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第二篇 第四章 刚性路面第四章 刚性路面第一节 刚性路面的特点、损坏现象和结构组合一 刚性路面的优缺点： 优点1 强度高、刚度大、耐久性好： 混凝土路面具有较高的抗压强度和抗弯拉强度以及抗磨耗能力。2 稳定性好 水泥混凝土路面的水稳性、热稳性均较好。3 平整度和粗糙度好。4 养护费用少、经济效益高。5 色泽鲜明，反光能力强，有利于夜间行车。 缺点1有接缝：板的接缝不但增加施工和养护的复杂性，且易引起行车跳动，影响行车的舒适性;接缝处理不当，导致板边和板角破坏。对水泥和水的需要量大。2开放交通较迟。3 挖掘和修补困难。4 阳光下反光强，驾驶员感觉不舒服。5 对超载敏感6 施工前准备工作多。二 水泥混凝土路面的损坏现象：1 断裂：板内应力超过混凝土强度时板出现断裂。原因：应力大、板薄、板尺寸过大、混凝土板级配不合理。施工不良。2 碎裂：出现在横向接缝两侧数十厘米的范围内。原因：胀缝内的滑动传力杆排列不正或不能滑动、缝内嵌如硬物。3 唧泥：汽车行至接缝处时，缝内溅出稀泥的现象。原因水分沿缝隙下渗，基层湿软，板脱空。4 错台：横向接缝或裂缝两侧面板断部出现的竖向相对位移。原因：杂物进入后方板下。5 拱起：混凝土路面面板在热膨胀受到约束时，某一接缝两侧的数块板突然出现向上的屈曲失稳现象称拱起。原因：硬物落入接缝，变形受限。三 混凝土路面的设计内容；1 材料组成设计。2 路基和基层设计：3 板厚的确定4 板平面尺寸的确定5 接缝构造设计6路肩和排水设计四 水泥混凝土路面设计的基本步骤：1 确定路面的结构层次2 确定路面的设计参数3 确定水泥混凝土板的厚度4 确定水泥混凝土板的平面尺寸5 确定接缝的构造五 结构层的组合：面板、基层、垫层（不良地质水文条件下），板厚的推荐值见表2-4-1。 土基 理论分析表明，通过刚性面层和基层传到土基上的压力很小，一般不超过0.05MPa。然而，如果土基的稳定性不足，在水温变化的影响下出现较大变形，特别是不均匀沉陷，土基产生不均匀支承，使面板在受荷时底部产生过大的弯拉应力，导致混凝土路面破坏。1 引起路基不均匀支承，可能由下列因素造成：不均匀沉陷 湿软地基未达充分固结;土质不均匀，压实不充分以及新老路基交接处处理不当。 不均匀冻胀 季节性冰冻地区，土质不均匀;路基潮湿条件变化。 膨胀土 在过干或过湿(相对最佳含水量)时压实;排水设施不良等。2改善措施：把不均匀土掺配成均匀的土。控制压实时的含水量接近最佳含水量，并保证压实度达到要求。加强路基排水设施。加设垫层，以缓和可能产生的不均匀变形对面层影响， 垫层 在水温状况不良路段的路基与基层之间宜设置垫层。垫层应具有一定的强度和较好的水隐性，在冰冻地区尚应具有较好的抗冻性。 基层 理论计算和实践证明，采用整体性好(具有较高弹性模量)的材料修筑基层可保障混凝土路面良好使用特性和延长路面使用寿命。设置基层，可以起到防止水泥、冰冻以及排除渗入的地表水、隔断地下毛细水，缓和土基不均匀变形对面板影响的作用，并可为面板提供方便的讯工条件。一般均宜设置基层，其厚度以不于l5cm为宜，并应宽出面板，宽出的宽度视面板采用的施工方法不同而定。第二节 水泥混凝土路面尺寸的确定一 混凝土面板断面形式 理论分析表明，轮载作用于板中部时板所产生的最大应力约为轮载作用于板边部时的2/3。因此，面层板的横断面应采用中间簿两边厚的形式，以适应荷载应力变化。一般边部厚度较中部约大25%。但厚边式路面对土基和基层的施工带来不便且在板厚度变化转折处，易引起板的折裂。因此，常采用等边厚式断面，或在等边厚式断面板的最外两侧板边部配置钢筋予以加固，二 基本要求 混凝土面板的弯拉强度应满足设计要求，表面平整、耐磨、抗滑。1 平整度标准 混凝土路面的平整度以3m直尺测量为准，3m直尺与路面表面之间的最大间隙，高速公路和一级公路不应大于3mm;其他各级公路不应大于5mm。我国机场跑道也用3m直尺，为3mm。2 抗滑标准 混凝土路面的抗滑以构造深度(TD)为指标。其竣工验收值，对高速公路、一级公路不应低于0.8mm，对其他各级公路不应低千0.6mm。对年降雨量在500mm以下地区，可适当降低。 把构造深度作为抗滑评价指标的国家有比利时、法国、英国、西域牙等取值为TD=0.75-1.00mm。我国民航机场取值为TD=0.8-1.2mm，军用机场取值为TD=0.40-0.65mm。三 交通分析一） 标准轴载和交通分析1 水泥混凝土路面设计以重l00kN的单轴荷载作为标准辅载。2 交通分级交通（交通量和轴载大小）是路面设计的基本依据。为了区分使用年限、混凝土强度、面板厚度、基层类型和模量等各项要求在程度上的差别，按相应的使用初期设计车道每日通过的标准轴载作用次数，将交通划分为特重、重、中等和轻四级，其使用初期设计车道标准轴载作用次数N，(次/d)分别为大于1500、200- 1500、5-200、5见表2-4-3 。二）轴载换算路面承受轴型和轴重不同的各种车辆荷载的作用。通常采用两种方法考虑它们对路面的累计疲劳损耗。1 一种方法是分别计算各种车辆荷载的疲劳损耗，而后按线性叠加原则(Miner定律)将它们累加起来;2 一种方法则是按等效原则把各种车辆荷载作用次数换算为某标准轴载的作用次数，而后计算其疲劳损耗。3 轴载换算依据等效疲劳损坏的原则。所谓等效，是指同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的疲劳程度。我国以疲劳断裂作为混凝土路面的损坏标准，因而以疲劳断裂为标准建立疲劳方程，推导产生等效疲劳损耗时的轴载换算公式和换算系数。 4水泥混凝土路面设计以重l00kN的单轴荷载作为标准辅载，小于和等于40kN(单轴)和80kN(双轴)的轴载可略去不计，计算公式及系数如下， 式中：Pi、Ni各级轴载重（单抽重或双单轴重，kN）和作用次数(次/d) Ns标准轴（100kN）作用次数；ai 轴载系数。单轴时ai =1；双轴时ai =1.4610-5P i-0.3767 。三） 设计使用年限和累计作用次数 路面使用年限为路面到达预定损坏标准时所能使用的年限。各国对水泥混凝土路面设计使用年限的规定为20-40年不等，交通越繁重，设计使用年限越长。对应特重和重交通，我国设计使用年限规定为30年；中等和轻交通规定为20年。见表2-4-4设计使用年限内路面临界荷位上所受到的标准轴载累计作用次数，依据设计车道内的初始标准轴载的作用次数，交通量年平均增长率和车轮轮迹在纵缝边缘处的横向分布系数（表2-4-5）按2-4-2计算公式确定。 式中：N标准轴载的当量轴次（次/日）ni被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）P标准轴载（KN）。Pi被换算车型的各级轴载（KN）C1轴数系数。C 2轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。设计车道是指行车道内承受交通最繁重的一个车道。设计车道内的标准轴载日作用次数N。系由路段日交通量(断面交通量)乘出(行驶)方向分配系数和车道分配系数后得到的设计车道日交通量，再按轴载组成和相应的轴数系数经过换算和累加而得到。四 荷载疲劳应力：一） 临界荷位：1 为简化计算工作，通常选取使路面板产生最大应力、最大挠度或最大损坏的一个辆载作用位置作为临界荷位。2 公路水泥混凝土路面设计规范以荷载应力和温度应力产生的综合疲劳损坏作为设计标准。经过几种典型路面结构的荷载和温度梯度的损耗分析，只有在纵缝为具有较大传荷能力的企口缝，横缝为不考虑其传荷能力的假缝(当作自由边处理)时，临界荷位出现在横缝边缘中部（但前者出现的可能性很小）3 其余情况均应选取纵缝边缘中部为临界荷位。因此规范规定选取纵缝边缘中部作为临界荷位。 混凝土设计强度和弯拉弹性模量二）材料参数1 混凝土弯拉强度和弹性模量 混凝土面板在行车荷载和温度变化等因素作用下，将产生压应力和弯拉应力。混凝土面板所受的压应力与混凝土的抗压强度相比很小，而所受的弯拉应力与抗弯拉强度的比值则大得多，可能导致混凝土面板开裂破坏。因此，在设计混凝土面板厚度时，应以弯拉强度为其设计标准。混凝土设计强度以龄期28d的弯拉强度标准。各级交通要求的混凝土设计强度不得低于表2-4-6。当混凝土浇筑后90d不开放交通，可采用90d龄期强度。其值一般可按28d龄期强度的1.l倍计。 混凝土弯拉弹性模量以试验实测为宜，但测试工作很费时而又不易准确，且其数值变化对荷载应力计算结果影响不大。因而，无条件测试时可查表取用或按下式计算， 式中：Ec弯拉弹性模量Mpa,;fcm设计弯拉强度Mpa。2 基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量 1）设计新建公路时，基层顶面的当量回弹模量E1，可根据土类、路基干湿状态、所拟定的基层垫层结构类型和厚度h b，按公路水泥混凝土路面规范中土基回弹模量建议值。、路面材料土基回弹模量建议值确定；土基和材料的回弹模量E0和E1查当量回弹模量Et计算图确定。 2）在原有柔性路面上铺筑混凝土面板时，应通过承载板试验确定原有柔性路面的当量回弹模量值E 1；如条件不具备或有困难时，可用汽车实测路段的回弹弯沉值l 0则; h混凝土面板厚度（cm）；Et基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量(MPa);Ec混凝土弯拉弹性模量(MPa)。新建公路的基层顶面的当量回弹模量Et不应低于表2-4-1的规定。 三）荷载疲劳应力：三 温度疲劳应力 1 混凝土面板内最大温度梯度 混凝土板顶面和底面的温度之差除以板厚，即为板的温度梯度。在晴天，混凝土板的温度梯度经历了由零经正最大（板顶高于板底）到零，再经负最大(板顶低于板底)后回到零的周期性变化。同时，在一年内也显现周期性变化，最大值出现在5-7月份，最小值出现在1-2月份。混凝土面板内温度状况主要受气温和太阳辐射等大气因素的影响。混凝土的最大温度梯度计算值可依据道路所在地区的公路自然区划按表2-4-9取用。 2 四 水泥混凝土路面板尺寸验算：检验荷载疲劳应力与温度疲劳应力(p十t)之和是否满足下列条件。 0.95fcmp十t1.03 fcm如满足，则初拟厚度可以作为设计厚度。如不满足，则重新拟定路面结构，重作的计算，直到上述要求满足为止。设计厚度取整至厘米。第三节 水泥混凝土路面的接缝设计及同其他结构物相接时的处理一 纵缝和横缝1 设置接缝的原因 混凝土路面在纵横两个方向建造许多接缝，把整个路面分割成许多板块。划分板块是为防止混凝土板因温度变化造成的不规则断裂。随一年四季气温的变化，混凝土板将产生膨胀与收缩。在昼夜气温变化时，由于温度坡差作用，在白天混凝土板顶面温度较底面为高，造成板中部隆起;在夜间板顶面温度较底面为低，会使板的周边和角隅翘起。这些变形会受到板与基础之间的撵阻力和粘结力，板的自重和车轮荷载等的约束，致使板内产生较大应力，造成板的断裂或拱胀破坏。接缝设计的要求应能控制收缩应力和翘曲应力所引起的裂缝出现，并提供足够的荷载传递，防止坚硬的杂物落入按缝缝隙内。 2 分类 公路混凝土路面接缝可分为纵逢和横缝两大类。纵缝又可分为纵向缩缝和施工缝;横缝又可分为横向缩缝、胀缝和横向施工缝。 3设计 接缝设计主要考虑三个方面 设置位置;接缝构造和荷载传递；缝隙的填封。纵缝 混凝土面板的纵缝是与路线平行的接缝。混凝土板一次铺筑宽度大干4.5m时，应增设纵向缩缝。纵向缩缝采用假缝，并设置拉杆，如图2-4-7所示。面板一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设纵向施工缝。 纵向施工缝采用平缝，也需设拉杆，如图2-4-8所示纵向施工缝构造。横缝 横缝是垂直于行车方向的接缝。横向缩缝采用假缝，其构造如图2-4-9(a)所示。在特重交通的公路上，横向缩缝宜加设传为杆;其他各级交通的公路上，在邻近胀缝或路面自由端部的3条缩缝内，均宜加设传为杆，其构造如图2-4-9（b）所示。 在邻近桥梁或其他固定构筑物处、与柔性路面相接处、板厚改变处、隧道口、小半径平曲线和凹形竖曲线纵坡变换处，均应设置胀缝。在邻近构造物处的胀缝，应根据施工温度至少设置2条。 上述位置以外的胀缝宜尽量不设或少设。其间距可根据施工温度、混凝土集料的膨胀性并结合当地经验确定。 胀缝应采用滑动传力杆，并设置支架或其他方法予以固定，其构造如图5.10（a）所示。与构筑物衔接处或与其他公路交叉的胀缝无法设传力杆时，可采用边缘钢筋型或厚边型、其构造如图2-4-10（b）（c）所示。 每日施工终了，或浇筑混凝土过程中因故中断浇筑时，必须设置横向施工缝，其位置宜设在胀缝或缩缝处。设在胀缝处的施工缝，其构造与图2-4-10（a）相同；设在缩缝处的施工缝应采用平缝加传力杆型，其构造如图2-4-11所示。 （3 ）交叉口接缝 交叉口混凝土面板的接缝布置应与交通流相适应，并易于排水，整齐美观，施工方便。相邻板的接缝应对齐。当出现错缝时，应对与接缝相对应的板边加设防裂钢筋。板角不宜小于90。当出现锐角时，进行补强，增加钢筋网。板块接缝边长不宜小于1米。接缝的布置示意图见图2-4-12。 （4）拉杆 拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚中央，并应对拉杆中部l0cm范围内进行防锈处理。 拉杆尺寸及间距可根据板宽和板厚依据设计规范选用。其最外边的拉杆距接缝或自由边的距离一般为2535cm。（5）传力杆 传为杆应采用光面钢筋，其长度的一半再加5cm，应涂以沥青或加塑料套。 胀缝处的传力杆，尚应在涂沥青一端加一套子，内留3cm的空隙，填以纱头或泡沫塑料。套子端宜在相邻板中交错布置。 传力杆尺寸及间距可根据板厚依据设计规范选用。其最外边的传力杆距接缝或自由边的距离一般为15-2 5cm。 二 接缝材料 接缝