某高速公路工程的路面設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u70某高速公路工程的路面設(shè)計(jì)計(jì)算案例 1193031.1瀝青混凝土路面設(shè)計(jì) 19201.1.1設(shè)計(jì)資料 127451.1.2軸載分析 1125251.1.3瀝青路面柔性基層設(shè)計(jì) 2275161.1.4瀝青路面半剛性基層設(shè)計(jì) 5216321.2水泥混凝土路面 7119831.3水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)計(jì)算 73791.3.1軸載分析 8162811.3.2水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 946181.3.3水泥砼接縫設(shè)計(jì) 131.1瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)瀝青路面是用瀝青材料為基礎(chǔ)與黏結(jié)礦料相結(jié)合來(lái)修筑面層與各類(lèi)基層所組成的路面。這種路面的質(zhì)量和耐久性都得到很大改善。目前瀝青路面是我國(guó)公路的主要的路面結(jié)構(gòu)形式。瀝青路面具有的良好性能：足夠的強(qiáng)度，足夠的平整，使行車(chē)安全又舒適；彈性的變形能力和塑性的變形能力均都良好，能承受應(yīng)變；與汽車(chē)輪胎的附著力好，保證行車(chē)安全；具有良好的減振性，是汽車(chē)高速行駛時(shí)，平穩(wěn)而噪音??；清掃方便、安全，不揚(yáng)塵；方便維修及防護(hù)。1.1.1設(shè)計(jì)資料本次設(shè)計(jì)的高速公路，設(shè)計(jì)年限為15年，自然區(qū)劃為Ⅳ-5區(qū)。大型客車(chē)和貨車(chē)雙向年平均日初始年交通量為2930輛/日。根據(jù)實(shí)地考察預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，交通量年平均增長(zhǎng)率為6%。設(shè)計(jì)路線所在地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，近10年年最低氣溫平均值取-5℃。1.1.2軸載分析表1.1交通組成及交通量表（雙向）車(chē)型（輛/晝夜）（軸重/kN）前軸后軸小客車(chē)170011.523中客車(chē)SH13060016.533大客車(chē)CA5013021.761.2小貨車(chē)BJ130140013.5527.2中貨CAD50100021.761.2中貨EQ1408023.769.2大貨車(chē)J6拖掛車(chē)五十鈴10060300參考相關(guān)規(guī)范可以設(shè)計(jì)的雙輪組單軸載100kN為我國(guó)路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載。經(jīng)計(jì)算求出整體式比例為85%，半掛式比例為15%。參照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》車(chē)道系數(shù)取0.45，方向系數(shù)取0.55。根據(jù)交通量表中各類(lèi)車(chē)型所占比例得到公路TTC標(biāo)準(zhǔn)取TTC5。有了車(chē)輛類(lèi)別分布系數(shù)后，可以使用HPDS2017軟件進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)確定路面的荷載等級(jí)為中等交通荷載等級(jí)。當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)N1按下式計(jì)算:N1=(1.1)根據(jù)N1、設(shè)計(jì)使用年限等，按下式計(jì)算設(shè)計(jì)車(chē)道上的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne。Ne=(1.2)計(jì)算結(jié)果求得N1=725輛，Ne=6159404軸次。1.1.3瀝青路面柔性基層設(shè)計(jì)參考規(guī)范按高速公路等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)計(jì)算求得交通荷載等級(jí)為中等交通荷載等級(jí)，并參照設(shè)計(jì)路線所在地勢(shì)平坦。本設(shè)計(jì)初步確定的各結(jié)構(gòu)組合和厚度如下表1.2所示：表1.2路面結(jié)構(gòu)組合和各層厚度結(jié)構(gòu)層類(lèi)型材料種類(lèi)材料厚度面層AC-104cmAC-206cmAC-2512cm基層級(jí)配碎石32cm底基層級(jí)配碎石18cm（1）路基頂面回彈模量根據(jù)設(shè)計(jì)路段主要以粘性土為主，查閱規(guī)范可以得到本次設(shè)計(jì)的路基標(biāo)準(zhǔn)回彈模量取80MPa濕度調(diào)整系數(shù)QUOTEksks參考表D.0.1取0.75，考慮干濕與凍融循環(huán)作用的影響取折減系數(shù)QUOTEkηkη為0.90，路基頂面回彈模量經(jīng)折減后計(jì)算求得54Mpa，大于50MPa,可以滿(mǎn)足規(guī)范的要求。（2）設(shè)計(jì)層數(shù)的各基本參數(shù)參考相關(guān)規(guī)范經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)定和干濕度調(diào)整后，底基層回彈模量為300MPa級(jí)配碎石，基層回彈模量為400MPa，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表1.3。表1.3結(jié)構(gòu)層模量及泊松比結(jié)構(gòu)層材料類(lèi)型厚度彈性模量泊松比面層AC-104cm8000MPa0.25AC-206cm10000MPa0.25AC-2512cm9000MPa0.25基層級(jí)配碎石32cm400MPa0.35底基層級(jí)配碎石18cm300MPa0.35（3）路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算根據(jù)規(guī)范查得高速公路目標(biāo)可靠性指標(biāo)為1.65。查閱設(shè)計(jì)路線地段的天氣資料，可以得到設(shè)計(jì)路段處于非凍土地區(qū)，調(diào)整系數(shù)kaQUOTEka取1。溫度調(diào)整系數(shù)KT1的確定：(1.3)(1.4)(1.5)(1.6)Ah=1.14(1.7)BE=0.14ln(1.8)Bh=0.23ln(1.9)經(jīng)計(jì)算求出KT1=1.45。（4）瀝青混合料層疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算根據(jù)瀝青混合料的柔性特征，疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算公式如下：(1.10)(1.11)經(jīng)計(jì)算求出Nf1=1.803189E+07軸次，Ne=1.799989×107軸次。Ne<Nf1，由此可見(jiàn)，瀝青混合料層疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算滿(mǎn)足要求。（5）路基頂面豎向壓力應(yīng)變驗(yàn)算路基頂面容許豎向壓應(yīng)變的計(jì)算模式，見(jiàn)下式：(1.12)由kT3=1.338，Ne4=1.55883E+07軸次,=1.65，設(shè)計(jì)層高度hb=320mm可求出=248×10-6,路基頂面豎向壓應(yīng)變?chǔ)?168×10-6,ε<故路基頂面豎向壓應(yīng)變驗(yàn)算已滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。（6）瀝青面層低溫開(kāi)裂指數(shù)驗(yàn)算季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)瀝青路面低溫開(kāi)裂是公路的常見(jiàn)病害之一，根據(jù)參考加拿大Hass模型，建立了路面低溫開(kāi)裂指數(shù)預(yù)估模型，見(jiàn)下式：(1.13)根據(jù)氣候條件，所在地區(qū)低溫設(shè)計(jì)溫度為-5℃，路基填料為砂土，路基類(lèi)型參數(shù)b=2,勁度模量為120MPa,根據(jù)計(jì)算結(jié)果求出CI=-1.4條，根據(jù)本次公路設(shè)計(jì)等級(jí)為高速公路設(shè)計(jì)且屬于非凍區(qū)，可以得出低溫開(kāi)裂指數(shù)要求不大于3。因此瀝青面層低溫開(kāi)裂指數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求。（7）瀝青混合料層永久變形量驗(yàn)算根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)條件下的車(chē)轍試驗(yàn)，得到各層瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)永久變形量，按下式計(jì)算：(1.14)(1.15)kRi,綜合修正系數(shù)，按下式計(jì)算：kRi=(1.16)d1=(1.17)d2=(1.18)Tpef,=T?+0.016ha(1.19)計(jì)算結(jié)果得到各分層瀝青混合料永久變形量為：1.17mm,1.98mm,1.28mm,1.57mm,0.89mm,1.22mm,0.07mm。瀝青混合料層永久變形量為9.18mm小于10mm。瀝青混合料料層永久變形量滿(mǎn)足規(guī)范要求。瀝青面層還應(yīng)該滿(mǎn)足動(dòng)穩(wěn)定度要求，相關(guān)計(jì)算公式如下所示：(1.20)式中：DS——瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度（次／mm）。經(jīng)計(jì)算：表面層、中面層、底面層的瀝青材料動(dòng)穩(wěn)定度的要求分別為2412次/mm、1842次/mm、1203次/mm。1.1.4瀝青路面半剛性基層設(shè)計(jì)方案1結(jié)構(gòu)層模量及泊松比如下表1.4：表1.4材料類(lèi)型厚度（cm）彈性模量泊松比AC-133.0120000.25AC-204.0100000.25AC-257.0100000.25水泥穩(wěn)定碎石3280000.25級(jí)配碎石184000.35路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算：溫度調(diào)整系數(shù)和等效溫度可以求出KT2=1.76。無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算根據(jù)我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50）見(jiàn)下式： (1.21)(1.22)無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞開(kāi)裂壽命應(yīng)大于設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車(chē)道的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)。求得Nf2=1.793014×109軸次；NZB2為6.20573×108軸次；NZB2<Nf2,所以無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。（3）瀝青面層低溫開(kāi)裂指數(shù)驗(yàn)算見(jiàn)式7.12，由T=-5℃，St=120MPa,ha=175mm,b=2,求得CI:CI=1.95×10-3×120×lg2-0.075(-5+0.07×175)lg120+0.15=-0.9條，根據(jù)低溫開(kāi)裂指數(shù)要求，得知CI不大于3，故瀝青面層氣溫開(kāi)裂指數(shù)驗(yàn)算滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。（4）瀝青混合料層永久變形量驗(yàn)算在試驗(yàn)溫度為60℃，壓強(qiáng)為0.7MPa,加載次數(shù)為2520次時(shí)，可得到三種瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)變形深度R0i,見(jiàn)下表1.5。表1.5瀝青混合料R0i取值（mm）材料類(lèi)型車(chē)轍試驗(yàn)總變形深度R0AC-131.5AC-204.5AC-255.0根據(jù)基準(zhǔn)等效溫度T?=23.4℃和瀝青混合料層厚度ha=175mm,由式1.19，計(jì)算得到等效溫度為26.1℃。根據(jù)要求對(duì)瀝青層進(jìn)行分層，用式1.14計(jì)算出各分層永久變形量，累加得到瀝青混合料層總永久變形量為11.83mm,這里選用的基層設(shè)計(jì)是水泥穩(wěn)定碎石屬于無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類(lèi)，因此永久變形量不應(yīng)低于15mm,由此可以看出永久變形量滿(mǎn)足要求。此外瀝青混合料還應(yīng)該滿(mǎn)足動(dòng)穩(wěn)定度要求，相關(guān)公式見(jiàn)式1.20。經(jīng)計(jì)算：上面層、中面層、下面層的動(dòng)穩(wěn)定度要求分別為2412次/mm,1011次/mm,865次/mm。1.2水泥混凝土路面水泥混凝土路面的相關(guān)特性：(1)剛度大，承載力強(qiáng)，在部分地址良好區(qū)域還可以直接將混凝土路面鋪設(shè)在土基上；(2)耐久性和耐高溫性能好，使得水泥混凝土爐可以在降水量過(guò)大、過(guò)水區(qū)域、持續(xù)高溫天氣等條件下正常施工；(3)抗彎拉強(qiáng)度高、疲勞壽命長(zhǎng)，剛性路面設(shè)計(jì)使用時(shí)長(zhǎng)普遍高于其他類(lèi)型路面，在一定程度上節(jié)省了施工經(jīng)濟(jì)投入；(4)路面色度低、色差小、隔熱性好，水泥混凝土路面多為白色，更能反射陽(yáng)光，分散熱量，同時(shí)也有利于夜間行車(chē)；除去以上優(yōu)點(diǎn)，水泥混凝土也具有相應(yīng)的缺點(diǎn)；(1)平整度較低，駕駛體驗(yàn)感不好，剛性路面模量很高，同時(shí)設(shè)置了很多接縫，影響了整體舒適性；(2)維修困難，水泥混凝土自身強(qiáng)度高，即使斷裂破損，硬度還是很大，很大程度上增加了維修難度；(3)白色混凝土路面更容易反射光和熱，容易被晃著眼睛引起駕駛疲勞。根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求本次高速公路設(shè)計(jì)選用水泥混凝土路面進(jìn)行設(shè)計(jì)。1.3水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算的第一步必須確定好交通量，路面的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足目前以及未來(lái)預(yù)測(cè)的增長(zhǎng)交通量，設(shè)計(jì)公路交通量的年平均增長(zhǎng)率為6%，各類(lèi)車(chē)型交通量參數(shù)如下圖1.1所示:圖1.1各類(lèi)車(chē)輛交通量資料以及車(chē)輛軸載1.3.1軸載分析我國(guó)路面設(shè)計(jì)以雙輪組單軸載100kN為規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。（1）軸載換算的公式如下：（1.23）公式式中：—100kN的單軸—雙輪組標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)；——各類(lèi)軸型i級(jí)軸載的作用次數(shù)；——-軸型和軸載級(jí)位數(shù)；——標(biāo)準(zhǔn)軸載。軸載換算結(jié)果如下圖1.2所示：圖1.2（2）當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)參照水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范查得高速公路的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，高速公路目標(biāo)可靠度為95%，安全等級(jí)為一級(jí)，輪跡橫向分布系數(shù)為0.20，目標(biāo)可靠指為1.65，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為30年，根據(jù)測(cè)量所得貨車(chē)交通量年平均增長(zhǎng)率為6%。=386.32×[（1.06）30-1]×365/0.06×0.2=2229548軸次/車(chē)道計(jì)算得其交通量在中為重型交通類(lèi)。1.3.2水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.3.1.1方案一（1）擬定路面結(jié)構(gòu)組合查閱相關(guān)規(guī)范，根據(jù)荷載等級(jí)為重荷載交通等級(jí)，本高速公路設(shè)計(jì)初步擬定普通混凝土材料作為面層，厚度為26cm，彈性模量為33GP?；鶎舆x用彈性模量為240MPa,厚度為12cm的級(jí)配碎石。采用彈性模量為1400MPa,厚度為20cm的水泥穩(wěn)定碎石作為底基層。方案一現(xiàn)設(shè)定長(zhǎng)5.0m寬4m為混凝土板的尺寸，接縫應(yīng)力折減系數(shù)kr取值0.87。粗骨料混凝土的線膨脹系數(shù)，泊松比取0.15，水泥混凝土彎拉強(qiáng)度取5.5MPa。(2)地基頂面當(dāng)量回彈模量計(jì)算（1.24）（1.25）（1.26）ɑ=0.86+0.26lnhx（1.27）式中：E0——路床頂面的綜合回彈模量(MPa);Et——地基頂面當(dāng)量回彈模量（MPa);——地基內(nèi)除路基以外各層的總厚度(m);Ei、hi——第i層結(jié)構(gòu)層的回彈模量（MPa）和厚度（m）;Ex——粒料層的回彈模量（MPa）經(jīng)計(jì)算求得Et=515MPa。（3）計(jì)算荷載疲勞應(yīng)力（1.28）（1.29）其中：應(yīng)力折減系數(shù)=0.87（規(guī)范B.1.1）;綜合系數(shù)=1..15（規(guī)范中表B.1.1）；疲勞應(yīng)力系數(shù)kf（規(guī)范中公式B.1.3-1）。=1.30=0.87×1.15×1.30×1.091=1.51(MPa)（4）最大荷載應(yīng)力計(jì)算最重軸載在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力：=1.47×10-3r0.70=1.47×10-3×0.5540.70×0.26-2×101.60.94=1.107(MPa)最重軸載在臨界荷位產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力：=0.87×1.15×1.107=1.11（MPa）（5）最大溫度應(yīng)力計(jì)算綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的溫度應(yīng)力系數(shù)BL式中：CL——設(shè)計(jì)的混凝土面層板的溫度翹曲應(yīng)力系數(shù)；L——板長(zhǎng)（m）;r——設(shè)計(jì)的面層板的相對(duì)剛度半徑（m）。計(jì)算可以求出CL=1.085,BL=0.61。最大溫度應(yīng)力式中：——混凝土的線膨脹系數(shù)，這里取值為1.1×10-5/℃；Tg——最大溫度梯度?？梢杂?jì)算出。（6）計(jì)算溫度疲勞應(yīng)力計(jì)算溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)==0.54=0.54×1.59=1.4(MPa)查閱相關(guān)規(guī)范高速公路目標(biāo)可靠度95%，安全等級(jí)為一級(jí)，高速公路變異水平為低級(jí)。再根據(jù)相關(guān)資料，查閱相關(guān)規(guī)范可以確定高速公路可靠度系數(shù)取1.23。（7）設(shè)計(jì)極限狀態(tài)的驗(yàn)證本設(shè)計(jì)高速公路低等變異水平的可靠度系數(shù)取1.23。初步擬定的方案面層為普通混凝土厚度26cm，基層為厚度12cm的級(jí)配碎石，墊層為厚度20cm的水泥穩(wěn)定碎石組成的路面能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)的要求。1.3.1.2方案二（1）初擬路面結(jié)構(gòu)組合本高速公路方案二設(shè)計(jì)初步擬定普通混凝土材料作為面層，厚度為26cm，基層選用彈性模量為240MPa,厚度為12cm級(jí)配碎石。采用彈性模量為200MPa,厚度為12cm的級(jí)配碎石作為底基層?；炷涟宓某叽缛?×4米?；炷翉澙瓘?qiáng)度取5.5MPa,混凝土彈性模量取33000MPa，泊松比取0.15。線膨脹系數(shù)為1.1×10-5/℃。（2）計(jì)算基層頂面當(dāng)量回彈模量由于基層材料為級(jí)配碎石屬于粒料類(lèi)材料，因此選擇彈性地基上的單層板模型。計(jì)算求出Et=205MPa（3）荷載應(yīng)力計(jì)算板的彎曲剛度：=49.45（K=MN·m）面板的相對(duì)剛度半徑：=0.753荷載應(yīng)力：=1.352(MPa)確定三個(gè)修正系數(shù)kr、kc、kf因采取混凝土路肩，應(yīng)力折減系數(shù)取0.87，查規(guī)范可知kc取1.15，kf經(jīng)計(jì)算求得kf=1.30（4）計(jì)算荷載疲勞應(yīng)力=0.87×1.15×1.30×1.352=3.11（MPa）（5）最大荷載應(yīng)力計(jì)算=1.47×10-3×0.7530.70×0.26-2×101.60.94=1.373（MPa）=0.87×1.15×1.373=1.37（MPa）（6）溫度應(yīng)力計(jì)算面層板的最大溫度應(yīng)力面層板的溫度翹曲應(yīng)力系數(shù)計(jì)算綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的溫度應(yīng)力系數(shù)Ⅳ區(qū)最大溫度梯度范圍為86～92℃/m,取值90℃/m,則最大溫度應(yīng)力（MPa）面層板溫度疲勞應(yīng)力自然區(qū)Ⅳ區(qū)，計(jì)算溫度疲勞應(yīng)力：==0.48×1.2=1.06（MPa）（8）設(shè)計(jì)極限狀態(tài)驗(yàn)證本設(shè)計(jì)高速公路低等變異水平的可靠度系數(shù)取1.23。（MPa）