水泥路面基础知识PPT课件

1 第十二章水泥混凝土路面设计 2 3 12 1概述一 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 4 二 混凝土路面结构设计内容1 路面结构层组合设计根据该路的交通繁重程度 结合当地环境条件和材料供应情况 选择安排混凝土路面的结构层层次 包括土基 垫层 基层和面层的结构层位 各层的路面结构类型 弹性模量和厚度 技术先进 工程经济合理的路面结构组合设计方案 应能保证混凝土面板在设计使用期内能承受预期交通的作用 提供良好的路用品质 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 混凝土路面的钢筋配筋率设计 5 三 混凝土路面结构设计原则应根据使用要求及气候 水文 土质等自然因素 密切结合本地区实践经验 将混凝土路面板按重要工程结构的要求完成 保证工程的质量与耐久性 基层 底基层 垫层设计在满足设计要求的前提之下 尽可使用当地材料修建 遵循因地制宜 合理选材 方便施工 利于养护 节约投资的原则进行路面设计方案的比较 选择技术先进 经济合理 安全可靠的方案 结合当地实践基础 积极推广成熟的科研成果 充分考虑沿线环境的保护 自然生态的平衡 有利于施工 养护工作人员的健康与安全 尽可能选择有利于机械化 工厂化施工的设计方案 地处不良地基的路段 应采取有效措施加快稳定路基沉降 6 12 2破坏模式和设计标准 一 破坏模式破坏类型与影响因素断裂 7 唧泥 8 拱起 错台 9 10 接缝挤碎等 影响因素 轮载 温度 水分 基层 接缝构造 材料以及施工和养护情况等 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 断裂 错台等的成因是多方面的 因此 混凝土路面设计必须从多方面采取措施来保证它的使用寿命 11 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 路面板为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与温度疲劳翘曲应力之和不超过混凝土的抗弯拉强度 12 二 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 引入可靠度的设计方法 路面结构可靠度 在规定的时间内 在规定的条件下 路面使用性能满足预定水平的概率 以面板的疲劳断裂作为路面损坏的主要模式 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 13 12 3水泥混凝土路面结构组合设计一 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 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表12 2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 15 16 轮载作用于板中部时 板所产生的最大应力约为轮载作用与板边部时的2 3 因此 面层板应该采用中间薄两边厚的型式 以适应荷载变化 一般边部厚度约比中部大25 是从路面最外侧板的边部 在0 6 1 0m宽度范围内逐渐加厚 但对土基和基层施工带来不便 且厚度变化转折处 易引起板断裂 因此一般采用等厚式断面 17 18 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表12 3的要求 19 二 土基土基稳定性不足 在水温变化影响下出现较大变形 特别是不均匀沉陷 会给混凝土面板带来不利影响 由于土基不均匀支承 使面板在受荷时底部产生过大的弯拉应力 导致混凝土路面产生破坏 所以 路基必须密实 稳定和均匀 并要求处于干燥或中湿状态 20 不均匀支承产生的原因 1 不均匀沉陷 湿软地基未充分固结 土质不均匀 压实不充分 填挖结合部以及新老路基交接处处理不当 2 不均匀冻胀 季节性冻土地区 土质不均匀 路基潮湿条件变化 3 膨胀土 过干或过湿时压实 排水设施不良等 21 控制不均匀支承产生的办法 1 把不均匀的土掺成均匀的土 2 控制压实时接近最佳含水量 保证压实度 3 加强路基排水设施 对湿软路基应采用加固措施 4 加设垫层 以缓和可能产生的不均匀变形对面层的不利影响 22 三 基层和垫层要求 应具备足够的抗冲刷能力和一定的刚度 基层设置目的 1 防唧泥 混凝土面层如直接放在路基上 会由于路基塑性变形量大 细料含量多和抗冲刷能力低而极易产生唧泥 未经处理的沙砾基层 其细料含量和塑性指数不能太高 否则仍会产生唧泥 2 防冰冻 在季节性冰冻区 用对冰冻不敏感的粒状多孔材料铺筑基层 可以减少路基的冰冻深度 从而减轻冰冻危害 23 3 减小路基顶面的压应力 并缓和路基不均匀变形对面层的影响 4 防水 在湿软路基上 铺筑开级配粒料基层 可以排除从路表面渗入面层板下的水分以及隔断地下毛细水上升 5 为面层施工提供方便 6 提高路面机构的承载能力 延长路面的使用寿命 24 基层应具有足够的强度和稳定性 且断面正确 表面平整 采用整体性好的材料 具有较高的弹性模量如贫混凝土 沥青混凝土 水泥稳定碎石 石灰粉煤灰稳定碎石 级配碎石等 修筑基层 可以确保路面的使用性能和延长使用寿命 无机结合料稳定类基层为混凝土路面最适用的基层 如果因条件限制使用未经处治的粒料基层时 必须严格控制细料含量并保证压实度 25 1 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表12 4所列 26 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 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 27 2 垫层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 28 29 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 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 30 12 4接缝构造设计 接缝 横向接缝 胀缝 缩缝 施工缝 纵缝 1 横向接缝横向胀缝只在邻近桥梁或其他固定构造物处或与其他道路相交处设置 胀缝设置条数视膨胀量大小而定 低温浇筑混凝土面层或选用膨胀性高的集料时 根据具体情况决定胀缝的设置 传力杆采用光面钢筋 其尺寸和间距按表12 6选用 最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离150 250mm 31 32 横向缩缝可等间距设置 采用假缝形式 特重和重交通公路 收费广场及邻近胀缝或自由端部的三条最靠近的缩缝 均应采用设传力杆假缝形式 其他情况可采用不设传力杆的假缝形式 每日施工结束或临时中断施工时 必须设置横向施工缝 其位置应尽可能设在横向缩缝或胀缝处 施工缝应采用设传力杆的平缝形式 33 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 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 34 35 2 纵向接缝纵向接缝的布设应根据路面宽度和施工铺筑宽度而定 一次铺筑宽度小于路面宽度时 应设置纵向施工缝 纵向施工缝采用平缝形式 一次铺筑宽度大于4 5m时 应设置纵向缩缝 纵向缩缝采用假缝形式 拉杆应采用螺纹钢筋 设在板厚的中央 并对拉杆中部10cm范围内作防锈处理 拉杆的直径 长度和间距 可参照表12 7选用 连续配筋混凝土路面的纵缝拉杆可由板内横向钢筋延伸穿过接缝代替拉杆 36 纵缝构造 尺寸单位 mm a 纵向施工缝 b 纵向缩缝 37 三 接缝的布置横缝的布置 间距一般为4 6m 即板长 在昼夜温差大的地区 或地基水文情况不良地段 应取低限值 反之取高限 38 39 在桥涵两端以及小半径平 坚曲线处应设置胀缝 近年来国内外修筑的混凝土路面均有减少胀缝的趋势 我国现行规范规定 胀缝应尽量少设或不设 但在邻近桥梁或固定建筑物处 或与其它类型路面相连接处 板厚变化处 隧道口 小半径曲线和纵坡变换处 均应设置胀缝 在其它位置 当板厚等于或大于20cm并在夏季施工时 也可不设胀缝 40 纵缝是指平行与混凝土路面行车方向的那些接缝 纵缝间距一般按3 4 5m设置 当双车道路面按全幅宽度施工时 纵缝可做成假缝形式 可设直径小于传力杆的拉杆 间距1 0m左右 锚固在混凝土内 以保证两侧板不致被拉开而失掉下部颗粒的嵌锁作用 按单车道施工时 可做成平头缝 41 为利于传递荷载 也可做成企口缝 缝壁应涂沥青 缝上部留6 8mm的缝隙 内浇灌填缝料 对于多车道 应每隔3 4个车道设一条纵向胀缝 其构造与横向胀缝相同 当路旁有路缘石时 路缘石与路面板之间也要设胀缝 但不必设传力杆或垫枕 42 纵横缝的布置纵缝与横缝一般做成垂直正交 使混凝土板具有90 的角隅 纵缝两旁的横缝一般成一条直线 实践证明 如横缝在纵缝两旁错开 将导致板产生从横缝延伸出来的裂缝 43 横缝错开时 44 在交叉口范围内 为了避免形成较锐的角并使板的长边与行车方向一致 大多采用辐射式的接缝布置形式 45 46 五 特殊部位混凝土路面处理混凝土路面同柔性路面相接处 为避免沉陷和错台 或柔性路面受顶推而拥起 宜按图1处理 或将混凝土板埋入柔性路面内 47 六 接缝材料接缝材料按使用性能分接缝板和填缝料两类 接缝板要求能适应混凝土面板的膨胀与收缩 且施工时不变形 耐久性良好 填缝料要求能与混凝土面板缝壁粘结力强 且材料的回弹性好 能适应混凝土的膨胀与收缩 不溶于水 不渗水 高温时不溢出 低温时不脆裂和耐久性好 48 接缝板可采用杉木板 纤维板 泡沫树脂板等 填缝料按施工温度分加热施工式和常温施工式 加热施工式填缝料主要有沥青橡胶类 聚氯乙烯胶泥类和沥青马蹄脂类等 常温施工式填缝料有聚氨脂胶泥类 氯丁橡胶类 乳化沥青橡胶类等 49 12 5混凝土路面板配筋设计 一 普通混凝土板的补强钢筋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可能产生较大变形时 应在其自由边缘设置边缘钢筋和补强钢筋 1 边缘钢筋 一般用两根12 16mm的螺纹钢筋或圆钢筋 设在板下部板厚的1 4 1 3处 且距边缘和板底均不小于5cm 两根钢筋间距不小于10cm 50 边缘钢筋 51 2 角隅钢筋 设置在胀缝两侧板的角隅处 一般可用两根直径12 14mm长2 4m的螺纹钢筋 角隅钢筋应设在板的上部 距板顶不小于5cm 距胀缝和板边缘各10cm 在交叉口处 对无法避免形成的锐角 宜设置双层钢筋网补强 以免板角断裂 钢筋布置在板的上下部 距板顶 底 5 7cm为宜 52 角隅钢筋 53 出现锐角处角隅钢筋 54 二 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式 12 1 计算确定 55 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表16 32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 1 纵向钢筋设在面层顶面1 3 1 2厚度范围内 2 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 3 边缘钢筋至纵缝或自由边的距离一般为100 150mm 56 三 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 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 57 连续配筋混凝土路面的钢筋布置应符合下列要求 l 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 2 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 3 横向钢筋的间距不大于800mm 4 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60o 5 边缘钢筋至纵缝或自由边的距离一般为100 150mm 58 12 6面层板厚度和平面尺寸的设计 按照弹性半无限地基板理论和有限元法计算板内弯拉应力 以规定的安全等级和目标可靠度 承受预期的交通和在作用 并同所处的自然环境相适应 满足预定的使用性能要求为依据 以行车荷载和温度梯度综合作用的疲劳开裂作为设计的极限状态 并按照等效原则换算为标准轴载的累积次数来考虑的重复作用影响 59 一 设计依据与设计参数1 设计依据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表12 9 Cv对于各设计参数的变异范围有不同要求 表12 10 60 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 极限状态方程式如式所示 61 2 设计参数 1 标准轴载及轴载当量换算水泥混凝土路面结构设计以100kN单轴 双轮组荷载为标准轴载 不同轴 轮型和轴载的作用次数 按式 12 3 换算为标准轴载的作用次数 62 2 交通等级划分及标准轴载作用次数计算 水泥混凝土路面所承受的轴载作用 按照设计基准期内设计车道临界荷位承受的标准轴载当量累计作用次数分为4级 63 累计当量轴次式中 车辆轮迹横向分布系数 它为路面横断面上某一宽度 50cm 范围内实际受到的轴载作用次数占通过该车道断面的总轴数的比例 64 65 3 基层顶面的当量回弹模量 新建公路的基层顶面模量值 66 67 当底基层和垫层同时存在时 可先按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上述各式计算基层顶面当量回弹模量 68 原有沥青路面的顶面当量回弹模量 旧路改建 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式计算确定 Et 13739 l01 04 69 4 水泥混凝土的设计强度与弯拉弹性模量混凝土以28d的弯拉强度作为设计控制指标 当混凝土浇筑后90d内部开放交通时 可采用90d的弯拉强度 各交通等级混凝土弯拉强度标准值见表 70 71 二 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缝边缘中部 有限元计算结果回归荷载应力公式 ps ArmPnh 2r 相对刚度半径 A m n 回归系数 见表12 18 72 荷载疲劳应力 表12 19有误 73 74 三 温度疲劳应力在临界荷位处的温度疲劳应力按式 12 21 计算确定 75 76 四 设计步骤与流程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 面层混凝土板可参考表12 2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 进一步按式 12 18 和式 12 21 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 表16 11 的乘积是否满足极限状态平衡方程式 12 2 即是否小于或等于混凝土弯拉应力的标准值fr 如果满足要求 则初估厚度即为设计路面板厚度 若不能满足式 12 2 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湿度疲劳应力验算 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 计算流程图12 13 例题 P256 77 12 7水泥混凝土路面加铺层设计 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 78 3 接缝传荷能力和板底脱空状况调查评定旧混凝土路面板的接缝传荷能力和板底脱空状况采用落锤式弯沉仪或梁式弯沉仪进行调查和评定 以接缝传荷系数来衡量接缝的传荷能力 以标准轴载一侧轮重 50kN 施加于接缝一侧的面板边缘 接缝两侧边缘弯沉之比值称为接缝传荷系数 旧混凝土路面的传荷能力按传荷系数的大小分为四个等级 评定板底脱空可用弯沉仪在板角隅处进行多级荷载加载测定相应的弯沉值进行评判 同时综合考虑唧泥 错台等病害的严重程度和传荷能力的分级进行综合评判 板底脱空状况除了可用来评定路面的状况之外 其脱空部位也是加固施工时 灌浆填空作业的位置 79 4 旧混凝土路面结构参数调查 混凝土面板结构厚度调查通常采用钻孔芯样量测高度按式 12 25 计算混凝土面层板厚度的标准值 旧混凝土路面板弯拉强度的标准值通常采用钻孔芯样劈裂试验测得的间接弯拉强度并按式 12 26 27 计算确定旧混凝土路面板的弯拉强度标准值 80 旧混凝土路面的弯拉弹性模量标准值旧混凝土路面的弯拉弹性模量通常可以根据混凝土的弯拉强度标准值 由经验公式 12 28 计算确定 旧混凝土路面基层顶面的当量回弹模量标准值旧混凝土路面基层顶面的当量回弹模量标准值 宜采用落锤式弯沉仪量测板中荷载作用下的弯沉曲线 按式 12 29 的测定通常将个别破损严重的板块清除之后 在原基层顶面用弯沉仪直接测定在标准轴一侧轮载 50kN 作用下的弯沉值 通过式计算确定 81 二 加铺层结构设计 1 加铺方案的确定结合式混凝土加铺层 分离式混凝土加铺层 薄层沥青混凝土加铺层 将旧混凝土路面板破