第十六章 水泥混凝土路面設計

1、第十六章 水泥混凝土路面設計,第一節(jié) 概述一、混凝土路面結構特征從力學分析來看，水泥混凝土路面結構屬于彈性層狀體系?；炷撩姘宓膹椥阅Ａ考傲W強度大大高于基層和土基的相應模量和強度；混凝土的抗彎強度遠小于抗壓強度，取水泥混凝土板的抗彎拉強度指標作為設計指標；水泥混凝土路面結構看作是彈性地基板，用彈性地基板理論進行分析計算。為使路面能夠經(jīng)受車輪荷載的多次重復作用、抵抗溫度應力，并對地基變形有較強的適應能力，混凝土板必須具有足夠的抗

2、彎拉強度和厚度。,第十六章 水泥混凝土路面設計,水泥混凝土路面的破壞類型主要有：斷裂、唧泥、錯臺、拱起、接縫擠碎等。影響使用性能的因素是多方面的，混凝土路面結構設計應以防止面層斷裂為主要設計標準。二、混凝土路面結構設計內(nèi)容1、路面結構層組合設計——應根據(jù)路的交通繁重程度，結合當?shù)丨h(huán)境條件和材料供應情況來進行。選擇安排混凝土路面的結構層次，包括土基、墊層、基層和面層的結構層位，各層的結構類型、彈性模量和厚度。2、混凝土面板厚度設

3、計——應按照設計標準的要求，確定滿足設計年限內(nèi)使用要求所需的混凝土面層的厚度。,第十六章 水泥混凝土路面設計,3、混凝土面板的平面尺寸與接縫設計4、路肩設計——高速公路和一級公路中間帶和路肩路緣帶的結構應與行車道的混凝土路面相同，并與行車道部分的混凝土板澆筑為整體。5、混凝土路面的鋼筋配筋率設計——當混凝土面板較長或交通量較大時，發(fā)基有不均勻沉降或板的形狀不規(guī)則時，可沿板的縱向加設鋼筋，在角隅處加設角隅鋼筋或鋼筋網(wǎng)，以阻止可能出現(xiàn)

4、的裂縫。三、混凝土路面結構設計原則1、根據(jù)使用要求及氣候、水文、土質(zhì)等自然因素，密切結合本地區(qū)的實踐經(jīng)驗，應保證工程的質(zhì)量與耐久性。,第十六章 水泥混凝土路面設計,2、在滿足交通與使用要求的前提下，應遵循因地制宜、合理選材、方便施工、利于養(yǎng)護、節(jié)約投資的原則進行混凝土路面設計方案的比較，選擇技術先進、經(jīng)濟合理、安全可靠的方案。3、積極推廣成熟的科研成果、積極慎重地運用行之有效的新材料、新工藝、新技術，以達到確保工程質(zhì)量與耐久性的

5、目的。4、路面設計方案應充分考慮沿線環(huán)境的保護，自然生態(tài)平衡，有利于施工、養(yǎng)護工作人員的健康安全。5、為確保工程質(zhì)量，應盡可能選擇有利于機械化、工廠化施工的設計方案。6、對于地處不良地基的路段，應采取有效措施加快穩(wěn)定,第十六章 水泥混凝土路面設計,路基沉降，路基沉降速率達不到限定要求時，決不能倉促施工提前鋪筑路面板。四、混凝土路面結構設計理論與方法把水泥混凝土路面板看作是支撐彈性地基上的小撓度彈性板，用彈性地基板理論進行分析

6、計算。對地基采用不同的力學模型：1、溫克勒地基模型——地基如同由許多豎向緊密排列而互不關聯(lián)的線性彈簧所組成，地基頂面任一點的撓度僅同作用于該點的壓力成正比，而與其他點上的壓力無關。2、彈性固體地基模型——地基看作是均質(zhì)的半無限連續(xù)介質(zhì)。地基頂面上任一點的撓度不僅同作用于該點的壓力有關，也同頂面其他點的壓力有關。3、巴斯特納克地基模型——假設文克勒地基的彈簧單元之間存在一定程度的剪切阻尼作用，類似于彈簧頂部與,第十六章 水泥混凝

7、土路面設計,由不可壓縮的梁或板單元組成的剪切層相聯(lián)結，層內(nèi)各單元間由于橫向剪切而變形。彈性地基板在承受局部荷載作用時的撓度和應力分析，可以采用數(shù)值法或解析法（主要是有限元法）。五、混凝土路面交通等級1、混凝土路面設計基準期是計算路面結構可靠度時，考慮各項基本度量與時間關系所取用的基準時間，也可理解為保證路面結構達到規(guī)定可靠度指標的有效期間。通常參照表16-1選定。2、標準軸載及軸載當量換算不同軸－輪型和軸載的作用次數(shù)，應根據(jù)

8、（16-1）換算,第十六章 水泥混凝土路面設計,成標準軸載的作用次數(shù)。3、交通調(diào)查與軸載分析通過分析調(diào)查交通量資料，提出設計車道的年平均日貨車交通量ADTT以及設計基準期內(nèi)的交通量年平均增長率。設計車道在設計基準期初期的標準軸載日作用次數(shù)按式（16-3）計算。4、標準軸載累計當量作用次數(shù)通過式（16-4）確定；5、混凝土路面交通等級劃分按設計基準期內(nèi)設計車道臨界荷位承受的標準軸載當量累計作用次數(shù)分為4級，見表16-4。,第

9、十六章 水泥混凝土路面設計,第二節(jié) 彈性地基板體系理論簡介一、小撓度彈性薄板的基本假設研究彈性小撓度薄板在垂直于中面的荷載作用下的彎曲時,通常采用下述三項基本假設：A、垂直于中面方向的應變極其微小，可以忽略不計；B、垂直于中面的法線，在彎曲變形前后均保持為直線并垂直于中面，因而無橫向剪切應變；C、中面上各點無平行于中面的位移。對于彈性地基薄板，板與地基的聯(lián)系又采用如下假設：1、在變形過程中，板與地基的接觸面始終吻合，即板

10、面與地基表面的豎向位移是相同的；2、在板與地基的接觸面之間沒有摩阻力，即接觸面上的,第十六章 水泥混凝土路面設計,剪應力視為零。二、撓曲面微分方程按彈性力學知識，見式（16-8）～（16-10）,第十六章 水泥混凝土路面設計,第三節(jié) 水泥混凝土路面應力分析一、溫克勒地基板的荷載應力分析威斯特卡德采用文克勒地基模型，分析了三種車輪荷載位置下板的撓度和彎矩：1、輪載作用于無限大板中央，分布于半徑為R的圓面積內(nèi)，荷載中心處板底

11、最大彎拉應力——計算公式（16-11）2、荷載作用于板邊緣中部，荷位下板底的最大彎拉應力——計算公式（16-12）3、荷載作用于板角隅，最大拉應力產(chǎn)生在板的表面離荷載圓中心為X1的分角線上——計算公式（16-13）,第十六章 水泥混凝土路面設計,二、彈性半空間地基板的荷載應力分析是以彈性模量和泊松比表征的彈性地基。它假設地基為一各向同性的彈性半無限體。按上述方法所算得的彎矩，只是板中部受荷時所產(chǎn)生的彎矩。彈性半無限地基的荷載

12、應力計算理論對于苛載作用于板邊、板角隅處，以及有限尺寸的矩形板，在不同組合的輪載作用于板上任何位置時，均無法解決。三、彈性半空間地基雙層板混凝土路面荷載應力分析可分為兩類：1、上下層完全分離，接觸面假定為完全光滑；2、上下層密切結合，接觸面假定為完全連續(xù)；,第十六章 水泥混凝土路面設計,1、彈性地基上分離式雙層板計算公式（16-27），可見彈性地基分離式雙層板的兩層板間的彎矩分配與兩層板的剛度分配有關。2、彈性地基上結合式

13、雙層板其求解比分離式的復雜，由于上下層完全緊密結合，如同單層板一樣工作時，兩層板只有一個中面，該中面的位置可根據(jù)作用于兩板橫斷面上內(nèi)力之和為零的條件求得。上下層彎拉應力計算公式見（16-32）四、水泥混凝土路面溫度應力分析1、脹縮應力當氣溫緩慢變化時,板內(nèi)溫度均勻升降，則面板沿斷面的深度均勻脹縮，任一點的應變?yōu)槭剑?6-33），則由邊界條件，應力為式（16-34）；板被劃分為有限尺寸的板塊，板因變形受阻而產(chǎn)生的板內(nèi)最大應力出現(xiàn)

14、于板長的中央，其值按公式（16-36）計算；,第十六章 水泥混凝土路面設計,2、翹曲應力由于板的自重、地基反力和相鄰板的鉗制作用，使部分翹曲變形受阻，從而使板內(nèi)產(chǎn)生翹曲應力。為分析該應力，作如下假設：溫度沿板斷面呈直線變化、板和地基始終保持接觸，不計板重，從而導出了板僅受地基約束時的翹曲應力計算公式。計算公式見（16-37）、（16-38）為方便計算，工程中采用有限元計算。,第十六章 水泥混凝土路面設計,第四節(jié) 水泥混凝土路

15、面可靠度設計一、路面可靠度的定義和極限狀態(tài)函數(shù)路面可靠度廣義定義：在設計使用年限內(nèi)，在將遇到的環(huán)境條件和荷載作用下，路面能夠發(fā)揮其預期功能的概率。我國現(xiàn)行的混凝土路面設計規(guī)范采用的結構設計方法是以混凝土路面板在車輛荷載應力和溫度應力綜合作用下，在縱縫邊緣中部出現(xiàn)縱向疲勞開裂作為臨界損壞狀態(tài)，設計時以荷載應力和疲勞溫度應力的疊加小于等于混凝土疲勞強度作為設計標準。路面可靠度定義：在設計使用年限內(nèi)，在車輛荷載應力和溫度應力綜合作用下

16、，路面板縱縫中部不出現(xiàn)疲勞開,第十六章 水泥混凝土路面設計,裂的概率。路面極限狀態(tài)的函數(shù)為式（16-40）。在保持控制失效模式的實質(zhì)不變的前提下，也可采用路面結構疲勞壽命大于等于累計當量標準軸載作用次數(shù)作為路面結構極限狀態(tài)函數(shù)。路面結構的可靠度可表示為（16-43）二、路面結構的目標可靠度是在滿足高等級公路行駛安全和舒適性要求的前提下，考慮道路初期費用，養(yǎng)護費用與用戶費用對目標可靠度的影響后綜合確定的，通常采用校準法來確定目標可

17、靠度。所謂校準法是對按現(xiàn)行規(guī)范設計方法所設計的路面進行路面隱含可靠度的分析，以這些隱含可靠度作為目標可靠度，則所設計的路面結構具有與原確定型設計方法相同的可靠度水平。,第十六章 水泥混凝土路面設計,三、設計參數(shù)均值的取值和變異系數(shù)范圍設計參數(shù)有：設計年限內(nèi)累計軸載作用次數(shù)，混凝土的抗彎拉強度和彈性模量以及路面板厚度等。1、設計年限內(nèi)累計當量標準軸載作用次數(shù)由使用初期當量軸次、年增長率和橫向分布系數(shù)三個隨機變量決定。2、混凝土的

18、抗彎拉強度和彈性模量見表16-11、16-123、路面板厚度路面板厚度的變異系數(shù)見表16-134、基層和土基抗壓回彈模量以及基層頂面綜合回彈模量見表16-14、16-12,第十六章 水泥混凝土路面設計,四、路面結構可靠度的計算由公式（16-44）可知，只要知道了軸載作用次數(shù)和疲勞壽命的分布函數(shù)，就可得到路面結構的可靠值。1、路面疲勞壽命的分布根據(jù)試驗結果，混凝土彎曲疲勞壽命服從兩參數(shù)的威布爾分布。分布函數(shù)見（16-45

19、）。按現(xiàn)行混凝土路面設計規(guī)范的結構設計方法，路面疲勞壽命為混凝土抗折強度和荷載應力及疲勞溫度應力的函數(shù)，關系式為（16-46）。2、累計當量標準軸載作用次數(shù)的分布以采用對數(shù)正態(tài)分布假定為宜，其分布密度函數(shù)為（16-47）,第十六章 水泥混凝土路面設計,五、路面結構的可靠性設計為能考慮各設計參數(shù)變異性影響，可以通過引入一個可靠度系數(shù)，將可靠度概念應用到考慮荷載應力和溫度應力綜合疲勞作用的路面結構設計方法中，它不改變原設計方法的步驟

20、。路面結構可靠度系數(shù)定義為疲勞方程求得的最大允許應力與實際最大應力之比。,第十六章 水泥混凝土路面設計,第五節(jié) 水泥混凝土路面結構組合設計一、面層混凝土板面層應具有足夠的強度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整等良好的路用性能，一般采用設接縫、不配筋的普通混凝土路面板?；炷撩姘鍖拥暮穸热Q于公路和交通等級，可參照表16-17。二、混凝土路面基層結構應具有足夠的抗沖刷能力和一定的剛度。各類基層的適宜交通等級與適宜厚度范圍見表16-

21、19。三、混凝土路面墊層結構一般為應對路基的特殊需求而設置，分為防凍墊層、排水墊層與加固墊層三類。,第十六章 水泥混凝土路面設計,四、混凝土路面的路基結構應滿足穩(wěn)定、密度、均質(zhì)、耐久的要求。對路基土質(zhì)的要求很嚴，一般高液限粘土及含有機質(zhì)細粒土均不能用于高速公路和一級公路的路床填料，也不能用于二級和二級以下公路的上路床填料。,第十六章 水泥混凝土路面設計,第六節(jié) 我國水泥混凝土路面設計方法我國水泥混凝土路面設計方法采用單軸雙輪

22、組100KN標準軸載作用下的彈性半空間地基有限大矩形薄板理論有限元解為理論基礎，以路面板縱縫邊緣荷載與溫度綜合疲勞彎拉應力為設計指標進行路面板厚度設計。一、目標可靠度與疲勞極限狀態(tài)方程式見表16-20規(guī)定。水泥混凝土路面結構設計以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)方程為（16-48）。二、彎拉應力分析及厚度設計,第十六章 水泥混凝土路面設計,1、荷載應力分析標準軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞

23、應力按式（16-49）計算；2、溫度應力分析在臨界荷位處的溫度疲勞應力按式（16-55）計算確定。3、混凝土路面板厚度設計考慮荷載應力和溫度翹曲應力綜合疲勞損壞作用的混凝土面層厚度和板平面尺寸確定方法，可遵循如下設計步驟：A、收集并分析交通參數(shù)；B、初擬路面結構；C、確定材料參數(shù)；D、計算荷載疲勞應力和溫度應力；E、檢驗初擬路面結構；,第十六章 水泥混凝土路面設計,三、接縫設計1、縱向接縫縱縫一般分為假縫和施工縫?？v

24、縫間距一般為3~4.5m設置，當一次鋪筑寬度大于4.5米時，應增設縱向縮縫，縱向縮縫采用假縫形式，應設置拉桿，拉桿采用螺紋鋼筋，設在板厚中央。2、橫向接縫有三種：縮縫、脹縫、施工縫。縮縫保證板因溫度和濕度的降低而產(chǎn)生收縮時沿該薄弱斷面縮裂，從而避免產(chǎn)生不規(guī)劃裂縫；脹縫保證板在溫度升高時能部分伸張，從而避免產(chǎn)生路面板在熱天的拱脹；施工縫應盡量做到脹縫處，如不可能，也應做到縮縫處。,第十六章 水泥混凝土路面設計,A、脹縫常采用

25、平縫形式，也叫真縫?？p隙寬約20mm，縫隙上部30~40mm深度內(nèi)澆灌填縫料，下部設置富有彈性的嵌縫板，由油浸或瀝青浸制的軟木板制成。應在脹縫板厚中央設置滑動傳力桿，采用光圓鋼筋。脹縫應盡量少設或不設，但在鄰近橋梁或其他固定構筑物處、與柔性路面相接處、板厚改變處、隧道口、小半徑平曲線和凹形豎曲線縱坡變換處，均應設置脹縫。B、縮縫一般采用假縫形式，即只在上部設縫隙，寬為3~8mm，深度為板厚的1/5~1/4，一般為5~6cm，一般不必

26、設傳力桿，但在鄰近自由端部的3條縮縫內(nèi)，宜加設傳力桿?？s縫間距一般為4~6米。,第十六章 水泥混凝土路面設計,C、橫向施工縫也叫工作縫，采用平縫的構造形式，縫寬3~8mm，在深度1/5~1/4板厚的范圍內(nèi)澆灌填縫料。脹縫處的施工縫，構造同脹縫，縮縫處的施工縫采用平縫加傳力桿型。四、混凝土面板配筋設計1、鋼筋混凝土面板配筋設計其鋼筋配筋量按式（16-58）計算確定。2、連續(xù)配筋混凝土路面板配筋設計（1）橫向裂縫平均間距計算

27、按式（16-59）計算。,第十六章 水泥混凝土路面設計,（2）裂縫間隙寬度計算按式（16-60）計算。（3）鋼筋應力計算按式（16-61）確定；（4）縱向配筋率確定計算步驟見P488五、加鋪層結構設計分三階段：舊路調(diào)查評定、改建方案確定、加鋪層設計。設計過程如下所述：,第十六章 水泥混凝土路面設計,1、調(diào)查現(xiàn)有混凝土面層的結構損壞狀況，選擇加鋪層形式，初估加鋪層厚度，并確定結構損壞的處理措施；2、鉆取芯樣，測定舊

28、混凝土路面的厚度和混凝土的劈裂強度，求得混凝土彎拉強度和彎拉彈性模量；3、在舊面層上進行彎沉測定，反算得到舊路面頂面的當量回彈模量值；4、按前述雙層式混凝土路面設計方法計算分離式或結合式加鋪層在標準軸載作用于板縱向邊緣中部時的荷載應力；在考慮荷載疲勞應力系數(shù)、接縫應力折減系數(shù)和綜合系數(shù)后，得到各層相應的荷載疲勞應力；以及最大溫度翹曲應力，在考慮溫度疲勞應力系數(shù)后，得到相應層的溫度疲勞應力；5、分層疊加荷載疲勞應力和溫度疲勞應力，得

29、綜合,第十六章 水泥混凝土路面設計,疲勞應力，檢驗加鋪層的設計厚度：分離式加鋪層的加鋪層以及舊面層的綜合應力，結合式加鋪層的舊面層的綜合應力應滿足式（16-48）的要求。（1）分離式混凝土加鋪層加鋪層鋪筑前應更換破碎板、修補裂縫、清除接縫中失效的填縫料和雜物；在舊混凝土面層與加鋪層之間應設置隔離層；加鋪層的厚度不宜小于180mm。（2）結合式混凝土加鋪層損壞狀況和接縫傳荷能力評定為優(yōu)良時，可采用結合式混凝土加鋪層，加鋪層的最小

30、厚度為25mm，應把舊混凝土面層表面打毛清理，并在清理后的表面涂敷粘結劑，使加鋪層與舊混凝土面層結合成整體。,第十六章 水泥混凝土路面設計,第七節(jié) 外國混凝土路面設計方法簡介一、美國AASHTO混凝土路面設計方法簡介以現(xiàn)時耐用性指數(shù)作為衡量路面使用性能的指標，制定了路面結構設計方法。1、設計標準在使用性能期內(nèi)路面耐用性指數(shù)的總變化量為（16-73）；2、設計參數(shù)交通分析——選用80KN的軸載作為標準軸載；可靠度水平和總標準

31、差——見表16-38、16-39；地基設計反應模量——（考慮五個方面）；混凝土抗彎強度和彈性模量——以28天齡期測定結果的平均值作為混凝土的設計,第十六章 水泥混凝土路面設計,抗彎拉強度；混凝土彈性模量按式（16-74）確定。路面排水系數(shù)見表（16-40）；接縫傳荷系數(shù)見表（16-41）。3、設計步驟確定各項設計參數(shù)；確定地基的設計反應模量；確定所需面層厚度；二、美國波特蘭水泥協(xié)會混凝土路面設計方法以文克勒地基上彈性薄板理