國內外水泥混凝土路面設計方法研究

1、期末結課論文論文題目：國內外水泥混凝土路方法對比研究 2013年7月摘要: 綜述國內外水泥混凝土路面設計方法。通過與我國水泥混凝土路面設計方法的對比分析,指出了我國水泥混凝土路面設計中的主要問題和需要改進的關鍵技術。關鍵詞:水泥混凝土路面設計方法；存在的問題 1 前言在歐美國家高速公路網中，水泥混凝土路面總量占50%左右，且絕大多數水泥混凝土路面使用現狀達到了設計要求，而且一些國家的水泥混凝土路面表現出非常卓越的長期使用性能。我國高等級公路中水泥混凝土路面所占比例并不高，高速公路和一級公路約占25%，二級以下公路所占比例約為40%，但很多水泥混凝土路面遠未達到設計使用壽命期就出現了大面積的破損

2、現象，嚴重影響了水泥混凝土路面在我國的聲譽和使用前景。歸根結底國外水泥混凝土路面設計方法在某些方面比我國的設計方法有著較大的優(yōu)勢。2國外水泥混凝土路面設計方法簡介2.1美國AASHTO混凝土路面設計方法美國州公路與工作者協(xié)會在AASHTO實驗路的基礎上，以現時耐用性指數（PSI）作為衡量路面使用性能的指標，制定了AASHTO路面結構設計方法。2.1.1設計標準路面結構從開始使用到需要采取重大修復措施時所經歷的時段，稱為使用性能期。水泥混凝土路面剛修好時的初始耐用性能指數PSI0約為4.5左右，到達需采取重大修復措施時的終端耐用指數PSI1，可取2.5或3.0（主要公路）或2.0（輕交通公路）。

3、在使用性能期內路面耐用性能指數的總變化量：PSIPSI0PSIt即作為路面設計標準。所設計的路面結構必須能承受使用性能期內行車荷載的累積作用和環(huán)境因素的影響，使路面耐用性指標數的下降量PSI不超過上述預定值。2.1.2設計參數（1）交通分析選用80KN的軸載作為標準軸載。采用使用期內的標準軸載累積作用次數。（2）可靠度水平 依據設計道路類型，參照AASHTO標準選定路面的可靠度水平，并選定與可靠度水平相對應的可靠指標。（3）地基設計反應模量 在選用這一設計參數時，AASHTO設計方法作了5方面的考慮： 按年內各月的濕度和溫度狀況確定路基土和基層材料相應的回彈模量值。 利用彈性雙層體系理論解將回

4、彈模量轉換成地基綜合反應模量值。 考慮基巖在路基頂面下的深度（3m以內），對綜合反應模量值進行相應的修正。 按照各個月的綜合模量值對路面的相對損害程度確定地基等效反應模量值。 按所選基層的耐沖刷能力，考慮板底脫空情況，對等效反映模量進行修正，得到設計反應模量值k。（4）混凝土抗彎拉強度fr和彈性模量Ec。 以28d齡期測定結果的平均值作為混凝土的設計抗彎拉強度fr?；炷翉椥阅Ａ堪聪率鼋涷炾P系式，由抗壓強度估算得到：Ec4733fc0.5（5）路面排水系數CdAASHTO實驗路的混凝土路面采用橫貫路基（黏土）全寬的粒料基層，滲入路面結構內的自由水可以在基層內向路基邊坡橫向排流，排水時間估計需一

5、周，屬于中等排水狀況。對于其他設置不同內部排水設施或者排水狀況更差的路面結構，引入一排水系數Cd來考慮排水狀況的影響。按滲入水在路面結構內排除的時間和一年內路面結構處于接近飽和水狀態(tài)的時間，分別建議不同的排水系數值。（6）接縫傳荷系數CjAASHTO試驗路的混凝土路面，其橫縫設置傳力桿。因而，板角應力公式中的傳荷系數采用了3.2。而對于其他情況，如橫縫不設傳力桿，路肩選用設拉桿的混凝土路面，則傳荷系數應按板角應力值的做相應的變更。2.1.3設計步驟（1）確定各項設計參數（2）確定地基的設計反應模量（3）確定所需的面層厚度h2.2美國波特蘭水泥協(xié)會（PCA）混凝土路面設計方法PCA法以文克勒地基

6、上彈性薄板理論為基礎，考慮了水泥混凝土路面的使用年限、疲勞強度等多種因素，是一種比較完善的方法。2.2.1設計使用年限與交通分析PCA取混凝土路面設計使用年限為40年。按當前道路上交通量統(tǒng)計資料，確定當前的年平均日交通量，其中包括貨車數、單軸和雙軸各級荷載的分配，然后根據交通量的年增長率，預估使用年限內各級單雙軸載的作用次數。2.2.2荷載安全系數PCA采用荷載安全系數以考慮汽車的超載、輪載分配的不均勻性和沖擊作用所引起的荷載增大。為此按道路交通量的的不同，規(guī)定了荷載安全系數值如下：對于承受少量貨車交通的道路、居住區(qū)街道和其他道路，采用1.0；對于承受中等貨車交通量的道路和主要街道，采用1.1

7、；對于承受連續(xù)交通流和大量貨車交通的州際道路和其他多車道路面，采用1.2。按交通分析得出的各級軸載，都要乘上上述荷載安全系數，作為設計軸載。2.2.3基礎強度特征基礎的強度特征以地基反應模量K表征。K值通過承載板試驗確定，它隨材料的性狀、承載板的直徑和撓度的取值不同而異。2.2.4荷載應力公路和城市道路路面，通常采用3.6m寬的的車道，由實測到的車流沿此車道橫向分布的頻率可知，在車道的縱向邊緣和角隅處荷載重復作用的幾率均很小，而軸載位于橫縫邊緣時，恰好是荷載重復性最大處。故PCA采用橫縫邊緣作為計算應力的臨界荷載位置。2.2.5疲勞與安全系數根據野外和室內試驗資料，PCA規(guī)定了混凝土板的應力比

8、（重復彎曲應力與抗彎拉強度之比）與允許重復次數的對應關系。各級軸載重復作用的累積影響可根據Miner的假說來確定，即材料在重復荷載作用下產生的疲勞呈線性累積，一個荷載重復作用后未耗盡的疲勞抗力仍可被另一個荷載重復作用時所利用。據此確定各級軸載產生的應力比。由表查的相應的允許重復作用次數與實際重復作用次數之比，即得各級軸載對疲勞抗力的利用率。疊加利用率，得總的疲勞利用率。理論上利用率總和不能大于1，但考慮到混凝土強度在28d齡期后還要增長，所以根據28d抗彎拉強度設計時，疲勞的總和允許增大到1.25。2.3日本水泥混凝土路面設計方法日本水泥混凝土路面的設計方法，理論基礎與世界上大多數國家一樣，仍

9、是威斯特卡德提出的溫克勒地基上的板體理論。日本目前采用的設計計算方法是由建設省土木研究所的巖間滋提出的。他針對日本水泥混凝土路面的現狀，認為水泥混凝土路面板受力條件較差的部位不是在板角，而是在板的縱向邊緣。因此，它的設計方法主要是計算板的縱向邊緣的荷載應力和溫度應力，以荷載應力和溫度應力引起的綜合應力在路面的使用期限內不致導致路面板的開裂破壞作為設計標準。2.3.1水泥混凝土路面的結構日本常用的水泥混凝土路面結構主要由兩部分組成，即水泥混凝土版和基層，基層通常又分為上下兩層。2.3.2基層厚度的設計基層厚度設計有兩種方法，即根據路基反應模量設計的方法和根據CBR設計的方法。一般要求采用前一種方

10、法，但在路基反應模量難以取得的情況下，若事先已知路基的設計CBR值抑或工程本身規(guī)模小，則采用后一種方法。2.3.3混凝土路面板的厚度設計在日本，目前對于一般的水泥混凝土路面工程，不做詳細計算。通常，在基層反應模量K30達到2.0MPa/cm,混凝土設計抗折強度為4.5MPa的前提下，混凝土板的厚度可根據道路交通量的分級查的交通量等級混凝土板的厚度設計L15(20)A20(25)B25C28D30注：括號內數值系混凝土設計抗折強度為4.0MPa時的板厚值。對于設計精度要求高，規(guī)模要求較高的水泥混凝土路面工程，或者在基層反應模量?。ɑ蛱貏e大）、重交通的交通量極大以及工程本身要求采用特殊板厚等情況的

11、路面工程，才有必要進行設計計算。3我國水泥混凝土路面設計方法我國公路水泥混凝土路面設計經歷3個發(fā)展階段：(1) 經驗法，憑經驗決定路面結構各層的厚度和材料；(2) 力學經驗法，采用結構分析理論（彈性地基板或彈性層狀體系理論等）和數值計算方法（解析法或有限元法等）相結合；(3) 可靠度設計法，考慮了綜合應力（溫度應力和荷載應力）、路面材料性能、幾何尺寸、結構參數以及交通參數等因素的不確定性。我國水泥混凝土路面現行設計方法采用單軸雙輪組100kN標準軸載作用下的彈性半空間地基有限大矩形薄板理論有限元解為理論基礎，以路面板縱縫邊緣荷載與溫度綜合疲勞彎拉應力為設計指標進行路面板厚度設計。設計完成后，路

12、面板的綜合疲勞彎拉應力應滿足以目標可靠度為依據的極限狀態(tài)平衡方程式。水泥混凝土路面結構設計以行車荷載和溫度梯度綜合作用產生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)方程為：r(pr+tr) fr4國內外設計方法的比較AASHTO設計方法所依據的疲勞損壞概念和指標主要適用于AASHTO 設計方法賴以建立的AASHTO 試驗路條件。我國混凝土路面設計是以彈性半空間地基上的彈性薄板理論為基礎的理論法, 其中的疲勞方程是根據室內小梁試驗并以開裂作為疲勞損壞標準而得到的。在此方程基礎上進行軸載分析， 建立回歸公式, 進而推出軸載換算公式, 其中單后軸的軸載換算公式為: N / N i = ( Pi / P

13、) 16，此指數與AASHTO 的換算指數相差甚大。我國現行設計方法的軸載換算公式以簡支條件下混凝土小梁試件的疲勞試驗數據為依據而建立。事實上, 小梁和路面板的受力狀態(tài)并不相同，一般情況下，梁僅處于單向受彎拉狀態(tài)，而路面板卻處于雙向受彎拉狀態(tài)。此外， 受彈性地基支承的路面板與邊界條件僅為簡支的梁, 其疲勞特性也有較大的差異。AASHTO 設計方法引入了用路者對路面破壞的定義，而不是慣用的結構破壞概念，為了定量地表示路面的功能特性, 引入了耐用性指數PSI，所以它所依據的疲勞損壞概念與我國設計方法差別較大。另外AASHTO 設計方法中的計算公式、參數和約定有相當明顯的地區(qū)特性，是一種經驗程度較大

14、的方法，而在50 年代的美國，無論路面結構、車輛組成及環(huán)境影響均與當前我國的實際情況有較大的差別。因此，兩種軸載換算公式的指數相差較大有其客觀的原因。PCA設計方法考慮板邊中間應力產生的混凝土疲勞和板角撓度產生的地基沖刷。通常在輕型交通作用下，薄層路面設計用疲勞分析控制，而在重型交通作用下，厚層路面設計用沖刷分析控制，對于常規(guī)混合軸載重量作用下的路面，單軸荷載易于疲勞開裂，雙軸荷載易于產生沖刷破壞。分別考慮每一個荷載組，并根據累積損份量總加起來，反復驗證厚度，直至兩項損份率均小于1；還考慮了接縫類型及路肩類型影響。5我國水泥混凝土設計方法存在的不足5.1 設計板厚度 在水泥混凝土路面的設計問題

15、上，“超薄先進”或“設計板厚不應比國外厚”等提法值得商榷。首先，中國所采用的設計標準軸載為10t，比大多數發(fā)達國家的設計標準軸載大，如果用同樣的設計理論和設計公式計算，我國水泥混凝土路面的設計板厚應比國外厚才對，而我國(JTJ 012- 94)設計規(guī)范在高速公路上的設計板厚卻比國外薄。在設計板厚不應比國外厚，才體現技術先進性的指導思想下，同時受到投資條件的制約，盡管我國水泥混凝土路面設計計算理論考慮了溫度疲勞應力，理論上相當先進，但是由于調小了有關設計參數，使得設計板厚較薄。如動載安全系數，高速公路上只取1.05，理由是高速公路平整度提高后，沖擊荷載減少，實際上沒有注意到盡管高速公路的平整度提

16、高了，但同時設計車速也成倍提高，沖擊荷載不僅沒有減小，反而有所提高，問題的關鍵是該系數及相當部分的系數取值沒有在實際高速公路路面上測量過，沿用或外推了二級公路上的設計參數，可能會有問題。5.2邊緣補強我國水泥混凝土路面設計臨界荷載位置為縱縫邊緣的中部，然而，實踐證明，水泥混凝土路面在使用過程中，往往于邊角處最先破壞。因此，我國水泥混凝土路面設計應考慮面板角隅處基層脫空對路面板強度的影響。水泥混凝土路面設計規(guī)范(JTJ012-94)對板邊緣補強鋼筋的設置規(guī)定為:混凝土面板縱、橫向自由邊緣的基礎，當有可能產生較大的塑性變形時，宜在板邊緣加設補強鋼筋。”目前，在我國某些高速公路水泥混凝土路面上，在所

17、有路面的縱向內外邊緣均設計了邊緣補強鋼筋，特別是在中央分隔帶路面的邊緣也設計了邊緣補強鋼筋。而實際上這樣設計邊緣補強鋼筋的作用并不大，主要因為:一是邊緣有護欄防護，車輪不可能行駛到邊緣位置;二是中央分隔帶不大可能產生較大的側向或沉降位移;同時，全部混凝土路面的邊緣進行補強時，施工難度增大，特別是大型滑模攤鋪施工時，需要預先將邊緣補強鋼筋焊接固定，方可連續(xù)攤鋪。因此，參照國外的作法，規(guī)定邊緣補強鋼筋宜設在匝道引掛車道或交叉口的路面邊緣以及高填方路段的邊緣，不宜在整條水泥混凝土路面全部設置邊緣補強鋼筋。5.3荷載變化路面設計中，沒有考慮荷載沖擊變化、超載等因素對荷載的變異影響，后期研究應做好車輛在

18、路面上行駛時荷載變異的分析。路面設計中，對荷載分類不夠明確，針對性差。研究并建立明確不同荷載對路面設計的影響體系，這樣，在路面設計前做好充分的交通調查和分析，并按相應的荷載分類進行路面設計。5.4傳力桿設置對于面層板來說，我國絕大部分混凝土路面的橫向縮縫均未設傳力桿。不設傳力桿的主要原因是施工不便。但接縫是混凝土路面的最薄弱處，PHP泥和錯臺病害，除了基層不耐沖刷外，接縫傳荷能力差也是一個重要原因。同時，在出現PHP泥后，無傳力桿的接縫由于板邊撓度大而容易迅速產生板塊斷裂。此外，接縫無傳力桿的舊混凝土面層在考慮設置瀝青加鋪層時，往往會因接縫傳荷能力差易產生反射裂縫而不得不加大加鋪層的厚度。為了改善混凝土路面的行駛質量，保證混凝土路面的使用壽命，便于在使用后期鋪設