绕城高速公路东段k14+000～k15+400段路基路面综合设计.doc

1、 广西梧州绕城高速公路东段k14+000k15+400段路基路面综合设计7水泥路面设计标准轴载：设计理论：弹性半空间地基有限大矩形薄板理论有限元解设计指标：路面板纵缝边缘荷载与温度综合疲劳弯拉应力7.1交通调查与分析7.1.1交通调查表7-1 交通量资料车型交通量（辆/昼夜）小客车2620中客车SH130834大客车CA50501小货车BJ1301725中货CA50585中货车EQ140864大货车JN150798特大车日野KB222688拖挂车五十铃60交通量年平均增长率（%）9.1注：上表为双车道双向交通量调查结果。7.2.2交通分析以车辆类型为基础进行各种轴型的轴载称重和统计时可采用车辆

2、当量轴载系数法计算分析设计车道使用初期的设计轴载日作用次数，从而得到设计基准期内设计车道所承受的设计轴载累计次数，确定交通等级。按单轴轴重级位统计整理后得到轴载谱，并按式（7-1）计算确定不同轴重级位的设计轴载当量换算系数，计算结果见表7-2。 （7-1）式中：不同单轴轴重级位的设计轴载当量换算系数；单轴级位的轴重；设计轴载的轴重。表7-2 不同单轴轴重级位的设计轴载当量换算系数车型车轴轴-轮型中客车 SH130前轴1125.6 后轴1251.1 大客车 CA50前轴1128.7 后轴1268.2 小货车 BJ130前轴1113.6 后轴1227.2 中货车 CA50前轴1128.7 后轴12

3、68.2 中货车 EQ140前轴1123.7 后轴1269.2 大货车 JN150前轴1149.0 后轴12101.6 1.289特大车日野KB222前轴1150.2 后轴12104.3 1.961拖挂车五十铃前轴1160.0 后轴112100.0 1.000后轴212100.0 1.000后轴312100.0 1.000可将2轴6轮及以上车辆分为整车、半挂和多挂3大类，每类车再按轴数细分，分别按车型称重后得到单轴轴载谱。可按式（7-1）和式（7-2）计算得到各类车辆的设计轴载当量换算系数，计算结果见表7-3。 （7-2）式中：类车辆的设计轴载当量换算系数；类车辆单轴轴重级位的频率。表9-3各

4、类车辆设计轴载当量换算系数车型车轴轴-轮型中客车 SH130前轴118340.070 0.199 0.21 后轴128340.070 大客车 CA50前轴115010.042 后轴125010.042 小货车BJ130前轴1117250.144 后轴1217250.144 中货车CA50前轴115850.049 后轴125850.049 中货车EQ140前轴118640.072 后轴128640.072 大货车JN150前轴117980.067 后轴121.2897980.067 特大车日野KB222前轴116880.057 后轴121.9616880.057 拖挂车 五十铃前轴11600.2

5、50 0.750 0.79 后轴1121.000600.250 后轴2121.000600.250 后轴3121.000600.250 依据调查所得的车辆类型组成数据，可按式（7-3）计算确定设计车道使用初期的设计轴载日作用次数。 （7-3）式中：设计车道的设计轴载日作用次数； 设计车道的年平均日货车交通量； 类车辆的组成比例。计算时，计算双向年平均日货车交通量时，剔除2轴4轮及其以下的客、货运车辆交通量，得到包括大型客车交通量在内的初期年平均日货车交通量（双向）。根据 附录A.1.2，在所设计公路交通量方向分布明显时，需通过实测确定2轴6轮及以上车辆交通量的方向分配系数，在双向分布不明显时，

6、可在0.50.6范围内酌情选取，本设计中方向分配系数取0.5。根据 表A.1.3，高速公路单向车道数为2时，2轴6轮及以上车辆交通量的车道分配系数取值通常在0.700.85，本设计中车道分配系数取0.80。则：设计基准期内水泥混凝土路面设计车道临界荷位处所承受的设计轴载累计次数，按式（7-4）确定。 （7-4）式中：设计基准期内设计车道所承受的设计轴载累计次数（轴次/车道）；设计基准期；基准期内货车交通量的年平均增长率；临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数。根据表A.2.4高速公路纵缝边缘处车辆轮迹横向分布系数取值范围在0.170.22内，车道、行车道较宽或者交通量较大时取高值，本设计公路为双向4

7、车道高速公路，行车道宽3.75m，因此车辆轮迹横向分布系数取0.22。高速公路的设计基准期为30年。则：7.1.3确定交通荷载等级根据表3.0.7交通荷载分级表，设计基准期内设计车道承受设计轴载累积作用次数，交通荷载等级属于重交通等级。7.2拟定路面结构层由于高速公路的路基不允许出现潮湿和过湿状态，因此对路基分为干燥和中湿两种类型分别拟定了三套路面结构层方案。根据 表3.0.1可靠度设计标准，本公路为高速公路，安全等级为一级，设计基准期为30年，目标可靠度为95%，目标可靠指标为1.64。 再根据3.0.2规定，本公路变异水平为低级。根据表4.4.2，交通荷载等级为重交通时，基层材料类型可选密

8、级配沥青稳定碎石或水泥稳定碎石，底基层材料可选级配碎石、水泥稳定碎石、石灰、粉煤灰稳定碎石。由于广西是典型的喀斯特地貌，盛产石灰岩，因此采用石灰稳定碎石做底基层材料。根据（JTG D50-2006）表4.1.5各种结构层压实最小厚度与适宜厚度，半刚性材料层厚度不得小于150mm，水泥稳定类结构层压实最小厚度150mm，石灰稳定类结构层压实最小厚度150mm，石灰粉煤灰结构层压实最小厚度150mm，级配碎石、砾石结构层压实最小厚度80mm。根据表16-19各类基层适宜交通等级与适宜厚度范围，沥青稳定碎石基层厚度适宜范围为80100mm。垫层厚度一般为150mm。方案一：根据之前的交通量计算，本设

9、计中的交通等级虽为重交通，但其交通量并不大，因此可采用普通水泥混凝土面层。基层采用的是水泥稳定碎石，其抗冲刷能力相对较好，能保证路面结构的稳定，而且本设计交通等级为重交通，因此采用承载能力较好、刚度较大的水泥稳定碎石做基层可以提高路面结构的总体承载能力。由于基层采用的是半刚性水泥稳定碎石，因此底基层采用粒料类的级配碎石，柔性的级配碎石使底基层和路基土不至于模量相差太大而产生过大的拉应力，有效防止冲刷和唧泥的产生。中湿状态下采用天然砂砾做排水垫层，保持路床土处于干燥状态，改善路面结构支承条件。方案二与方案一不同在于采用的是半刚性的基层。考虑到广西年降雨量较大，降雨季较长，水损害对路面结构影响严重

10、。因此采用排水性能好的开级配水泥稳定碎石做排水基层，既能及时排出路面结构中的渗入水，减少其对基层的冲刷作用，降低唧泥、错台和板底脱空等病害对路面结构的损害，又能保证路面结构具有足够的承载力。底基层采用水泥稳定碎石，由于基层是排水基层，因此底基层采用透水性小的结构层，防止水渗入路基。方案三采用的是柔性基层。根据之前的交通量计算，发现本设计中交通等级虽未重交通，但其交通量并不大，可以考虑采用柔性基层。7.3路面结构计算7.3.1计算模型本设计中路面结构涉及面层、基层、底基层垫层，因此根据规范列出了以下两种适用于本设计的计算模型。以路基中湿状态为例，方案一采用的是水泥稳定碎石基层和级配碎石底基层，因

11、此基层和面层组成复合板，底基层、垫层和路基构成层状弹性地基，属于模型二；方案二采用的是开级配水泥稳定碎石基层和水泥稳定碎石底基层，因此基层和底基层组成基层复合板，再和面层组成双层板，垫层和路基构成层状弹性地基，属于模型一；方案三采用的是密级配沥青稳定碎石基层和级配碎石底基层，基层和面层组成双层板，底基层、垫层和路基构成层状弹性地基，也属于模型二。7.3.2方案一路基干燥1.路面结构水泥混凝土面层，厚；水泥稳定碎石基层，厚；级配碎石底基层，厚。行车道水泥混凝土面层板平面尺寸，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混凝土，并设拉杆与行车道板相连。2.路面材料参数确

12、定根据表3.0.8和附录E.0.3，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，抗压强度为42 MPa，抗拉强度为3.22MPa，弯拉弹性模量为，泊松比为。石灰岩粗集料混凝土的线膨胀系数。根据表E.0.1-1，低液限黏土回弹模量取值范围为50100MPa，本设计中取90 MPa。再根据表E.0.1-2，此处验算的是路基为干燥状态时，因此假定路床顶距地下水位2.5m，取路基回弹模量湿度调整系数0.90。则路床顶综合回弹模量取为。 根据E.0.2-2，水泥稳定碎石基层的弹性模量取，泊松比取。级配碎石底基层的弹性模量取，泊松比取。板底地基综合回弹模量：根据因此，板底地基综合回弹模量取为119MP

13、a。混凝土面层板弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面结构总相对刚度半径计算：3.荷载应力标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算：面层荷载疲劳应力和面层最大荷载应力计算：其中：应力折减系数； 综合系数； 疲劳应力系数。4.温度应力由于设计公路位于广西梧州，属于公路自然区划中的IV区，根据 表3.0.10，取最大温度梯度为90。综合温度翘曲应力和内应力的温度应力计算如下： 面层最大温度应力：温度疲劳应力系数：温度疲劳应力：5.结构极限状态校核根据表3-1，在95%目标可靠度、低变异水平条件下，结合表3.0.1变异系数范围，可靠度系数取为1.20。则有：6.方案一路基干燥时路面结构7.3

14、.3方案一路基中湿1.路面结构水泥混凝土面层，厚；水泥稳定碎石基层，厚；级配碎石底基层，厚；天然砂砾垫层，厚。行车道水泥混凝土面层板平面尺寸，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混凝土，并设拉杆与行车道板相连。2.路面材料参数确定根据表3.0.8和附录E.0.3，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，抗压强度为42 MPa，抗拉强度为3.22MPa，弯拉弹性模量为，泊松比为。石灰岩粗集料混凝土的线膨胀系数。根据表E.0.1-1，低液限黏土回弹模量取值范围为50100MPa，本设计中取90 MPa。再根据表E.0.1-2，此处验算的是路基为中湿状态时

15、，因此假定路床顶距地下水位1.0m，取路基回弹模量湿度调整系数0.70。则路床顶综合回弹模量取为。 根据E.0.2-2，水泥稳定碎石基层的弹性模量取，泊松比取。级配碎石底基层的弹性模量取，泊松比取。天然砂砾垫层的弹性模量取。板底地基综合回弹模量：因此，板底地基综合回弹模量取为111MPa。混凝土面层板弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面结构总相对刚度半径计算：3.荷载应力标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算：面层荷载疲劳应力和面层最大荷载应力计算：其中：应力折减系数； 综合系数； 疲劳应力系数。4.温度应力由于设计公路位于广西梧州，属于公路自然区划中的IV区，根据 表3.0.10

16、，取最大温度梯度为90。综合温度翘曲应力和内应力的温度应力计算如下： 面层最大温度应力：温度疲劳应力系数：温度疲劳应力：5.结构极限状态校核根据表3-1，在95%目标可靠度、低变异水平条件下，结合表3.0.1变异系数范围，可靠度系数取为1.20。则有：6.方案一路基中湿时路面结构7.3.4方案二路基干燥1.路面结构水泥混凝土面层，厚；开级配水泥稳定碎石基层，厚；水泥稳定碎石底基层，厚。行车道水泥混凝土面层板平面尺寸，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混凝土，并设拉杆与行车道板相连。2.路面材料参数确定根据表3.0.8和附录E.0.3，取普通混凝土面层的弯拉

17、强度标准值为5.0MPa，抗压强度为42 MPa，抗拉强度为3.22MPa，弯拉弹性模量为，泊松比为。石灰岩粗集料混凝土的线膨胀系数。根据表E.0.1-1，低液限黏土回弹模量取值范围为50100MPa，本设计中取90 MPa。再根据表E.0.1-2，此处验算的是路基为干燥状态时，因此假定路床顶距地下水位2.5m，取路基回弹模量湿度调整系数0.90。则路床顶综合回弹模量取为。 根据E.0.2-2，开级配水泥稳定碎石基层的弹性模量取，泊松比取。水泥稳定碎石底基层的弹性模量取，泊松比取。板底地基综合回弹模量：由于此方案中路床上结构层均为半刚性结构层或刚性结构层，因此板底地基综合回弹模量=。混凝土面层

18、板弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面结构总相对刚度半径计算：3.荷载应力标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算：面层荷载疲劳应力和面层最大荷载应力计算：其中：应力折减系数； 综合系数； 疲劳应力系数。4.温度应力由于设计公路位于广西梧州，属于公路自然区划中的IV区，根据 表3.0.10，取最大温度梯度为90。综合温度翘曲应力和内应力的温度应力计算如下： 面层最大温度应力：温度疲劳应力系数：温度疲劳应力：5.结构极限状态校核根据表3-1，在95%目标可靠度、低变异水平条件下，结合表3.0.1变异系数范围，可靠度系数取为1.20。则有：6.方案二路基干燥时路面结构7.3.5方案二路基

19、中湿1.路面结构水泥混凝土面层，厚；开级配水泥稳定碎石基层，厚；水泥稳定碎石底基层，厚；天然砂砾垫层，厚。行车道水泥混凝土面层板平面尺寸，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混凝土，并设拉杆与行车道板相连。2.路面材料参数确定根据表3.0.8和附录E.0.3，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，抗压强度为42 MPa，抗拉强度为3.22MPa，弯拉弹性模量为，泊松比为。石灰岩粗集料混凝土的线膨胀系数。根据表E.0.1-1，低液限黏土回弹模量取值范围为50100MPa，本设计中取90 MPa。再根据表E.0.1-2，此处验算的是路基为中湿状态时，因

20、此假定路床顶距地下水位1.0m，取路基回弹模量湿度调整系数0.70。则路床顶综合回弹模量取为。 根据E.0.2-2，开级配水泥稳定碎石基层的弹性模量取，泊松比取。水泥稳定碎石底基层的弹性模量取，泊松比取。天然砂砾垫层的弹性模量取。板底地基综合回弹模量：因此，板底地基综合回弹模量取为295MPa。混凝土面层板弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面结构总相对刚度半径计算：3.荷载应力标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算：面层荷载疲劳应力和面层最大荷载应力计算：其中：应力折减系数； 综合系数； 疲劳应力系数。4.温度应力由于设计公路位于广西梧州，属于公路自然区划中的IV区，根据 表3.0

21、.10，取最大温度梯度为90。综合温度翘曲应力和内应力的温度应力计算如下： 面层最大温度应力：温度疲劳应力系数：温度疲劳应力：5.结构极限状态校核根据表3-1，在95%目标可靠度、低变异水平条件下，结合表3.0.1变异系数范围，可靠度系数取为1.20。则有：6.方案二路基中湿时路面结构7.3.6方案三路基干燥1.路面结构水泥混凝土面层，厚；密级配沥青稳定碎石基层，厚；级配碎石底基层，厚。行车道水泥混凝土面层板平面尺寸，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混凝土，并设拉杆与行车道板相连。2.路面材料参数确定根据表3.0.8和附录E.0.3，取普通混凝土面层的弯

22、拉强度标准值为5.0MPa，抗压强度为42 MPa，抗拉强度为3.22MPa，弯拉弹性模量为，泊松比为。石灰岩粗集料混凝土的线膨胀系数。根据表E.0.1-1，低液限黏土回弹模量取值范围为50100MPa，本设计中取90 MPa。再根据表E.0.1-2，此处验算的是路基为干燥状态时，因此假定路床顶距地下水位2.5m，取路基回弹模量湿度调整系数0.90。则路床顶综合回弹模量取为。 根据E.0.2-2，密级配沥青稳定碎石基层的弹性模量取，泊松比取。级配碎石底基层的弹性模量取，泊松比取。板底地基综合回弹模量：因此，板底地基综合回弹模量取为126MPa。混凝土面层板弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面

23、结构总相对刚度半径计算：3.荷载应力标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算：面层荷载疲劳应力和面层最大荷载应力计算：其中：应力折减系数； 综合系数； 疲劳应力系数。4.温度应力由于设计公路位于广西梧州，属于公路自然区划中的IV区，根据 表3.0.10，取最大温度梯度为90。综合温度翘曲应力和内应力的温度应力计算如下： 面层最大温度应力：温度疲劳应力系数：温度疲劳应力：5.结构极限状态校核根据表3-1，在95%目标可靠度、低变异水平条件下，结合表3.0.1变异系数范围，可靠度系数取为1.20。则有：6.方案三路基干燥时路面结构7.3.7方案三路基中湿1.路面结构水泥混凝土面层，厚；密级

24、配沥青稳定碎石基层，厚；级配碎石底基层，厚；未筛分碎石垫层，厚。行车道水泥混凝土面层板平面尺寸，纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。硬路肩面层采用与行车道面层等厚的混凝土，并设拉杆与行车道板相连。2.路面材料参数确定根据表3.0.8和附录E.0.3，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，抗压强度为42 MPa，抗拉强度为3.22MPa，弯拉弹性模量为，泊松比为。石灰岩粗集料混凝土的线膨胀系数。根据表E.0.1-1，低液限黏土回弹模量取值范围为50100MPa，本设计中取90 MPa。再根据表E.0.1-2，此处验算的是路基为中湿状态时，因此假定路床顶距地下水位1.0m，取路基回弹

25、模量湿度调整系数0.70。则路床顶综合回弹模量取为。 根据E.0.2-2，密级配沥青稳定碎石基层的弹性模量取，泊松比取。级配碎石底基层的弹性模量取，泊松比取。未筛分碎石垫层的弹性模量取。板底地基综合回弹模量：因此，板底地基综合回弹模量取为129MPa。混凝土面层板弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面结构总相对刚度半径计算：3.荷载应力标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力计算：面层荷载疲劳应力和面层最大荷载应力计算：其中：应力折减系数； 综合系数； 疲劳应力系数。4.温度应力由于设计公路位于广西梧州，属于公路自然区划中的IV区，根据 表3.0.10，取最大温度梯度为90。综合温度翘曲应

26、力和内应力的温度应力计算如下： 面层最大温度应力：温度疲劳应力系数：温度疲劳应力：5.结构极限状态校核根据表3-1，在95%目标可靠度、低变异水平条件下，结合表3.0.1变异系数范围，可靠度系数取为1.20。则有：6.方案三路基中湿时路面结构7.4水泥路面结构最终方案7.4.1方案比选方案二采用的是开级配水泥稳定碎石基层，虽然其排水性能较好，但基层和底基层组成的半刚性基层直接和路基接触，基层和土基之间模量相差很大，在底基层底部容易产生较大的拉应力，形成唧泥和板底脱空等现象，最后致使整个路面结构被破坏。因此不推荐使用。方案三采用的是柔性基层，虽然从计算上，该方案完全能够满足预计交通量在使用期限内

27、的作用，但是由于我国超载等现象严重，考虑到柔性基层在实际使用中可能无法满足实际需求。并且该套方案在造价相对较高的情况下承载力等方面的性能并没有得到提高，因此也不推荐选用。方案一采用的是水泥稳定碎石基层和级配碎石底基层组成的组合基层形式。从交通等级和造价出发考虑，此处不适合使用抗冲刷能力最好的碾压混凝土基层和沥青混凝土基层，因此采用抗冲刷能力次之的半刚性水泥稳定碎石基层。底基层采用粒料类的级配碎石，柔性的级配碎石使底基层和路基土不至于模量相差太大而产生过大的拉应力，有效防止冲刷和唧泥的产生。相对其他两套方案，方案一的造价也比较合理，施工难度也不大，因此推荐选用方案一。7.4.2水泥路面最终方案结构层根据4.5.3，各种混凝土面层的设计厚度应根据计算厚度加上6mm磨耗层后，按10mm向上取整，最终得到水泥路面结构层及各层设计厚度如下：第31页