第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)

第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)第一頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)水泥混凝土路面的破壞類型主要有：斷裂、唧泥、錯(cuò)臺、拱起、接縫擠碎等。影響使用性能的因素是多方面的，混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以防止面層斷裂為主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。二、混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容1、路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)——應(yīng)根據(jù)路的交通繁重程度，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和材料供應(yīng)情況來進(jìn)行。選擇安排混凝土路面的結(jié)構(gòu)層次，包括土基、墊層、基層和面層的結(jié)構(gòu)層位，各層的結(jié)構(gòu)類型、彈性模量和厚度。2、混凝土面板厚度設(shè)計(jì)——應(yīng)按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，確定滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)使用要求所需的混凝土面層的厚度。第二頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)3、混凝土面板的平面尺寸與接縫設(shè)計(jì)4、路肩設(shè)計(jì)——高速公路和一級公路中間帶和路肩路緣帶的結(jié)構(gòu)應(yīng)與行車道的混凝土路面相同，并與行車道部分的混凝土板澆筑為整體。5、混凝土路面的鋼筋配筋率設(shè)計(jì)——當(dāng)混凝土面板較長或交通量較大時(shí)，發(fā)基有不均勻沉降或板的形狀不規(guī)則時(shí)，可沿板的縱向加設(shè)鋼筋，在角隅處加設(shè)角隅鋼筋或鋼筋網(wǎng)，以阻止可能出現(xiàn)的裂縫。三、混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則1、根據(jù)使用要求及氣候、水文、土質(zhì)等自然因素，密切結(jié)合本地區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)保證工程的質(zhì)量與耐久性。第三頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)2、在滿足交通與使用要求的前提下，應(yīng)遵循因地制宜、合理選材、方便施工、利于養(yǎng)護(hù)、節(jié)約投資的原則進(jìn)行混凝土路面設(shè)計(jì)方案的比較，選擇技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的方案。3、積極推廣成熟的科研成果、積極慎重地運(yùn)用行之有效的新材料、新工藝、新技術(shù)，以達(dá)到確保工程質(zhì)量與耐久性的目的。4、路面設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分考慮沿線環(huán)境的保護(hù)，自然生態(tài)平衡，有利于施工、養(yǎng)護(hù)工作人員的健康安全。5、為確保工程質(zhì)量，應(yīng)盡可能選擇有利于機(jī)械化、工廠化施工的設(shè)計(jì)方案。6、對于地處不良地基的路段，應(yīng)采取有效措施加快穩(wěn)定第四頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)路基沉降，路基沉降速率達(dá)不到限定要求時(shí)，決不能倉促施工提前鋪筑路面板。四、混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法把水泥混凝土路面板看作是支撐彈性地基上的小撓度彈性板，用彈性地基板理論進(jìn)行分析計(jì)算。對地基采用不同的力學(xué)模型：1、溫克勒地基模型——地基如同由許多豎向緊密排列而互不關(guān)聯(lián)的線性彈簧所組成，地基頂面任一點(diǎn)的撓度僅同作用于該點(diǎn)的壓力成正比，而與其他點(diǎn)上的壓力無關(guān)。2、彈性固體地基模型——地基看作是均質(zhì)的半無限連續(xù)介質(zhì)。地基頂面上任一點(diǎn)的撓度不僅同作用于該點(diǎn)的壓力有關(guān)，也同頂面其他點(diǎn)的壓力有關(guān)。3、巴斯特納克地基模型——假設(shè)文克勒地基的彈簧單元之間存在一定程度的剪切阻尼作用，類似于彈簧頂部與第五頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)由不可壓縮的梁或板單元組成的剪切層相聯(lián)結(jié)，層內(nèi)各單元間由于橫向剪切而變形。彈性地基板在承受局部荷載作用時(shí)的撓度和應(yīng)力分析，可以采用數(shù)值法或解析法（主要是有限元法）。五、混凝土路面交通等級1、混凝土路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是計(jì)算路面結(jié)構(gòu)可靠度時(shí)，考慮各項(xiàng)基本度量與時(shí)間關(guān)系所取用的基準(zhǔn)時(shí)間，也可理解為保證路面結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定可靠度指標(biāo)的有效期間。通常參照表16-1選定。2、標(biāo)準(zhǔn)軸載及軸載當(dāng)量換算不同軸－輪型和軸載的作用次數(shù)，應(yīng)根據(jù)（16-1）換算第六頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)。3、交通調(diào)查與軸載分析通過分析調(diào)查交通量資料，提出設(shè)計(jì)車道的年平均日貨車交通量ADTT以及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的交通量年平均增長率。設(shè)計(jì)車道在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期初期的標(biāo)準(zhǔn)軸載日作用次數(shù)按式（16-3）計(jì)算。4、標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)當(dāng)量作用次數(shù)通過式（16-4）確定；5、混凝土路面交通等級劃分按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)車道臨界荷位承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量累計(jì)作用次數(shù)分為4級，見表16-4。第七頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)第二節(jié)彈性地基板體系理論簡介一、小撓度彈性薄板的基本假設(shè)研究彈性小撓度薄板在垂直于中面的荷載作用下的彎曲時(shí),通常采用下述三項(xiàng)基本假設(shè)：A、垂直于中面方向的應(yīng)變極其微小，可以忽略不計(jì)；B、垂直于中面的法線，在彎曲變形前后均保持為直線并垂直于中面，因而無橫向剪切應(yīng)變；C、中面上各點(diǎn)無平行于中面的位移。對于彈性地基薄板，板與地基的聯(lián)系又采用如下假設(shè)：1、在變形過程中，板與地基的接觸面始終吻合，即板面與地基表面的豎向位移是相同的；2、在板與地基的接觸面之間沒有摩阻力，即接觸面上的第八頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)剪應(yīng)力視為零。二、撓曲面微分方程按彈性力學(xué)知識，見式（16-8）～（16-10）第九頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)第三節(jié)水泥混凝土路面應(yīng)力分析一、溫克勒地基板的荷載應(yīng)力分析威斯特卡德采用文克勒地基模型，分析了三種車輪荷載位置下板的撓度和彎矩：1、輪載作用于無限大板中央，分布于半徑為R的圓面積內(nèi)，荷載中心處板底最大彎拉應(yīng)力——計(jì)算公式（16-11）2、荷載作用于板邊緣中部，荷位下板底的最大彎拉應(yīng)力——計(jì)算公式（16-12）3、荷載作用于板角隅，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在板的表面離荷載圓中心為X1的分角線上——計(jì)算公式（16-13）第十頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)二、彈性半空間地基板的荷載應(yīng)力分析是以彈性模量和泊松比表征的彈性地基。它假設(shè)地基為一各向同性的彈性半無限體。按上述方法所算得的彎矩，只是板中部受荷時(shí)所產(chǎn)生的彎矩。彈性半無限地基的荷載應(yīng)力計(jì)算理論對于苛載作用于板邊、板角隅處，以及有限尺寸的矩形板，在不同組合的輪載作用于板上任何位置時(shí)，均無法解決。三、彈性半空間地基雙層板混凝土路面荷載應(yīng)力分析可分為兩類：1、上下層完全分離，接觸面假定為完全光滑；2、上下層密切結(jié)合，接觸面假定為完全連續(xù)；第十一頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)1、彈性地基上分離式雙層板計(jì)算公式（16-27），可見彈性地基分離式雙層板的兩層板間的彎矩分配與兩層板的剛度分配有關(guān)。2、彈性地基上結(jié)合式雙層板其求解比分離式的復(fù)雜，由于上下層完全緊密結(jié)合，如同單層板一樣工作時(shí)，兩層板只有一個(gè)中面，該中面的位置可根據(jù)作用于兩板橫斷面上內(nèi)力之和為零的條件求得。上下層彎拉應(yīng)力計(jì)算公式見（16-32）四、水泥混凝土路面溫度應(yīng)力分析1、脹縮應(yīng)力當(dāng)氣溫緩慢變化時(shí),板內(nèi)溫度均勻升降，則面板沿?cái)嗝娴纳疃染鶆蛎浛s，任一點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)槭剑?6-33），則由邊界條件，應(yīng)力為式（16-34）；板被劃分為有限尺寸的板塊，板因變形受阻而產(chǎn)生的板內(nèi)最大應(yīng)力出現(xiàn)于板長的中央，其值按公式（16-36）計(jì)算；第十二頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)2、翹曲應(yīng)力由于板的自重、地基反力和相鄰板的鉗制作用，使部分翹曲變形受阻，從而使板內(nèi)產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。為分析該應(yīng)力，作如下假設(shè)：溫度沿板斷面呈直線變化、板和地基始終保持接觸，不計(jì)板重，從而導(dǎo)出了板僅受地基約束時(shí)的翹曲應(yīng)力計(jì)算公式。計(jì)算公式見（16-37）、（16-38）為方便計(jì)算，工程中采用有限元計(jì)算。第十三頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)第四節(jié)水泥混凝土路面可靠度設(shè)計(jì)一、路面可靠度的定義和極限狀態(tài)函數(shù)路面可靠度廣義定義：在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在將遇到的環(huán)境條件和荷載作用下，路面能夠發(fā)揮其預(yù)期功能的概率。我國現(xiàn)行的混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是以混凝土路面板在車輛荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力綜合作用下，在縱縫邊緣中部出現(xiàn)縱向疲勞開裂作為臨界損壞狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)以荷載應(yīng)力和疲勞溫度應(yīng)力的疊加小于等于混凝土疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。路面可靠度定義：在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在車輛荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力綜合作用下，路面板縱縫中部不出現(xiàn)疲勞開第十四頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)裂的概率。路面極限狀態(tài)的函數(shù)為式（16-40）。在保持控制失效模式的實(shí)質(zhì)不變的前提下，也可采用路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命大于等于累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)作為路面結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)函數(shù)。路面結(jié)構(gòu)的可靠度可表示為（16-43）二、路面結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度是在滿足高等級公路行駛安全和舒適性要求的前提下，考慮道路初期費(fèi)用，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用與用戶費(fèi)用對目標(biāo)可靠度的影響后綜合確定的，通常采用校準(zhǔn)法來確定目標(biāo)可靠度。所謂校準(zhǔn)法是對按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)的路面進(jìn)行路面隱含可靠度的分析，以這些隱含可靠度作為目標(biāo)可靠度，則所設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)具有與原確定型設(shè)計(jì)方法相同的可靠度水平。第十五頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)參數(shù)均值的取值和變異系數(shù)范圍設(shè)計(jì)參數(shù)有：設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)軸載作用次數(shù)，混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和彈性模量以及路面板厚度等。1、設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)由使用初期當(dāng)量軸次、年增長率和橫向分布系數(shù)三個(gè)隨機(jī)變量決定。2、混凝土的抗彎拉強(qiáng)度和彈性模量見表16-11、16-123、路面板厚度路面板厚度的變異系數(shù)見表16-134、基層和土基抗壓回彈模量以及基層頂面綜合回彈模量見表16-14、16-12第十六頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)四、路面結(jié)構(gòu)可靠度的計(jì)算由公式（16-44）可知，只要知道了軸載作用次數(shù)和疲勞壽命的分布函數(shù)，就可得到路面結(jié)構(gòu)的可靠值。1、路面疲勞壽命的分布根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，混凝土彎曲疲勞壽命服從兩參數(shù)的威布爾分布。分布函數(shù)見（16-45）。按現(xiàn)行混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，路面疲勞壽命為混凝土抗折強(qiáng)度和荷載應(yīng)力及疲勞溫度應(yīng)力的函數(shù)，關(guān)系式為（16-46）。2、累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)的分布以采用對數(shù)正態(tài)分布假定為宜，其分布密度函數(shù)為（16-47）第十七頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)五、路面結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計(jì)為能考慮各設(shè)計(jì)參數(shù)變異性影響，可以通過引入一個(gè)可靠度系數(shù)，將可靠度概念應(yīng)用到考慮荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力綜合疲勞作用的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中，它不改變原設(shè)計(jì)方法的步驟。路面結(jié)構(gòu)可靠度系數(shù)定義為疲勞方程求得的最大允許應(yīng)力與實(shí)際最大應(yīng)力之比。第十八頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)第五節(jié)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)一、面層混凝土板面層應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整等良好的路用性能，一般采用設(shè)接縫、不配筋的普通混凝土路面板。混凝土面板層的厚度取決于公路和交通等級，可參照表16-17。二、混凝土路面基層結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的抗沖刷能力和一定的剛度。各類基層的適宜交通等級與適宜厚度范圍見表16-19。三、混凝土路面墊層結(jié)構(gòu)一般為應(yīng)對路基的特殊需求而設(shè)置，分為防凍墊層、排水墊層與加固墊層三類。第十九頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)四、混凝土路面的路基結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足穩(wěn)定、密度、均質(zhì)、耐久的要求。對路基土質(zhì)的要求很嚴(yán)，一般高液限粘土及含有機(jī)質(zhì)細(xì)粒土均不能用于高速公路和一級公路的路床填料，也不能用于二級和二級以下公路的上路床填料。第二十頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)第六節(jié)我國水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法我國水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法采用單軸雙輪組100KN標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)，以路面板縱縫邊緣荷載與溫度綜合疲勞彎拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行路面板厚度設(shè)計(jì)。一、目標(biāo)可靠度與疲勞極限狀態(tài)方程式見表16-20規(guī)定。水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)方程為（16-48）。二、彎拉應(yīng)力分析及厚度設(shè)計(jì)第二十一頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)1、荷載應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力按式（16-49）計(jì)算；2、溫度應(yīng)力分析在臨界荷位處的溫度疲勞應(yīng)力按式（16-55）計(jì)算確定。3、混凝土路面板厚度設(shè)計(jì)考慮荷載應(yīng)力和溫度翹曲應(yīng)力綜合疲勞損壞作用的混凝土面層厚度和板平面尺寸確定方法，可遵循如下設(shè)計(jì)步驟：A、收集并分析交通參數(shù)；B、初擬路面結(jié)構(gòu)；C、確定材料參數(shù)；D、計(jì)算荷載疲勞應(yīng)力和溫度應(yīng)力；E、檢驗(yàn)初擬路面結(jié)構(gòu)；第二十二頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)三、接縫設(shè)計(jì)1、縱向接縫縱縫一般分為假縫和施工縫?？v縫間距一般為3~4.5m設(shè)置，當(dāng)一次鋪筑寬度大于4.5米時(shí)，應(yīng)增設(shè)縱向縮縫，縱向縮縫采用假縫形式，應(yīng)設(shè)置拉桿，拉桿采用螺紋鋼筋，設(shè)在板厚中央。2、橫向接縫有三種：縮縫、脹縫、施工縫?？s縫保證板因溫度和濕度的降低而產(chǎn)生收縮時(shí)沿該薄弱斷面縮裂，從而避免產(chǎn)生不規(guī)劃裂縫；脹縫保證板在溫度升高時(shí)能部分伸張，從而避免產(chǎn)生路面板在熱天的拱脹；施工縫應(yīng)盡量做到脹縫處，如不可能，也應(yīng)做到縮縫處。第二十三頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)A、脹縫常采用平縫形式，也叫真縫?？p隙寬約20mm，縫隙上部30~40mm深度內(nèi)澆灌填縫料，下部設(shè)置富有彈性的嵌縫板，由油浸或?yàn)r青浸制的軟木板制成。應(yīng)在脹縫板厚中央設(shè)置滑動傳力桿，采用光圓鋼筋。脹縫應(yīng)盡量少設(shè)或不設(shè)，但在鄰近橋梁或其他固定構(gòu)筑物處、與柔性路面相接處、板厚改變處、隧道口、小半徑平曲線和凹形豎曲線縱坡變換處，均應(yīng)設(shè)置脹縫。B、縮縫一般采用假縫形式，即只在上部設(shè)縫隙，寬為3~8mm，深度為板厚的1/5~1/4，一般為5~6cm，一般不必設(shè)傳力桿，但在鄰近自由端部的3條縮縫內(nèi)，宜加設(shè)傳力桿?？s縫間距一般為4~6米。第二十四頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)C、橫向施工縫也叫工作縫，采用平縫的構(gòu)造形式，縫寬3~8mm，在深度1/5~1/4板厚的范圍內(nèi)澆灌填縫料。脹縫處的施工縫，構(gòu)造同脹縫，縮縫處的施工縫采用平縫加傳力桿型。四、混凝土面板配筋設(shè)計(jì)1、鋼筋混凝土面板配筋設(shè)計(jì)其鋼筋配筋量按式（16-58）計(jì)算確定。2、連續(xù)配筋混凝土路面板配筋設(shè)計(jì)（1）橫向裂縫平均間距計(jì)算按式（16-59）計(jì)算。第二十五頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)（2）裂縫間隙寬度計(jì)算按式（16-60）計(jì)算。（3）鋼筋應(yīng)力計(jì)算按式（16-61）確定；（4）縱向配筋率確定計(jì)算步驟見P488五、加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分三階段：舊路調(diào)查評定、改建方案確定、加鋪層設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程如下所述：第二十六頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)1、調(diào)查現(xiàn)有混凝土面層的結(jié)構(gòu)損壞狀況，選擇加鋪層形式，初估加鋪層厚度，并確定結(jié)構(gòu)損壞的處理措施；2、鉆取芯樣，測定舊混凝土路面的厚度和混凝土的劈裂強(qiáng)度，求得混凝土彎拉強(qiáng)度和彎拉彈性模量；3、在舊面層上進(jìn)行彎沉測定，反算得到舊路面頂面的當(dāng)量回彈模量值；4、按前述雙層式混凝土路面設(shè)計(jì)方法計(jì)算分離式或結(jié)合式加鋪層在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用于板縱向邊緣中部時(shí)的荷載應(yīng)力；在考慮荷載疲勞應(yīng)力系數(shù)、接縫應(yīng)力折減系數(shù)和綜合系數(shù)后，得到各層相應(yīng)的荷載疲勞應(yīng)力；以及最大溫度翹曲應(yīng)力，在考慮溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)后，得到相應(yīng)層的溫度疲勞應(yīng)力；5、分層疊加荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力，得綜合第二十七頁，共31頁。第十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)疲勞應(yīng)力，檢驗(yàn)加鋪層的設(shè)計(jì)厚度：分離式加鋪層的加鋪層以及舊面層的綜合應(yīng)力，結(jié)合式加鋪層的舊面層的綜合應(yīng)力應(yīng)