路基路面工程 第十二章教材课件.ppt
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1、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、
2、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,
3、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
4、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
5、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
6、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123,二、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
7、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124选择。,适宜各交通等级的基层类型及厚度的适宜范围表 表124,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。
8、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
9、,并为侧模和摊铺机械提供坚固的支承。,图122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123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。,
10、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150 mm。,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
11、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
12、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38mm,深度约为板厚的1/51/4,一般为56cm,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610mm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
13、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
14、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3.04.5m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
15、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200
16、 mm。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1216 mm的螺纹钢筋,置于面层
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