第十五_十六章__水泥路面(终).ppt

第十四章水泥路面与设计 14 1概述 14 2水泥混凝土路面构造 14 3水泥混凝土路面施工工艺 14 4其它类型混凝土路面简介 14 5弹性地基板体系理论概述 14 6水泥混凝土路面荷载应力分析 14 7水泥混凝土路面温度应力分析 14 8水泥混凝土路面板厚设计方法 14 9水泥混凝土路面的平面尺寸和接缝设计 14 10水泥混凝土路面上加铺层设计 目录 contents 14 1概述 一 水泥混凝土路面的类型与特点1 定义 采用水泥混凝土作为面层材料的一种路面2 类型 1 普通混凝土 素混凝土 2 钢筋混凝土3 连续配筋混凝土4 预应力混凝土5 装配式混凝土6 钢纤维混凝土7 碾压混凝土路面等 14水泥路面与设计 普通混凝土路面 连续配筋混凝土路面 14水泥路面与设计 14 1概述 3 普通混凝土路面普通混凝土路面 除接缝区和局部范围 边缘和角隅 外不配置钢筋的混凝土路面 优点 1 强度 2 稳定性好 3 耐久性好 4 有利于夜间行车 缺点 1 水泥和水的用量大 2 有接缝 增加施工和养护的复杂性 容易引起行车跳动 影响行车的舒适性 是路面的薄弱点 容易引起路面板边和板角处破坏 3 开放交通较迟 4 修复困难 14水泥路面与设计 14 1概述 二 水泥混凝土路面损坏的主要形式1 断裂现象 路面板内的应力超过混凝土强度会出现横向 纵向 斜向或板角的拉断和折断裂缝 严重时 裂缝交叉而使路面板破裂成碎块 称破碎板 原因 板太薄 轮载过重和作用次数过多 板的平面尺寸太大 使温度应力过大 地基过量或不均匀下沉使板底脱空失去支承 施工养护期间收缩应力过大 混凝土强度不足 断裂可视为混凝土路面结构破坏的临界状态 14水泥路面与设计 14 1概述 2 挤碎现象 在接缝 主要是胀缝 附近数十厘米范围内的板因受挤压而碎裂 原因 胀缝内的滑动传力杆排列不正或不能正常滑动 缝隙内有混凝土搭连或落入坚硬的杂屑等 使路面板的伸胀受到阻碍 在接缝处边缘部分产生较高的挤压应力而剪裂成碎块 二 水泥混凝土路面损坏的主要形式 3 拱起现象 混凝土路面板在热膨胀受阻时 接缝两侧的板突然向上拱起原因 板收缩时接缝缝隙张开 填缝料失效 硬物嵌满缝隙 致使板受热膨胀时产生较大的热压应力 从而出现这种纵向屈服失稳现象 采用膨胀性较大的石料作粗集料 容易引起板块拱起 14水泥路面与设计 14 1概述 4 唧泥现象 车辆行经接缝或裂缝时 出现缝内喷溅出稀泥浆的现象 原因 在轮载的频繁作用下 基层 地基 产生塑性变形累积而同混凝土板脱离接触 水分沿缝隙下渗而积聚在脱空的缝隙内 又在轮载作用下积水变成有压水 并同基层内浸湿的细料泥搅成泥浆 再沿缝隙喷溅出来 唧泥会使路面板边缘和角隅部分逐步失去支承 而导致断裂 二 水泥混凝土路面损坏的主要形式 14水泥路面与设计 14 1概述 5 错台现象 接缝或裂缝两侧路面板端部出现的竖向相对位移 错台的出现降低了行车的平稳性和舒适性原因 横缝处传荷能力不足 车轮经过时相邻板端部会出现挠度差 使沿缝隙下渗的水带着基层被冲蚀的碎屑向后方板下运动 把该板抬起胀缝下部填缝板与上部缝槽未能对齐 或胀缝两侧混凝土壁面不垂直 使缝旁两板在伸胀挤压过程中 会上下错位而形成错台当交通量或地基承载力在横向各块板之间不一致时 纵缝处也会产生错台现象 二 水泥混凝土路面损坏的主要形式 14水泥路面与设计 14 1概述 14 2水泥混凝土路面构造 一 土基和基层1 土基对土基的要求 对混凝土面层下的土基强度或承载力要求不高由于混凝土是刚度大的脆性材料 对土基变形的适应能力较差 要求土基提供稳定而均匀的支承产生不均匀变形的因素1 粘土的不均匀收缩和膨胀变形2 不均匀冻胀3 软弱地基的不均匀沉陷4 填挖交替或新老填土交替 14水泥路面与设计 1 膨胀性粘土膨胀性粘土的湿度变化可引起较大的体积变化减小体积变化的措施适当地控制压实时的含水量和密实度 可以有效地减少膨胀性粘土填料的体积变化使土基施工时的压实含水量接近塑限 略大于轻型压实标准的最佳含水量值 采用高膨胀性土作填料时 土基顶部宜覆盖一层透水性差或中等的低膨胀性填料 或者覆盖一层结合料稳定土 以减少外界湿度变化对土基湿度和体积变化的影响 14水泥路面与设计 2 不均匀冻胀季节性冻胀地区 由粉粒 0 05mm 0 005mm 含量较高的低塑性粘土的土基在冰冻深度较大和地下水位较高时 宜产生冻胀病害防治措施地下水位高时 应提高路基设计标高 使之高出边沟或地面1 2m 1 5m将易冻胀土放在土基下层 而在上层用低冻胀或不会冻胀的土作填料 顶层可设砂砾垫层在略大于轻型压实标准的含水量时压实填料 以降低压实土的透水性和湿度的变化设置地下排水设施以拦截或降低地下水位 14水泥路面与设计 3 不均匀沉陷软弱地基的土层或土质分布不均匀 或者作用荷载 填土自重 不均匀时 则地基产生不均匀沉降 路堤也出现不均匀沉降防治措施对软弱地基进行加固处理 各种固结排水或强夯压实措施 以减少工后沉降量和不均匀沉降量增加混凝土面板的厚度 以考虑不均匀沉降所产生的附加应力调整路面结构组合 以调节和缓解不均匀沉降对面层的不利影响 如采用夹层结构 在软弱地基顶面设置刚度大的层次后 再在它上面设置粒料底基层以及基层和混凝土面层 14水泥路面与设计 2 基层和垫层设置基层和垫层的主要作用防止或减轻唧泥 错台和断裂病害的出现改善接缝的传荷能力及其耐久性缓解土基不均匀冻胀或不均匀体积变形对混凝土面层的不利影响为面层施工机械提供稳定的行驶面和工作面 14水泥路面与设计 唧泥水及土基或基层内的细料在车轮驶过时从接缝 裂缝或者路面板边缘处喷射出来唧泥和错台的产生必需具备的条件混凝土板下存在自由水重轴载的反复作用细料的供给防止或减轻唧泥而设置的基层 必需具有足够的刚度以降低板边缘和角隅处的挠度量应具有足够的耐冲刷性以减少细料的产生 14水泥路面与设计 基层和垫层类型 1 水泥或沥青稳定粒料或者贫混凝土基层优点 1 可以为混凝土面层提供更为均匀而坚实的支承2 可以增加路面结构的整体刚度 从而减小面板的挠度3 可以减少基层和垫层在重复荷载作用下的固结变形 从而减少板底脱空量 并改善接缝的传荷能力4 可以增加抗冲刷能力 从而减轻卿泥和错台等损坏5 为侧模和摊铺机械以坚固的支承 施工活动不受天气影响缺点 1 水泥稳定粒料或贫混凝土基层的刚度较大 混凝土面层会由此而产生较大的温度翘曲变形和应力 使板底易出现同基层顶面的脱空2 在未采取隔离措施 如铺设塑料薄膜等 时 由于混凝土板同基层的粘结 水泥稳定砂砾或贫混凝土基层的收缩裂缝会反射到面层上来 14水泥路面与设计 2 粒料类基层和垫层包括碎石 砂砾 轧碎或粒状矿渣 或者上述材料的不同组合粒料类基层和垫层也能满足混凝土面层对基层和垫层的要求 但材料必须符合下述要求 以控制卿泥的出现最大粒径不超过基层或垫层厚度的1 3小于0 074mm的细料含量不超过l5 塑性指数不大于6 液限不大于25可采用密级配或开级配 前者接近于不透水层 后者则为透水基层或垫层 其级配组成应符合密级配或开级配混合料的级配要求为了保证混凝土面层下的基层和垫层结构具有足够的刚度 以限制板的挠度量和减少唧泥及错台的出现 除了上述基层和垫层类型选择的考虑外 在路面设计规范中还按交通等级分别提出了基层顶面当量回弹模量的最低要求 14水泥路面与设计 二 混凝土面板水泥混凝土面层直接承受行车荷载的作用和环境因素的影响 应具有较高的抗弯拉强度和耐久性以及良好的表面特性 耐磨 抗滑 平整 低噪音等 混凝土面板的断面形式1 厚边中薄式符合受力特性 从理论计算 轮载作用在板中部时产生的最大应力约为轮载作用于板边部时的2 3 但不方便施工 而且厚度变化转折处易引起板的断裂 应力集中 2 等边厚式板的厚度采用板边的计算厚度 混凝土用量大3 等中厚式板的厚度采用板中的计算厚度 板边的强度不足 应在最外两侧板边部配置钢筋予以加固 14水泥路面与设计 三 排水要求边缘排水系统1 定义 由沿路面边缘设置的透水性填料集水沟 纵向排水沟 横向出水管和过滤织物组成的排水系统2 构造 纵向集水沟 横向出水管 过滤织物排水基层的排水系统1 定义 直接在面层下设置透水性排水基层 在边缘设置纵向集水沟和排水管以及横向出水管所组成的排水系统2 适用条件 新建路面中采用4 尺寸 管的直径一般为7 15cm 按水力计算确定 14水泥路面与设计 四 接缝的构造与布置设置接缝的目的1 减少由于伸缩和翘曲变形受到约束而产生的应力2 满足混凝土铺筑的要求按布置方向分为1 纵缝 与行车方向平行的接缝2 横缝 与行车方向垂直的接缝 纵缝 横缝 14水泥路面与设计 按作用的不同分为1 缩缝 保证混凝土板因温度和湿度的降低而收缩时沿该薄弱断面缩裂 从而避免产生不规则的裂缝作用 控制混凝土的收缩应力和翘曲应力按设置位置分为横向缩缝 通常垂直与路中线 等间距布置纵向缩缝 在混凝土一次铺筑宽度大于4 5m时设置 接缝平行于路中线按设置方式分为假缝 设置在纵缝和横缝位置 在混凝土表层做一槽口 待槽口下的混凝土断裂后 依靠断裂面处集料的嵌锁作用传递荷载 四 接缝的构造与布置 14水泥路面与设计 设传力杆假缝 设置在横缝位置 是在假缝内设置不妨碍混凝土板收缩位移的传力杆 圆型光面钢筋 依靠传力杆传递荷载设拉杆假缝 设置在纵缝位置 在假缝内设置拉杆 螺纹钢筋 以防止两侧混凝土板分开 假缝 设传力杆假缝 横缝 设拉杆假缝 纵缝 h h 2 h 2 3 8mm 填缝料 1 4 1 5 h 传力杆 防锈涂料 1 3 2 5 h 拉杆 四 接缝的构造与布置 14水泥路面与设计 接缝的槽口施工方法1 切缝 锯缝 在硬化混凝土中锯切方式2 压缝 在新鲜混凝土中压入的方槽口的构造形状窄而深的形式加宽上部槽口 形成下窄上宽 深宽度比在1 5 3 0 的断面 四 接缝的构造与布置 14水泥路面与设计 缩缝内传力杆的基本要求不妨碍混凝土板的收缩不产生锈蚀传力杆采用光面钢筋 要求见规范传力杆布置在板的中部设拉杆的纵向缩缝的基本要求槽口的深度应大些 由于拉杆的锚固作用 拉杆采用螺纹钢筋 尺寸和布置间距 应根据设拉杆接缝到自由边或者允许发生的位移的接缝之间的距离而定 四 接缝的构造与布置 14水泥路面与设计 2 胀缝保证板在温度升高时能部分伸张 从而避免产生路面板在热天的拱胀和折断破坏 同时起缩缝的作用设置目的使混凝土板有膨胀的余地 从而避免产生过大的热压应力设置位置要求缩缝间距小和混凝土浇筑时的气温较高时 仅需在遇到固定结构物和不对称交叉口处设置 四 接缝的构造与布置 14水泥路面与设计 胀缝的构造形式传力杆式胀缝的构造 用平缝形式 下部设接缝板 上部为填缝料 并设置传力杆垫枕式胀缝的构造 用平缝形式 下部设接缝板 上部为填缝料 不设传力杆 采用枕垫形式 传力杆式胀缝 h h 2 h 2 25mm 枕垫式胀缝 填缝料 填缝板 枕板 30 40 套筒 四 接缝的构造与布置 14水泥路面与设计 3 施工缝每天工作结束或因临时原因而中断施工时 需设置横向施工缝 混凝土一次铺筑宽度小于路面宽度时 需要设置纵向施工缝横向施工缝应尽量做到胀缝处 如不可能 也应做至缩缝处横向施工缝形式有传力杆的平头接缝 有拉杆的企口接缝 保证缝隙不张开 和无拉杆的企口缝 四 接缝的构造与布置 14水泥路面与设计 纵向施工缝形式有拉杆的平头接缝 有拉杆的企口接缝 保证缝隙不张开 和无拉杆的企口缝 纵向施工缝 h h 2 h 2 3 8mm 30 40mm 拉杆 横向施工缝 传力杆 防锈涂料 1 4 1 5 h 纵向企口缝 h h 2 h 2 拉杆 1 4 1 5 h 1 4 四 接缝的构造与布置 14水泥路面与设计 传力杆钢筋布置 纵缝拉杆钢筋布置 14水泥路面与设计 4 填封 缝 料类型 热灌的橡胶沥青类 常温施工的聚氨脂焦油类 有机硅树脂 预制压缩性嵌条等类型5 补强钢筋设置补强钢筋的情况采用板中计算厚度的等厚式板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补强钢筋的类型边缘钢筋角隅钢筋混凝土与桥梁相接处 宜设置钢筋混凝土搭板 斜交时应设置渐变板 14水泥路面与设计 五 特殊部位混凝土路面的处理1 混凝土与沥青路面相接要求1 避免出现沉陷和错台2 避免沥青路面受顶推而拥起2 涵洞顶面的混凝土板对于有可能出现不均匀沉陷对混凝土板产生影响的应设置加强钢筋 14水泥路面与设计 14 3水泥混凝土路面施工工艺 面层混凝土的性质 应能满足的要求 强度耐久性和易性抗滑耐磨耗面层混凝土必须具有足够的抗弯拉强度影响混凝土抗弯拉强度的关键因素a 水灰比b 压实度 14水泥路面与设计 水泥混凝土面层的修建包括下列主要工序 混凝土的拌和和运送混凝土的摊铺和压实接缝的建造表面整修混凝土养生和接缝填封按混凝土摊铺和压实所采用的方法和机械的不同 混凝土面层的施工方法有 小型机具摊铺和振实轨道式摊铺机摊铺和振实滑模式摊铺机摊铺和振实平地机摊铺和压路机碾压 采用类似于铺筑水泥稳定粒料的方法施工摊铺机摊铺和初步振实 压路机进一步碾压 14水泥路面与设计 混凝土拌和 混凝土滑模摊铺 摊铺成型后人工修整 14水泥路面与设计 抹平 人工及小型机具摊铺振捣 刷毛 14水泥路面与设计 拌和与运输 摊铺 振捣和修整 检测 14水泥路面与设计 14 4其它类型混凝土路面简介 一 钢筋混凝土路面为防止可能产生的裂缝缝隙张开 板内配置有纵 横向钢筋 或钢丝 网的混凝土路面适用于 1 混凝土平面尺寸较大2 路基或基层有可能产生不均匀沉陷3 板下埋有地下设施 涵洞等 14水泥路面与设计 二 连续配筋混凝土路面除在邻近构造物处或与其它路面交接处设置胀缝 以及视施工需要设置施工缝外 在路段长度范围内不设横缝 而配置纵向连续钢筋和横向钢筋的混凝土面层适用于 高速公路 一级公路和机场混凝土路面三 装配式混凝土路面在工厂中把混凝土预制成板块 然后运至工地现场装配而成的混凝土路面适用于 城市道路 厂矿道路 大型基建场地 停车站场和软弱土基上 14水泥路面与设计 四 组合式 双层式 混凝土路面铺筑两层混凝土板的路面结构适用于 在缺乏品质良好的材料时 下层用当地品质较差的材料修筑板 上层用好的材料铺筑板 以降低造价在改建旧混凝土路面时根据板之间的结合程度分类 结合式 上下混凝土板牢固结合 成为整体分离式 上下混凝土板之间铺以厚1 2cm的隔离层部分结合式 在旧混凝土面层 清理 上直接铺筑的水泥混凝土板 接缝应对齐但形式可以不同 14水泥路面与设计 五 纤维混凝土路面在混凝土中掺入一些低碳钢 不锈钢纤维或其它纤维 如塑料纤维 纤维网等 即成为一种均匀而多向配筋的混凝土路面六 混凝土小块铺砌路面将混凝土预制成规定尺寸和形状的混凝土小块然后拼装而成的混凝土面层七 碾压混凝土路面一种含水率低 通过碾压施工工艺达到高密度 高强度的水泥混凝土路面 14水泥路面与设计 二 水泥混泥土路面设计概述1 路面设计最基本的任务防止路面结构在使用年限内由于轮载和环境 温度和湿度 作用而出现各种结构损坏 2 路基路面材料力学性质非线性性质 路基和路面材料的应力应变关系大都呈现非线性特性 其应变量随应力作用时间而变化 并且在应力卸除后残余一部分不可恢复 塑性 变形 3 路面结构分析的主要力学模型水泥混凝土路面模型1 弹性地基板2 文克勒地基板3 弹性层状地基板 14水泥路面与设计 4 水泥混凝土路面结构特征力学分析上 水泥混凝土路面结构属于弹性层状体系 特点 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 混凝土的抗弯拉强度远小于抗压强度 约为其1 7 1 6 取水泥混凝土板的抗弯拉强度指标作为设计指标 混凝土板与基层或土基之间的摩阻力一般不大 从力学模型考虑 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 要求 为使路面能够经受车轮荷载的多次重复作用 抵抗温度翘曲应力 并对地基变形有较强的适应能力 混凝土板必须具有足够的抗弯拉强度和厚度 14水泥路面与设计 5 路面结构力学分析计算方法1 解析法2 有限单元法 6 混凝土路面结构设计理论与方法目前世界各国的混凝土路面设计方法都是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 公路水泥混凝土路面设计规范 JTGD40 2002 是我国现行混凝土路面设计规范 新规范列出的设计方法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 14水泥路面与设计 7 水泥混凝土路面结构的力学分析模型面板模型力学性质 线弹性薄板面板尺寸1 有限尺寸板2 无限大板基层及其以下结构模型 地基模型 1 固体地基 E地基 弹性半空间体2 液体地基 k地基 文克勒 Winkler 地基3 弹性层状体系 14水泥路面与设计 8 水泥混凝土路面的设计目标水泥混凝土路面的主要结构损坏形式 断裂温度 荷载的反复作用地基的不均匀沉降设计目标 控制混凝土路面的疲劳断裂 9 水泥混凝土路面结构设计的主要内容1 面层材料组成设计2 路基 垫层和基层设计3 板厚确定4 板平面尺寸确定5 接缝构造和配筋设计6 路肩和排水 14水泥路面与设计 11 水泥混凝土路面设计标准控制水泥混凝土面板断裂 保证路面结构承载能力设计标准 荷载应力和温度翘曲应力之和不超过混凝土的疲劳强度 也即 或者 荷载疲劳应力和温度疲劳应力之和不超过混凝土的抗弯拉强度 也即 14水泥路面与设计 14 5弹性地基板体系理论概述 一 小挠度弹性薄板的基本假设基本概念 板 两个平行面和垂直于这两个平行面所围成的柱面或棱柱面厚度 两个板面之间的距离中面 平分厚度的平面薄板 厚度远小于中面的最小边的尺寸 如1 8 1 5 的板薄板弹性曲面 当薄板弯曲时 中面所弯成的曲面挠度 中面内各点在横向的 即垂直于中面方向的 位移薄板小挠度 挠度远小于板的厚度水泥混凝土面层看作是小挠度弹性薄板 14水泥路面与设计 1 小挠度弹性薄板基本假设垂直于中面方向形变分量 z及其微小 可以略出不计 即垂直板中面的法线 在弯曲变形前后均保持为直线并垂直中面 因而无横向剪应变 即 14水泥路面与设计 薄板中面内的各点都没有平行于中面的位移 即几何方程 14水泥路面与设计 几何方程物理方程 因此应力和应变分量均可表述为挠度的函数 14水泥路面与设计 截面上的内力 14水泥路面与设计 板的弯曲刚度D2 弹性地基薄板假设在变形过程中 板与地基的接触面始终吻合 即板面与地基表面的竖向位移是相同的在板与地基的接触面之间没有摩阻力 可以自由滑动 即接触面上的剪应力视为零 14水泥路面与设计 二 板挠曲面微分方程平衡方程 根据荷载和地基分力函数代入板挠曲面微分方程 解此微分方程 得到板中面的挠度曲面w x y 14水泥路面与设计 14 6水泥混凝土路面荷载应力分析 弹性地基板常用的地基模型主要有 文克勒 Winkler 地基弹性半空间地基一 文克勒 Winkler 地基的荷载应力分析文克勒地基的基本假定 地基上任一点的反力仅同该点的挠度成正比 而与其它点无关 即地基相当于由互不相联系的弹簧组成地基反应模量 压力与挠度的比例系数K表征文克勒地基的弹性参数是地基反力模量K 14水泥路面与设计 二 弹性半空间地基板的荷载应力分析弹性半空间地基是以弹性模量和泊松比表征的弹性地基基本假设 地基为一各向同性 均质的弹性半无限连续体地基顶面任一点的挠度不仅同作用于该点的压力 也同顶面其它点上的压力有关弹性半空间地基表面作用轴对称荷载q r 时所产生的挠度为 14水泥路面与设计 应用Hankel Bessel变换 解微分方程 可以得到荷载作用在弹性地基上无限大板板中的解析解半无限地基上板的相对刚度半径l为两种地基参数的关系 按板的应力相等原则的转换关系 14水泥路面与设计 利用该转换关系可以计算弹性半空间体地基板的板边 板角的应力板边的弯矩约为板中弯矩的1 5倍 即有 14水泥路面与设计 当板中受到多个车轮荷载作用时 可取其中一个车轮作为主轮 按均布荷载考虑 其他各轮按集中荷载考虑 叠加它们的影响 叠加时 需注意应力的方向 如在计算点统一取正交的x y方向 则各轮在该点的辐向弯矩和切向弯矩 均应转换为x y方向的弯矩 再分别叠加起来 14水泥路面与设计 三 有限尺寸矩形板采用有限元方法计算分析的优点 可以按板块的实际大小求解有限尺寸的板 从而消除无限大板的假设所带来的误差 此误差随荷载接近板边缘和相对刚度半径的增大而增加 可以考虑各种荷载情况 并能解算简单的荷载组合情况 可以用于符合实际荷载情况的应力分析可以计及板的实际边界条件 如接缝的传荷能力 板和地基的脱空 不连续接触 等所解得的结果是整个板面上位移场和应力场 从而可以更全面地分析板的受荷情况 14水泥路面与设计 14 7水泥混凝土路面温度应力分析 一 胀缩应力胀缩变形板内温度均匀升降变化 面板沿断面的深度均匀胀缩变形胀缩应力胀缩变形受到约束时 在面层板内产生胀缩应力约束胀缩变形的主要阻力板底面与基层顶面间的摩阻力 和邻板的阻力 包括接缝内传力杆设置不当时约束胀缩位移的阻力 14水泥路面与设计 平面尺寸大的板 在平均板温差的影响下板内任一点的应变为板与基层之间的摩阻约束 在温度升降板中部不能移动 即 14水泥路面与设计 对于板边缘中部或长板 则基础与面板之间的摩阻力引起的应力分析 单位宽度上长度为x的板底摩阻力为与摩阻力相平衡的截面应力 14水泥路面与设计 二 翘曲应力由于混凝土板的导热性能较差 当气温变化时 使板顶和板底产生温度差别 而胀缩变形的大小也就不同 引起板的翘曲当板顶温度高于板底时 板的中部力图隆起 而在受约束后 板底将出现拉应力 反之 当板顶温度低于板底时 则板的四周会翘起 受到约束后板顶将承受拉应力 面板拱起 面板翘曲 14水泥路面与设计 板的翘曲变形受到约束作用 板的截面在翘曲变形后仍保持为平面的倾向板的自重约束板中部向上拱起或板四端向上翘起地基的反力约束板四端的向下位移或板中部的向下位移相邻板的钳制作用约束板的伸长和翘曲变形威斯特卡德 H M S Westergaard 计算翘曲应力时的假设 温度沿板厚的分布为一直线 板顶的温度比板底低 板向上翘起板厚h和顶底面温度差在全板各点上均相同地基的反力仅为竖向 并与该点的挠度成正比 板与地基始终保持接触 即使在板边向上翘曲时也如此不计板的自重 14水泥路面与设计 板中面的曲率为 14水泥路面与设计 对有限尺寸板的翘曲应力为对于厚板 考虑温度的非线性分布而引起的内应力 14水泥路面与设计 一 水泥混凝土路面可靠度设计1 路面可靠度的定义广义定义 在设计基准期内 在将遇到的环境条件和荷载作用下 路面能够发挥其预期功能的概率设计基准期可取为设计年限路面的功能是为行车提供一个平整 坚实 抗滑的表面 14 8水泥混凝土路面板厚度设计方法 14水泥路面与设计 极限状态函数我国现行的混凝土路面设计规范采用的结构设计方法是以混凝土路面板在车辆荷载应力和温度应力综合作用下在纵缝边缘中部出现纵向疲劳开裂作为临界损坏状态 设计时以荷载应力和疲劳温度应力的叠加小于等于混凝土疲劳强度作为设计标准 因此 路面结构的极限状态函数可表示为 14水泥路面与设计 混凝土路面结构可靠度可相应地定义为 在设计使用年限内 在车辆荷载应力和温度应力综合作用下 路面板纵缝边缘中部不出现疲劳开裂的概率 即为 另外 在保持控制失效模式的实质不变的前提下 也可采用路面结构疲劳寿命 结构允许当量标准轴载作用次数NR 大于等于累计当量标准轴载作用次数Ne作为路面结构极限状态函数 即为 路面结构可靠度则可表示为 14水泥路面与设计 2 路面结构的目标可靠度定义 路面结构的目标可靠度是在满足高等级公路行驶安全和舒适性要求的前提下 考虑道路初期费用 养护费用与用户费用对目标可靠度的影响后综合确定的 通常采用 校准法 来确定目标可靠度校准法 就是对按现行规范设计方法所设计的路面进行隐含可靠度的分析 以这些隐含可靠度作为目标可靠度 则所设计的路面结构具有与原确定型设计方法相同的可靠度水平 也即 它接纳了以往多年的工程设计和使用经验 包含了与原有设计方法相等的可接受性和经济合理性 14水泥路面与设计 综合分析和考虑我国沥青路面和水泥混凝土路面设计的隐含可靠度情况以及国外分析数据 我国 公路工程结构可靠度设计统一标准 规定了各级公路的目标可靠度和相应的目标可靠指标值 如下表 可靠度设计统一标准规定的目标可靠度 14水泥路面与设计 3 设计参数均值的取值和变异系数范围1 设计年限内累计当量标准轴载作用次数NeNe由使用初期的当量轴次 年增长率和横向分布系数三个随机变量决定的 其变异系数见下表 水泥混凝土路面标准轴载累计作用次数Ne的预估标准和变异系数 14水泥路面与设计 2 混凝土的抗弯拉强度和弹性模量路用水泥混凝土设计强度以龄期28d的弯拉强度为标准各级交通要求的水泥混凝土设计弯拉强度和弹性模量及变异系数见下列表格 混凝土弯拉强度和弹性模量 14水泥路面与设计 水泥混凝土路面有关参数的变异系数 3 路面板厚度路面板厚度的变异系数范围见下表 14水泥路面与设计 4 基层和土基抗压回弹模量以及基层顶面综合回弹模量稳定粒料基层弯拉强度 抗压回弹模量及土基回弹模量均值见下表 基层顶面综合回弹模量变异系数范围见上页表 14水泥路面与设计 4 路面结构可靠度的计算根据可靠性理论中的干涉理论 路面可靠度计算式可写为 只要知道轴载作用次数Ne和疲劳寿命NR的分布函数 就可得到路面结构的可靠度值1 路面疲劳寿命NR的分布已往可靠性研究中 NR大多假设服从对数正态分布 采用对数正态分布在数学处理上十分方便 但其失效规律与路面疲劳开裂的规律不太相符 14水泥路面与设计 根据室内小梁弯曲疲劳试验结果可知 混凝土弯曲疲劳寿命服从两参数的威布尔分布 其失效率函数与路面损坏规律也比较一致 其分布函数为 按现行混凝土路面设计规范的结构设计方法 路面疲劳寿命NR为混凝土极限抗折强度 s和荷载应力 p及疲劳温度应力 t的函数 14水泥路面与设计 2 累计当量标准轴载作用次数Ne的分布Ne采用对数正态分布假定为宜 分布密度函数为 5 路面结构的可靠性设计路面结构可靠性设计中为了能考虑各设计参数变异性影响 通过引入一个可靠度系数 将可靠度概念应用到考虑荷载应力和温度应力综合疲劳作用的路面结构设计方法中 不改变原设计方法的步骤 路面结构可靠度系数Fr定义为疲劳方程求得的最大允许应力与实际最大应力之比 它的倒数1 Fr 就是混凝土极限抗折强度的折减系数 14水泥路面与设计 左图给出了各设计参数的变异系数按变异水平低 L 中 M 和高 H 三级情况下的R Fr关系曲线 14水泥路面与设计 二 水泥混凝土路面结构组合设计1 面层混凝土板要求 应具有足够的强度 耐久性 表面抗滑 耐磨 平整等良好的路用性能类型 面层一般采用设接缝 不配筋的普通混凝土路面板 对于不同等级公路承受不同交通等级的道路 也可采用其他类型混凝土面板 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 平面尺寸 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 用纵横接缝分隔 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 纵缝间距按路面宽度在3 0 4 5m范围内确定 普通混凝土面层板的横缝间距一般为4 6m 长宽比不宜超过1 50 平面尺寸不宜大于25m2 碾压混凝土或钢纤维混凝土面层板的横缝间距一般为6 10m 钢筋混凝土面层板一般为6 15m 厚度 混凝土面层板的厚度决定于公路和交通等级 对于普通混凝土 钢筋混凝土 碾压混凝土或连续配筋混凝土面层板所需的厚度可参考后表所示的范围初步选定 钢纤维混凝土面层板的厚度一般为普通混凝土路面厚度的0 65 0 75倍 特重或重交通时 最小厚度为160mm 中等或轻交通时 最小厚度为140mm 复合式路面沥青上面层的厚度一般为25 80mm 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 表面构造 为保证行车安全 路面混凝土板表面构造应采用刻槽 压槽 拉槽或拉毛等方法制作 构造深度在使用初期应满足下表的要求 14水泥路面与设计 2 混凝土路面基层结构要求 应具备足够的抗冲刷能力和一定的刚度 基层类型与适宜厚度 湿润和多雨地区 路基为低透水性细粒土的高速公路和一级公路或者承受特重交通或重交通的二级公路 宜采用排水基层 各类基层的适宜交通等级与适宜厚度范围见下表所列 宽度 宽度应比混凝土面板每侧宽出300 650mm 路肩采用混凝土面层 其厚度与行车道面层板相同时 基层宽度宜与路基同宽 碾压混凝土作基层时 应设置与混凝土面层板相对应的纵 横接缝 采用贫混凝土基层时 若弯拉应力超过1 8MPa 应设置与混凝土面层板相对应的横向接缝 一次摊铺宽度大于7 5m 还应设置纵向缩缝 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 排水基层下应设置由水泥稳定粒料或密级配粒料组成的不透水底基层 厚度一般为200mm 底基层顶面应铺设沥青封层或防水土工织物 在基层下若未设置垫层 而上路床土质为细粒土 粘土质砂或级配不良砂 承受特重或重交通时 或者上路床土质为细粒土 承受中等交通时 均应在基层下设置底基层 底基层可采用级配粒料 水泥稳定粒料或石灰粉煤灰稳定粒料 厚度可取200mm 14水泥路面与设计 3 混凝土路面垫层结构垫层结构一般是为应对路基的特殊需求而设置 分为防冻垫层 排水垫层与加固垫层三类 在季节性冰冻地区修筑混凝土路面 当路面结构总厚度不能满足最小防冻要求时 应设置防冻垫层 保证总厚度满足最小防冻厚度的要求 对于水文地质条件不良的土质路堑 路床土的湿度较大时 为防止地下水对路面结构的侵蚀 应设置排水垫层 14水泥路面与设计 当路基土特别软弱 经加固后 仍有可能出现不均匀沉降 变形时 应设置加固垫层以增强路床的承载能力 有时以上三种情况兼而有之 选择垫层结构材料时也应兼顾 具备多种功能 一般情况 垫层多数选用当地廉价材料修筑 或取当地材料掺少量无机结合料处治后使用 如砂 砂砾料 低剂量无机结合料稳定粒料等 垫层厚度一般为150mm 14水泥路面与设计 4 混凝土路面的路基结构满足稳定 密实 均质 耐久的要求 为路面结构提供均匀支承 对路基土质的要求很严格 一般高液限粘土及含有机质细粒土均不能用于高速公路和一级公路的路床填料 也不能用于二级和二级以下公路的上路床填料 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无机结合料进行处治 14水泥路面与设计 地下水位较高的路段 应提高路堤设计标高 若设计标高受限制 路基达不到中湿状态的临界高度时 应选用粗粒土或低剂量石灰或水泥稳定细粒料做路床填料 未能达到潮湿状态的路基临界高度时 除采用上述填料之外 还应采取在边沟下设置排水渗沟等降低地下水位的措施 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 整平层可采用未筛分碎石和石屑或低剂量水泥稳定粒料 其厚度视路床顶面不平整程度而定 一般为100 150mm 14水泥路面与设计 三 国内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尺寸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 14水泥路面与设计 1 目标可靠度与疲劳极限状态方程式水泥混凝土路面按可靠度方法进行设计 不同等级公路的路面结构设计安全等级及相应的设计基准期 可靠度指标和目标可靠度列于下表 14水泥路面与设计 Cv对于各设计参数的变异系数范围有不同要求 如下表 14水泥路面与设计 水泥混凝土路面结构设计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 极限状态方程式如下式所示 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 2 弯拉应力分析及厚度设计1 荷载应力分析临界荷位 产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位位于混凝土板的纵向边缘中部 标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算确定 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 按表推荐的路床顶面回弹模量参考值适用于中湿状态路基 若路基干湿类型达不到中湿状态 则不能直接做路床铺筑路面 应按照路面结构组合设计的要求进行处治 使路基干湿类型优于中湿状态 底基层和垫层同时存在时 可先按公式将底基层和垫层换算成具有当量回弹模量和当量厚度的单层 然后再与基层一起按公式计算基层顶面当量回弹模量 若无底基层和垫层 只要对相应的厚度和回弹模量置零代入各式 即可完成计算 旧路改建 在柔性路面上铺筑水泥混凝土路面板时 原柔性路面顶面的当量回弹模量可按下式计算确定 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 2 温度应力分析在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算确定 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 3 混凝土路面板厚度设计首先进行路面结构组合设计 即根据公路等级 交通等级和目标可靠度等初步选定路面结构组合 即选定面层混凝土板 基层 底基层 垫层 路床的材料类型和厚度 14水泥路面与设计 面层混凝土板可参考建议的参考范围 根据公路等级 交通等级和变异水平等级选定适宜的初估厚度 进一步计算荷载疲劳应力 ps和温度疲劳应力 pt 考察 ps与 pt之和与可靠度系数 f的乘积是否满足极限状态平衡方程式 即是否小于或等于混凝土弯拉应力的标准值fr 如果满足极限状态平衡方程式的要求 则初估厚度即为设计路面板厚度 若不能满足极限状态平衡方程式的要求 可以重新确定初估厚度 或调整结构类型和结构组合 再一次进行荷载疲劳应力和温度疲劳应力验算 直至完全满足极限平衡方程式 路面结构设计厚度依计算结果按10mm向上取整 14水泥路面与设计 14水泥路面与设计 3 混凝土面板配筋设计1 钢筋混凝土面层板配筋设计钢筋混凝土面层板的钢筋配筋量按下式计算确定 14水泥路面与设计 纵向和横向钢筋宜采用相同或相近的直径 钢筋的最小值和最大间距应符合下表的规定 钢筋的最小间距为集料最大粒径的2倍 钢筋布置应符合以下要求 纵向钢筋设在面层顶面1 3 1 2厚度范围内 纵向钢筋的搭接长度一般不小于35倍钢筋直径 搭接位置应错开 搭接端的连线与纵向钢筋夹角应小于60 边缘钢筋至纵缝或自由边的距离一般为100 150mm 14水泥路面与设计 2 连续配筋混凝土路面板配筋设计纵向配筋率按允许的裂缝间距 1 0 2 5m 缝隙宽度 1mm 和钢筋屈服强度确定 通常取配筋率为0 6 0 8 最小配筋率对冰冻地区为0 7 一般地区为0 6 14水泥路面与设计 1 横向裂缝平均间距计算 2 裂缝间隙宽度计算 3 钢筋应力计算 14水泥路面与设计 4 纵向配筋率确定纵向配筋率必须能同时满足裂缝间距 缝隙宽度和钢筋屈服强度三项要求 可按以下步骤确定 初拟配筋率 按公式计算钢筋刚度奉献率 和温缩应力系数 c 查图得出b 回代计算裂缝间距Ld 看Ld是否满足1 0m Ld 2 5m 若不符合 调整 值再算Ld 至符合要求 14水泥路面与设计 由 值和b值 通过规范图16 17得到裂缝宽度系数 b 按规范式 16 60 计算裂缝缝隙宽度bj 当bj 1mm 满足要求 否则增加 值 重复上述计算至符合要求 由 值和b值查图得钢筋温度应力系数 st 计算纵向钢筋拉应力 s s fsr 即小于钢筋屈服极限 则符合要求 若不满足 则增大 值重复上述计算至符合要求 三项要求均满足 就是设计的配筋率 在满足纵向钢筋间距要求的条件下 应选择直径较小的钢筋 一般选用直径12 20mm的螺纹钢筋 14水泥路面与设计 连续配筋混凝土路面的钢筋布置应符合下列要求 纵向钢筋设在面层板表面下1 2 1 3厚度范围内 横向钢筋位于纵向钢筋之下 纵向钢筋的间距不大于250mm 不小于100mm或集料最大粒径的2 5倍 横向钢筋的间距不大于800mm 纵向钢筋的焊接长度一般不小于10倍 单面焊 或5倍 双面焊 钢筋直径 焊接位置应错开 各焊接端连线与纵向钢筋的夹角应小子60 边缘钢筋至纵缝或自由边的距离一般为100 150mm 14水泥路面与设计 四 设计过程1 收集并分析交通参数收集日交通量和轴载组成数据 确定方向系数和车道系数计算设计车道标准轴载日作用次数 由此确定道路的交通分级 并进而选定设计年限 选定交通量年平均增长率和轮迹横向分布系数 计算使用年限内标准轴载的累计作用次数 2 初拟路面结构初选路面结构层次 类型和材料组成 拟定各层的厚度 面层板平面尺寸和接缝构造 3 确定材料参数试验确定混凝土的设计弯拉强度和弹性模量 基层 垫层和路基的回弹模量 基层顶面的当量回弹模量 14水泥路面与设计 4 计算荷载疲劳应力由应力计算图或公式得到标准轴载作用下板边缘中部的最大荷载应力 按接缝类型选定接缝传荷系数 按标准铀载累计作用次数计算得到疲劳应力系数 按交通等级选定综合系数 综合上述计算结果可得到荷载疲劳应力 5 计算温度应力由所在地公路自然区划选择最大温度梯度 按路面结构和板平面尺寸计算最大温度梯度时的温度翘曲应力 按自然区划确定温度应力累计疲劳作用系数 由此计算确定温度疲劳应力 6 检验初拟路面结构 14水泥路面与设计 14 9水泥混凝土的平面尺寸和接缝设计 一 板的平面尺寸1 纵缝间距按车道宽度确定 一般不超过4 5m2 横缝间距横缝间距直接影响板内温度应力 接缝缝隙宽度和接缝传荷能力 一般为4 6m 相对刚度半径大 则取高值 3 板的平面形状接近正方形 以改善其受力状况 板宽 板长 1 1 3以内二 接缝设计 如 14 2所述 14水泥路面与设计 14 10水泥混凝土路面上加铺层设计一 旧混凝土路面调查与评定1 一般情况调查2 路面结构损坏状况调查与评定旧混凝土路面的损坏状况采用断板率和平均错台量两项指标来评定 断板率的调查和计算按 公路水泥混凝土路面养护技术规范 JTJ073 1 的规定进行 以调查路段内各条接缝高程差的平均值表示其平均错台量 根据上述两项指标 混凝土路面的损坏状况分为四个等级 1