水泥路面设计手册

第四章路面设计

4.1水泥混凝土路面设计

交通构成表

单轴单轴双轴三轴

单轮轴重双轮轴重单轮轴重单轮轴重交通

车型名称

组时(KN)组个(KN)组的(KN)组的(KN)量

个数数个数个数

黄海DD64013217000001561

解放CA1()8119.4160.8500001600

黄河JN36015000122000510

五十铃

160110012000069

EXRI8I

轴载分析

水泥混凝土路面构造设计以100KN单轴一双轮组荷载为原则轴载。

⑴以设计弯沉值为指标和验算面层层底拉力中向合计当量轴次。

①轴载换算:

16

A

i=\100

式中：M——100KN的单轴一双轮组原则轴载的作用次数;

Pi——单轴一单轮、单轴一双轮组、双轴一双轮组或三轴一双轮

组轴型i级轴载日勺总重KN；

华一一各类轴型i级轴载的I作用次数;

〃一一轴型和轴载级位数;

8i——轴一轮型系数，单轴一双轮组时，6=1;单轴一单轮时,

按式4=2.22x103二计算

双轴一双轮组时，按式

8i=1.07x105勺（：三轴一双轮组时，按式£=2.24x10比前计算。

轴载换算成果如表所示

判（副

车型名称P.

黄海前轴32.002.22X103X32.00°，B1561—

DD640

后轴70.00115615.188

解放前轴19.402.22X10：iX19.40°,，B1600—

CA108

后轴60.85116000.526

前轴2.22X103X50.00°'B3.52X10e

黄河50.00510

JN360

后轴220.001.07X10-5X220.00^22510501.63

五十铃前轴60.002.22X103X60.00°43697.430

EXR181

后轴300.002.24X10-8X100.000226924.157

N=±BN*。531.508

i=\产

注：轴载不不小于40KN的轴载作用不计。

②计算合计当量轴次

根据表设计规范，二级公路的设计基准期为23年，安全等级为二级，轮迹

横向分布系数"是0.34~0.39取0.39,gr=0.086,则

乂=皿21^〃=辿血"*1x365x0.39=1061975.769（次）

g,0.086

其交通量在l0°xl0“-2000x10"中，故属重交通等级。

初拟路面构造

根据二级公路、重交通等级和低级变异水平等级，查表初拟两种方案，如

下：

方案一：一般混凝土面层厚度为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。一般混凝土板日勺平面尺寸为宽3.5m,

长5.（）m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆日勺假缝。

方案二：一般混凝土面层厚度为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。一般混凝土板口勺平面尺寸为宽3.5m,

长5.（）m。纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆日勺假缝。

路面计算（方案一）

.1路面材料参数确定

确定基层顶面当量回弹模量E"耳，

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

Eo=35MPa,水泥稳定粒料基层回弹模量取Ek1500MPa,天然砂砾回弹模量取

E2=200MPa,取值与设计值同样。

按表16—23和表16—25,混凝土面层设计弯拉强度：fr=5.0MPa,对应弯拉

弹性模量为Ec=31X104MPa

计算基层顶面当量回弹模量如下:

.2计算荷载疲劳应力吸

按式(16-52b),原则轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：

=O.O77r06/?-2=0.077x0.749706xO.22-2=1.3384例优

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kr=0.87o考虑设计基

准期内荷应力合计疲劳作用日勺疲劳应力系数K,=N；=1()61975.769°06S=2.464

(v—与混合料性质有关的指数，一般混凝土、钢筋混凝土、持续配筋混凝

土，v=0.057；碾压混凝土和贫混凝土，v=0.065；钢纤维混凝土，按

□=0.053—0.017夕,匕计算。

d,\

根据公路等级，由表16-24考虑偏载和动载等原因，对路面疲劳损失影响

的综合系数Kc=L20,按式(16-49),荷载疲劳应力计算为

o-,,,=KKtKam=0.87x2.464x1.20x1.3384=3.4428MP

.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,，=%743=6.7522,由图16-14可查一般混凝土板厚

4=0.22"?,段=0.5432。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:

5^="F000X0M88x05432=L

6,”

2*2〃

温度疲劳应力系数Kt,按式(B23)计算为

5.0

^y-b=0.841x(-)L323-0.058=0.4076

L63

fr

式中：a、b、c一回归系数，按所在地区H勺公路自然区划查表B.2.3确定。

再由式（16-55）计算温度疲劳应力为

=Kt（jtin=0.076xl.63=0.6M4MPtl

查表16-20,二级公路的安全等级为三级，对应于三级安全等级的变异水平

为中级，目的可靠度为2$线。再据查得的目的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）乙（。“+。”）=1.10x（3.4428+0.6644）=4.518<fr=5.0烟

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H勺综合疲劳作用。

各计算环节以和公式都参照方案一米计算，得出成果如下：

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：一般混凝土面层

单轴单轴双轴三轴

单轮轴重双轮轴重单轮轴重单轮轴重交通

车型名称

组的(KN)组个(KN)组的(KN)组的(KN)量

个数数个数个数

黄海DD64013217000001561

解放CA108119.4160.8500001600

黄河JN36015()00122000510

五十铃

160110012000069

EXR181

行驶方向分派系数车道分派系数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5MPa混凝土弯拉模量31000MPa

混凝土面层板长度5m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）层类型一--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）回弹模量量Pa）

1水泥稳定粒料1501500

2天然砂砾150200

3土基35

基层顶面当量回弹模量ET=141.5MPa

HB=220r=.713SPS=1.3SPR=3.2

BX=.7STM=2.1KT=.5STR=1.04

SCR=4.24GSCR=4.66RE=-6.8%

设计车道使用初期原则轴载日作用次数：602

路面日勺设计基准期：20年

设计基准期内原则轴载合计作用次数：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：141.5MPa

混凝土面层设计厚度：220mm

通过对设计层厚度取整以和设计人员对路面厚度深入口勺修改,

最终得到路面构造设计成果如下：

一般混凝土面层220nun

水泥鬼定粒料150mm

天然砂砾150mm

土基

方案二计算

.1路面材料参数确定

确定基层顶面当量回弹模量乙，&

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°=35MPa,水泥稳定粒料基层回弹模量取E尸1500MPa,级配碎砾石回弹模量取

E2=300MPa,取值与设计值同样。

按表16—23和表16—25,混凝土面层设计弯拉强度：fr=5.0MPa,对应弯拉

弹性模量为Ec=31X10%Pa

计算基层顶面当量回弹模量如下:

口h；E1+h；E,0.152X1500+0.152X300八—

——=------------z--------；-------=900MB

x〃；+后0.152+0.152

_E用;E㈤J%+色>11।

-------1--------1------------\-------1-------)

Lfr-

x121243E2h2

1500xO.d+300皿15%(。/5+0.15)21+】

121241500x0.15300x0.15

,12D^12xl.35\；

h.=(------v-尸=(-------尸=0.262\m

x

Ex900

4=6.22x1—1.51(餐)f=6.22x1-1.51x(^)-ft4S=4.0413

6=1-1.44(且严=l-1.44x(—)-055=0.7586

E035

E-goo-

E,=ah：Eol)3=4.0413x0.262107586x30x(一尸=129.583MP,

E035

式中：Et一一基层顶面时当量回弹模量，MPa；

Eo一一路床顶面的回弹模量，

Ex——基层和底基层或垫层的当量回弹模量，

瑞，七一一基层和底基层或垫层的回弹模量，

h一一基层和底基层或垫层的当量厚度，

.——基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度，

乩也——基层和底基层或垫层的厚度，

“泊——与Ex/Eo有关的回归系数

一般混凝土面层的相对刚度半径按式(16-52b)计算为:

r=0.537屈%"=0.537x0.22x(31000^^583户=0.7334(/??)

.2计算荷载疲劳应力

按式(16-52b),原则轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：

=0.077严6〃一2=0.077x0.7334°6xO.22-2=1.321M优

因纵缝为设拉杆平缝，接缝传荷能力的应力折减系数Kk0.87。考虑设计基

准期内荷应力合计疲劳作用口勺疲劳应力系数K/=N：=1()61975.769°065=2.464

(V-与混合料性质有关的指数，一般混凝土、钢筋混凝土、持续配筋混凝

土，v=0.057；碾压混凝土和贫混凝土，v=0.065；钢纤维混凝土，按

u=().()53—().()17月,上计算。

df)

根据公路等级，由表16-24考虑偏载和动载等原因，对路面疲劳损失影响

的综合系数Kc=1.20,按式(16-49),荷载疲劳应力计算为

区“=K,K「K,。”、=0.87x2.464x1.20x1.321=3.398MP

.3温度疲劳应力

由表16-28,IV区最大温度梯度取88(℃/m)o板长

5m,/=%O=6.9570,由图16-14可查一般混凝土板厚

///U.7/11O7/

〃=0.22/〃,乩=0.5144。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：

6纥饵1x10"x3100Qx0.22x88

B、=X0.5144=1.5436Mg

2~r

温度疲劳应力系数Kt,按式(B.2.3)计算为

K,二1-4（"）。一〃=二2_卜.84以（丫塔L323—00581=03875

外」frJ1.5436L5.0J

式中：a、b、c一回归系数，按所在地区日勺公路自然区划查表B.2.3确定。

再由式（16-55）计算温度疲劳应力为

atr==0.3875x1.5436=0.5981MPa

查表16-20,二级公路的安全等级为三级，对应于三级安全等级的变异水平

为中级，目的可靠度为队3呢。再据查得的目的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）rr（cpr+（ylr）=1.10x（3.398+0.5981）=4.396MPa<fr=5.0MP〃

・・・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

力日勺综合疲劳作用。

各计算环节以和公式都参照方案一来计算，得出成果如下：

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：1.1（）

面层类型：一般混凝土面层

单轴单轴双轴三轴

单.轮轴重双轮轴重单轮轴重单轮轴重交通

车型名称

组的(KN)组个(KN)组的(KN)组的(KN)量

个数数个数个数

黄海DD64013217000001561

解放CA108119.4160.8500001600

黄河JN36015000122000510

五十铃

160110012000069

EXR181

行驶方向分派系数1车道分派系数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5MPa混凝土弯拉模量31000MPa

混凝土面层板长度5m地区公路自然区划IV

面层最大温度梯度88C/m接缝应力折减系数.87

（垫）层类型----新建公路土基上修筑啊基（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1501500

2级配碎砾石150300

3土基35

基层顶面当量回弹模量ET=151.2MPa

HB=220r=.697SPS=1.28SPR=3.15

BX=.7STM=2.11KT=.5STR=1.05

SCR=4.2GSCR=4.62RE=-7.6%

设计车道使用初期原则轴载日作用次数：602

路面的设计基准期：20年

设计基准期内原则轴载合计作用次数：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:151.2MPa

混凝土面层设计厚度：220mm

通过对设计层厚度取整以和设计人员对路面厚度深入的修改,

最终得到路面构造设计成果如下：

一般混凝土面层220mm

水泥稳定粒料150mm

级配碎砾石150mm

土基

水泥混凝土路面方案技术经济比较选择

以上两种方案的构造层只是大体相似，所设构造层厚度同样，只是在垫层材

料上有细微处区别，故技术上基本相似，重要的选择在于垫层材料的可选性，以

和该地日勺地质条件，并要考虑到该地区公路日勺实际应用年限。

该公路自然区划为N6区，处在N6区的粘性土处在中湿或润湿状况。可根据

不一样日勺路面潮湿状态采用措施。由筑路材料可知：①砂、砾石料场沿河分布,

运送以便，可运用国道和地方道路运到工地；②块片石沿线块片石料场储量丰

富，石场石料重要为青灰色石灰岩、花岗岩，石质坚硬，质量好，储量大，可满

足桥涵、防护、排水等工程用石料的需要。沿线各地有数已开采日勺石料场，石质

坚硬，储量丰富。其岩石的磨耗值、压碎值均能满足路面规范的规定，可作为多

种路面和多种构造物的筑路材料，沿线路分布密集，运送以便，运距小。而若用

级配碎砾石得通过筛选或加工，运用天然砂砾做垫层则可直接运用无需加工或筛

选，综合上述内容提议采用第一种方案。

4.2沥青路面设计

路面设计以双轴组单轴载100KN作为原则轴载

⑴以设计弯沉值为指标和验算沥青层层底拉应力中的合计当量轴次。

N=GGN(胃”

a).轴载换算

轴载换算采用如下的计算公式：

式中：N一原则轴载当量轴次，次/日

凡一被换算车辆日勺各级轴载作用次数，次/日

P—原则轴载，KN

心一被换算车辆的各级轴载，KN

K一被换算车辆的类型数

。一轴载系数，G=l+1.2(m-l),口］是轴数。当轴间距离不小

于3m时，按单独口勺一种轴载计算；当轴间距离不不小于3m时，应考虑轴数系

数。

c’2：轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1,四轮组为0.38。

v=*GQN｛劈

式中：N——以半刚性材料层口勺拉应力为设计指标时的原则轴载的当量轴次（次

/d）

C；一一被换算车型轴数系数

C2——被换算车型口勺轮组系数，双轮组为1.0,单轮组委18.5,四轮

组为Q09,

C：=l+2（m—l）

以拉应力为设计指标时，双轴或多轴日勺轴数字按下式计算：

式中：m----轴数

当多种车型的不一样轴载换算成BZZ-100原则轴载的当量轴次。

（1）当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载均按下式

计算：

A"4"

N=£GGY”

/=!1尸/

式中：N——以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时的原则轴载的当

量轴次（次/d）

ni被换算车型的各级轴载作用次数（次/d）

P一一原则轴载（KN）

Pi——被换算车型的J各级轴载（KN）

C1——被换算车型的各级轴数系数

C1——北换算车型时轮组系数，双轮组为1.0,单轮组为6.4,四轮组为

0.38

K——被换算车型内轴载级别

当轴距不小于3nl时。，应单独的一种轴载计算：当轴距不不小于3nl时；双

轴或多轴的系数由下式计算

Cl=l+1.2（m-1）

设计年限合计当量原则轴载数

设计年限内一种车道沿一种方向通过的合计原则当量轴次数Ne按式计算：

N”（（1+小1）x365叼

式中：Ne一一设计年限内一种车道的合计当量轴次（次/车道）

T——设计年限（年）

N1——营运第一年双向日平均当量轴次（次/d）

y——设计年限内交通量的平均增长率（必）

〃一一车道系数

设计年限按表取:

各级公路的沥青路面设计年限

公路等级设计年限（年）公路等级设计年限（年）

序号分段时间（年）交通量年增长率（％）

1126.8

高速公路、一级公路15三级公路8

二级公路12四级公路6

分段时间交通量年增长率

车道系数n按表取：公路无分隔时，车道窄宜选高值，车道宽宜选低值。

车道特性n车道特性n

双向单车道1.0双向六车道

双向两车道双向八车道

双向四车道

初拟沥青路面（方案一）

轴载换算和设计弯沉值和容许拉应力计算

序车型名称前轴后轴重后轴后轴轮后轴距交通

号重（kN）数组数（m）量

（kN）

1黄海DD64032701双轮组1561

2解放CA10B19.460.851双轮组1600

3黄河JN360501102双轮组<3510

4五十铃EXR181601003双轮组>369

计年限12车道系数0.7

序号分段时间(年)交通量年增长率

157.8%

246.9%

335.7%

一种车道上大客车和中型以上的多种货车日平均交通量

Nh=2618,属重交通等级

当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时：

路面营运第一年双向口平均当量轴次：2707

设计年限内一种车道上的J合计当量轴次：1.25604E+07

属重交通等级

当以半刚性材料构造层层底拉应力为设计指标时：

路面营运笫一年双向日平均当量轴次：3668

设计年限内一种车道上日勺合计当量轴次：I.701941E+07

属重交通等级

路面设计交通等级为重交通等级

公路等级二级公路

公路等级系数1.1面层类型系数1路面构造类型系数1

路面设计弯沉值：25.1(0.01mm)

层位构造层材料名称劈裂强度(MPa)容许拉应力(MPa)

1细粒式沥青混凝土1.20.4

2中粒式沥青混凝土10.34

3粗粒式沥青混凝土0.80.27

4水泥稳定碎石0.60.3

5石灰土稳定砂砾0.50.25

新建路面构造厚度计算

公路等级：二级公路

新建路面日勺层数：5

标准轴载：BZZ-100

路面设计弯沉值：25.1(0.01mm)

路面设计层层位：4

设计层最小厚度：40(mm)

层构造层厚度（mm）抗压模量抗压模量容许应力

位材料名称(MPa)(MPa)（MPa）

(20℃)(15℃)

1细粒式沥青混凝土40140020231.2

2中粒式沥青混凝土50120016001

3粗粒式沥青混凝土6090012000.8

4水泥稳定碎石?150015000.6

5石灰土稳定砂砾200130015000.5

6土基35

按设计弯沉值计算设计层厚度：

LD=25.1(0.01mm)

H(4)=190mmLS=26.8(0.01mm)

H(4)=240mmLS=23.7(0.01mm)

H(4)=217mm(仅考虑弯沉)

按容许拉应力计算设计层厚度：

H(4)=217mm(第1层底面拉应力计算满足规定）

H(4)=217mm(第2层底面拉应力计算满足规定）

H(4)=217mm(第3层底面拉应力计算满足规定）

H(4)=217mm(第4层底面拉应力计算满足规定）

H(4)=217mm(第5层底面拉应力计算满足规定）

路面设计层厚度：

H（4）=217mm（仅考虑弯沉）

H（4）=217mm（同步考虑弯沉和拉应力）

通过对设计层厚度取整以和设计人员对路面厚度深入日勺修改,

最终得到路面构造设计成果如下:

细粒式沥青混凝土40mm

中粒式沥青混凝土5()mm

俎粒式沥青混凝土60mm

水泥稳定碎石220mm

石灰土稳定砂砾200mm

新建路某

竣工验收弯沉值和层底拉应力计算

公路等级：二级公路

新建路面的层数：5

标准轴载：BZZ-100

层构造层厚度(mm)抗压模量(MPa)抗压模量(MPa)计算信息

位材料名称(20C)(15℃)

1细粒式沥青混凝土4014002023计算应力

2中粒式沥青混凝土5012001600计算应力

3粗粒式沥青混凝土609001200计算应力

4水泥稳定碎石22015001500计算应力

5石灰土稳定砂砾20013001500计算应力

6新建路基35

计算新建路面各陶造层和土基顶面竣工验收弯沉值：

第1层路面顶面交工验收弯沉值LS=24.9(0.01mm)

第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=27.5(0.01mm)

第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=31.2(0.01mm)

第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=35.7(0.01mm)

第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=101.1(0.01mm)

路基顶面交工验收弯沉值LS=266.2(0.01mm)

计算新建路面各构造层底面最大拉应力：(未考虑综合影响系数)

第1层底面最大拉应力o(1)=-.208(MPa)

第2层底面最大拉应力。(2)=-.068(MPa)

第3层底面最大拉应力。(3)二-.049(MPa)

第4层底面最大拉应力。(4)二.048(MPa)

第5层底面最大拉应力。(5户.168(MPa)

初拟沥青路面(方案二)

轴载换算和设计弯沉值和容许拉应力计算

序前轴重后轴重后轴后轴轮后轴距交通

车型名称

号(kN)(kN)数组数(m)量

1黄海DD64032701双轮组1561

2解放CA10B19.460.851双轮组1600

3黄河JN360501102双轮组<3510

4五十铃EXR181601003双轮组>369

设计年限12车道系数0.7

序号分段时间(年)交通量年增长率

157.8%

246.9%

335.7%

一种车道上大客车和中型以上的多种货车日平均交通量

Nh=2618,属重交通等级

当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时：

路面营运第一年双向口平均当量轴次：2707

设计年限内一种车道上的J合计当量轴次：1.25604E+07

属重交通等级

当以半刚性材料构造层层底拉应力为设计指标时：

路面营运第一年双向日平均当量轴次：3668

设计年限内一种车道上的合计当量轴次：1.701941E+07

属重交通等级

路面设计交通等级为重交通等级

公路等级二级公路

公路等级系数1.1面层类型系数1路面构造类型系数1

路面设计弯沉值：25.1(0.01mm)

层位构造层材料名称劈裂强度(MPa)容许拉应力(MPa)

1细粒式沥青混凝土1.20.4

2中粒式沥青混凝土10.34

3粗粒式沥青碎石

4水泥稳定碎石0.60.3

5级配碎石

新建路面构造厚度计算

公路等级：二级公路

新建路面的层数：5

标准轴载：BZZ-100

路面设计弯沉值：25.1(0.01mm)

路面设计层层位：4

设计层最小厚度：40(mm)

构造层厚度抗压模量(MPa)抗压模量(MPa)

层位容许应力(MPa)

材料名称(nini)(20℃)(15℃)

细粒式沥

140140020230.4

青混凝土

中粒式沥

250120018000.34

青混凝土

粗粒式沥

37090012000.4

青碎石

水泥稳定

49150017000.3

碎石

5级配碎石200150200

6新建路基35

按设计弯沉值计算设计层厚度：

LD=28.6(0.01mm)

H(4)=25cmLS=32.8(0.01mm)

H(4)=3()cmLS=28.5(0.01mm)

H(4)=29.9cm(仅考虑弯沉)

按设计弯沉值计算设计层厚度：

LD=25.1(0.01mm)

H(4)=40mmLS=5.2(0.01mm)

由于设计层厚度H(4)=Hmin时LS<=LD,

故弯沉计算已满足规定.

H(4)=40mm(仅考虑弯沉)

按容许拉应力计算设计层厚度：

H(4)=40mm(第层底面拉应力计算满足规定)

H(4)=40mm(第2层底面拉应力计算满足规定)

H(4)=40mm(第3层底面拉应力计算满足规定)

H(4)=140mmo(4)=.348MPa

H(4)=190mmo(4)=.288MPa

H(4)=18()mm(第4层底面拉应力计算满足规定)

路面设计层厚度：

H(4)=40mm(仅考虑弯沉)

H(4)=180mm(同步考虑弯沉和拉应力)

通过对设计层厚度取整以和设计人员对路面厚度深入的修改,

最终得到路面构造设计成果如下:

细粒式沥青混凝土40mm