第三分篇(1分篇)第五章 水泥混凝土路面设计

第五章水泥混凝土路面设计,第三篇路面工程（第一分篇）,1.知道水泥混凝土路面设计的基本原理和特点；2.能正确选用水泥混凝土路面的面层、基层和底基层、垫层的类型；3.叙述水泥混凝土路面构造、板块划分和各种接缝的适用性；4.知道公路水泥混凝土路面设计应收集的资料及分析、处理的方法；5.知道水泥混凝土路面设计的依据、内容和方法；6.会进行普通水泥混凝土路面纵向与横向的缩缝、胀缝、施工缝设计；7.会计算单层水泥混凝土面层的厚度。,教学要求,滑模施工,第一节水泥混凝土路面设计综述,钢筋混凝土路面,以水泥混凝土做面层(配筋或不配筋)的路面，亦称刚性路面。,面层板和基(垫)层所组成,第一节水泥混凝土路面设计综述,水泥混凝土路面分类,普通混凝土路面钢筋混凝土路面连续配筋混凝土路面钢纤维混凝土路面复合式路面水泥混凝土预制块路面,水泥混凝土属脆性材料，抗弯拉强度比抗压强度低得多，水泥混凝土面层在车轮荷载作用下，当弯拉应力超过混凝土的极限弯拉强度时，水泥混凝土板便产生断裂破坏。常见破坏断裂破坏、疲劳破损、温度翘曲应力引起的破坏。,接缝类,断裂类,一、水泥混凝土路面力学特性,1水泥混凝土面层的强度特性,水泥混凝土抗压强度与耐磨性的关系,1）抗压强度试件的标准尺寸：150150l50mm；2）弯拉强度试件的标准尺寸：150mm150mm550mm（28d龄期）3）劈裂强度：试件的尺寸为圆柱体试件l00mm或150mm4）抗拉强度：试件的尺寸为150150l50mm立方体,水泥混凝土弯拉强度标准值表3-1-5-1,1水泥混凝土面层的强度特性,水泥混凝土面层承受行车荷载及温度和湿度变化所产生的应力的反复作用。水泥混凝土出现疲劳损坏时所能经受的反复应力重复作用次数，称为水泥混凝土的疲劳寿命。疲劳寿命随反复应力的增大而减小，不同疲劳寿命时水泥混凝土能承受的反复应力的大小，称作水泥混凝土的疲劳强度。,水泥混凝土路面面层是以行车荷载疲劳应力和温度疲劳应力综合作用下不产生断裂作为设计标准，即行车荷载产生的荷载疲劳应力和温度翘曲疲劳应力之和不超过水泥混凝土弯拉强度的设计值。,2水泥混凝土面层的疲劳特性,二、水泥混凝土路面设计的内容,l.各结构层材料组成设计依据当地材料供应，选择满足结构层性能要求的混合料，配合比设计。参数经过试验确定。要求：面层足够的弯拉强度及抗疲劳性能基层良好的抗冲刷性能和一定的刚度，垫层稳定性及一定的刚度。2.路面结构组合与厚度设计选择结构层次，包括路基、垫层、基层和面层的结构组合设计。各层结构类型、弹性模量和厚度确定。特定条件：配置钢筋。此外，抗滑、耐磨、平整及减轻噪声等表面特性。,3.面层接缝设计平面尺寸设计。缩缝、胀缝或施工缝等类型确定接缝的间距，布设位置，设计接缝的构造，包括传力杆、拉杆的布置及确定填缝的材料。4.路面排水设计根据路面排水要求及表面排水或内部排水设施的作用与设置条件，选择路面结构排水系统的布设方案，确定排水设施的构造尺寸和材料要求。5.路肩设计,优点：强度高：稳定性好：耐久性好：能见度好：平整度和粗糙度好：养护费用少，运输成本低,三、水泥混凝土路面的特点,缺点：水和水泥用量大：有接缝，舒适性差：开放交通迟：修复困难：对超载敏感；,第二节水泥混凝土路面结构组合设计,一、路基路基要求稳定、密实、均质变形小；二、基层防唧泥其细料含量和塑性指数不能太高防冰冻粒状多孔材料降低路基不均匀变形。防水铺筑开级配粒料。方便施工基层为面层施工(如立侧模，运送混凝土混合料等)提供方便。延长路面寿命,三、垫层垫层水稳性、隔热性好，就地取材,各交通荷载等级的基层/底基层材料类型表3-1-5-2,各类基层合适的厚度,各类材料基层和底基层的结构层适宜施工厚度表3-1-5-3,水泥混凝土路面结构层最小防冻厚度(m),三、面板,理论分析表明，混凝土面板的横断面宜采用中间薄两边厚的型式（厚边式），但施工不便，实际情况一般采用等厚式断面。,四、路肩和路面排水,(1)行车双向或单向横披，坡度为1一2。(2)设置排水基层或垫层时，基层或垫层外侧边缘设纵向集水沟和带孔集水管，并间隔50100m设置横向排水管。(3)排水基层的纵向边缘集水沟，路肩采用水泥混凝土面层时，可设在路肩下或路肩外侧边缘内；路肩采用沥青面层时，可设在路肩内侧边缘内。排水垫层的纵向边缘集水沟设在路床边缘。(4)路肩铺面结构应具有一定的承载能力，其结构层组合和材料选用应与行车道路面相协调，并保证进入路面结构中水的排除。(5)路肩水泥混凝土面层的厚度通常采用与行车道面层等厚，其基层宜与行车道基层相同。选用薄层时，其厚度不宜小于150mm，基层应采用开级配粒料。,第三节水泥混凝土路面接缝设计,水泥混凝土面层板具有热胀冷缩的性质。由于一年四季气温的变化，水泥混凝土板会产生不同程度的膨胀和收缩，从而引起混凝土板的轴向变形。设缝目的：防止温度变化引起的胀缩应力、翘曲应力和施工要求。接缝设置（如图）,图3-1-5-2a)混凝土板的翘曲变形b)开裂c)断裂,图3-1-5-3路面接缝设置1指横缝；2指纵缝,接缝种类：从接缝的方向分：横缝、纵缝横缝：垂直于行车方向的接缝纵缝：平行于行车方向的接缝,1指横缝；2指纵缝,一、横向接缝的构造,图3-1-5-4胀缝构造（尺寸单位：mm）,1胀缝的构造,2横向缩缝的构造横向缩缝可等间距或变间距布置，应采用假缝形式。,图3-1-5-5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,2横向缩缝的构造（适用高速公路）,高速公路的横向缩缝槽口宜增设深20mm、宽610mm的浅槽口，其构造如图,图3-1-5-6浅槽构造（尺寸单位：mm）,3横向施工缝的构造,图3-1-5-7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,4传力杆传力杆应采用光面钢筋。横向缩缝传力杆的尺寸、间距和要求与胀缝相同，可按表3-1-5-6选用。,传力杆尺寸和间距（mm）表3-1-5-6,二、纵向接缝的构造,图3-1-5-8纵缝构造（尺寸单位：mm）a）纵向施工缝；b）纵向缩缝,1.纵向施工缝一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝。2.纵向缩缝普通水泥混凝土路面一次铺筑宽度大于4.5m时，碾压混凝土面层一次铺筑宽度大于7.5m时，应设置纵向缩缝。,3.拉杆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、长度和间距可参照表3-1-5-7选用。,拉杆直径、长度和间距表3-1-5-7,注：拉杆直径、长度和间距的数字为直径长度间距,三、纵横向接缝的布设,普通水泥混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土和钢纤维混凝土面层的平面布局宜采用矩形分块，其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。横向接缝的间距（即板长）应按面层类型和厚度选定：普通水泥混凝土面层宜为46m，面层板的长宽比不宜超过1.35。纵向接缝的间距（即板宽）宜在3.04.5m范围内选用。纵缝应与路线中线平行。在路面等宽的路段内或路面变宽路段的等宽部分，纵缝的间距和形式应保持一致。路面变宽段的加宽部分与等宽部分之间，应以纵向施工缝隔开。加宽板在变宽段起终点处的宽度不应小于1m。,四、交叉口接缝布设,应与交通流方向相适应，并易于排水整齐美观，方便施工混凝土板板角不宜小于900分清相交道路主次，保持主要道路的接缝位置和形式全线贯通考虑主、次道路的协调性，必要时可调整主要道路的横缝位置。,交叉口接缝布设,1纵缝(企口式)2胀缝3缩缝4进水口,五、混凝土路面的端部处理,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有可能产生较大的塑性变形时，应在其自由边缘和角隅处设置下述两种补强钢筋。,1普通混凝土面层的边缘钢筋,图3-1-5-9边缘钢筋布置（尺寸单位：mm）,2普通混凝土面层的角隅钢筋,承受极重、特重或重交通的水泥混凝土面层的胀缝、施工缝和自由边的角隅，以及承受极重交通的水泥混凝土面层缩缝的角隅，宜配置角隅钢筋。通常选用2根直径为1216mm的螺纹钢筋，置于面层上部，距顶面不小于50mm，距边缘为100mm，如图3-1-5-10所示。,图3-1-5-10角隅钢筋布置(尺寸单位：mm),3混凝土面层与固定构造物相接,图3-1-5-11混凝土路面与斜交桥梁相接时的构造示意,4混凝土面层与沥青路面相接,图3-1-5-12混凝土路面与沥青路面相接段的构造布置（单位：mm）,我国现行的公路水泥混凝土路面设计规范（JTGD40-2011）中，对混凝土路面设计引入了目标可靠度、材料性能和结构尺寸参数的变异水平等级等指标来进行设计。水泥混凝土路面结构设计是以水泥混凝土面层板在设计基准期内，在行车荷载疲劳应力和温度疲劳应力综合作用下，不产生疲劳断裂作为设计标准；并以最重轴载和最大温度梯度综合作用下，不产生极限断裂作为验算标准。其设计参数主要有交通量、设计基准期、设计轴载、设计轴载累计作用次数、交通荷载等级、最大温度梯度标准值、混凝土路面板底地基当量回弹模量等。,第四节普通水泥混凝土路面设计简介,一、普通水泥混凝土路面设计方法,二、普通水泥混凝土路面板厚设计步骤,1.交通分析根据设计公路的的等级、公路自然区划、及初期交通量及交通量年平均增长率等，确定设计基准期、安全等级，设计基准期内设计车道设计荷载累计作用次数。2.初拟路面结构根据路基干湿类型和土质等相关的设计资料，进行路面结构的组合设计，初拟路面结构，包括路床、垫层、基层和面层的材料类型和厚度，并按水泥混凝土面层厚度建议范围，根据交通等级、公路等级和所选定的变异水平等级，初选混凝土面板的厚度及平面尺寸。,3.路面材料参数确定根据上述已知条件，确定混凝土面层的弯拉强度标准值、相应弯拉弹性模量标准值、路基回弹模量、路床顶面综合回弹模量及基层回弹模量等，最后计算出混凝土板底地基当量回弹模量和混凝土面层板的截面弯曲刚度。4.计算荷载疲劳应力和温度疲劳应力水泥混凝土路面结构按疲劳断裂设计标准进行结构分析时，以100kN的单轴-双轮组荷载作为设计标准轴载，并选取混凝土板的纵向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载位置，分别计算出混凝土面层的荷载疲劳应力、温度疲劳应力和最大荷载应力等。,5.板厚验算当荷载疲劳应力与温度疲劳应力之和与可靠度系数的乘积小于且接近于混凝土弯拉强度标准值，同时，最大荷载应力与最大温度应力之和与可靠度系数的乘积小于混凝土弯拉强度标准值时，则初选厚度可作为混凝土板的计算厚度。如不能满足要求时，应调整混凝土板厚度或基层类型或厚度等，重新计算，直到满足为止。6.计算厚度取整计算厚度加6mm磨耗厚度后，应按10mm向上取整，作为混凝土面层的设计厚度。以上有关普通水泥混凝土路面板厚设计的相关参数及计算方法可祥见公路水泥混凝土路面设计规范（JTGD40-2011）。混凝土路面板厚度计算流程图如图3-1-5-13所示。,混凝土板厚度计算流程,钢筋混凝土路面是指面层板内配置纵、横向钢筋或钢筋网并设接缝的水泥混凝土路面。当水泥混凝土板的平面尺寸较大，或者预计路基或基层有可能产生不均匀沉降；或者板下埋设有地下设施等情况时，宜采用钢筋混凝土路面。钢筋混凝土板的缩缝间距（即板长）一般为1322m，最大不宜超过30m。缩缝内必须设置传力杆。其它接缝构造与素混凝土路面相同。,第五节其他类型的水泥混凝土路面简介,一、钢筋混凝土路面,纵、横向钢筋宜采用相同或相近直径，直径差不应大于4mm。钢筋网的最小间距宜为集料最大粒径的2倍。纵向钢筋应设在面层顶面下1/31/2板厚范围内，横向钢筋应位于纵向钢筋之下。纵向钢筋的搭接长度，根据经验，宜为直径的35倍以上，搭接位置应错开。外侧钢筋中心到接缝或自由边的距离为100150mm。,钢筋最小直径和最大间距表,二、连续配筋混凝土路面,连续配筋混凝土路面是指面层内配置纵向连续钢筋和横向钢筋，横向不设缩缝的水泥混凝土路面。特点：一般不设横缝（施工缝和特定情况下必设的胀缝除外）且配筋量很大面层纵向钢筋配筋率设计：主要考虑对横向裂缝缝隙宽度、横向裂缝间距、裂缝传荷能力、钢筋所承受的拉应力，以及混凝土出现由纵向裂缝产生的断裂块进行控制，其中最主要是对裂缝缝隙宽度的控制。,连续配筋水泥混凝土路面,三、钢纤维混凝土路面,钢纤维混凝土路面是指在混凝土面层中掺入钢纤维的水泥混凝土路面。试验表明，钢纤维与混凝土的握裹力高达4Mpa。施工时一般在混凝土中掺入1.52.0（体积比）的钢纤维，过多则混凝土和易性不好。钢纤维长度宜为2560mm，直径0.251.25mm。作为一种新型的路面材料，钢纤维混凝土路面具有广泛的发展前途，它具有薄板、少缝、使用寿命长、养护费用少等特点，特别是作为旧混凝土路面的罩面尤为适宜。,四、复合式混凝土路面,面层由两层不同材料类型和力学性质的结构层复合而成的水泥混凝土路面。根据双层混凝土路面上下层板之间结合程度的不同，有结合式、分离式和部分结合式三种型式。1.结合式：上下层混凝土板牢固结合成为一整体2.分离式上下层混凝土板之间铺以厚12cm以上的沥青砂或双层油毡作为隔离材料，以达到分离的目的。3.部分结合式：改建路面时，先对原有混凝土板表面进行清理后再浇筑上层板。,五、水泥混凝土预制块铺砌路面,指面层由水泥混凝土预制块铺砌成的路面。水泥混凝土预制块的最大集料尺寸为816mm，块料承受磨耗的面积一般小于0.03m，厚度至少6cm，形状有矩形、嵌锁形（不规则形状）两类。这种路面结构由面层、砂整平层和基层组成，基层类型同普通混凝土路面。混凝土预制块铺砌的路面具有结构简单，价格低廉，能承受较大的单位压力，出现较大变形也不会破坏块料，便于修复等优点，因此，比较广泛的用于铺筑人行道、停车场、堆场（特别是集装箱码头堆场）、街区道路、次要道路、一般公路的路面等。,六、碾压混凝土路面,碾压混凝土是一种含水率低，通过振动碾压施工工艺达到高密度、高强度的水泥混凝土。碾压混凝土路面与普通水泥混凝土路面相比能节省大量的水泥，且施工速度快，养生时间短，强度高，具有很好的社会经济效益。根据我国碾压混凝土路面的施工水平，全厚式碾压混凝土路面的平整度难以达到规定的要求。国外也没有直接用作车辆高速行使的路面面层。因此，碾压混凝土路面一般适用于二级及其以下等级的公路。碾压混凝土的集料最大粒径以19mm为宜。当碾压混凝土分两层摊铺时，其下层集料最大粒径可采用37.5mm。,本章小结,1）在路面设计之前应进行专门的外业调查，需收集的资料有：交通量及交通组成情况；工程地质和水文地质条件；天然土的湿度和水文资料；气象资料；路面材料产地和供应情况；当地路面使用经验和其它情况；工程投资情况；施工单位的技术力量、机具设备、劳动力组成情况；原有路