第六章 水泥混凝土路面设计1.设计资料新建永州至蓝山高速位于自然区划Ⅳ区，采用普通混凝路面设计，双向四车道，路面宽26m ，交通量年平均增长率为8.0%2.交通分析2.1使用初期设计车道每日通过标准轴载作用次数 根据昼夜双向交通量统计，有使用初期设计车道日标准轴载换算（小于40KN 的单轴和小于80KN 的双轴略去不计，方向分配系数为a=0.5，车道分sN配系数为b=0.8）。

=0.4×5274.11=2105.642.2使用年限内的累计标准轴次e N查《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)，设计基准期为t =30a ，临界荷位处轮迹横向分布系数取=η0.2, 交通量年平均增长率g γ=8.0%，累计标准轴次（使用年限内的累计标准轴次）：71074.1365]1)1[(⨯=⨯⨯-+=γγηg g N N t s e故此路属于重交通等级3.初拟路面结构查《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)水泥混凝土面层厚度的参考范围：高速公路（重交通等级）安全等级为一级，变异水平为低级；按设计要求，根据路基的干湿类型，设计6种方案，并进行方案比选。

3.1干燥状态方案一：(1) 初拟路面结构初拟水泥混凝土面层厚度h=25cm 。

基层选用水泥稳定碎石，厚度h 1=15cm 。

底基层选用水泥稳定砂砾，厚度h 2=20cm 。

板平面尺寸选为宽3.75m ，长4.5m 。

纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。

(2) 材料参数的确定1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量查《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)，普通水泥混凝土路面重型交通:设计弯拉强度f r 0.5=Mpa ，对应的设计弯拉弹性模量标准值E c =31Mpa 。

2、土基的回弹模量根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)，路基土干燥状态时，选用土基的回弹模量值：MPa E 450=161)100(∑=⨯⨯=ni i i s Pi N a b a N基层和底基层的回弹模量基层选用水泥稳定碎石，查《规范》(JTG D40—2011)，水泥稳定碎石基层回弹模量选用：1500MPa E 1=底基层选水泥稳定砂砾，查《规范》(JTG D40—2011)，水泥稳定砂砾底基层的回弹模量选用：14002=E Mpa 。

(3) 基层顶面的当量回弹模量和面层相对刚度半径参照《规范》(JTG D40—2011)基层顶面当量回弹模量计算公式：MPa h h E h E h E x 14362.015.014002.0150015.022222221222121=+⨯+⨯=++=12211221322311)11(4)(1212-++++=h E h E h h h E h E D x= ⎪⎭⎫⎝⎛⨯+⨯++⨯+⨯2.01400115.0150014)20.015.0(122.014001215.01500233=1.355MN*m225.01436/355.112/1233=⨯==x x x E D ha =243.445143651.1122.651.1122.645.045.00=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---E E x 786.045143644.1144.1155.055.00=⎪⎭⎫⎝⎛⨯-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=--E E b x506.18745143645225.0243.431786.03100=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=E E E ah E x b x t (MPa)普通混凝土面层的相对刚度半径： 737.0506.187/3100025.0537.0537.033=⨯⨯==tcE E h r (4) 荷载疲劳应力计算 标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为： 026.125.0737.0077.0077.026.026.0=⨯⨯==--h r Ps σ(MPa)因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数87.0=r k 。

考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数：462.2)7311400(057.0===v e f N K 。

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合系数30.1=c k 。

荷载疲劳应力计算为：857.2026.130.187.0462.2=⨯⨯⨯==Ps c r f pr K K K σσ（MPa ）(5) 温度疲劳应力新建永州至蓝山高速位于自然区划Ⅳ区，查《规范》(JTG D40—2011)取最大温度梯度Tg =90（℃/m ），板长 4.5m ，L/r=4.5/0.737=6.106，可温度系数应力表，查普通混凝土板厚25.0=h m,61.0=x B m 。

最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力： 127.261.029025.03100010125=⨯⨯⨯⨯⨯==-x gc c tm B hT E a σ（MPa ）温度疲劳应力系数t k ，查表得a=0.841,b=0.058,c=1.323，计算t k ：502.0058.00.5127.2841.0127.20.5323.1=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎭⎫⎝⎛⨯=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=b fa f K cr tmtm r t σσ 计算温度疲劳应力：068.1127.2502.0=⨯==tm t tr K σσ（MPa ）查《规范》可靠度设计标准，高速公路的安全等级为一级，变异水平低级，目标可靠度为95%。

再据查得的目标可靠度和变异水平等级，确定可靠度系数r γ=1.25()91.4)068.1857.2(25.1=+⨯=+tr pr r σσγ（MPa ）≤0.5=r f （MPa ） 因而，所选普通混凝土面层厚度（25cm ）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。

方案二：(1) 初拟路面结构初拟水泥混凝土面层厚度h=25cm 。

基层选用水泥稳定碎石，厚度h1=15cm 。

底基层选石灰粉煤灰碎石，厚度h2=20cm 。

板平面尺寸选为宽3.75m ，长4.5m 。

纵缝为设拉杆平缝；横缝为设传力杆的假缝。

(2) 材料参数的确定1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量因为设计为普通混凝土路面且交通等级为重交通等级，由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)得：设计弯拉强度 r f 0.5=Mpa ，弯拉弹性模量 31=c E Gpa 。

2、土基的回弹模量参照《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011),路基属于干燥状态，选用路基土基的回弹模量值： E =45（MPa ）3、底基层和基层的回弹模量基层选用水泥稳定碎石，查《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)，水泥稳定碎石的回弹模量选用：E1=1500MPa底基层选石灰粉煤灰碎石，查《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)，的回弹模量选用：E2=1300MPa (3) 基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，参照《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)中，按式（B.1.5）计算基层顶面当量回弹模量如下：13722.015.013002.0150015.022222221222121=+⨯+⨯==++=h h E h E h E x MPa12211221322311)11(4)(1212-++++=h E h E h h h E h E D x1233)2.01300115.015001(4)2.015.0(122.013001215.01500-⨯+⨯++⨯+⨯=982.4=(MN-m)352.01372/982.412/1233=⨯==x x x E D h (m)()[]()[]212.45.44/137251.1122.6/51.1122.645.045.0=⨯-⨯=⨯-⨯=-- E E a x()782.0)5.44/1372(44.11/44.1155.055.0=⨯-=-=-- E E b x()850.259)5.44/1372(5.44246.0284.4/3/1791.03/1=⨯⨯⨯== E E E ah E x bx t (MPa)普通混凝土面层的相对刚度半径按式(B.1.3-2)计算为661.0850.259/3100025.0537.0/537.033=⨯⨯==t c E E h r （m ） (4) 荷载疲劳应力计算按式（B.1.3）,标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为 961.025.0661.0077.0077.026.026.0=⨯⨯==--h r ps σ(MPa)因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数87.0=r k 。

考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数： 506.2)10007813(057.0===ne f N K根据公路等级，由表 B.1.2，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数30.1=c k 。

按式（B.1.2），荷载疲劳应力计算为 724.2961.03.1506.287.0ps =⨯⨯⨯==σσc f r pr K K K （MPa ） (5）温度疲劳应力新建永蓝高速公路属Ⅳ区，查《规范》表3.0.8可选取最大温度梯度Tg 应取86（℃/m ）为86=g T （℃/m ）。

板长4.5m ，809.6661.0/5.4/==r l ，由图B.2.2可查普通混凝土板厚 h=0.25m,61.0=x B 。

按式（B.2.2）,最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为：22/61.08625.0310001012/5tm =⨯⨯⨯⨯⨯==-x g c c B hT E a σ（MPa ） 温度疲劳应力系数t k ，按式（B.2.3）计算为： 480.0058.0)0.52(841.020.5)(323.1tm tm =⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=b f a f Kc r t t σσ再由式（B.2.1）计算温度疲劳应力为： 961.0066.2480.0tm tr =⨯==σσt K （MPa ）查表3.0.1，高速公路的安全等级为一级，相应于一级安全等级的变异水平等级为低级，目标可靠度为95%。

再据查得的目标可靠度和变异水平等级，查表3.0.3，确定可靠度系数27.1r =γ。

按式（3.0.3）679.4)961.0724.2(27.1)(tr pr r =+⨯=+σσγ（MPa ）≤0.5=r f （MPa ）因而，所选普通混凝土面层厚度（25cm ）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。