水泥混凝土路面设计参数(有用).pdf

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1、1、水泥混凝土路面的力学及工作特点（1）水泥路面的力学特征 混凝土的强度及模量远大于基层和土基强度和模量；水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度；板块厚度相对于平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小；混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方向的温度梯度，会产生翘曲现象，如受到约束，会在板内产生翘 曲应力；荷载重复作用，温度梯度反复变化，混凝土板出现疲劳破坏。（2）水泥混凝土路面的力学模式 弹性地基上的小挠度薄板模型；弹性地基：因为混凝土板下的基层与土基的应力应变很小，不超过材料的弹性区域；弹性板：因为板的模量高，应力承受能力强，一般受力不超过弹性比例极限应力，挠度与板厚相比很小 水泥混

2、凝土路面设计理论：弹性地基上的小挠度薄板理论。（3）水泥混凝土路面的工作及设计特点 抗弯拉强度低于抗压强度，决定路面板厚度的强度设计指标是抗弯拉强度；车轮荷载作用主要的影响是疲劳效应；温度差造成板有内应力，出现翘曲变形及翘曲应力，也有疲劳特性；板的使用还受限于支承条件，不均匀支承及板底脱空对板内应力的分布影响极大。2、水泥路面的主要破坏类型与设计标准（1）水泥路面的主要破坏类型 断裂 唧泥 错台 拱起 接缝挤碎(2)水泥路面的荷载作用 重载作用 (3)水泥路面的设计标准 结构承载能力 控制板不岀现断裂，要求荷载应力与温度应力的疲劳综合作用满足材料的设计抗拉强度，即:行驶舒适性 控制错台量，要求

3、设置传力杆(基层及结构布置满足)稳定耐久性 控制唧泥与拱胀，要求基层水稳定性好，板与基层联结。3、水泥路面结构设计的主要内容(1)路面结构层组合设计；(2)混凝土路面板厚度设计;(3)混凝土面板的平面尺寸与接缝设计(4)路肩设计；(5)混凝土路面的钢筋配筋率设计 4、水泥路面的轴载换算与交通分级(1)水泥路面的标准轴载及轴载换算 (2)水泥路面的交通等级划分及设计基准期 交通等级 交通等级 1 1特重 中等 0 设计车道标准轴载累计作用次数(10，000)1 卜2000 j 100-20001 3-100 冋 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

4、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 低冲 中 中-高 第二节水泥路面弹性地基板理论 1、小挠度弹性薄板假设 t-1 1100 丿 肌一宓弘【(1+厅-薄板：板厚度 h 远小于板中面的最小边尺寸 b（如 b/8 b/5）的板称为薄板;中面：平分板厚度 h 的平面;弹性曲面：薄板弯曲时，中面所弯成的曲面;挠度：中面内各点在横向的（即垂直于中面方向的）位移;小挠度弹性薄板：当板弯曲时因具有相当的弯曲刚度，中间 板即称为小挠度弹性薄板；小挠度弹性薄板的基本假设：研究弹

5、性地基上无限大板时，以弹性薄板小挠度问题为力学模型描述板体，在弹性力学理论中，对此有以 下三点假设：（1）中面的法线上各点形变分量极其微小，可以忽略不计；（2）中面的法线在板弯曲前后保持直线且垂直于中面，即：Y zx=Y zy=0（3）中面上各点无平行于中面的位移，即：（U）z=0=（V）z=0=0 2、三点假设的结论 假设（1）：垂直于中面方向形变分量极其微小，可以略去不计；即：中面的任意一根法线上，薄板全厚 度内的所有点均具有相同的挠度。假设（2）：垂直于中面的法线，在弯曲变形前后均保持直线，并垂直于中面，无横向剪切应变;假设（3）：薄板中面内的各点都没有平行于中面的位移 3、板与地基接触

6、的假设弹性曲面所产生的挠度远小于板厚度的弹性薄，即-；“=0,即“七莎;（1）完全接触假设：始终接触吻合，且可自由滑动（是在刚度差异大、板平面变形微小情况下的近似），即接触面不脱空且剪应力视为零。（2）没有摩擦假设：板和地基之间没有摩擦，可以自由活动。4、地基模型假定（1）弹性半空间地基假定；（2）文克勒地基假设。5、弹性曲面的微分方程（1）几何方程:（2）物理方程：（用挠度表示）1+疋 dxdy（3）平衡微分方程:（4）薄板截面上的弯矩、扭矩和剪力 肿2 zCTvdz-k/2*皆,E r.W2.护泮）-zcvdz-v +r dz-一 +,w r 山 y 1-A 1 肿丿 EQ 口宀（护+见

7、吹土（啤 (5)砼路面薄板的弹性曲面微分方程 写岀 z 方向的力的平衡方程，简化以后，略去微量，得到:第二节水泥路面的应力分析 1、文克勒地基板荷载应力分析(1)文克勒地基 以反应模量 K 表征的弹性地基，它假设地基上任一点的反力仅同该点的挠度成正比，而与其他点无关，即 地基相当于由互不相联系的弹簧组成，它因首先由捷克工程师文克勒提岀而得名，也称为M 3 戈；-Q严 OT3VMx,y)=p(xty)-q(xfy)K 地基、弹簧地基。（2）三个车轮荷位 荷载中心处板底；荷位下板底；板表面距板角点 x1 的分角线上 兀116（1+054 血）他+伍 9 乃）気叫=板边荷位：%=孔 1 _（学严各內

8、=2页屁=忑氏叫二（1 Q 恣学）岛 板角荷位：(3)最大弯拉应力位置(4)威斯特卡德早期应力计算公式 板中荷位-；当荷载圆半径较小，与板厚相差不大时，板受力接近厚板，需修正，即：R0.5h 时，用当量计算半径 b 代替 R,X&S+X-0.675A o 根据 Hogg 理论：无限大圆板上作用轴对称竖向荷载 q(r)时，竖向位移表达式:(5)威斯特卡德公式的试验修正公式 角隅修正 修正。板体与地基紧密接触时，不修正，理论值近似于实测值;板边修正 板中修正 实测板中应力小于理论值，说明地基不完全符合文克勒地基的假定;f E A3 crr=0.275(l+J lg-应力表达通式 2、弹性半空间体地

9、基板的荷载应力分析(1)弹性半空间地基 是以弹性模量和泊松比表征的弹性地基，假设地基为一各向同性的弹性半无限体，在荷载作用下 其顶面上 任一点的挠度不仅同该点的压力有关，也同其它各点的压力有关。威氏公式是理论推导得来的，与实际情况有岀入。美国 1930 年在阿灵顿进行了试验路，对公式进行了 板底脱空时，实测比计算大 30%50%需修正,Kelly 提岀板角修正式:板与地基保持接触时，不修正；而与地基脱空时,Kelly 修正式:（2）弹性半空间地基上薄板的理论解 4 警时爵 轴对称条件下的径向、切向弯矩表达式:荷载在板中时，圆形均布荷载下，板在单位宽度内产生的最大弯矩:二盼 荷载圆离计算点一定距

10、离时，可将其视为作用在圆心的集中力，其弯矩解:二5jS-正F；.F-A（3）多轮荷载作用下板的应力计算 丫-丨 a I 门一”G n；工匚二二.-：二-；（4）弹性半空间地基有限尺寸板 弹性半空间地基有限尺寸板，荷载作用在板边、板角时（上述计算荷载在板中，且认为板尺寸远大于 荷载尺寸）；弹性地基上有限尺寸板的解答；规范中设计方法给出的计算诺模图采用了有限元计算方法，有限元计算方法是一种数值方法。M Q 各+生兰 b（尸），dr2 r dr）岭岭+牡务舫 r dr ar y 3、水泥路面板的荷载应力有限元分析(1)水泥混凝土路面荷载应力的有限元分析特点 可以按板块的实际大小求解有限尺寸板，从而消

11、除无限大半的假设所带来的误差;可以考虑各种荷载状况(包括荷载组合和荷载位置)；可以考虑板的实际边界条件，如接缝的传荷能力、板和地基的脱空。可以得到整个板体的应力和位移场，从而全面了解板的受力。(2)水泥混凝土路面荷载应力的有限元分析结果 4、弹性地基双层板的荷载应力分析(1)上下层完全分离=E屈 D=陋 (2)上下层完全结合 _ 足也M+应总址|E/zE/g(血(H十 饥)之-12 12 4(町如 5、水泥混凝土路面的温度应力分析(1)胀缩应力：温度均匀变化时产生(2)无限大板的翘曲应力 板内任一点在温差影响下的应变:板中部受到地基摩阻力作用，板中心点不产生平面位移,板纵向边缘中部或窄长板，e

12、 x=0,b y=0，因此:(3)有限尺寸板的翘曲应力 当气温变化较快时，由于混凝土板导热性能差，在板内产生温度差，当气温升高时板中部有隆起趋势，当 气温降低时板边缘和角隅有翘起趋势。由于板的自重、地基反力和相邻板的约束作用，使部分翘曲变形受阻，从 而使板内产生应力，这种应力即称为水泥混凝土板的翘曲应力。威斯特卡德对文克勒地基的作进一步假定来计算温度应力：1)温度沿板断面呈线性变化;基始终保持接触；3)不计板自重。(4)温度线性分布时翘曲应力 温度沿板断面呈线性变化:EcdSt e x=y=0，因此:2)板与地 b=-口-i-2*；卩 2 1-疋 板边中点：弹性半空间体地基时:(5)温度非线性

13、分布时翘曲应力计算 对于较厚的板，采用温度沿板断面呈直线分布的假设，即按板顶和板底的温度差确定的温度梯度计算的温 度翘曲应力，会得到偏大的温度翘曲应力值。为此，应考虑由于温度的非线性分布而引起的内应力。我国规范的 温度应力计算：第四节路面结构的可靠度 1、结构的极限状态 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能 的极限状态 2、结构的极限状态分类（1）承载力极限状态：结构或结构构件达到最大承载力，岀现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。C 其中：.或 2 COS Ji cosh A f“b _ r-._,计算：时，L :;计算匚时，!屈。（2）正

14、常使用极限状态：结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。3、结构可靠性的含义 结构可靠性是指结构在规定时间（设计基准期）内、规定条件下（正常设计、正常施工、正常使用和维护）完 成预定功能的能力。其功能要求为：（1）安全性；（2）适用性；（3）耐久性。当结构或构件超过承载能力极限状态，就可能产生以下后果：（1）由于材料强度不够而破坏，或因疲劳 而破坏；（2）产生过大的塑性变形而不能继续承载，结构或构件丧失稳定；（3）结构转变为机动体系。超过这 一极限状态，结构或其构件就不能满足其预定的安全性要求。结构的功能要求：（1）安全性：结构应能承受在正常施工和正常使用的情况下可能岀现的各种作用

15、，在设计规定的偶然事件 发生时及发生后，结构仍能保持 必需的整体稳定性，不致发生倒塌。（2）适用性：结构在正常使用期间应具有良好的工作性能。如，不发生过大变形、振幅、过宽裂缝等，以 免影响正常使用。（3）耐久性：结构在正常使用和正常维护条件下应具有足够的耐久性能，以保证结构能够正常使用到预定 的设计使用期限。4、正态分布概率密度曲线有三个数字特征（1）平均值 （2）标准差 （3）变异系数 cr （4）正态分布的概念 正态分布的概率密度函数:=时幺 疔）=-y=exp a越大，曲线越扁平，随机变量分布越分散。5、结构上的“作用”（1）直接作用：是指直接以力的不同集结形式（集中力或均布力）施加在结

16、构上的作用，通常也称为 荷载。（2）间接作用：是指能够引起结构外加变形和约束变形，从而产生内力效应的各种原因。荷载的分类（随时间的变异性分类）永久荷载（恒荷载）：在结构设计基准期内，其作用量值不随时间变化，或其变化幅度与平均值相比可以 忽略不计的荷载。可变荷载（活荷载）：在结构设计基准期内，其作用量值随时间而变化，其变化幅度与平均值相比不可忽 略不计的荷载。偶然荷载：在结构设计基准期内不一定岀现，而一旦岀现其量值很大且持续时间很短的荷载。6、作用与作用效应的不确定性 恒载：材料密度变化，施工偏差引起构件尺寸变化 活载：大小和位置均变化（超载、减载）7、结构抗力的不确定性（1）结构材料性能的变异

17、性，是影响结构抗力的主要因素；（2）结构构件的几何参数的变异性；（3）结构构件抗力计算模式的不确定性。8、结构可靠性（1）引入结构的功能函数：一一、也亠 r 丄（2）目标可靠指标（object）用表示，为使结构设计安全可靠，经济合理，应对不同情况下的可靠指标 作一规定，来作为设计的依据。9、可靠度的几何解释和计算方法（1）两个正态变量 R 和 S 的标准差相等，则为平均值点到失效边界上的最短距离。（2）当极限状态方程中包含多个正态分布随机变量时，根据由两个随机变量情形得出的定义，此时求得 可靠度指标是新坐标体系中原点到极限状态曲面的法线距离。（3）计算方法：Monte-Carle 法、一次二阶

18、矩法、JC 法等。10、水泥混凝土路面可靠度的定义 定义：在规定的设计使用年限内，在环境条件和荷载作用下，路面能够发挥其预期功能的概率。我国水泥混凝土路面设计方法：路面板的车辆荷载疲劳应力及温度疲劳应力之和小于混凝土的极限抗折强 度。公式左边三项分别代表：可靠度系数、荷载疲劳应力和温度疲劳应力；右边是水泥混凝土面板材料的极限 抗折强度。11、水泥混凝土路面可靠度的概念 丁；路面结构的疲劳寿命，可采用双参数的威布尔分布，其关系如下式:匸设计年限内累计当量标准轴载，可采用对数正态分布，其标准 匚；5；二.；.-3.差和变异系数 第五节水泥路面的设计参数 1、设计基准期、目标可靠度和目标可靠度指标

19、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|1三、四级公路1 安全等级 一级 二级 三级1 四级J 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 2、材料参数与结构参数的变异性范围 变异系数的变化范围 变异水平等级 低 中 高 水泥混凝土弯拉强度、0.10 0.10CvW 0.15 0.15Cv 0.20 弯拉弹性模量 基层顶面当量回弹模量|0.25 0.25CvW 0.35 0.35Cv 0.55 水泥混凝土面层厚度 0.04 0.04Cv 0.06 0.0

20、6Cv200(100-2000 3-100 2.00 中湿路|低、中、高液限粘 土 0.30-0.50 0 40-0.60 0.5 0-0.70 0.60).95 基 粉土，粉质低、中 液限粘土 0.40-0.60 0 50-0.70 0.6 0-0.85 O.7o|0.11 潮湿路 基 低、中、高液限粘 土 0.40-0.60 0 50-0.70 0.6 0-0.90 0.7,E 7、温度梯度 最大温度梯度标准值Tg 公路自然区划 nv VD 最大温度梯度(摄氏度/m)83-88 90-95 86-92 93-98 第六节水泥路面结构组合设计 1、水泥混凝土板(1)面板要求 面板要求 面层类

21、型 适用条件 普通混凝土面层 各级公路 连续配筋混凝土面层 高速公路 沥青上面层与连续配筋混凝土或横缝设传 力杆的普通混凝土下面层组成的复合式路 面 特重交通的高速公路 碾压混凝土面层 二级及二级以下公路、服务区 停车场 钢纤维混凝土面层 标高受限路段、收费站、混凝 土加铺层和桥面铺装 矩形或异形混凝土预制块面层 服务区停车场、二级及以下公 路桥头引道沉降未稳定段 (2)厚度要求 水泥混凝土面层厚度的参考范围 交通等级 特重 1重 公路等级 高速 一级 二级 1 高速 1|-级 二级 变异水平等级 低 中 低 中 1低1 低 中 面层厚度(mm)260 25 240 270-240”60-23

22、0|250-220 交通等级 中等 I 轻 公路等级 二级 三、四级 三、四级 三、四级 变异水平等级 高 高 中1|高|1中 面层厚度(mm)240-210 230-200 220-200|230|60 75 5 x0.22-2=1 259(7a)修正系数确定 因纵缝为设拉杆平缝，查表得到接缝传荷能力的应力折减系数:因素对路面疲劳损坏影响的综合系数:修正的荷载疲劳应力 齐严二兀*古R 秽=0 87x2 504x1 20 x1.259=3.29()(6)温度疲劳应力参数 H区最大温度梯度查表取 88C/m)。板长 5m,L/r=5/0.67=7.46，由查图得普通混凝土板厚 h=0.22m，B

23、x=0.71。按公式计算最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力:竺乞兔=1W 4000 沁处熒 xo,71=2仔叱 _ 2 _(7)计算温度疲劳应力系数 5 0 a-b 0.828x 0.041=0 532 2 13 3 丿 (8)计算温度疲劳应力 各 二&7谕=0.532x2.13=1.13()(9)可靠度系数 二级公路的安全等级为三级，相应于三级安全等级的变异水平等级为中级，目标可靠度为标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力:;考虑设计基准期内荷载应力累计疲 劳作用的疲劳应力系数：心-一 二丿 泌根据公路等级，查表得到考虑偏载和动载等 85%。由查得的 (10)判断结构是否满足要求&(匚+b”)

24、=1.13X(29+1.1?)M4.99AP”w50AfP=90=80,=70,=60,70=90=80,=70,=60,70 60 三米直尺（mm）=10|10|12 15 18 颠簸程度 无颠簸，行车平稳 有轻微颠簸，行车尚平稳 有明显颠簸，行车不平稳 严重颠簸，行 车很不平稳 非常颠簸，非常不平 稳 6、路面其他检测（1）路面车辙检测 路面车辙宜采用快速检测设备，可结合路面损坏和路面平整度一并检测。路面车辙检测设备必须定期标定，每年至少标定一次，根据断面数据计算路面车辙深度（RD）,计算结果以 10m 为单位长期保存。（2）路面抗滑性能检测 路面抗滑性能检测宜采用基于横向力系数的路面抗滑

25、性能检测设备或其他具有可靠数据标定关系的自动 化检测设备。检测设备必须定期标定，每年至少标定一次。路面抗滑性能检测数据（横 向力系数）应以 20m 为单 位长期保存。（3）路面结构强度检测 路面结构强度宜采用自动检测设备检测。平整度时，宜采用高精 7、检测频率和要求路面损坏用路面损坏指数（PCI）评价，PCI 按下面两式计算。16-8-3最低检测与调查频率 路面损坏(PCI)路面平整 度(RQI)抗滑性能(SRI)路面车辙(RDI)结构强度(PSSI)路面 PQI 沥 青 1高速、-级公 路 11 年 1 次 1年1次 2年1次 1年1次 抽样检测.、三、四级公 路 1年1次 1年1次 水 泥

26、 混 凝 土 高速、一级公 路 1年1次 1年1次 2年1次 .、三、四级公 路 1年1次 1年1次 砂石 1年1次 路基SCI 1年1次 桥隧构造物BCI 米用最新桥梁、隧道、涵洞技术状况评定结果 沿线设施TCI 1年1次 8、公路技术状况评定(1)评定要求：公路技术状况评定以 1000m 路段长度为基本评定单元。(2)MQI 确定：公路技术状况指数 MQI 按下式计算：公路技术状况评定所需数据的最低检测与调查频率按表 16-8-3 的规定执行。其中上式中：沁护了 PQI 在 MQI 中的权重，取值为 0.70;芯莎SCI 在 MQI 中的权重，取值为 0.08;丁肌 一一 BCI 在 MQ

27、I 中的权重，取值为 0.12;阿占7 TCI 在 MQI 中的权重，取值为 0.10。（3）路面使用性能（PQI）沥青路面使用性能评价包括路面损坏、平整度、车辙、抗滑性能和结构强度五项技术内容。其中路面结构 强度为抽样评定指标，单独计算与评定，评定范围根据路面大中修养护需求、路基的地质条件等自行确定。水泥混凝土路面使用性能评价包括路面损坏、平整度和抗滑性能三项技术内容；砂石路面使用性能评价 包括路面损坏一项技术内容。路面使用性能指数（PQI）按下式计算：（4）路面损坏（PCI）路面损坏用路面损坏指数（PCI）评价，PCI 按下面两式计算。flOO-77cRD(RDiRD)fl RDI=1 (

28、RDq 丈 RD W RJD)|1 (RD RD J RDa-车辙深度参数，采用 20mm;RDb-车辙深度限制,采用 35mm;a0-模型参数，采用 2.0;a1-模型参数，采用 4.0.车辙深度（mm）；（6）路面抗滑性能（SRI）式中:DR-路面破损率(Pavement Distress Ratio），为各种损坏的折合损坏面积之和与路面调查面(5)路面行驶质量 RQI RQl=-100 i+式中:IRI 国际平整度指数;a0 高速公路和一级公路采用 0.026，其他等级公路采用 0.0185；al 高速公路和一级公路采用 0.65，其他等级采用 0.58.(5)路面车辙（RDI）?式中：

29、RD SR1=+SR1 SFC-横 力系救 Side-way Force Coefficiem 1；SRI 标定参数，35.0：血 模型参数，采 Ml 28.6：式中：楼掣琴数，lbOJ05(7)路面结构强度(PSSI)SSI J:;ij-1 构汕!Q 系数 Sirucfnre Streugih C ocfficient 峙忍 f 设汁疔沉号宾测代我理沉之比：h-略 1 如设汁殍沉(mm)：/Q it 棚代农瑁沉(mm)：模战酸 86 采川 15.71：式中：你-極熨囉故.采 1II-5J9.：(8)路基技术状况(SCI)SCI=JB;I100-GDISCJ GDisa 第 f 黄路也损坏的总

30、扣分(Global Deduction h 彊 I 砧 F flT 为 IOS 6.2.2 的规定讣 Mi 第i类踣基损坏的权也 按表 622 取值;/路基损坏类型|表16-8-5路基损坏扣分标准 类型(i)破坏名称 破坏程度 计量单位 单位扣分|权重 1 路肩边沟不洁 m 0.5 0.05 2 路肩损坏 轻 m2 1 0.10 重 2 3 边坡坍塌 轻 中 处 20 0.25 30 100 重 50 1 1 4 水毁冲沟 1 轻 处 20 0.25 中 30 重 50 5 路基构造物损坏 轻 处 20 0.10 中 30 重 50 6 路缘石损坏 m 4 0.05 7 路基沉降 轻 处 20

31、 0.10 中 30 重 50 8 排水系统淤塞 轻 m 1 1 0.10 重 处1 20 9、水泥混凝土路面碎石化（1）破碎工艺体系：Crack and Seat（打裂压稳）（JPCP）Break and Seat（打碎压稳）（JRCP）Rubblization（多头式破碎设备、共振式破碎设备）（JPCP,JRCP,CRCP）（2）工艺特点：破碎程度不同（碎石化破碎程度最高）；适应的路况不同（碎石化能适应病害更严重的路况）；消除反射裂缝可能性的程度不同（碎石化能更大程度上消除反射裂缝可 能性）10、水泥混凝土路面的沥青加铺层 板块单点弯沉控制指标(单位 0.01mm)为：(1)单点实测弯沉值

32、 Lr 14,不予处理；(2)单点实测弯沉值 14 vLr 40,则按脱空板处理，整板破碎，处理基层，新浇混凝土板块。(4)灌浆后两相邻板间弯沉差控制在 0.06mm 以内。11、中国厚度设计-加铺补强层结构设计(1)在稳定的原水泥混凝土板上加铺沥青层时，对高速公路、一级公路(或中等及中等以上交通 厚度不宜小于 100mm,其他公路不宜小于 70mm(2)在原水泥混凝土路面上加铺沥青层时宜用热沥青或改性乳化沥青、改性沥青做粘层。为防止渗水、减缓反射裂缝及加强层间结合，宜设置 2025mm 厚的聚合物改性沥青应力吸收层、应力吸收膜，或铺设长纤维无 纺聚酯类土工织物等。(3)按本规范有关规定增加或完善路面结构排水系统和防水措施。)最小