近年来,我国公路交通运输不断发展,公路超载运输现象也日益普遍和严重。水泥混凝土路面作为高等级公路的主要形式之一,很多在使用初期就发生了严重的结构损坏,路面的使用寿命大大缩短,严重影响了公路的通行能力、行车安全和投资效益。当路面板荷载应力与温度应力的组合处于不利状态时,过大轴载的一次作用就可能造成路面结构的破坏,路面结构的抗疲劳性则无从谈起。世界各国水泥混凝土路面结构设计方法中尚未引入极限承载力的分析方法。因此,根据公路实际的交通组成和温度状况,研究水泥混凝土路面结构极限状态的分析和设计方法成为迫切需要解决的问题。本文首先从典型重载交通道路的交通调查与分析入手,研究了重荷载交通道路的交通量、轴载分布及荷载特征,针对现行设计规范中关于基层顶面当量回弹模量值计算公式存在的不足,利用弹性层状体系理论,按照弯沉等效原则,通过大量的计算分析,回归出了精度较高、适用范围更广的基层顶面当量回弹模量计算公式。其次,根据实测荷载作用面积和计算轮胎接地压力,计算了重荷载作用下水泥混凝土路面结构的力学响应,提出了分析混凝土路面极限承载力的方法,并分析了极限承载力的影响因素,为限载提供了理论依据。再次,研究了车辆轴载与温度梯度的概率特征,提出了考虑极限承载力的混凝土路面设计方法,并拟定了满足各级极限轴载的典型混凝土路面结构形式。最后,针对混凝土路面板板底脱空现象,对路面结构建立三维有限元模型,通过大量的有限元计算,分析了板底脱空对路面板承载力及使用寿命的影响,揭示了路面发生早期损坏的根本原因,并从路面材料和结构设计方面探讨了防止路面板脱空的措施和方法。