路基路面课程设计

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

目 录

摘 要. 1
1 路基设计. 4
1.1 路基横断面设计. 4
1.1.1 确定路基横断面形式. 4
1.1.2 确定自然区划和路基干湿类型. 4
1.1.3 拟定路基断面尺寸. 5
1.2 道路横断面排水设计. 6
1.2.1 确定边沟布置、断面形式及尺寸. 6
1.2.2 确定截水沟布置、断面形式和尺寸. 7
1.2.3 其他排水设施. 9
1.3路基稳定性验算. 9
1.3.1 设计参数. 10
1.3.2 稳定性验算. 10
1.3.3 路基坡面防护. 12
1.4路基施工设计. 13
1.4.1 施工要点. 13
1.4.2 路基压实. 14
2 水泥混凝土路面设计. 15
2.1 行车荷载. 15
2.1.1 车辆的类型和轴型. 15
2.1.2 轴载换算. 16
2.1.3 交通分析. 17
2.2路面结构组合设计. 19
2.2.1 垫层设计. 19
2.2.2 基层设计. 19
2.2.3 面层设计. 20
2.2.4 路肩设计. 21
2.2.5 路面排水设计. 21
2.3路面结构层设计. 22
2.3.1. 初拟路面结构. 22
2.3.2. 路面材料参数的确定. 22
2.3.3. 基层顶面回弹模量. 24
2.3.4. 荷载疲劳应力. 25
2.3.5. 温度疲劳应力. 27
2.4接缝设计. 29
2.4.1 纵向接缝. 29
2.4.2 横向接缝. 30
2.5水混凝土面层混合料设计. 31
2.5.1 基本要求. 31
2.5.2 配合比设计. 32
2.6路面用钢筋量计算. 34
2.7 水泥混凝土路面机械摊铺施工. 35
参考文献. 37

(2-1)
(2-2)
或 (2-3)
或 (2-4)
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	1.2891	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
	∑=20648

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20648次/d。
(2-5)
其中，t =30，n1=20648，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。 (2-6)
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。

图2.1 拦水带示意图
（2）中央分隔带排水的作用主要是排除中央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中央分隔带，如图2.2所示。

图2.2 中央分隔带排水
（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。
(2-7)
(2-8)
(2-9)
(2-10)
(2-11)
(2-12)
将数据代入上式，可解得：





由《公路水泥混凝土路面设计规范》(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。
。
(2-13)
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。
(2-14)
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，。
(2-15)
则有，

(2-16)
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：
(2-17)
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。
(2-18)
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
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，

。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：
(2-19)
(2-20)
(2-21)
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：
(2-22)
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：
(2-23)
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：
(2-24)
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。

图2.3 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。
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。

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。

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=0.3642 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‰

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