水泥混凝土路面设计.docx

课程设计说明书

题目
水泥混凝土路面设计

目 录

一、课程设计题目································4
二、课程设计目的································4
三、课程设计内容································4
四、路石厚度计算································5
1、交通分析 ··································5
2、初拟路面结构································5
3、路石材料参数确定····························6
4、荷载疲劳应力································8
5、温度疲劳应力································8
6、检验初拟路面结构····························10
7、接缝设计····································10
7.1纵向接缝···································10
7.2横向接缝···································11
8、混凝土面板钢筋设计··························11
8.1边缝补强设计·······························11
8.2角隅钢筋···································12
9、材料用量计算································12
9.1面层·······································12
9.2基层·······································13
9.3垫层·······································14
10、施工要求说明·······························14
11、参考文献···································15
12、附图·······································16

一、 课程设计的题目
水泥混凝土路面设计：公路自然区划∏区拟建一条一级公路，路基为粘质土，采用普通混凝土路面，路面宽9m，经交通调查得知，设计车道使用初期轴荷载日作用次数为5500。试设计该路面结构。

二、 课程设计的目的
通过课程设计巩固和加深所学的专业知识，熟悉相关的设计规范和施工规范，掌握实际工程结构设计的全过程。使学生将所学的专业基础和专业课只是在课程设计过程中有机的联系在一起，为进行实际的工程设计奠定基础。要求学生在课程设计之后对相关的设计规范、施工和试验规范等有比较系统和全面的了解，综合解决水泥混凝土路面结构设计中的实际问题，深入理解水泥混凝土路面的设计理论，掌握设计方法。

三、设计内容（主要技术关键的分析、解决思路和方案比较等）
1、结构组合设计；
2、材料组成设计；
3、混凝土板厚的确定；
4、板的平面尺寸确定；
5、接缝设计；
6、配筋设计；
7、材料用量计算；
8、施工要求说明；
9、设计图纸为A3路面结构详图一张（手工绘制），要求整洁、规范、图幅和数量符合要求。
10、附参考文献

路石厚度计算
公路自然区划Ⅱ区拟新建一条一级公路，路基为粘质土，采用普通混凝土路面，路面宽9米。经交通调查得知，设计车道使用初期标准轴载日作用次数为5500。
设计中参数表格均依据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2002）

表1-1
1.交通分析
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
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
表1-2

表1-1
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、二级公路
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
表1-3

公路混凝土路面交通分级
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

由表1-1知，一级公路的设计基准期为30年，安全等级二级。由表1-2知，临界荷位处得车辆轮迹横向分布系数取0.18取交通量年平均增长率为5%。则设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为：

2.67×107（次）>2.0×107（次）
由表1-3知属于特重交通等级。

2.初拟路面结构
由表1-1知，安全等级为一级的道路对应的变异水平等级为中级。根据一级公路、特重交通等级和中级变异水平等级，由表2-1知，初拟普通混凝土面层厚度为0.3m。基层选用沥青混凝土（中粒式1.5cm）基层，厚0.05m。垫层为0.15m石灰粉煤灰土。普通混凝土板的平面尺寸长为4.0m、宽4m；纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。中间带为1.5m，路绿带宽0.5m，中央分隔带0.5m。每幅路面宽3.75m。
路面结构如下图2-1所示：

表2-1

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

交通等级
中等
轻
公路等级
二级
三、四级
三、四级
三、四级
变异水平等级
高
中
高
中
高
中
面层厚度（mm）
240~210
230~200
220~200
≤230
≤220

表3-1
3.路面材料参数确定
混凝土弯拉强度标准值fr
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

表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
抗压强度（MPa）
5.0
7.7
11.0
14.9
19.3
弯拉弹性模量（MPa）
10
15
18
21
23

弯拉强度（MPa）
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
抗压强度（MPa）
24.2
19.7
35.8
41.8
48.4
弯拉弹性模量（MPa）
25
27
29
31
33

表3-3

稳定粒料基层和土基弯拉强度和抗压回弹模量
项目
抗弯拉强度
抗压回弹模量（MPa）
水泥稳定粒料
1.0
1300~1600
二灰稳定粒料
1.0
1300~1600
土基
——
30~80

表3-4

材料类型
回弹模量（MPa）

材料类型
回弹模量（MPa）
中、粗砂
80～100
石灰粉煤灰稳定粒料
1300～1700
天然砂砾
150～200
水泥稳定粒料
1300～1700
未筛分碎石
180～220
沥青碎石（粗粒式，20℃）
600～800
级配碎砾石
（垫层）
200～250
沥青混凝土
（粗粒式，20℃）
800～1200
级配碎砾石
（基层）
250～350
沥青混凝土
（中粒式，20℃）
1000～1400
石灰土
200～700
多孔隙水泥碎石
（水泥剂量9.5%～11%）
1300～1700
石灰粉煤灰土
600～900
多孔隙沥青碎石（20℃，
沥青含量2.5%～3.5%）
600～800
垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围

按表3-1和表3-2，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。
按表3-3，路基土回弹模量取30MPa。按表3-4，石灰粉煤灰土垫层回弹模量取800MPa，沥青混凝土基层回弹模量取1000MPa。
则有：基层顶面当量回弹模量计算如下：

普通混凝土面层的相对刚度半径按下式计算为

4.荷载疲劳应力
综合系数 表4-1
公路等级
高速公路
一级公路
二级公路
三、四级公路

1.30
1.25
1.20
1.10

标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为：

因纵缝为设拉杆平缝，按缝传荷能力的应力折减系数。考虑设计基准期内荷载应力疲劳作用的疲劳应力系数=。根据公路等级和表4-1，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数为。
则荷载疲劳应力为

5.温度疲劳应力
最大温度梯度标准值 表5-1
公路自然区划
Ⅱ、Ⅴ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅵ
Ⅶ
最大温度梯度（0C/m）
83~88
90~95
86~92
93~98

由表5-1，Ⅱ区最大温度梯度为88（0C/m），板长为4m，l/r=4.0/1.29=3.1,则当混凝土板厚度为h=0.3m时，查下图5-1可得Bx=0.15。

则有最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为

回归系数a，b和c 表5-2
系数
公路自然区划分
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
a
0.828
0.855
0.841
0.871
0.837
0.834
b
0.041
0.041
0.058
0.071
0.038
0.052
c
1.323
1.355
1.323
1.287
1.382
1.270
温度疲劳应力系数，按下式计算，根据表5-2知，自然区划Ⅱ区中，回归系数=0.828，b=0.041，
c=1.323，为

则温度疲劳应力为

6.检验初拟路面结构
可靠度系数 表6-1
变异水平等级
目标可靠度（%）
95
90
85
80
低
1.20—1.33
1.09—1.16
1.04—1.08
——
中
1.33—1.50
1.16—1.23
1.08—1.13
1.04—1.07
高
——
1.23—1.33
1.13—1.18
1.07—1.11
由表1-1知，一级公路的安全等级为二级相应于二级安全等级的变异水平等级为中级，不表可靠度为90%。再据插得的目标可靠度和安全等级，由表6-1知，可靠度系数为。则：

因而，所选普通混凝土面层厚度（0.3m）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应。
7. 接缝设计
混凝土面层是由一定厚度的混凝土面板组成的，具有热胀冷缩的性质。由于一年四季气温的变化，混凝土板会产生不同程度的膨胀和收缩。而在一昼夜后，白天气温升高，混凝土板顶面温度较低面为高，这种温度坡差会使板的中部形成隆起的趋势。夜间气温降低，混凝土板顶面温度较低面为低，会使板的周围和角隅发生翘起的趋势。这种变形会受到面板与基础质检的摩阻力和黏结力，以及板自重和车轮荷载等得约束，致使板内产生过大的应力，造成板的断裂或拱胀等破坏。
为了避免这些缺陷，水泥混凝土路面不得不在纵横两个方向设置许多接缝。把整个路面分割成为许多板块。水泥混凝土路面的接缝可分为纵缝和横缝两大类。与路线中线平行的接缝为纵缝，与路线垂直的接缝为横缝。接缝设计应能：①控制收缩应力和翘曲应力所引起的裂缝出现的位置；②通过接缝提供足够的荷载传递；③防止坚硬的杂物落入接缝缝隙内。

7.1 纵缝接缝
纵向接缝的布设视路面宽度和施工铺筑而定：因一次铺筑宽度小于路面宽度，设置纵向施工缝。纵向施工缝采用平缝形式，上部锯切槽口，深度为30mm，宽度为8mm，槽内灌塞填缝料。
纵向接缝的拉杆采用螺纹钢筋，设在板厚的中央，并对拉杆中部100mm范围内做防锈处理，拉杆直径为10mm，长度为700mm，间距为700mm。最外侧拉杆距横向接缝距离为100mm。构造如下图7-1所示：

图7—1 设拉杆平缝（单位：mm）

7.2 横缝接缝
每日施工结束或因临时原因中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处。施工缝采用加传力杆的平缝形式。横向缩缝采用假缝等间距设置。
传力杆采用光面钢筋，传力杆直径为32mm，长度为450mm，间距为300mm。最外则拉杆距自由边的距离为150mm。
横向接缝的细部构造见下图7-2所示：

图7—2 设传力杆平缝（单位：mm）

8.配筋设计
混凝土面板纵横自由边边缘下的基础，当有可能产生效大的塑性变形时，宜在板边缘加设边缘补强钢筋，角隅加设发针形钢筋或钢筋网。
8.1 边缘补强钢筋
混凝土面板边缘部分的补强，选用2根12mm的螺纹钢筋，箍筋采用直径6mm光圆钢筋，设在距板底边缘的70mm处，两根钢筋间距为100mm。为加强锚固能力钢筋两端向上弯起45度，构造如图8-1所示：
图8—1 边缘钢筋（单位：mm）

8.2角隅钢筋
角隅钢筋部分的补强，选用2根直径为12mm的螺纹钢，布置在板的上部，距板顶50mm，距板边100mm，如下图8-2所示。钢筋保护层的最小厚度不应小于50mm。

9．材料用料计算
9.1面层
混凝土面板直接承受行车荷载和自然因素的作用，并直接体现使用的功能的好坏，同时又是混凝土路面的承重结构。混凝土面板就保证表面平整、耐磨、抗滑。就满足以下要求。
（1） 混凝土的弯拉强度应满足表3-1的要求。
（2） 有足够的表面平整度。混凝土路面的平整度以3m直尺量测为准，3m直尺与路面表面之间的最大间隙，高速公路和一级公路不应大于3mm；其他各级公路不应大于5mm；混凝土路面的平整度也可用平整度仪测定。
（3） 有足够的抗滑性。混凝土路面的抗滑性以构造深度（TD）为指标。其竣工验收值，对高速公路和一级公路不应低于0.8mm，对其他各级公路不应低于0.6mm，对年降雨量在500mm以下的地区，可适当降低。
混凝土面板的横断面一般采用等厚式，其厚度和平面尺寸应符合《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40——2002）的有关规定。
本段路面混凝土选用C30普通混凝土，查定额可得

面层材料统计表 表9—1
材料
32.5级水泥
中（粗）砂
碎石（4cm)
Φ16螺纹钢筋
Φ6光圆钢筋
用量
1038.222t
1266.732 m3
2286.036 m3
5.8t
6.491t
单价（元/吨）
320
60
55
3400
3300
金额（元）
332231
75997
125732
19720
21420
由上表9-1可得面层费用为575100元

9.2基层
混凝土面板下设置基层，不仅为混凝土面板提供均匀而稳定的支承，且能防止唧泥、错台、冻胀等病害，从而保证路面的整体性，延长路面的使用寿命。因此，除非土基本身就是有良好级配的砂砾类土，而且是有良好排水条件的轻交通之外，都应设置基层。同时，基层应具有足够的刚度和稳定性，且断面正确，表面平整。理论计算和实践都已证明，采用整体性好，具有较高的弹性模量的材料修筑基层，可以确保混凝土路面良好的使用特性和延长路面的使用寿命。基层材料应根据交通等级，当地条件和经济性等因素选用贫混凝土、沥青混合料、水泥稳定土、石灰稳定工业废渣、级配碎(砾)石、填跟碎石等。由于石灰稳定土的强度较低，在特重和重交通的公路上，或冰冻地区潮湿路段及其他地区的过湿路段上，不宜采用石灰稳定土基层。各种基层的技术要求应符合现行《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034一93)的规定。
为保证模板和轨模式摊铺机轨道的安装、滑模式摊铺机的施工，以及混凝土面板边缘的强度和稳定性．当采用小型机具或轨模式摊铺机施工时，基层的宽度应比混凝土面板每侧宽出25~35cm；当采用滑模式摊铺机施工时，每侧宽出50~60cm；当路基为膨胀土或排水不良时，应与路基同宽。
本段路面采用5cm水沥青混凝土，查定额可得
基层材料统计表 表9-2
材料
石油沥青
路面用碎石（1.5cm）
用量
50.985t
125.1 m3
单价（元/吨,元/ m3）
3800
65
金额（元）
193743
8132

由表9-2可得基层费用为201875元

9.3垫层
在路基水温状况不良的路段上,路基与基层之间宜设垫层。从而垫层材料的强度要求不一定要高，但其水稳性、隔热性能要好。垫层材料以就地取材为原则，一般采用颗粒材料(砂、砂砾、炉渣等)。当采用砂或砂砾时，通过0.075mm筛孔的颗粒含量不宜大于5%；当采用炉渣时，小于2mm的颗粒含量不宜大于20%。
垫层的最小厚度为15cm，其宽度应比基层每侧至少宽出25cm，当路基为膨胀土或路面排水不良时，垫层应与路基向宽。
在季节性冰冻地区，为了防止不均匀冻胀，要求路面的总厚度应不小于混凝土路面防冻最小厚度，否则，应通过设置垫层补足。
本段路面选用15cm石灰粉煤灰（石灰：粉煤灰：土=12：35：53），查定额可得

垫层材料统计表 表9-3

材料
生石灰
粉煤灰
砂
用量
235.944t
629.19* m3
1104.39 m3
单价（元/吨，元/m3）
105
20.97
50
金额（元）
24774
13194
55220
由表9-3可得垫层费用为93188元。
综上所述，该段路面1km的材料费用为870163元。

10．施工要求说明
高等级公路修水泥混凝土路面，对平整要求高，由于工程量大，要保证施工进度和工程质量，适宜采用机械化施工。此一级公路路面采用轨道式摊铺机施工。
施工要点：
（1） 施工准备内容：原材料的选用与质量检验，配合比的优化，基层的验收与修整，轨模安装；
（2） 施工机械的选型配套：摊铺机的选型，配套设备选型；
（3） 混凝土的拌合、运输和卸料：混凝土拌合要均匀，运输是控制好运输时间，卸料时应将一车料分卸成几小堆，利于布料和减小离析。
（4） 混合料的摊铺：把倾卸在基层上或摊铺机箱内的混合料，按摊铺松浦厚度均匀的填满模板范围内；
（5） 混凝土的振捣：混凝土振捣机紧跟在摊铺机后面，对混凝土进行再一次整平和振捣；通过人工辅助振捣和调整用料的措施，使混凝土板全宽的密实度和平整度达到要求；
（6） 混凝土表面的修整：振捣密实的混凝土必须进一步整平、抹光，以获得平整光洁的表面，混凝土的表面修整采用修面抹光机；
（7） 混凝土路面的纹理制作：压纹、拉槽的深度一般为2~3mm，纹宽3~4mm，间距为20mm，纹理走向与路面前进方向垂直，横向相邻板的纹理互相沟通以利于排水，纹理制作应保证平整度要求；
（8） 养生和接缝处理：养生采取洒水湿养，用湿草帘或麻袋片等覆盖表面，每天洒水2~3次。养生期不少于14~21d。填缝材料为聚氨酯沥青类，采用填缝机填缝。