2.16 回歸系數(shù)a、b和c系 數(shù)公路自然區(qū)劃IIIIIVV11a0.8280.8550.8410.8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821.270本公路位于II2a遼河平原凍融交替副區(qū)，取a=0.841，b=0.058，c=1.323 。在臨界荷位處的溫度疲勞應力按下式計算確定： (2-23)則有，分離式復合式路面中水泥穩(wěn)定砂基層的溫度翹曲應力可忽略不計。由表2.4可得高速公路的安全等級為一級，目標可靠度為95，相應的變異水平等級為低。再由表2.17可得可靠度系數(shù)。表2.17 可靠度系數(shù)變異水平等級目標可靠度（）95908580低1.201.331.091.161.041.08中1.331.501.161.231.081.131.041.07高1.231.331.131.181.071.11確定可靠度系數(shù)=1.33 。水泥混凝土路面結構設計以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態(tài)，其表達式采用下式計算： (2-24)普通混凝土面層為，水泥穩(wěn)定砂基層為，因而，擬定的由厚度0.28m的普通混凝土上面層和厚度0.16m的水泥穩(wěn)定砂基層組成的分離式復合式路面，可以承受設計基準期內荷載應力和溫度應力的綜合疲勞作用。2.4 接縫設計混凝土路面板由于溫度或濕度變化、硬化時的收縮等原因，會出現(xiàn)脹縮合翹曲。設置接縫，可減小混凝土板因變形受到約束而產(chǎn)生的內應力，并滿足施工的需要。2.4.1 縱向接縫縱縫設在劃分車道線的位置，由于一次鋪筑寬度小于路面寬度，設置縱向施工縫?？v縫與路線中縫平行?？v向施工縫采用平縫加拉桿形式，上部鋸切槽口，深度為30mm，寬度為5mm，槽內灌塞填縫料，構造如圖2.3所示。圖2.3 縱向施工縫構造圖拉桿采用螺紋鋼筋，設在板厚中央，并對拉桿中部100mm范圍內進行防銹處理。拉桿的直徑、長度和間距，參照表2.18選用。施工布設時，拉桿間距按橫向接縫的實際位置予以調整。表2.18 拉桿直徑、長度和間距（mm）面層厚度（mm）到自由邊或未設拉桿縱縫的距離（m）3.003.503.754.506.007.5200250147009001470080014700700147006001470050014700400260300168009001680080016800700168006001680050016800400由于設計混凝土面層厚度為280mm，一車道寬度即到自由邊距離為3.75m。選用直徑16螺紋鋼筋，長度800mm，間距700mm。2.4.2 橫向接縫橫縫垂直于縱縫，有縮縫、脹縫和施工縫三種。由于設置脹縫不僅給施工帶來不便，而且也容易出現(xiàn)碎裂、唧泥和錯臺等病害。因此本設計主要采用縮縫和施工縫兩種接縫形式。每日施工結束或因臨時原因中斷施工時，設置橫向施工縫，其位置選在縮縫處。采用傳力桿的平縫形式，其構造如圖2.4所示。圖2.4 橫向施工縫構造圖橫向縮縫等間距布置，采用假縫形式。由于特重交通，采用設傳力桿假縫形式。橫向縮縫頂部鋸切槽口，深度為面層厚度的1/4，寬度為5mm，槽內填塞填縫料。高速公路的橫向縮縫槽口增設深20mm、寬610mm的淺槽口，其構造如圖2.5所示。圖2.5 橫向縮縫構造圖傳力桿采用光面鋼筋。其尺寸和間距可按表2.19選用。最外側傳力桿距縱向接縫或自由邊的距離為200mm。表2.19 傳力桿尺寸和間距（mm）面層厚度（mm）傳力桿直徑傳力桿最小長度傳力桿最大間距2202840030024030400300260324503002803545030030038500300水泥混凝土面層厚度280mm。則采用傳力桿直徑35光面鋼筋，長度500mm，間距200mm。2.5 水混凝土面層混合料設計2.5.1 基本要求水泥混凝土混合料根據(jù)公路交通量及公路的使用任務、性質，并結合氣候、水文、土質、材料、實踐經(jīng)驗以及施工和養(yǎng)護條件等，通過技術經(jīng)濟比較。獲得符合使用要求與環(huán)境條件相適應的路面。混凝土混合料由水泥、粗集料、細集料、水與外加劑等原材料組成。各種材料的基本技術要求應滿足相應的技術規(guī)范?；拘阅馨拐蹚姸取⒖拐燮趶姸?、抗壓強度、變形性能和耐久性等性能也應滿足要求。2.5.2 配合比設計設配置52.5級普通水泥礫石混凝土（1）配置抗折強度設配置滑模攤鋪的水泥混凝土，高速公路水泥混凝土路面設計抗折強度5MPa，強度施工保證系數(shù)K=1.15。則配置抗折強度由下式確定：則有，（2）計算水灰比W/C實測28d抗折強度平均值取8.40MPa。參照下列兩個經(jīng)驗公式計算：帶入數(shù)據(jù)則有，W/C=0.3642 或 W/C=0.544上述兩個公式計算的水灰比，一個偏小，一個偏大，取兩個公式的計算結果的平均值W/C=0.454較合適。（3）計算單位用水量W0 取細度模數(shù)為2.6，參考表2.20得Sp=32%；表2.20 砂的細度模數(shù)與最優(yōu)砂率關系砂細度模數(shù)2.22.52.52.82.83.13.13.43.43.7砂率（%）碎石30343236343836403842礫石28323034323634383640塌落度h=5cm，由下列經(jīng)驗公式可計算：代入數(shù)據(jù)得，Sp=162.15kg/m3160kg/m3用水量過大，需使用減水劑。（4）外加劑用量使用外加劑，應采用引氣緩凝減水劑用量1.5，