路基路面工程-第十二章PPT课件

第十二章水泥混凝土路面结构设计 第十二章水泥混凝土路面结构设计 第一节概述第二节损坏模式和设计标准第三节路面结构组合设计第四节接缝构造设计第五节混凝土路面板配筋设计第六节面层板厚度和平面尺寸的设计第七节水泥混凝土路面加铺层设计 第一节概述 从力学分析来看 水泥混凝土路面结构属于弹性层状体系水泥混凝土板的抗弯拉强度指标作为设计指标从力学模型考虑 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 一 水泥混凝土路面结构特征 二 设计内容 水泥混凝土路面结构设计内容 设计内容 1 路面结构层组合设计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 三 设计原则 根据使用要求及气候 水文 土质等自然因素 结合本地区实践经验 按要求完成设计 首先应保证工程的质量与耐久性 遵循因地制宜 合理选材等原则进行混凝土路面设计方案的比较应结合当地实践基础 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 对于地处不良地基的路段采取有效措施加快稳定路基沉降 第二节设计模式和设计标准 一 损坏模式水泥混凝土路面 由于混凝土板的刚度高和脆性大 又需设置接缝 在行车和环境因素的综合作用下出现的损坏模式常不同于沥青路面 可分为断裂 接缝损坏 变形和表面损坏四类 主要有下列几种 如下图12 1所示 断裂破坏板的结构整体性 使板丧失应有的承载能力 因而 断裂可视为水泥混凝土路面结构破坏的临界状态挤碎在接缝附近的板因受挤压而碎裂拱起混凝土路面板在热膨胀受阻时 接缝两侧的板向上拱起唧泥车辆行驶经过接缝或裂缝时 由缝内喷溅出泥浆的现象 称为唧泥错台接缝或裂缝两侧路面板端部出现的竖向相对位移 二 设计标准 我国现行的水泥混凝土路面设计方法 以水泥混凝土面层板的疲劳断裂作为路面损坏的主要模式以控制行车荷载反复作用在板内产生的荷载疲劳应力 pr与温度梯度反复作用在板内产生的温度疲劳应力 tr之和与可靠度系数 r乘积不大于混凝土的弯拉强度标准值fr 作为确定混凝土板厚的设计标准路面结构可靠度定义 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要求的概率 水泥混凝土路面结构可靠度定义 在规定的设计基准期内 在规定的交通和环境条件下 行车荷载疲劳应力和温度梯度疲劳应力的总和不超过混凝土弯拉强度的概率 第三节路面结构组合设计 面层类型1 普通混凝土面层2 钢筋混凝土面层3 连续配筋混凝土面层4 预应力混凝土5 钢纤维混凝土6 混凝土预制块路面 一 面层 面层一般采用设接缝的普通混凝土 面层板的平面尺寸较大或形状不规则 路面结构下埋有地下设施 高填方 软土地基 填挖交界段的路基等有可能产生不均匀沉降时 应采用设置接缝的钢筋混凝土面层 其他面层类型可根据适用条件按表12 1选用 其他面层类型选择表12 1 适用条件 面层一般采用设接缝的普通混凝土 面层板的平面尺寸较大或形状不规则 路面结构下埋有地下设施 高填方 软土地基 填挖交界段的路基等有可能产生不均匀沉降时 应采用设置接缝的钢筋混凝土面层 表面抗滑构造 水泥混凝土面层应具有足够的强度 耐久性 表面抗滑 耐磨 平整 路面表面构造应采用刻槽 压槽 拉槽或拉毛等方法制作 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所需的厚度 可参照下表12 2所示参考范围并按规定计算确定 构造深度在使用初期应满足下表12 3的要求 各级公路水泥混凝土面层的表面构造深度 mm 要求表12 3 二 路基 水泥混凝土路面不要求有强度大或承载力高的路基 但如果路基的稳定性较差 在周围水温变化的影响下出现较大的变形 特别是不均匀变形 则仍会因不均匀支承而给面层带来损坏 因此 对路基的基本要求是稳定 密实 均质 对路面结构提供均匀的支承 在环境和荷载作用下产生的不均匀变形小 对路基的基本要求 路基产生不均匀支承的原因 不均匀沉陷不均匀冻胀膨胀土 三 基层和垫层 防止或减轻唧泥和错台现象的出现 有助于控制或减少路基不均匀冻胀或体积变形对混凝土面层的不利影响 为面层施工提供稳定而坚实的工作面 基层和垫层有粒料类 碎石 砂砾等 稳定类 水泥 石灰 沥青稳定粒料或土 和贫混凝土 或碾压混凝土 三大类 设置基层和垫层的作用 1 基层 基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度 并保证具有足够的厚度 基层类型及各类基层厚度的适宜范围应依照交通等级按表12 4选择 适宜各交通等级的基层类型及厚度的适宜范围表表12 4 在交通繁重的道路上 选用水泥或沥青稳定粒料 贫混凝土或碾压混凝土作为混凝土路面的基层 可以为混凝土面层提供更为均匀而坚实的支承 增加路面结构的整体刚度 从而减小面层板的挠度 而挠度量减小可以降低板底的脱空量和增加缩缝传荷能力的耐久性 基层的作用 图12 2所示为水泥稳定类基层和砾石基层上混凝土面层接缝的传荷能力随荷载作用次数的增加而降低的试验曲线 从中可看出水泥稳定类基层上接缝传荷能力的耐久性明显高于砾石基层 与此同时 还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 图12 3所示为水泥稳定砂砾基层和不同压实度的砂砾基层的塑性变形积累量随荷载重复作用次数而增长的试验曲线 从中可看出 水泥稳定砂砾基层的变形累积量明显小于砂砾基层 因而其板底脱空量将明显低于砂砾基层 此外 还可以增加抗冲刷能力 从而减轻唧泥和错台等损坏的程度 并为侧模和摊铺机械提供坚固的支承 图12 2基层类型对接缝传荷能力的影响 Ew 2w1 w1 w2 w1和w2相应为未受荷和受荷板的挠度 面层厚22 86cm基层厚15cm 缝隙宽1 65mm 图12 3重复荷载作用下不同基层的累积变形量 砂砾基层曲线上的数字为压实度 在交通特别繁重 路基湿软或季节性冰冻地区 为防止路基可能产生的不均匀冻胀对混凝土面层的不利影响 路面结构应有足够的总厚度 以便将路基的冰冻深度约束在有限的范围内 超出面层和基层厚度的总厚度部分可用基层下的垫层 防冻层 来补足 路面结构的最小总厚度 随冰冻线深度 路基的潮湿状况和土质而异 其数值可参照下表12 5选定 2 垫层 垫层的设置要求 水文地质条件不良的土质路堑 路床土湿度较大时 应设置排水垫层 对路基可能产生不均匀沉降或不均匀变形时 可加设半刚性垫层 垫层的宽度应与路基同宽 其最小厚度为150mm 水泥混凝土路面结构防冻最小厚度 cm 表12 5 第四节接缝构造设计 水泥混凝土面层需设置各种类型的接缝 把面层划分为较小尺寸的板 以减少伸缩变形和挠曲变形受到约束而产生的内应力 并满足施工的需要 接缝的设计要能实现以下三方面的要求 控制温度收缩应力和翘曲应力所引起的裂缝出现的位置 通过接缝能提供一定的荷载传递能力 防止坚硬的杂物落入接缝缝隙内和路表水的渗入 水泥混凝土面层的接缝可分为横向缩缝 横向施工缝 横向胀缝和纵缝四种类型 一 横缝构造设计 横向接缝共有三种 缩缝 胀缝和施工缝 作用 缩缝保证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 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 同时胀缝也能起到缩缝的作用 混凝土路面每天完工以及因雨天或其它原因不能继续施工时 应做成施工缝的构造形式 在邻近桥梁或其它固定构造物处或与其它道路相交处应设置横向胀缝 1 胀缝 胀缝构造 尺寸单位 mm 为保证混凝土板之间能有效地传递荷载 防止形成错台 应在胀缝处板厚中央设置可滑动的传力杆 传力杆一般应采用光圆钢筋 其尺寸和间距可按下表12 6选用 缩缝一般采用假缝形式 即只在板的上部设缝隙 当板收缩时将沿此最簿弱断面有规则地自行断裂 横向缩缝可等间距或变间距布置 横向缩缝顶部应锯切槽口 宽3 8mm 深度约为板厚的1 5 1 4 一般为5 6cm 槽内填塞填缝料 以防地面水下渗及石砂杂物进入缝内 高速公路的横向缩缝槽口宜加深20mm 宽6 10mm的浅槽口 其构造如图12 5所示 2 缩缝 图12 5浅槽口构造 尺寸单位 mm 由于缩缝缝隙下面板断裂面凹凸不平 能起一定的传荷作用 一般不必设置传力杆 但对特重和重交通道路 收费广场 地质水文条件不良路段以及邻近胀缝或自由端部的3条缩缝 应在板厚中央设置传力杆 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 每日施工结束或因临时原因中断施工时 必须设置横向施工缝 其位置应尽可能选在缩缝或胀缝处 设在缩缝处的施工缝 应采用加传力杆的平缝形式 其构造如下图a所示 设在胀缝处的施工缝 其构造与胀缝相同 遇有困难需设在缩缝之间时 施工缝采用设拉杆的企口缝形式 其构造如下图b所示 3 施工缝 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 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 可参照教材表12 7选用 施工布设时 拉杆间距应按横向接缝的实际位置予以调整 最外侧的拉杆距横向接缝的距离不得小于100mm 连续配筋混凝土面层的纵缝拉杆可由板内横向钢筋延伸穿过接缝代替 二 纵缝构造设计 纵向接缝的布设应视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 构造如下图a所示 一次铺筑宽度大于4 5m时 应设置纵向缩缝 其构造如下图b所示 纵缝构造 尺寸单位 mm a 纵向施工缝 b 纵向缩缝 三 接缝的设置 混凝土路面板的纵缝与横缝一般做成垂直正交 以改善其受力状况 纵向接缝的间距按路面宽度在3 0 4 5m范围内确定 碾压混凝土 钢纤维混凝土面层在全幅摊铺时 可不设纵向缩缝 横向接缝的间距按面层类型和厚度选定在桥涵两端以及小半径平 竖曲线处应设置胀缝 四 交叉口接缝布设 布设交叉口的接缝时 先分清相交道路的主次 而后考虑次要道路的接缝布设如何与主要道路相协调 两条道路正交时 各条道路直道部分均保持本身纵缝的连贯 两条道路斜交时 主要道路的直道部分保持纵缝的连贯 而相交路段内的横缝位置应按次要道路的纵缝间距作相应变动 保证与次要道路的纵缝相连接 在次要道路弯道加宽段起终点断面处的横向接缝 应采用胀缝形式 五 特殊部位混凝土路面的处理 水泥混凝土路面与沥青路面相接时 其间应设置至少3m长的过渡段 过渡段的路面采用两种路面呈阶梯状叠合布置 其下面铺设的变厚度混凝土过渡板的厚度不得小于200mm 如下图12 9所示 图12 9混凝土路面与沥青路面相接段的构造布置 尺寸单位 mm 六 接缝材料及技术要求 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 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两类 第五节混凝土路面板配筋设计 当混凝土面层板纵 横向自由边缘下基础薄弱 有可能产生较大的塑性变形或接缝为未设传力杆的平缝时 可在面层边缘和角隅 荷载应力较大 初配置补强钢筋 通常选用2根直径为12 16mm的螺纹钢筋 置于面层底面之上1 4厚度处并不小于50mm 间距为100mm 钢筋两端向上弯起 如图12 10所示 一 普通混凝土板的补强钢筋 图12 10边缘钢筋布置 尺寸单位 mm 承受特重交通的胀缝 施工缝和自由边的面层角隅及锐角面层角隅 宜配置角隅钢筋 通常选用2根直径为12 16mm的螺纹钢筋并弯成发针形 置于面层上部 距顶面不小于50mm 距边缘为100mm 如图12 11所示 图12 11角隅钢筋布置 尺寸单位 mm 二 钢筋混凝土面层配筋设计 钢筋混凝土面层配筋数量是为平衡混凝土面层收缩受限制时产生的拉力 当混凝土面层收缩时其中央两侧向内的摩阻力为一半面层混凝土的质量乘以其与基层的摩阻系数 这一摩阻力即为作用于混凝土面层中央的拉力 并假定沿面层断面平均作用而由钢筋承受 纵向和横向钢筋宜采用相同或相近的直径 其直径差不应大于4mm 钢筋的最小直径和最大间距 应符合下表12 8的规定 钢筋的最小间距为集料最大粒径的2倍 表12 8钢筋最小直径和最大间距 mm 三 连续配筋混凝土面层配筋设计 确定纵向钢筋用量的控制因素是裂缝的间距 1 0 2 5m 缝隙的宽度 1m 通常是根据试验路上的经验数据来确定 横向钢筋的主要目的是保持纵向钢筋的间距 其配筋原则和要求与钢筋混凝土面层的配筋相同 混凝土面层内的钢筋并不是按承受荷载应力进行设计的 因此 连续配筋混凝土面层的厚度可仍采用普通混凝土面层的计算方法确定 连续配筋混凝土路面是沿路面板纵向配置连续的钢筋网的混凝土路面 除与其他路面交接处 邻近构造物处设置胀缝以及因施工需要设置施工缝外 不再设置任何横向接缝 施工缝采用贯通纵向钢筋的平缝形式 第六节面层板厚度和平面尺寸的设计 水泥混凝土面层板的厚度和平面尺寸 主要取决于预定使用年限内标准轴载的累计作用次数及其所产生荷载应力的疲劳损耗 由于板中温度梯度引起翘曲应力的疲劳损耗和混凝土疲劳强度之间的关系 目前 我国的路面设计规范采用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 承受预期的交通荷载作用 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产生的疲劳断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计次数来考虑荷载的重复作用影响 一 设计依据与设计参数 1 设计依据水泥混凝土路面结构的设计安全等级及相应的设计基准期 目标可靠指标和目标可靠度 应符合下表的规定 各安全等级路面的材料性能和结构尺寸参数的变异水平等级 宜按下表的建议选用 可靠度设计标准 材料性能和结构尺寸参数的变异水平分为低 中和高三级 各变异水平等级主要设计参数的变异系数变化范围 应符合下表的规定 变异系数Cv的变化范围表 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 其设计表达式如下 12 2 式中 fr 水泥混凝土弯拉强度 MPa r 可靠度系数 依据所选目标可靠度及变异水平等级按表12 11确定 pr 行车荷载疲劳应力 MPa 计算方法见式 12 18 tr 温度梯度疲劳应力 MPa 计算方法见式 12 21 可靠度系数表 标准轴载与轴载换算水泥混凝土路面结构设计以汽车轴重为100kN的单轴双轮组荷载作为标准轴载 对于各种不同汽车轴载的作用次数 可按等效疲劳损坏原则换算成标准轴载的作用次数 并根据标准轴的作用次数判断道路的交通繁重程度 2 设计参数 水泥混凝土路面的轴载换算公式是在混凝土疲劳方程的基础上建立的 公式如下 12 3 12 4 2 交通分级及标准轴载累计作用次数计算 水泥混凝土路面承受的交通 按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数Ne划分为四个等级 即特重交通 重交通 中等交通 轻交通 具体分级如下表所示 水泥混凝土路面的设计基准期为路面达到预定的极限状态时所能使用的年限 交通分级 设计基准期内标准轴载的累计作用次数与第一年的交通量 交通轴载组成和交通量的预测增长情况等因素有关 可按下式计算确定 12 7 式中 Ns 使用初期设计车道的日标准轴载作用次数 由调查确定的交通量年平均增长率 t 设计使用年限 车轮轮迹横向分布系数 它为路面横断面上某一宽度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 车轮轮迹横向分布系数 3 基层顶面的当量回弹模量 新建公路的基层顶面模量值 在设计新建道路时 基层顶面的当量回弹模量Et 可按式 12 8 计算确定 12 8 3 基层顶面的当量回弹模量 1 新建公路的基层顶面模量值 在设计新建道路时 基层顶面的当量回弹模量Et 可按式 12 8 及其教材中的式 12 9 12 13 并参考表 12 14 与表 12 15 计算确定 12 8 2 原有沥青路面的顶面当量回弹模量值 在原有沥青路面上加铺水泥混凝土路面时 应通过承载试验或弯沉测定法确定原有路面顶面的当量回弹模量Et 如用汽车实测路段的回弹弯沉值 可按统计计算的方法确定计算回弹弯沉值后 按下式转换成基层顶面的当量回弹模量Et 4 水泥混凝土的设计强度与弯拉弹性模量 水泥混凝土路面以28d龄期的弯拉强度作为设计控制指标 当混凝土浇筑后90d内不开放交通时 可采用90d龄期的弯拉强度 各交通等级要求的混凝土弯拉强度标准值不得低于下表的规定 混凝土的设计弯拉强度表 二 荷载疲劳应力 轴载在混凝土面层内产生的应力 采用半无限大地基上弹性小挠度薄板的力学模型和有限元法进行分析计算 对轴载作用于四边自由的矩形板纵向边缘中部所产生的荷载应力 计算公式为 式中 P 标准轴载 kN h 混凝土板厚度 m 混凝土板的相对刚度半径 m A m n 与轴型有关的回归系数 见教材表12 18 以标准轴载Ps 100kN和教材表12 18中单轴双轮组的系数值代入式 12 15 可得到标准轴载作用下的荷载应力公式 为了简化计算工作 通常选取使面层内产生最大应力或最大疲劳损伤的一个荷载位置作为计算时的临界荷位 在公路水泥混凝土路面设计规范中 是以混凝土板的纵缝边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位 荷载疲劳应力为一当量应力 它使混凝土面层产生的疲劳损耗 相当于标准轴载在临界位置上所产生的应力在设计使用期内引起的累计疲劳损耗 可以用计算式 12 18 表示为 式中 pr 标准轴Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力 MPa ps 标准轴Ps在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力 MPa 按式 12 16 计算定 kr 考虑接缝传荷能力的应力折减系数 即应力传荷系数 纵缝为设拉杆的平缝时kr 0 87 0 92 刚性和半刚性基层取低值 柔性基层取值 纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时 kr 1 0 纵缝为设拉杆的企口缝时 kr 0 76 0 84 kf 考虑设计基准期内荷载应力累计作用次数的疲劳应力系数 可按下式计算式中 Ne 设计基准期内标准轴载累计作用次数 与混合料性质有关的指数 普通混凝土 钢筋混凝土 连续配筋混凝土 0 057 碾压混凝土和贫混凝土 0 065 刚纤维混凝土 按下式计算确定 kc 考虑超载和动荷载等因素对路面疲劳损坏综合影响的系数 随公路等级而异 见下表 三 温度疲劳应力 温度疲劳应力 tr是一个与不同温度梯度反复作用引起的累积疲劳损耗等效的应力 经计算分析 在临界荷位处产生的温度疲劳应力 tr可用下式表示 式中 tr 临界荷位处的温度疲劳应力 MPa tm 最大温度梯度时的温度翘曲应力 MPa kt 考虑温度翘曲应力年变化所产生的累计疲劳损伤的系数 最大温度梯度时的温度翘曲应力计算公式如下 12 22 式中 最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力 MPa 混凝土的线膨胀系数 1 通常可取为1 10 5 Tg 最大温度梯度标准值 可按照公路所在地的公路自然区划按表12 20 见书 选用 Bx 综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数 可按L r和h查用图12 12 下页 确定 L 板长 即横缝间距 m 图12 12温度应力系数B 四 设计计算步骤与流程 考虑荷载应力和温度翘曲应力综合疲劳损伤作用的混凝土面层厚度和板平面尺寸确定方法 可遵循下述设计步骤 收集并分析交通参数 初拟路面结构 确定路面材料参数 计算荷载疲劳应力 设计厚度依计算厚度按10mm向上取整 检验初拟路面结构 计算温度疲劳应力 不符合 符合 第七节水泥混凝土路面加铺层设计 在旧混凝土路面上铺设加铺层设计之前应对旧混凝土路面进行技术调查的主要内容包括 路面破损状况 结构承载能力 行驶质量 抗滑能力 交通状况 车辆组成和轴载 路基和路面排水状况 路面修建和养护历史 一 旧水泥混凝土路面的结构参数调查 1 接缝传荷能力和板底脱空状况调查旧混凝土面层板的接缝传荷能力和板底脱空状况可采用弯沉测试法调查评定 2 旧混凝土路面结构参数调查旧混凝土路面结构参数调查内容包括 面层厚度 面层弯拉强度和弯拉弹性模量 路面基层顶面的当量回弹模量等 二 水泥混凝土加铺层结构设计 水泥混凝土加铺层结构设计可选用分离式或结合式水泥混凝土加铺结构 并经技术经济比较后确定 1 分离式加