第16章路面设计.ppt

1、第16章水泥混凝土路面设计，第1节概述第2节弹性地基系统理论概述第3节水泥混凝土路面应力分析第4节水泥混凝土路面可靠度设计第5节水泥混凝土路面结构的组合设计第6节中国水泥混凝土路面设计方法，第1节概述，第1、 混凝土路面结构特征1 .水泥混凝土路面结构采用弹性层状系统2 .弹性地基理论分析计算1 )混凝土路面板的弹性模量和力学强度大大高于基础和基础的对应弹性模量和强度2 )其次，混凝土的弯曲强度远小于抗压强度，约为1/61/7， 决定水泥混凝土板尺寸的强度指标为弯曲应力3 )同时，由于混凝土板与基础和基础之间的摩擦阻力一般不大，故在力学图纸上将水泥混凝土路面结构视为弹性地基，采用弹性地基理论进行分析计算。 3 .混凝土板应具有足够的抗弯强度和厚度1 )混凝土的抗弯强度远低于抗压强度，在车轮载荷作用下，抗弯应力超过混凝土的极限抗弯强度时，混凝土板被破坏。 2 )在车轮载荷的反复作用下，疲劳效应导致混凝土板低于其极限弯曲强度时被破坏。 3 )板的上表面和底面的温度差使板产生温度翘曲应力，板的平面尺寸越大翘曲应力也越大。 4 )水泥混凝土为脆性材料，断裂时拉伸变形相对较小，荷载作用下土基和基层变形对混凝土板的影响较大，不均匀的基础变形使混凝土板和基层脱空。 4 .破坏类型和设计标准水泥混凝土路面在行驶载荷和环境因素的作用下可能出现的破坏类型主要有：1)破坏； 2 )泥3 )错误的台4 )拱桥5 )接缝的节流等，从保证路面构造的装载能力的观点出发，混凝土的路面构造设计从保证以防止表面板的破坏为主要的设计基准的汽车的行驶性能的观点出发，必须严格控制接缝两侧的偏移台量。 混凝土路面板的疲劳破坏不仅与重复载荷次数有关，还与温度周期性变化引起的温度反应应力的重复作用有关。 路面板应不超过载荷疲劳应力(p )、温度疲劳裂纹应力(t )和混凝土的弯曲强度(fcm )，以防止两个因素综合作用引起的疲劳裂纹。 为了防止p tfcm、混凝土路面的浮起、错位台、接缝的破坏和泥土，除了强化排水基础层、耐清洗基础层和接缝的负荷能力外，还可以强化日常养护等。 二、水泥混凝土路面结构设计内容1 .路面结构层组合设计2 .混凝土面板厚度设计3 .混凝土面板平面尺寸和接缝设计4 .路肩设计5 .混凝土路面(连续配筋、钢筋混凝土路面)钢筋配筋率设计3， 混凝土路面结构设计理论和方法1 .世界各国：以弹性地基承载应力、温度应力分析方法为基本理论，以混凝土路面板的弯曲应力为极限状态和设计控制指标。 采用温克勒地基模型或弹性半空间均质基础模型。 2 .中国公路水泥混凝土路面设计规范 JTGD40-2011:基于弹性半空间地基有限大矩形板模型，设计了100KN单轴双轮标准轴载荷在矩形板纵边中央产生的最大载荷应力控制设计。 采用可靠度设计方法，将行驶载荷与温度梯度综合作用下的疲劳破坏作为设计的极限状态。 五、混凝土路面交通等级1 .设计标准期，2 .轴载当量换算，3 .交通调查和轴载分析，轻型汽车对混凝土路面的疲劳损伤可以忽略，因此在统计年平均日交通量中，排除2轴4轮以下的轻型客车所占交通量，得到设计标准期初期的年平均日交通量(双向)。 通过将方向系数(通常为0.5 )与车道分布系数相乘，可以得到设计车道的设计基准初期的年平均日轨道交通量ADTT。4 .根据标准轴载荷累积当量作用次数、轴载荷频谱和轴载荷当量换算系数，计算设计车道使用初期的标准轴载荷日作用次数： kp， ij-计算各种轴型不同轴载荷级别的标准轴载荷当量换算系数的每Ni-3000台2轴6轮以上的乘客、货车中出现I种轴型的次数Piji种轴型j级轴载荷的频率(分数)、5 .交通等级区分、临界载荷位置的车辆轨迹横向分布系数，注：车道、车道宽的情况下，交通量大的情况下，取高值的相反第三节水泥混凝土路面应力分析、第一、水泥混凝土路面温度应力分析、水泥混凝土路面板内不同深度的温度随气温变化而变化。 这种变化倾向于使混凝土板膨胀收缩变形。 变形受阻时，板内产生膨胀收缩应力或翘曲应力。 1、膨胀收缩应力混凝土浇筑初期，混凝土尚未完全固化，抗拉强度不足以抵抗收缩应力，板出现裂缝。 混凝土板的温度上升时，如果不设置膨胀缝，板的膨胀就会受到阻碍，板内会产生膨胀应力。 为了减小收缩应力，在混凝土板内设置了各种接缝，将板子划分成有限尺寸的板子。 此时，板的自由收缩受板和基础的摩擦阻力约束，该摩擦阻力随板的自重而变化。 由于阻碍变形而产生的板内最大应力出现在板长的中央。 将板分割为有限尺寸的板时，收缩产生的应力小，不予考虑。 2 .翘曲应力1 )气温变化快时，板的上表面和底面产生温度差，膨胀收缩变形的大小也不同。 2 )气温升高时，板上表面的温度比底面高，板上表面的膨胀变形比板底大时，板中央部隆起的气温下降时，板上表面的温度比其底面低，板上表面的收缩变形比板底面大。 3 )板的边缘和角翘曲。 板的自重、地基反力、邻接板的夹紧作用阻碍了局部翘曲变形，板内产生翘曲应力。图16-11混凝土路面板翘曲变形a )气温上升时b )气温下降时，温度沿板的断面线性变化，板与地基始终接触，假定板没有自重。 第五节水泥砂浆路面结构组合设计，一、表面混凝土板应具有足够的强度、耐久性，表面不易滑动，耐磨、平整。 一般设置接缝，采用不适合筋的普通混凝土的表面层的平面尺寸大，或形状不规则，路面结构下填埋地下设施，在填土、软土地基、填埋边界部分的道路等可能产生不均匀沉降的情况下，采用设置接缝的钢筋混凝土表面层。 特殊交通高速公路可选用连续配筋混凝土表面层或连续配筋混凝土路面与沥青混凝土表面层复合式路面结构。 1、普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或钢纤维混凝土表面板一般采用矩形。 其纵向和横向接缝应垂直相交，纵缝两侧的横缝不应互相错开。 纵接缝的间距在路面宽度3.04.5m的范围内确定。 碾压混凝土、钢纤维混凝土表面层全面铺设时，不必设纵向收缩。 3 .横接缝沥青按表面层类型和厚度选择：普通混凝土表面层一般为46m，表面层长宽比不得超过1.30，平面尺寸不得超过25m2的碾压混凝土或钢纤维混凝土表面层一般为610m 水泥混凝土表面层厚度参考范围为4 .路面表面结构应采用沟、沟、沟、拔毛等方法制作。 各级公路水泥混凝土表面层表面结构深度(mm )要求，特殊公路高速公路和一级公路指立交、平比或变速车道等其他等级公路指陡弯、陡坡、交叉口或集镇附近。 年降雨量在600mm以下的地区，可以适当降低表列的数值。 二、基层应具有充分的抗冲刷能力和一定的刚性。 基层型应根据交通等级在表格中选择。 基础层的宽度应比混凝土面板的一侧宽300650mm。 以碾压混凝土或贫混凝土为基础时，设置与混凝土地板对应的纵、横接缝。提高基层强度和刚度对降低表面层应力和减薄表面层厚度的影响很小。 因此，混凝土表面层下的基层可以不厚。 规范提出的各种基层厚度范围是根据形成结构层、易于施工(单层铺装碾压)或排水要求等因素制定的。 三、缓冲层如下情况，季节性冻结地区、路面总厚度小于最小防冻厚度的情况下，其差异在于需要用缓冲层厚度补偿的水文地质条件差的土质路堑、路基土的湿度大的情况下，在应该设置排水垫层的路基可能产生不均匀的沉降或不均匀的变形的情况下，将半刚性缓冲层注意事项：缓冲层的宽度应与路基相同，其最小厚度应为150mm。 防冻垫和排水垫最好采用砂、砂砾等粒子材料。 半刚性垫层使用低剂量的无机结合材料可以使颗粒和土稳定。 四、路基应稳定、致密、均匀，为路面结构提供均匀支撑。 注意事项：高液限粘土和有机质细粒土不能用作高速公路和一级公路路基填料或二级和二级以下道路和路基填料的高液限粘土和塑性指数为16以上或膨胀率为3%以上的低液限粘土不能用作高速公路和一级公路路基填料。 在条件的限制下，上述土必须作为填充材料使用时，应该混合石灰和水泥等结合材料进行改善。 地下水位高时，应该提高堤坝的设计水平。 路基压实度应满足公路路基设计规范的要求。 岩石和填石路基的上面应铺设平坦的层。 五、路肩1、路肩铺装结构应具有一定的承载能力，结构层组合和材料选择应与行车道路面协调，保证排除进入路面结构的水。 2、路肩铺装可选择水泥混凝土表面层或沥青表面层。 3、路肩水泥混凝土表面层厚度通常采用行车道表面层等厚度，其基层必须与行车道基层相同。 选择薄层时，厚度不应小于150mm，基层应采用倾斜的球团。 4、路肩沥青表面层应选用实体型沥青混合料。 其基层可选择无机结合材料的稳定颗粒或倾斜颗粒。 行道路面结构不设内排水设施的，沥青面层和不透水基层总厚度不得超过行道面层的厚度。 在基层下面用透水颗粒填埋。 第六节中国水泥混凝土路面设计方法、中国水泥混凝土路面设计方法以单轴双轮组100KN标准轴载的弹性半空间地基有限大矩形薄板理论有限元解为理论基础，以路面纵缝边缘载荷和温度综合疲劳弯曲应力为设计指标进行了路面厚度设计。 设计完成后，路面板综合疲劳弯曲应力应满足基于目标可靠度的极限状态平衡方程. 可靠度系数是与偏差和保证率相关的参数，是在综合考虑材料强度、板厚度、基面当量排斥弹性模量等参数实际变动的基础上，以一定的保证率给出的强度馀量系数。 目标可靠性和疲劳极限状态方程、水泥混凝土路面结构设计以设计标准期内行驶载荷和温度梯度综合作用下发生的表面层疲劳破坏为设计标准，以设计标准期内最大轴载荷和最大温度梯度综合作用下发生的表面层极限破坏为管理标准。 式中：r可靠度系数是根据选定的目标可靠度和变异水平决定的pr表面片在临界载荷位置产生的行驶载荷疲劳应力(MPa) tr表层板在临界载荷位置产生的温度梯度疲劳应力(MPa) p， max最重轴载荷在临界载荷位置产生的最大载荷应力(MPa) t，max某地区的最大温度梯度在临界载荷位置产生的最大温度反应力(MPa) fr水泥混凝土弯曲强度基准值(MPa )。 疲劳破坏：极限破坏：目标可靠度是设计路面结构应具有的可靠度水平。其选择是一个工程经济问题：目标可靠度高，设计的路面结构厚，初期建设费用高，但使用期间养护费用和车辆运行费用低，目标可靠度低，初期建设费用低，养护费用和车辆运行费用高。 根据施工技术、施工质量控制和管理水平，材料性能和结构尺寸参数的变异水平可分为低、中、高3个水平。 用滑模和轨道式工程机械施工，认真严格的施工质量控制和管理工程，可以选择较低的变异水平。 以滑模或轨道式施工机械施工，施工质量控制和管理水平较弱的工程，或以小型机械施工，但施工质量控制和管理严格执行的工程，可以选择中低的变异水平。 小型机械施工，施工质量控制和管理水平弱的工程，可以选择较高的变异水平。 另外，在可靠度设计方法中，各设计参数通常以平均值为基准值。 强度基准值取随机变量分布函数的85%左右的值。 力学模型结合基层和表面层类型，路面结构分析分别采用以下力学模型：1)弹性基层单层板模型应用于球团基层混凝土表面层，在旧沥青路面上铺混凝土表面层的表面层底面以下的部分用弹性地基处理。 2 )弹性地基双层模型适用于无机结合材料基础层或沥青基础层的混凝土表面层，在旧混凝土路面上铺设分离混凝土表面层的表面层和基层或新旧表面层为双层板，基层底面以下或旧表面层底面以下的部分用弹性地基处理。 3 )复合板模型应用于由两层不同性能材料制成的表面层或基层复合板。 在旧混凝土路面上铺设结合式混凝土的表面层，将由两层不同的性能材料构成的层间粘接的表面层作为弹性地基上的单层板或弹性地基上的双层板的上层板的无机粘合材料类基层或由沥青类基层和无机粘合材料类基层构成的基层作为弹性地基上的双层板的下层板。 三、弯曲应力分析和厚度设计，1 .弹性地基单层板荷载分析1 )临界荷载位为混凝土板纵边中央部产生最大荷载和温度梯度综合疲劳破坏的临界荷载位。 临界荷载位：路面发生最大综合疲劳损伤的荷载作用位置。 2 )设计轴在表面层临界载荷位置产生的载荷疲劳应力；式中：pr设计轴在表面层的临界载荷位置产生的载荷疲劳应力(MPa )； ps设计轴载荷在四边自由板的临界载荷位置产生的载荷应力(MPa) kr-考虑了接缝载荷能力的应力的减少系数、混凝土路肩、kr=0.870.92 (路肩表面层和路面表面层等较厚时为较低的值、较薄时为较高的值)、柔性路肩或路肩、kr=1。 考虑KF-设计标准期间内载荷应力的累积疲劳作用的疲劳应力系数。 KC-综合系数，考虑了计算理论和实际差异以及动载荷等因素的影响。 综合系数kc，公式中Ne设计基准期内设计轴载荷累积作用次数材料疲劳指数，普通钢筋，连续钢筋混凝土：=0.057； 碾压、贫混凝土：=0.065； f钢纤维体积率(% )； lf钢纤维的长度(mm) df钢纤维的直径(mm )。考虑KF-设计基准期间内负荷应力累积疲劳作用的疲劳应力系数，式中：Ps设计轴负荷的单轴重(kN) hc、Ec、vc混凝土表面片的厚度(m )、弯曲弹性模量(MPa )、泊松比r混凝土表面片的相对刚性半径(m ) Dc混凝土表面板的截面弯曲刚性(MNm) Et板底地基当量回弹模量(MPa )、ps标准轴载荷PS在四边自由板极限载荷位置产生的载荷应力、3 )新建道路的基础顶面当量回弹模量Et、式中E0路基顶综合回弹模量(MPa )。 回归系数Ex颗粒层相对于颗粒层的总厚度hx的当量回弹模量(MPa) hx颗粒层的总厚度(m) n颗粒层的层数Ei、hi第I结构层的回弹模量(MPa )和厚度(m )。 另外，在旧沥青混凝土路面上铺设水泥混凝土表面层时，原沥青混凝土路面上表面的地基综合当量回弹模量Et可以根据落锤式拐角(负荷50kN，装载板半径150mm )的中心点拐角的测定结果计算，或者贝