16水泥混凝土路面设计 (2)

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临界荷位处车辆轮迹横向分布系数η
公路等级
高速公路、一级公路
二级、二级以 下公路
行车道宽＞7m 行车道宽<7m
纵缝边缘处 0.17-0.22 0.34-0.39 0.54-0.62
注：车道、行车道较宽或者交通量较大时，取高值；反之，取低值。
5.交通等级划分
第三节 水泥混凝土路面应力分析
4) 水泥混凝土为脆性材料，在断裂时相对拉伸变形很小， 在荷载作用下土基和基层的变形情况对混凝土板的影响很 大，不均匀的基础变形会使混凝土板与基层脱空。
4. 破坏类型和设计标准
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) 断裂；2) 唧泥；3) 错台；4) 拱起；5) 接缝挤碎等
1) 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；
2) 其次，混凝土的抗弯拉强度远小于抗压强度，约为其 1/6～1/7，因此决定水泥混凝土板尺寸的强度指标是抗弯拉 应力；
3) 同时，由于混凝土板与基层或土基之间的摩阻力一般不 大，所以在力学图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。
σp+σt≤fcm
为了防止混凝土路面拱起、错台、接缝挤碎和唧泥，除了采 用排水基层、耐冲刷基层和增强接缝传荷能力外，还可加强日 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. 混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 4. 路肩设计 5. 混凝土路面(连续配筋、钢筋混凝土路面)的钢筋配筋率设计
一、目标可靠度与疲劳极限状态方程式
可靠度系数是与偏差与保证率相关的一个参数，它是在综 合考虑材料强度、面板厚度、基层顶面当量回弹模量等参 数会发生实际变异的基础上，按一定保证率给出的强度富 余系数。
水泥混凝土路面结构设计以设计基准期内行车荷载和温度梯 度综合作用所产生的面层板疲劳断裂作为设计标准，并以设 计基准期内最重轴载和最大温度梯度综合作用所产生的面层 板极限断裂作为验算标准。
4、路肩沥青面层宜选用密实型沥青混合料。其基层可选用无 机结合料稳定粒料或级配粒料。行车道路面结构不设内部排水 设施时，沥青面层和不透水基层的总厚度不宜超过行车道面层 的厚度，基层下应选用透水性粒料填筑。
第六节 我国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单轴双轮组100KN标 准轴载作用下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，以路面板纵缝边缘荷载与温度综合疲劳 弯拉应力为设计指标进行路面板厚度设计。设计完成后， 路面板的综合疲劳弯拉应力应满足以目标可靠度为依据的 极限状态平衡方程式。
各级公路水泥混凝土面层的表面构造深度(mm)要求
公路等级 一般路段 特殊路段
高速公路、一级公路 0.70～1.10 0.80～1.20
二、三、四级公路 0.50～1.00 0.60～1.10
特殊路段—对于高速公路和一级公路系指立交、平较或变速 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。
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处的温度，随气温的 变化而变化。这种变化使混凝土板出现膨胀和收缩变 形的趋势。当变形受阻时，板内便产生胀缩应力或翘 曲应力。
1. 胀缩应力
混凝土浇筑的初期，混凝土尚未完全硬化，其抗拉强度 不足以抵抗收缩应力，板将出现开裂。
混凝土板温度升高时，如果未设置胀缝，板的膨胀受阻， 板内将出现膨胀应力。
普通混凝土面层一般为4～6m，面层板的长宽比不宜超过 1.30，平面尺寸不宜大于25m2；
碾压混凝土或钢纤维混凝土面层一般为6～10m；
钢筋混凝土面层一般为6～15m。
水泥混凝土面层厚度的参考范围
交通荷载等级 公路等级
变异水平等级 面层厚度 (mm) 交通荷载等级
公路等级 变异水平等级 面层厚度 (mm)
为了减少收缩应力，在混凝土板内设置各种接缝，板被 划分为有限尺寸的板块。这时板的自由收缩受到板与基础 的摩阻力所约束，此摩阻力随板的自重而变。因变形受阻 而产生的板内最大应力出现于板长的中央。
板划分为有限尺寸板块后，因收缩而产生的应力很小， 可不予考虑。
2. 翘曲应力
1) 当气温变化较快时，板顶面与底面产生温度差，胀缩变形 大小也就不同。
1、路肩铺面结构应具有一定的承载能力，其结构层组合和材 料选用应与行车道路面相协调，并保证进入路面结构中的水的 排除。
2、路肩铺面可选用水泥混凝土面层或沥青面层。
3、路肩水泥混凝土面层的厚度通常采用与行车道面层等厚， 其基层宜与行车道基层相同。选用薄面层时，其厚度不宜小于 150mm，基层应采用开级配粒料。
目标可靠度是所设计路面结构应具有的可靠度水平。它 的选取是一个工程经济问题： 目标可靠度定得较高，则所设计的路面结构较厚，初期修 建费用较高，但使用期间的养护费用和车辆运行费用较低； 目标可靠度定得较低，初期修建费用可降低，但养护费用 和车辆运行费用需提高。
中等或轻交通
底基层类型
级配碎石，水泥稳定碎石，石灰粉煤灰稳 定碎石
未筛分碎石，级配砾石或不设
基层的宽度应比混凝土面板每侧宽出300~650mm。
采用碾压混凝土或贫混凝土作为基层时，应设置与混凝 土面层板相对应的纵、横接缝。
提高基层的强度或刚度，对于降低面层的应力或者减薄 面层的厚度，影响很小。因而，混凝土面层下的基层不必 很厚。
1. 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 两侧的横缝不得相互错位。
2. 纵向接缝的间距按路面宽度在3.0～4.5m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。
3. 横向接缝的间距按面层类型和厚度选定：
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，宜提高路堤设计标高。
路基压实度应符合《公路路基设计规范》的要求。
岩石或填石路床顶面应铺设整平层。
五、路肩
规范建议的各类基层的厚度范围，是依据形成结构层、 方便施工（单层摊铺碾压）或排水要求等因素制定的。
三、垫层
遇有下述情况时，需在层基下设置垫层：
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；
水文地质条件不良的土质路堑，路床土湿度较大时，宜设 置排水垫层；
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。 注意事项：
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。
采用了可靠度设计方法，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。
五、混凝土路面交通等级
1. 设计基准期
2. 轴载当量换算
Ns

n
i Ni
i 1

Pi 100
16
3. 交通调查与轴载分析
年降雨量600mm以下的地区，表列数值可适当降低。
二、基层
基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。
基层类型宜依照交通等级按表选用。
交通等级
基层类型
极重、特重 贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土基层
重
水泥稳定碎石或密集配沥青稳定碎石基层
中等、轻
水泥稳定碎石、石灰粉煤灰稳定碎石或级 配碎石基层
交通等级 极重、特重、重
假设：温度沿板断面呈直线变化、板和地基始终保持接 触，不计板自重。
第五节 水泥砼路面结构组合设计
一、面层混凝土板
应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。 一般采用设接缝、不配筋的普通混凝土； 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。 对于承受特种交通高速公路，可以选用连续配筋混凝土面 层或选用连续配筋混凝土路面加沥青混凝土面层的复合式路 面结构。
3. 混凝土板必须具有足够的抗弯拉强度和厚度
1) 混凝土的抗弯拉强度远低于抗压强度，在车轮荷载作用 下当弯拉应力超过混凝土的极限抗弯拉强度时，混凝土板 便产生断裂破坏。
2) 在车轮荷载的重复作用下，由于疲劳效应混凝土板会在 低于其极限抗弯拉强度时出现破坏。
3) 板顶面和底面的温差会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。
极重
特重
重
-
高速
一级
二级 高速
一级
二级
低
低
中
低中 低
中低中
≥320 320~280 300~260
280~240
270~230 260~220
二级
ห้องสมุดไป่ตู้
中等 三、四级
三、四级
轻 三、四级
高
中
高
中
高
中
250~220
240~210
230~200
220~190 210~180
4. 路面表面构造应采用刻槽、压槽、拉槽或拉毛等方法 制作。
由于轻型车对混凝土路面的疲劳损伤可以不计，因此将 统计的年平均日交通量中的2轴4轮以下的轻型客货车辆所 占的交通量剔除不计，从而得到设计基准期初期的年平均 日货车交通量（双向）。
再乘以方向系数（通常为0.5）和车道分布系数才能得到 设计车道在设计基准初期的年平均日货车交通量ADTT。
由轴载谱和轴载当量换算系数计算得到设计车道使用初期 的标准轴载日作用次数：
三、混凝土路面结构设计理论与方法
1. 世界各国：
以弹性地基板的荷载应力、温度应力分析方法为基本理 论，以混凝土路面板的弯拉应力作为极限状态和设计控制指 标。