路基路面工程第16章-水泥混凝土路面设计.ppt

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1、第十五章 内容回顾,1.概述（优点、缺点）2.水泥混凝土路面构造（基层作用、接缝类型与构造）3.水泥混凝土路面的原材料（对材料的要求）4、路面混凝土配合比（内容、要求）5、水泥混凝土路面施工与质量控制（施工工序、机械设备、滑模摊铺机的特点）6、其他类型混凝土路面简介（钢筋混凝土路面、连续配筋路面的特点）,十六、水泥混凝土路面设计,1.概述2.弹性地基板体系理论简介3.水泥混凝土路面应力分析4、水泥混凝土路面可靠度设计5、水泥混凝土路面结构组合设计6、国内水泥混凝土路面设计方法7、国外水泥混凝土路面设计方法简介,问题：,水泥混凝土路面主要的破坏类型？混凝土路面应力分析采用什么理论体系？混凝土路面

2、结构设计的内容有哪些？什么是混凝土路面结构的可靠度？什么是路面结构可靠度系数？什么是水泥混凝土路面设计的临界荷位？,1.概述,混凝土路面板的弹性模量及力学强度大大高于基层和土基的相应模量和强度；混凝土的抗弯拉强度远小于抗压强度，约为其1/7-1/6，因此决定水泥混凝土板尺寸的强度指标是抗弯拉应力。在力学因式上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。,混凝土路面结构特征,水泥混凝土路面在行车荷载和环境因素的作用下可能出现的破坏类型主要有：1

3、)断裂；2)唧泥；3)错台；4)拱起；5)接缝挤碎等。影响混凝土路面的使用性能的因素是多方面的，如轮载、温度、水分、基层、技结构造、材料以及施工和养护情况等。从保证路面结构承载能力的角度，混凝土路面结构设计应以防止面层板断裂为主要设计标准；从保证汽车行驶性能的角度，应严格控制接缝两侧的错台量。混凝土路面设计必须从多方向采取措施来保证它的使用寿命。,混凝土路面在经受到车轮荷载重复作用的同时，还经受大气温度周期性变化的影响。因此，混凝土路面板的疲劳破坏不仅与荷载重复次数有关，而且与温度周期性变化产生的温度翘曲应力重复作用有关。因此，路面板防止两种因素综合作用产牛的疲劳开裂，必须使荷载疲劳应力(p)

4、与温度疲劳翘曲应力(t)和不超过混凝土的抗弯拉强度(fcm)，即,1、路面结构层组合设计合理选择安排混凝土路面的结构层层次、包括土基、垫层、基层和面层的结构层位，各层的路面结构类型、弹性模量和厚度。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,混凝土路面结构设计内容,1、根据使用要求及气候、水文、土质等自然因素，密切结合本地区实践经验。2、在满足交通量与使用要求的前提下，应遵循因地制宜、合理选材、利于养护、节约投资的原则进行混凝土路面设计方案的比较。3、推广成熟科研成果，积极慎重运用新材料和新工艺4、路面设计方案充分考虑沿线环境保护、生态平

5、衡5、尽可能选择有利于机械化、工厂化施工的设计方案6、对于地质不良地段，加快稳定路基,混凝土路面结构设计原则,2002年由中华人民共和国交通部颁布的公路水泥混凝土路面设计规范列出的设计方法以弹性半空间地基有限大矩形板模型为基础，以100kN单轴双轮标准轴载作用于矩形板纵向边缘中部产生的最大荷载应力控制设计。设计方法采用可靠度设计方法，以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态。,混凝土路面结构设计理论与方法,1、混凝土路面设计基准期,混凝土路面交通等级,2、标准轴载及轴载当量换算,3、交通分级,2.弹性地基板体系理论简介,水泥混凝土面板的刚度远大于基(垫)层和路基的刚度，具有

6、良好的扩散荷载的能力，所产生的弯曲变形远小于其厚度，可采用小挠度薄板理论进行分析，采用三项基本假设：1）垂直中面方向应变极其微小，可忽略不计；2）垂直中面的法线在弯曲变形后保持为直线，无横向剪切应变；3）中面上各点无平行于中面的位移。对于弹性地基薄板：在变形过程中，板面与地基表面的竖向位移是相同的；在板与地基的两接触面之间没有摩阻力(可以自由滑动)，即接触面上的剪应力视为零。,3.水泥混凝土路面应力分析,文克勒地基板的荷载应力分析,荷位荷位荷位,弹性半空间体地基板的荷载应力分析,水泥混凝土路面温度应力分析,1、胀缩应力,2、翘曲应力对有限尺寸板，沿板长L和板宽B方向的翘曲应力,在板边缘中部,4

7、.水泥混凝土路面可靠度设计,路面可靠度的定义和极限状态函数,路面可靠度：在设计使用年限内，在将遇到的环境条件和荷载条件下，路面能发挥其预期功能的概率。我国现行规范采用的结构设计方法是以混凝土路面板在车辆荷载应力和温度应力综合作用下在纵缝边缘中部出现纵向疲劳开裂作为临界损坏状态，设计时以荷载应力和疲劳温度应力的叠加小于等于混凝土疲劳强度作为设计标准。p+trf=s（A-BlgN）,混凝土路面结构可靠度可相应的定义为在设计年限内，在车辆荷载应力和温度应力综合作用下，路面板纵缝边缘中部不出现疲劳开裂的概率，即为：R=p（p+trf）,混凝土路面结构可靠度系数定义为疲劳方程求得的最大允许应力与实际最大

8、应力之比，路面设计要求：r（pr+tr）fr,5.水泥混凝土路面结构组合设计,面层混凝土板,水泥混凝土面层板应具有足够的强度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整良好的路用性能。面层一般采用设接缝、不配筋的普通混凝土路面板，对于不同等级公路承受不同交通等级的道路，可按照表16-16进行选择。普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或钢纤维混凝土面层板一般矩形分仓，用纵横接缝分隔，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，纵缝间距3到4.5m，横缝4-6m，面层板长宽比不宜超过1.3。水泥混凝土面板厚度参考范围见表16-17。,为保证行车安全，路面混凝土板的表面构造应采用刻槽、压槽、拉槽或拉毛等方

9、法制作，构造深度要求见下表：,特殊路段：对于高速公路和一级公路系指立交、平交或变速车道等处，对于其他等级公路系指急弯、陡坡、交叉口或集镇附近；年降雨量600mm以下的地区，表列数值可适当降低。,混凝土路面基层结构,基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。对于湿润和多雨地区，路基为低透水性细粒土的高速公路和一级公路或承受重交通量的二级公路，宜采用排水基层。,基层类型宜依照交通等级按下表选用。混凝土预制块面层应采用水泥稳定粒 料基层。,各类基层厚度和适宜范围见下表：,碾压混凝土基层应设置与混凝土面层相对应的接缝。贫混凝土基层在其弯拉强度超过1.8MPa时，应设置与混凝土面层相对应的横向缩缝；一次摊

10、铺宽度大于7.5m时，应设置纵向缩缝。,基层下未设垫层，上路床为细粒土、粘土质砂或级配不良砂（承受特重或重交通时），或者为细粒土（承受中等交通时），应在基层下设置底基层。底基层可采用级配粒料、水泥稳定粒料或石灰粉煤灰稳定粒料，厚度一般为200mm。排水基层下应设置由水泥稳定粒料或者密级配粒料组成的不透水底基层，厚度一般为200mm。底基层顶面宜铺设沥青封层或防水土工织物。,混凝土路面垫层结构,混凝土路面垫层结构一般是为应对路基的特殊需求而设置，分为防冻垫层、排水垫层与加固垫层。在以下情况下要设置垫层：1）季节性冰冻地区，路面总厚度小于最小防冻厚度要求时，其差值应以垫层厚度补足；2）水文地质条件

11、不良的土质路堑，路床土湿度较大时，宜设置排水垫层；3）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150mm。防冻垫层和排水垫层宜采用砂、砂砾等颗粒材料。半刚性垫层可采用低剂量无机结合料稳定粒料或土。,混凝土路面路基结构,路基应稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支承。,高液限粘土及含有机质细粒土，不能用做高速公路和一级公路的路床填料或二级 和二级以下公路和上路床填料；高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于 3的低液限粘土，不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时，应掺加石灰或水泥等结合料改善。,地下水位高时

12、，宜提高路堤设计标高。在设计标高受限制，未能达到中湿状态的路基临界高度时，应选用粗粒土或低剂量石灰或水泥稳定细粒土做路床或上路床填料；未能达到潮湿状态的路基临界高度时，除采用上述填料措施外，还应采取在边沟下设置排水渗沟等降低地下水位。路基压实度应符合公路路基设计规范（JTJ013）的要求。岩石或填石路床顶面应铺设整平层。整平层可采用未筛分碎石和石屑或低剂量水泥稳定粒料，其厚度视路床顶面不平整程度而定，一般为100500mm。,6.国内水泥混凝土路面设计方法,我国水泥混凝土路面设计方法采用100kN单轴双轮标准轴载作用下的弹性半空间地基有限大矩形板模型理论有限元解为理论基础，以路面板纵缝边缘荷载

13、与温度综合疲劳弯拉应力为设计指标进行路面板厚度设计。,目标可靠度与疲劳极限状态方程式,变异系数变化范围,混凝土路面结构结构设计极限状态方程式：r（pr+tr）fr,r取值,fr取值,荷载应力分析,1、临界荷位：面层板内产生最人应力或最大疲劳损伤的一个荷载位置。我国规范以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 临界荷位。2、标准轴载ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力,kf为考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按kf=Nev计算确定，Ne为标准轴载累计作用次数，v为材料系数，对普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土为0.057；碾压混凝土和贫混凝土为0.06

14、5。,温度应力分析,临界荷位处产生的温度疲劳应力按照下式计算：,混凝土板厚设计,首先进行行车道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)，并按表16-17所列的水泥混凝土面层厚度建议范围，依据交通等级、公路等级和所选变异水平等级初选混凝土板厚度。然后，按16-49和16-55节计算荷载疲劳应力和温度疲劳应力，当满足式16-48的要求时，则初选厚度可作为混凝土板的计算厚度。否则，重新计算，设计厚度依计算厚度按10mm向上取整。,加铺层结构设计,混凝土路面使用至基准期末，各项使用性能指标下降，不再满足行车要求，或者由于交通、环境条件变化，对路面提出新的要求时，路

15、面结构需要进行改建、加固。其工作进程大致分为旧路调查评定、改建方案确定和加铺层设计计算三部分进行。一、旧混凝土路面调查与评定一）调查内容：1、公路修建和养护技术资料：路面结构和材料组成、接缝构造及养护历史等；2、路面损坏状况：损坏类型、轻重程度、范围及修补措施等；3、路面结构强度：路表弯沉、接缝荷能力、板底脱空状况、面层厚度和混凝土强度等；4、已承受的交通荷载及预计的交通需求：交通量、轴载组成及增长率等；5、环境条件：沿线气候条件、地下水位以及路基和路面的排水状况等。,二）路面结构损坏情况与评定旧混凝土路面的损坏状况采用断板率和平均错台量两项指标评定。断板率的调查和计算可按公路水泥混凝土路面养

16、护技术规范（JTJ 073.1）的规定进行；错台调查可采用错台仪或其它方法量测接缝两侧板边的高程差，量测点的位置在错台严重车道右侧边缘内300mm处，以调查路段内各条接缝高程差的平均值表示该路段的平均错台量。混凝土路面损坏状况分级标准,三）接缝传荷能力和板底脱空状况调查评定 旧混凝土面层板的接缝传荷能力和板底脱空状况采用弯沉测试法调查评定。弯沉测试宜采用落锤式弯沉仪，也可采用梁式弯沉仪，其支点不得落在弯沉盆内。测定接缝传荷能力的试验荷载应接近与标准轴载的一侧轮载（50kN）。将荷载施加在邻近接缝的路面表面，实测接缝两侧边缘的弯沉值。按下式计算接缝的传荷系数。接缝传荷能力分级标准,四）旧混凝土路

17、面结构参数调查1）厚度：钻芯法量测高度,2）旧砼面弯拉强度：得到劈裂试验结果按下式计算,3）旧砼面弯拉弹性模量标准值,4）旧砼面基层顶面当量回弹模量,二、加铺方案及路面结构组合设计一）方案选择，可以根据实际情况，选择以下几种方案之一作为加铺方案。1、结合式混凝土加铺层；2、分离式混凝土加铺层；3、薄层沥青混凝土加铺层；4、旧砼面破碎，加铺沥青混凝土或新的混凝土板。,二）结合式混凝土加铺层结构设计 当旧混凝土路面的损坏状况和接缝传荷能力评定等级为优良，面层板的平面尺寸及接缝布置合理，路拱横坡符合要求时，可采用结合式混凝土加铺层。清除接缝中失效的填缝料和杂物，并重新封缝。采用铣刨、喷射高压水或钢珠

18、、酸蚀等方法，打毛清理旧混凝土面层表面，并在清理后的表面涂敷粘结剂，使加铺层与旧混凝土面层结合成整体。加铺层的接缝形式和位置应与旧混凝土面层的接缝完全对齐，加铺层内可不设拉杆或传力杆，最小厚度为25mm。,三）结合式混凝土加铺层结构设计 当旧路面的损坏状况和接缝传荷能力评定等级为中或次，或者新旧混凝土板的平面尺寸不同、接缝形式或位置不对应或路拱横坡不一致时，应采用分离式混凝土加铺层。加铺层铺筑前应更换破碎板，修补裂缝，磨平错台，压浆填封板底脱空，清除夹缝中杂物，重新封缝。在旧混凝土面层与加铺层之间应设置隔离层。隔离层材料可选用沥青混凝土、沥青砂或油毡等，不宜选用砂砾或碎石等松散粒料。沥青混合料

19、隔离层的厚度不宜小于25mm。分离式混凝土加铺层的接缝形式和位置，按新建混凝土面层的要求布置。,四）沥青加铺层结构设计 当旧混凝土路面的损坏状况和接缝传荷能力评定等级为优良或中时，可采用沥青加铺层。加铺层铺筑前应更换破碎板，修补和填封裂缝，磨平错台，压浆填封板底脱空，清除旧混凝土面层表面的松散碎屑、油迹或轮胎擦痕，剔除接缝中失效的填缝料和杂物，并重新封缝。,接缝传荷能力评定等级为中时，应根据气温、荷载、旧混凝土路面承载能力、接缝处弯沉差等情况选用下述减缓反射裂缝的措施：增加沥青加铺层的厚度；在加铺层内设置橡胶沥青应力吸收夹层、玻璃纤维格栅或者土工织物夹层；沥青加铺层下层用开级配沥青碎石组成的裂

20、缝缓解层；沥青加铺层上，对应旧混凝土面层的横缝位置锯切横缝。沥青加铺层的厚度按减缓反射裂缝的要求确定。高速公路和一级公路的最小厚度为100mm，其他等级的公路最小厚度宜为70mm。,三、加铺层厚度设计及结构可靠度验算设计方法和新建混凝土路面一样，设计方法的主要区别在于荷载疲劳应力和温度疲劳应力计算模型和参数不一样。1）加铺混凝土双层结构板荷载应力临界荷载仍为板的纵向边缘中部，分别计算上层和下层板的荷载疲劳应力，见式16-662）加铺混凝土双层结构板温度梯度应力温度疲劳应力仍按照式16-55，对分离双层板计算上层板温度疲劳应力，对于结合式只需要计算下层板温度疲劳应力，见式16-71到72。,习题,1.对某旧沥青路面进行质量评定，测得弯沉为150(0.01mm)，若想将该旧路改建为水泥砼路面，是否可直接铺筑水泥砼，还是需铺设基层？（要求Et大于等于80MPa）,2、对某旧沥青路面进行质量评定，在20用轴重为60KN的双轮组单轴测得轮隙处弯沉，杠杆弯沉百分表初读数d初=600，d终=480，该路面的控制标准ld=0.20cm,路面上该点强度是否合格？,