第四章 路面设计4.1水泥混凝土路面设计交通组成表4.1.1 轴载分析水泥混凝土路面结构设计以100KN 单轴—双轮组荷载为标准轴载。

⑴以设计弯沉值为指标及验算面层层底拉力中的累计当量轴次。

① 轴载换算：161100∑=⎪⎭⎫⎝⎛=ni i i i s P N N δ 式中 ：sN ——100KN 的单轴—双轮组标准轴载的作用次数；iP ——单轴—单轮、单轴—双轮组、双轴—双轮组或三轴—双轮组轴型i 级轴载的总重KN ；iN ——各类轴型i 级轴载的作用次数；n ——轴型和轴载级位数； iδ——轴—轮型系数，单轴—双轮组时，i δ=1；单轴—单轮时，按式43.031022.2-⨯=i i P δ计算；双轴—双轮组时，按式22.051007.1--⨯=i i P δ；三轴—双轮组时，按式22.081024.2--⨯=i i P δ计算。

轴载换算结果如表所示注：轴载小于40KN 的轴载作用不计。

② 计算累计当量轴次根据表设计规范，二级公路的设计基准期为20年，安全等级为二级，轮迹横向分布系数η是0.34~0.39取0.39，g r =0.086，则[][])(769.106197539.0365086.01)086.01(508.5313651)1(20次=⨯⨯-+⨯=⨯-+=ηr t r s e g g N N 其交通量在44102000~10100⨯⨯中，故属重交通等级。

4.1.2 初拟路面结构根据二级公路、重交通等级和低级变异水平等级，查表4.4.6 初拟两种方案。

如下：方案一：普通混凝土面层厚度为22cm ，基层采用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚15cm 。

垫层为15cm 天然砂砾材料。

普通混凝土板的平面尺寸为宽3.5m ，长5.0m 。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

方案二：普通混凝土面层厚度为22cm ，基层采用水泥稳定粒料（水泥用量5%），厚15cm 。

垫层为15cm 级配碎砾石。

普通混凝土板的平面尺寸为宽3. 5m ，长5.0m 。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

4.1.3 路面计算（方案一） 4.1.3.1路面材料参数确定确定基层顶面当量回弹模量tcs E E ,查《路基路面工程》（第三版）表16—26和表16—27取土基抗压回弹模量E o =35MPa ，水泥稳定粒料基层回弹模量取E 1=1500MPa, 天然砂砾回弹模量取E 2=200MPa,取值与设计值一样。

按表16—23和表16—25，混凝土面层设计弯拉强度：f r =5.0MPa ，相应弯拉弹性模量为Ec=31×104MPa计算基层顶面当量回弹模量如下：a x MP h h E h E h E 85015.015.020015.0150015.022222221222121=+⨯+⨯=++= 12211221322311)11(4)(1212-++++=h E h E h h h E h E D x1233)15.0200115.015001(4)15.015.0(1215.02001215.01500-⨯+⨯++⨯+⨯==1.0737MN.mm E D h x x x 2475.0)8500737.112()12(3131=⨯==9846.3)35850(51.1122.6)(51.1122.645.045.00=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯-⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯=--E E a x 7509.0)35850(44.11)(44.1155.055.00=⨯-=-=--E E b x a x bxt MP E E E ah E 318.121)35850(302475.09846.3)(317509.03100=⨯⨯⨯==式中：E t ——基层顶面的当量回弹模量，MPa ； E 0——路床顶面的回弹模量，E x ——基层和底基层或垫层的当量回弹模量， 21,E E ——基层和底基层或垫层的回弹模量， xh ——基层和底基层或垫层的当量厚度，xD ——基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度，21,h h ——基层和底基层或垫层的厚度， b a ,——与E x/ E 0有关的回归系数普通混凝土面层的相对刚度半径按式（16-52b ）计算为： ()m E E h r tc7497.0)318.12131000(22.0537.0)(537.03131=⨯⨯==4.1.3.2 计算荷载疲劳应力 按式（16-52b ），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：a ps MP h r 3384.122.07497.0077.0077.026.026.0=⨯⨯==--σ因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数K r =0.87。

考虑设计基准期内荷应力累计疲劳作用的疲劳应力系数464.2769.1061975065.0===v e f N K（v —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，ν=0.057；碾压混凝土和贫混凝土，ν=0.065；钢纤维混凝土，按计算。

ff fd l v ρ017.0053.0-=）根据公路等级，由表16-24考虑偏载和动载等因素，对路面疲劳损失影响的综合系数K c =1.20，按式（16-49），荷载疲劳应力计算为a ps c f r pr MP K K K 4428.33384.120.1464.287.0=⨯⨯⨯==σσ 4.1.3.3 温度疲劳应力由表16-28，Ⅳ区最大温度梯度取88(℃／m)。

板长5m ,7522.67405.05==r l ,由图16-14可查普通混凝土板厚5432.0,22.0==x B m h 。

按式（16-56）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为：a x gc c tm MP B hT E a 63.15432.028822.03100010125=⨯⨯⨯⨯⨯==-σ温度疲劳应力系数K t ，按式（B.2.3）计算为4076.0058.0)0.563.1(841.063.10.5)(323.1=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=b f a f Kc r tm tm r t σσ 式中：a 、b 、c —回归系数，按所在地区的公路自然区划查表B.2.3确定。

再由式（16-55）计算温度疲劳应力为pσa tm t tr MP K 6644.063.14076.0=⨯==σσ查表16-20，二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平为中级，目标可靠度为85%。

再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表16-22，确定可靠度系数 按式（16-48）a r a tr pr r MP f MP r 0.5518.4)6644.04428.3(10.1)(=≤=+⨯=+σσ 因而，所选混凝土面层厚度（0.22m ）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。

各计算步骤以及公式都参照方案一来计算，得出结果如下： 设 计 内 容 : 新建单层水泥混凝土路面设计 公 路 等 级 : 二级公路 变异水平的等级 : 中 级 可 靠 度 系 数 : 1.10面 层 类 型 : 普通混凝土面层行驶方向分配系数 1 车道分配系数 1轮迹横向分布系数 .39 交通量年平均增长率 6.8 ％ 混凝土弯拉强度 5 MPa 混凝土弯拉模量 31000 MPa 混凝土面层板长度 5 m 地区公路自然区划 Ⅳ 面层最大温度梯度 88 ℃/m 接缝应力折减系数 .87 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 150 1500 2 天然砂砾 150 200 3 土基 35 基层顶面当量回弹模量 ET= 141.5 MPaHB= 220 r= .713 SPS= 1.3 SPR= 3.210.1=r rBX= .7 STM= 2.1 KT= .5 STR= 1.04 SCR= 4.24 GSCR= 4.66 RE=-6.8 % 设计车道使用初期标准轴载日作用次数 : 602 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 : 3437320 路面承受的交通等级 :重交通等级 基层顶面当量回弹模量 : 141.5 MPa 混凝土面层设计厚度 : 220 mm通过对设计层厚度取整以及设计人员对路面厚度进一步的修改, 最后得到路面结构设计结果如下:--------------------------------------- 普通混凝土面层 220 mm --------------------------------------- 水泥稳定粒料 150 mm --------------------------------------- 天然砂砾 150 mm --------------------------------------- 土基 4.1.4 方案二计算 4.1.4.1路面材料参数确定确定基层顶面当量回弹模量tcs E E ,查《路基路面工程》（第三版）表16—26和表16—27取土基抗压回弹模量E o =35MPa ，水泥稳定粒料基层回弹模量取E 1=1500MPa, 级配碎砾石回弹模量取E 2=300MPa,取值与设计值一样。

按表16—23和表16—25，混凝土面层设计弯拉强度：f r =5.0MPa ，相应弯拉弹性模量为Ec=31×104MPa计算基层顶面当量回弹模量如下：a x MP h h E h E h E 90015.015.030015.0150015.022222221222121=+⨯+⨯=++= 12211221322311)11(4)(1212-++++=h E h E h h h E h E D x1233)15.0300115.015001(4)15.015.0(1215.03001215.01500-⨯+⨯++⨯+⨯==1.35MN.mm E D h x x x 2621.0)90035.112()12(3131=⨯==0413.4)35900(51.1122.6)(51.1122.645.045.00=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯-⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯=--E E a x 7586.0)35900(44.11)(44.1155.055.00=⨯-=-=--E E b x a x bxt MP E E E ah E 583.129)35900(302621.00413.4)(317586.03100=⨯⨯⨯==式中：E t ——基层顶面的当量回弹模量，MPa ； E 0——路床顶面的回弹模量，E x ——基层和底基层或垫层的当量回弹模量， 21,E E ——基层和底基层或垫层的回弹模量， xh ——基层和底基层或垫层的当量厚度，xD ——基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度，21,h h ——基层和底基层或垫层的厚度， b a ,——与E x/ E 0有关的回归系数普通混凝土面层的相对刚度半径按式（16-52b ）计算为： ()m E E h r tc7334.0)583.12931000(22.0537.0)(537.03131=⨯⨯==4.1.4.2 计算荷载疲劳应力 按式（16-52b ），标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：a ps MP h r 321.122.07334.0077.0077.026.026.0=⨯⨯==--σ因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数K r =0.87。