第三分篇(1分篇)第五章 水泥混凝土路面设计

第五章水泥混凝土路面设计第三篇路面工程（第一分篇）1.知道水泥混凝土路面设计的基本原理和特点；2.能正确选用水泥混凝土路面的面层、基层和底基层、垫层的类型；3.叙述水泥混凝土路面构造、板块划分和各种接缝的适用性；4.知道公路水泥混凝土路面设计应收集的资料及分析、处理的方法；5.知道水泥混凝土路面设计的依据、内容和方法；6.会进行普通水泥混凝土路面纵向与横向的缩缝、胀缝、施工缝设计；7.会计算单层水泥混凝土面层的厚度。教学要求滑模施工第一节水泥混凝土路面设计综述钢筋混凝土路面——以水泥混凝土做面层(配筋或不配筋)的路面，亦称刚性路面。面层板和基(垫)层所组成面层基层垫层车辆荷载路基第一节水泥混凝土路面设计综述水泥混凝土路面分类普通混凝土路面钢筋混凝土路面连续配筋混凝土路面钢纤维混凝土路面复合式路面水泥混凝土预制块路面水泥混凝土属脆性材料，抗弯拉强度比抗压强度低得多，水泥混凝土面层在车轮荷载作用下，当弯拉应力超过混凝土的极限弯拉强度时，水泥混凝土板便产生断裂破坏。常见破坏——断裂破坏、疲劳破损、温度翘曲应力引起的破坏。接缝类断裂类一、水泥混凝土路面力学特性•立方体强度•棱柱体抗压强度•劈裂强度•抗拉强度•弯拉强度•剪切强度•黏结强度强度劈裂强度抗弯拉强度1．水泥混凝土面层的强度特性水泥混凝土抗压强度与耐磨性的关系1）抗压强度试件的标准尺寸：150×150×l50mm；2）弯拉强度试件的标准尺寸：150mm×150mm×550mm（28d龄期）3）劈裂强度：试件的尺寸为圆柱体试件l00mm或150mm4）抗拉强度：试件的尺寸为150×150×l50mm立方体交通荷载等级极重、特重重中等轻水泥混凝土的弯拉强度标准值(MPa)≥5.0≥5.04.54.0钢纤维混凝土的弯拉强度标准值(MPa)≥6.0≥6.05.55.0水泥混凝土弯拉强度标准值表3-1-5-11．水泥混凝土面层的强度特性水泥混凝土面层承受行车荷载及温度和湿度变化所产生的应力的反复作用。水泥混凝土出现疲劳损坏时所能经受的反复应力重复作用次数，称为水泥混凝土的疲劳寿命。疲劳寿命随反复应力的增大而减小，不同疲劳寿命时水泥混凝土能承受的反复应力的大小，称作水泥混凝土的疲劳强度。规范规定水泥混凝土路面面层是以行车荷载疲劳应力和温度疲劳应力综合作用下不产生断裂作为设计标准，即行车荷载产生的荷载疲劳应力和温度翘曲疲劳应力之和不超过水泥混凝土弯拉强度的设计值。2．水泥混凝土面层的疲劳特性二、水泥混凝土路面设计的内容l.各结构层材料组成设计依据当地材料供应，选择满足结构层性能要求的混合料，配合比设计。参数经过试验确定。要求：面层足够的弯拉强度及抗疲劳性能．基层良好的抗冲刷性能和一定的刚度，垫层稳定性及一定的刚度。2.路面结构组合与厚度设计选择结构层次，包括路基、垫层、基层和面层的结构组合设计。各层结构类型、弹性模量和厚度确定。特定条件：配置钢筋。此外，抗滑、耐磨、平整及减轻噪声等表面特性。3.面层接缝设计平面尺寸设计。缩缝、胀缝或施工缝等类型．确定接缝的间距，布设位置，设计接缝的构造，包括传力杆、拉杆的布置及确定填缝的材料。4.路面排水设计根据路面排水要求及表面排水或内部排水设施的作用与设置条件，选择路面结构排水系统的布设方案，确定排水设施的构造尺寸和材料要求。5.路肩设计优点：强度高：稳定性好：耐久性好：能见度好：平整度和粗糙度好：养护费用少，运输成本低三、水泥混凝土路面的特点缺点：水和水泥用量大：有接缝，舒适性差：开放交通迟：修复困难：对超载敏感；第二节水泥混凝土路面结构组合设计一、路基路基——要求稳定、密实、均质．变形小；二、基层①防唧泥——其细料含量和塑性指数不能太高②防冰冻——粒状多孔材料③降低路基不均匀变形。④防水——铺筑开级配粒料。⑤方便施工——基层为面层施工(如立侧模，运送混凝土混合料等)提供方便。⑥延长路面寿命交通荷载等级基层材料类型/底基层材料类型极重、特重贫混凝土、碾压混凝土、沥青混凝土/级配碎石、水泥稳定碎石、二灰稳定碎石重密级配沥青稳定碎石、水泥稳定碎石/级配碎石、水泥稳定碎石、二灰稳定碎石中等、轻水泥稳定碎石、二灰稳定碎石/未筛分碎石、级配砾石或不设三、垫层垫层——水稳性、隔热性好，就地取材各交通荷载等级的基层/底基层材料类型表3-1-5-2各类基层合适的厚度材料种类适宜施工厚度（mm）贫混凝土、碾压混凝土120～200水泥或石灰粉煤灰稳定粒料150～200沥青混凝土（与集料公称最大粒径有关）25～75沥青稳定碎石（与集料公称最大粒径有关）50～100多孔隙水泥稳定碎石（排水基层）100～150级配碎石、级配砾石100～200未筛分碎石、碎砾石100～200各类材料基层和底基层的结构层适宜施工厚度表3-1-5-3水泥混凝土路面结构层最小防冻厚度(m)路基干湿类型路基土类别当地最大冰冻深度(m)0.50~1.001.00~1.501.50~2.002.00中湿路基易冻胀土0.30~0.500.40~0.600.50~0.700.60~0.95很易冻胀土0.40~0.600.50~0.700.60~0.850.70~1.10潮湿路基易冻胀土0.40~0.600.50~0.700.60~0.900.75~1.20很易冻胀土0.45~0.700.55~0.800.70~1.000.80~1.30交通荷载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）320～280300～260280～240280～240270～230260～220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）250～220240～210230～200220～190210～180三、面板理论分析表明，混凝土面板的横断面宜采用中间薄两边厚的型式（厚边式），但施工不便，实际情况一般采用等厚式断面。四、路肩和路面排水(1)行车双向或单向横披，坡度为1％一2％。(2)设置排水基层或垫层时，基层或垫层外侧边缘设纵向集水沟和带孔集水管，并间隔50～100m设置横向排水管。(3)排水基层的纵向边缘集水沟，路肩采用水泥混凝土面层时，可设在路肩下或路肩外侧边缘内；路肩采用沥青面层时，可设在路肩内侧边缘内。排水垫层的纵向边缘集水沟设在路床边缘。(4)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水的排除。(5)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。选用薄层时，其厚度不宜小于150mm，基层应采用开级配粒料。第三节水泥混凝土路面接缝设计水泥混凝土面层板具有热胀冷缩的性质。由于一年四季气温的变化，水泥混凝土板会产生不同程度的膨胀和收缩，从而引起混凝土板的轴向变形。设缝目的：防止温度变化引起的胀缩应力、翘曲应力和施工要求。接缝设置（如图）图3-1-5-2a)混凝土板的翘曲变形b)开裂c)断裂图3-1-5-3路面接缝设置1指横缝；2指纵缝接缝种类：从接缝的方向分：横缝、纵缝横缝：垂直于行车方向的接缝纵缝：平行于行车方向的接缝1指横缝；2指纵缝一、横向接缝的构造图3-1-5-4胀缝构造（尺寸单位：mm）1．胀缝的构造2．横向缩缝的构造横向缩缝可等间距或变间距布置，应采用假缝形式。图3-1-5-5横向缩缝构造（尺寸单位：mm）a）设传力杆假缝型；b）不设传力杆假缝型2．横向缩缝的构造（适用高速公路）高速公路的横向缩缝槽口宜增设深20mm、宽6～10mm的浅槽口，其构造如图图3-1-5-6浅槽构造（尺寸单位：mm）3．横向施工缝的构造图3-1-5-7横向施工缝构造（尺寸单位：mm）a）设传力杆平缝型；b）设拉杆企口缝型面层厚度（mm）传力杆直径传力杆最小长度传力杆最大间距22028400300240304003002603245030028032-34450300≥30034-365003004．传力杆传力杆应采用光面钢筋。横向缩缝传力杆的尺寸、间距和要求与胀缝相同，可按表3-1-5-6选用。传力杆尺寸和间距（mm）表3-1-5-6二、纵向接缝的构造图3-1-5-8纵缝构造（尺寸单位：mm）a）纵向施工缝；b）纵向缩缝1.纵向施工缝一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝。2.纵向缩缝普通水泥混凝土路面一次铺筑宽度大于4.5m时，碾压混凝土面层一次铺筑宽度大于7.5m时，应设置纵向缩缝。3.拉杆拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚中央，并应对拉杆中部100mm范围内进行防锈处理。拉杆的直径、长度和间距可参照表3-1-5-7选用。面层厚度（mm）到自由边或未设拉杆纵缝的距离(m)3.003.503.754.506.007.50200～25014×700×90014×700×80014×700×70014×700×60014×700×50014×700×400≥26016×800×80016×800×70016×800×60016×800×50016×800×40016×800×300拉杆直径、长度和间距表3-1-5-7注：拉杆直径、长度和间距的数字为直径×长度×间距三、纵横向接缝的布设普通水泥混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土和钢纤维混凝土面层的平面布局宜采用矩形分块，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。横向接缝的间距（即板长）应按面层类型和厚度选定：普通水泥混凝土面层宜为4～6m，面层板的长宽比不宜超过1.35。纵向接缝的间距（即板宽）宜在3.0～4.5m范围内选用。纵缝应与路线中线平行。在路面等宽的路段内或路面变宽路段的等宽部分，纵缝的间距和形式应保持一致。路面变宽段的加宽部分与等宽部分之间，应以纵向施工缝隔开。加宽板在变宽段起终点处的宽度不应小于1m。四、交叉口接缝布设应与交通流方向相适应，并易于排水整齐美观，方便施工混凝土板板角不宜小于900分清相交道路主次，保持主要道路的接缝位置和形式全线贯通考虑主、次道路的协调性，必要时可调整主要道路的横缝位置。交叉口接缝布设1－纵缝(企口式)2－胀缝3－缩缝4－进水口五、混凝土路面的端部处理当采用板中计算厚度的等厚式板时，或混凝土板纵、横向自由边缘下的基础有可能产生较大的塑性变形时，应在其自由边缘和角隅处设置下述两种补强钢筋。1．普通混凝土面层的边缘钢筋图3-1-5-9边缘钢筋布置（尺寸单位：mm）2．普通混凝土面层的角隅钢筋承受极重、特重或重交通的水泥混凝土面层的胀缝、施工缝和自由边的角隅，以及承受极重交通的水泥混凝土面层缩缝的角隅，宜配置角隅钢筋。通常选用2根直径为12~16mm的螺纹钢筋，置于面层上部，距顶面不小于50mm，距边缘为100mm，如图3-1-5-10所示。图3-1-5-10角隅钢筋布置(尺寸单位：mm)3．混凝土面层与固定构造物相接图3-1-5-11混凝土路面与斜交桥梁相接时的构造示意4．混凝土面层与沥青路面相接图3-1-5-12混凝土路面与沥青路面相接段的构造布置（单位：mm）我国现行的《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2011）中，对混凝土路面设计引入了目标可靠度、材料性能和结构尺寸参数的变异水平等级等指标来进行设计。水泥混凝土路面结构设计是以水泥混凝土面层板在设计基准期内，在行车荷载疲劳应力和温度疲劳应力综合作用下，不产生疲劳断裂作为设计标准；并以最重轴载和最大温度梯度综合作用下，不产生极限断裂作为验算标准。其设计参数主要有交通量、设计基准期、设计轴载、设计轴载累计作用次数、交通荷载等级、最大温度梯度标准值、混凝土路面板底地基当量回弹模量等。第四节普通水泥混凝土路面设计简介一、普通水泥混凝土路面设计方法二、普通水泥混凝土路面板厚设计步骤1.交通分析根据设计公路的的等级、公路自然区划、及初期交通量及交通量年平均增长率等，确定设计基准期、安全等级，设计基准期内设计车道设计荷载累计作用次数。2.初拟路面结构根据路基干湿类型和土质等相关的设计资料，进行路面结构的组合设计，初拟路面