南宁至河池高速公路武鸣段水泥混凝土路面设计2

南宁至河池高速公路武鸣段水泥 混凝土路面设计  第1章 设计资料 1.1基本设计资料 南宁至河池高速公路武鸣段地处V3a区，为双向四车道。 经调查，近期交通组成与交通量如表1-1，交通量年增长率为9.5%，设计年限为15年。 表1-1 近期交通组成与交通量 车型 双向交通量 小汽车 5500 菲亚特650E 1100 黄河JN162A 1000 长征XD980 700         第二章 水泥混凝土路面设计 2.1 交通分析 2.1.1 标准荷载 高速公路设计基准期为30 年，安全等级为一级。我国《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40–2011）（以下简称《规范》）有以下计算说明：在进行水泥混凝土路面设计时，以双轮组单轴轴载100kN作为设计标准轴载，表示为BZZ—100。标准轴载的计算参数按表2-1-1确定。 表2-1-1标准轴载计算参数 标 准 轴 载 BZZ-100 标准轴载P(KN) 100 轮胎接地压强p(MPa) 0.70 单轮传压面当量圆直径d(cm) 21.30 两轮中心距(cm) 1.5d     2.1.2 荷载换算 我国《规范》规定，凡前、后轴载大于40KN（单轴）的轴数均应换算成标准轴数，然后再进行水泥混凝土路面设计。换算公式为： 式中：Ns——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 n——各种轴型的轴载级位数 ——第i级轴载重（KN），联轴按每一根轴载单独计 ——设计轴载重 计算结果如下： 表2-1-2标准轴载次数计算表 车型 PI(KN) C2 C1 （次/日) 菲亚特650E 前轴 33 1 6.4 1100 0 后轴 72 1 1 1100 5.74 黄河JN162A 前轴 59.6 1 6.4 1000 0.25 后轴 115 1 1 1000 9357.62 长征XD980 前轴 37.1 1 6.4 700 0 后轴 72.65 2 1 700 8.43               调查分析双向交通的分布情况，交通量分布系数为0.5，单向车道数为2，所以交通量车道系数为0.85，所以 2.1.3 累计作用次数 设计基准期内水泥混凝土面层临界荷位处所承受的标准走在累积作用次数可用下式计算： 式中：Ne——标准轴载累计作用次数 t——设计基准期 gt——交通量年平均增长率 η——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，如表2-1-3，取0.22 表2-1-3 混凝土路面临界荷位车辆轮迹横向分布系数 公路等级 纵缝边缘处 高速公路、一级公路、收费站 0.17～0.22 二级及二级以下公路 行车道宽>7m 0.34～0.39 0.54～0.62 行车道宽≤7m       计算出设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数 2.1.4交通等级 表2-1-4  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           因为交通量2000×104＜47877330，故可知交通属于特重交通等级。 2.2 路面结构组合设计 2.2.1垫层设计 本公路路基土质较差、水温状况不良，需要在路基和基层之间设置垫层，以改善路基的湿度和温度状况，保证面层和基层的强度、刚度及温度性。 由于修筑垫层的材料，强度要求不一定要求很高，但水稳性和隔温性能要好，本设计考虑到公路所在地区降雨量较大，地下水位较高，主要采用排水垫层。排水垫层所采用的材料是砂砾。  由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)，垫层的宽度应与路基同宽，其最小厚度为150mm。本设计取垫层厚度为180mm。 2.2.2基层设计 （1） 类型 由于本公路交通属于特重交通。由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)可得适宜的基层类型如表2-2-1所示。 表2-2-1  适宜各类交通等级的基层类型 交通等级 基层类型 特重交通 贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土基层 重交通 水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层 中等或轻交通 水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料或级配粒料基层     本设计路面基层采用贫混凝土。同时考虑到特种交通的需求，同时加设选用水泥稳定粒料(水泥用量5％)的底基层。 （2） 厚度 由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)。可知各类基层厚度的适宜范围，如表2-2-2所示。 表2-2-2 各类基层厚度的适宜范围 基层类型 厚度适宜的范围（mm） 贫混凝土或碾压混凝土基层 120～200 水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层 150～250 沥青混凝土基层 40～60 沥青稳定碎石基层 80～100 级配粒料基层 150～200 多孔隙水泥稳定碎石排水基层 100～140 沥青稳定碎石排水基层 80～100     由于本设计采用贫混凝土基层，且考虑到交通容量特别大，并结合贫混凝土的材料性能，决定采用160mm的贫混凝土基层。水泥稳定粒料底基层的厚度综合考虑采用180mm。 2.2.3面层设计 表2-2-1  可靠度设计标准 公路技术等级 高速公路 一级公路 二级公路 三、四级公路 安全等级 一级 二级 三级 四级 设计基准期（a） 30 30 20 20 目标可靠度（％） 95 90 85 80 目标可靠指标 1.64 1.28 1.04 0.84 变异水平等级 低 低～中 中 中～高           由上述及表2-2-1知相应于安全等级一级的变异水平的等级为低级。 表2-2-2 水泥混凝土面层厚度的参考范围 交通等级 特重 重 公路等级 高速 一级 二级 高速 一级 二级 变异水平等级 低 中 低 中 低 中 低 中 面层厚度（mm） ≥260 ≥250 ≥240 270～240 260～230 250～220                   根据高速公路特重交通等级和低级变异水平等级查表2-2-2得初拟普通混凝土面层厚度为280mm。 2.2.4初拟路面结构 初拟普通混凝土面层厚度为280mm，贫混凝土基层160mm，底基层选用水泥稳定粒料(水泥用量5％)，厚180mm，垫层为180mm天然沙砾。 表2-2-3水泥混凝土路面结构如下 结构层 层 厚（mm） 普通水泥混凝土面层 280 贫混凝土基层 160 水泥稳定粒料 180 天然沙砾 180     2.3 路面材料参数的确定 2.3.1面层 由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)可得普通混凝土面层弯拉强度标准值如表2.9所示。 表2-3-1  水泥混凝土设计弯拉强度标准值 交通等级 特重 重 中等 轻 水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa） 5.0 5.0 4.5 4.0 钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa） 6.0 6.0 5.5 5.0           同时可得相应的弯拉弹性模量如表2-3-2所示。 表2-3-2水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值 弯拉强度（MPa） 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 抗压强度（MPa） 5.0 7.7 11.0 14.9 19.3 24.2 29.7 35.8 41.8 48.4 弯拉弹性模量（GPa） 10 15 18 21 23 25 27 29 31 33                       综上分析，取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为31GPa。 2.3.2基层 参考表2-3-1和表2-3-2，贫混凝土弯拉强度标准值为4.0MPa，相应弯拉弹性模量标准值为27GPa。 又由表2-3-3得水泥稳定粒料基层回弹模量取1300MPa。 表2-3-3  垫层和基层材料回弹模量经验参考值 材料类型 回弹模量（MPa） 天然沙砾 150~200 水泥稳定粒料 1300~1700     2.3.3垫层 同样由表2-3-3得天然砂砾垫层的回弹模量取200MPa。 2.3.4路基 由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)建议路基土回弹模量取值如表2-3-4所示。 表2-3-4  中湿路基路床顶面回弹模量（MPa） 土组 公路自然区划 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ 土质砂 26~42 40~50 39~50 35~60 50~60 粘质土 25~45 30~40 25~45 30~45 30~45 粉质土 22~46 32~54 30~50 27~43 30~45             南宁至河池高速公路武鸣段地处V3a区，路基土回弹模量取40MPa。 2.4基层顶面回弹模量 由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)得基层顶面回弹模量的计算公式如下： (2-4-1) (2-4-2) (2-4-3) (2-4-4) (2-4-5) (2-4-6) 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—2011)，有基层顶面的当量回弹模量Et的最低要求见表2-4-1所示。 表2-4-1 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           由于所算的Et=168MPa，大于120MPa，所以满足要求。 2.5荷载疲劳应力 由《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2011)，采用水泥稳定砂和贫混凝土做基层时，宜将基层与混凝土面层视作分离式双层板进行应力分析。 2.5.1复合式混凝土面层的截面总刚度 (2-5-1) 式中， —层间结合系数。分离式，取 =0 。 则有， 2.5.2复合式混凝土面层的相对刚度半径 (2-5-2) 则有， 2.5.3标准轴载在普通混凝土面层临界荷位处产生的荷载应力 ，