搜索
1第十六章水泥混凝土路面设计第一节概述第二节弹性地基板体系理论简介第三节水泥混凝土路面应力分析第四节水泥混凝土路面可靠度设计第五节水泥混凝土路面结构组合设计第六节我国水泥混凝土路面设计方法第一节概述一、混凝土路面结构特征1.水泥混凝土路面结构属于弹性层状体系2.采用弹性地基板理论进行分析计算1)混凝土路面板的弹性模量及力学强度大大高于基层和土基的相应模量和强度；2)其次，混凝土的抗弯拉强度远小于抗压强度，约为其1/6～1/7，因此决定水泥混凝土板尺寸的强度指标是抗弯拉应力；3)同时，由于混凝土板与基层或土基之间的摩阻力一般不大，所以在力学图式上可把水泥混凝土路面结构看作是弹性地基板，用弹性地基板理论进行分析计算。3.混凝土板必须具有足够的抗弯拉强度和厚度1)混凝土的抗弯拉强度远低于抗压强度，在车轮荷载作用下当弯拉应力超过混凝土的极限抗弯拉强度时，混凝土板便产生断裂破坏。2)在车轮荷载的重复作用下，由于疲劳效应混凝土板会在低于其极限抗弯拉强度时出现破坏。3)板顶面和底面的温差会使板产生温度翘曲应力，板的平面尺寸越大，翘曲应力也越大。4)水泥混凝土为脆性材料，在断裂时相对拉伸变形很小，在荷载作用下土基和基层的变形情况对混凝土板的影响很大，不均匀的基础变形会使混凝土板与基层脱空。4.破坏类型和设计标准水泥混凝土路面在行车荷载和环境因素的作用下可能出现的破坏类型主要有：1)断裂；2)唧泥；3)错台；4)拱起；5)接缝挤碎等从保证路面结构承载能力的角度，混凝土路面结构设计应以防止面层板断裂为主要设计标准；从保证汽车行驶性能的角度，应严格控制接缝两侧的错台量。混凝土路面板的疲劳破坏不仅与荷载重复次数有关，而且与温度周期性变化产生的温度翘曲应力重复作用有关。路面板防止两种因素综合作用产生的疲劳开裂，必须使荷载疲劳应力(σp)与温度疲劳翘曲应力(σt)和不超过混凝土的抗弯拉强度(fcm)，即σp+σt≤fcm为了防止混凝土路面拱起、错台、接缝挤碎和唧泥，除了采用排水基层、耐冲刷基层和增强接缝传荷能力外，还可加强日常养护等。二、水泥混凝土路面结构设计内容1.路面结构层组合设计2.混凝土面板厚度设计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(连续配筋、钢筋混凝土路面)的钢筋配筋率设计三、混凝土路面结构设计理论与方法1.世界各国：以弹性地基板的荷载应力、温度应力分析方法为基本理论，以混凝土路面板的弯拉应力作为极限状态和设计控制指标。采用温克勒地基模型或弹性半空间均质地基模型。2.我国《公路水泥混凝土路面设计规范》JTGD40-2011:以弹性半空间地基有限大矩形板模型为基础，以100KN单轴双轮标准轴载作用于矩形板纵向边缘中部产生的最大荷载应力控制设计。采用了可靠度设计方法，以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态。五、混凝土路面交通等级1.设计基准期2.轴载当量换算161100nisiiiPNN3.交通调查与轴载分析由于轻型车对混凝土路面的疲劳损伤可以不计，因此将统计的年平均日交通量中的2轴4轮以下的轻型客货车辆所占的交通量剔除不计，从而得到设计基准期初期的年平均日货车交通量（双向）。再乘以方向系数（通常为0.5）和车道分布系数才能得到设计车道在设计基准初期的年平均日货车交通量ADTT。4.标准轴载累计当量作用次数365]1)1[(NrtrseggN由轴载谱和轴载当量换算系数计算得到设计车道使用初期的标准轴载日作用次数：kp,ij—各种轴型不同轴载级位的标准轴载当量换算系数；ni—每3000辆2轴6轮以上客、货车辆中i种轴型出现的次数；Pij—i种轴型j级轴载的频率(以分数计)jijijpiispknADTTN)(3000,5.交通等级划分公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路0.17-0.22二级、二级以下公路行车道宽＞7m0.34-0.39行车道宽7m0.54-0.62临界荷位处车辆轮迹横向分布系数η注：车道、行车道较宽或者交通量较大时，取高值；反之，取低值。第三节水泥混凝土路面应力分析一、水泥混凝土路面温度应力分析水泥混凝土路面板内不同深处的温度，随气温的变化而变化。这种变化使混凝土板出现膨胀和收缩变形的趋势。当变形受阻时，板内便产生胀缩应力或翘曲应力。1.胀缩应力混凝土浇筑的初期，混凝土尚未完全硬化，其抗拉强度不足以抵抗收缩应力，板将出现开裂。混凝土板温度升高时，如果未设置胀缝，板的膨胀受阻，板内将出现膨胀应力。为了减少收缩应力，在混凝土板内设置各种接缝，板被划分为有限尺寸的板块。这时板的自由收缩受到板与基础的摩阻力所约束，此摩阻力随板的自重而变。因变形受阻而产生的板内最大应力出现于板长的中央。板划分为有限尺寸板块后，因收缩而产生的应力很小，可不予考虑。2.翘曲应力1)当气温变化较快时，板顶面与底面产生温度差，胀缩变形大小也就不同。2)当气温升高时，板顶面温度较其底面高，板顶膨胀变形较板底的大，则板中部隆起；当气温下降时，板顶面温度较其底面板低，板顶收缩变形较板底大。3)因而板的边缘和角隅翘起。由于板的自重、地基反力和相邻板的钳制作用，使部分翘曲变形受阻，从而使板内产生翘曲应力。图16-11混凝土路面板的翘曲变形a)气温升高时；b)气温降低时假设：温度沿板断面呈直线变化、板和地基始终保持接触，不计板自重。第五节水泥砼路面结构组合设计一、面层混凝土板应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。一般采用设接缝、不配筋的普通混凝土；面层板的平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基、填挖交界段的路等有可能产生不均匀沉降时，应采用设置接缝的钢筋混凝土面层。对于承受特种交通高速公路，可以选用连续配筋混凝土面层或选用连续配筋混凝土路面加沥青混凝土面层的复合式路面结构。1.普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或钢纤维混凝土面层板一般采用矩形。其纵向和横向接缝应垂直相交，纵缝两侧的横缝不得相互错位。2.纵向接缝的间距按路面宽度在3.0～4.5m范围内确定。碾压混凝土、钢纤维混凝土面层在全幅摊铺时，可不设纵向缩缝。3.横向接缝的间距按面层类型和厚度选定：普通混凝土面层一般为4～6m，面层板的长宽比不宜超过1.30，平面尺寸不宜大于25m2；碾压混凝土或钢纤维混凝土面层一般为6～10m；钢筋混凝土面层一般为6～15m。交通荷载等级极重特重重公路等级-高速一级二级高速一级二级变异水平等级低低中低中低中低中面层厚度(mm)≥320320~280300~260280~240270~230260~220交通荷载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)250~220240~210230~200220~190210~180水泥混凝土面层厚度的参考范围4.路面表面构造应采用刻槽、压槽、拉槽或拉毛等方法制作。各级公路水泥混凝土面层的表面构造深度(mm)要求公路等级高速公路、一级公路二、三、四级公路一般路段0.70～1.100.50～1.00特殊路段0.80～1.200.60～1.10特殊路段—对于高速公路和一级公路系指立交、平较或变速车道等处；对于其他等级公路系指急弯、陡坡、交叉口或集镇附近。年降雨量600mm以下的地区，表列数值可适当降低。二、基层基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。基层类型宜依照交通等级按表选用。交通等级基层类型极重、特重贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土基层重水泥稳定碎石或密集配沥青稳定碎石基层中等、轻水泥稳定碎石、石灰粉煤灰稳定碎石或级配碎石基层交通等级底基层类型极重、特重、重级配碎石，水泥稳定碎石，石灰粉煤灰稳定碎石中等或轻交通未筛分碎石，级配砾石或不设基层的宽度应比混凝土面板每侧宽出300~650mm。采用碾压混凝土或贫混凝土作为基层时，应设置与混凝土面层板相对应的纵、横接缝。提高基层的强度或刚度，对于降低面层的应力或者减薄面层的厚度，影响很小。因而，混凝土面层下的基层不必很厚。规范建议的各类基层的厚度范围，是依据形成结构层、方便施工（单层摊铺碾压）或排水要求等因素制定的。三、垫层遇有下述情况时，需在层基下设置垫层：季节性冰冻地区，路面总厚度小于最小防冻厚度要求时，其差值应以垫层厚度补足；水文地质条件不良的土质路堑，路床土湿度较大时，宜设置排水垫层；路基可能产生不均匀沉降或不均匀变形时，可加设半刚性垫层。注意事项：垫层的宽应与路基同宽，其最小厚度为150mm。防冻垫层和排水垫层宜采用砂、砂砾等颗粒材料。半刚性垫层可采用低剂量无机结合料稳定粒料或土。四、路基路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承。注意事项：高液限粘土及含有机质细粒土，不能用做高速公路和一级公路的路床填料或二级和二级以下公路和上路床填料；高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于3％的低液限粘土，不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时，应掺加石灰或水泥等结合料改善。地下水位高时，宜提高路堤设计标高。路基压实度应符合《公路路基设计规范》的要求。岩石或填石路床顶面应铺设整平层。五、路肩1、路肩铺面结构应具有一定的承载能力，其结构层组合和材料选用应与行车道路面相协调，并保证进入路面结构中的水的排除。2、路肩铺面可选用水泥混凝土面层或沥青面层。3、路肩水泥混凝土面层的厚度通常采用与行车道面层等厚，其基层宜与行车道基层相同。选用薄面层时，其厚度不宜小于150mm，基层应采用开级配粒料。4、路肩沥青面层宜选用密实型沥青混合料。其基层可选用无机结合料稳定粒料或级配粒料。行车道路面结构不设内部排水设施时，沥青面层和不透水基层的总厚度不宜超过行车道面层的厚度，基层下应选用透水性粒料填筑。第六节我国水泥混凝土路面设计方法我国水泥混凝土路面设计方法采用单轴双轮组100KN标准轴载作用下的弹性半空间地基有限大矩形薄板理论有限元解为理论基础，以路面板纵缝边缘荷载与温度综合疲劳弯拉应力为设计指标进行路面板厚度设计。设计完成后，路面板的综合疲劳弯拉应力应满足以目标可靠度为依据的极限状态平衡方程式。可靠度系数是与偏差与保证率相关的一个参数，它是在综合考虑材料强度、面板厚度、基层顶面当量回弹模量等参数会发生实际变异的基础上，按一定保证率给出的强度富余系数。一、目标可靠度与疲劳极限状态方程式水泥混凝土路面结构设计以设计基准期内行车荷载和温度梯度综合作用所产生的面层板疲劳断裂作为设计标准，并以设计基准期内最重轴载和最大温度梯度综合作用所产生的面层板极限断裂作为验算标准。rtrrprf)(rtprf)(max,max,式中：γr——可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平等级确定；σpr——面层板在临界荷位处产生的行车荷载疲劳应力（MPa）；σtr——面层板在临界荷位处产生的温度梯度疲劳应力（MPa）；σp,max——最重的轴载在临界荷位处产生的最大荷载应力（MPa）；σt,max——所在地区最大温度梯度在临界荷位处产生的最大温度翘曲应力（MPa）；fr——水泥混凝土弯拉强度标准值（MPa）。疲劳断裂：极限断裂：目标可靠度是所设计路面结构应具有的可靠度水平。它的选取是一个工程经济问题：目标可靠度定得较高，则所设计的路面结构较厚，初期修建费用较高，但使用期间的养护费用和车辆运行费用较低；目标可靠度定得较低，初期修建费用可降低，但养护费用和车辆运行费用需提高。材料性能和结构尺寸参数的变异水平等级，按施工技术、施工质量控制和管理水平分为低、中、高三级。由滑模或轨道式施工机械施工，并进行认真、严格的施工质量控制和管理的工程，可选用低变异水平等级。由滑模或轨道式施工机械施工，但施工质量控制和管理水平较弱的工程，或者采用小型机具施工，而施工质量控制和管理得到认真、严格的执行的工程，可选用中低变异水平等级。采用小型机具施工，施工质量控制和管理水平较弱的工程，可选用高变异水平等级。可靠度设计方法中，各项设计参数通常都应选用均值作为标准值。强度标