第八章 水泥混凝土路面及其结构设计

xy
EZ 2 w EZ k xy 1 xy 1
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
弯矩与扭矩
2 2 EZ w w EZ x 2 2 2 1 x y 1 2
2 2 EZ w w EZ y 2 1 2 x 2 1 2 y
第一节 概述
水泥混凝土路面的破坏类型：

断 唧 错 拱
裂 泥 台 起
接缝挤碎
第一节 概述
错台
拱起 唧泥
第一节 概述
接缝挤碎
第一节 概述
第一节 概述
第一节 概述
第一节 概述
水泥路面的设计标准
第一节 概述
水泥混凝土路面结构设计主要内容
路面结构层组合设计
混凝土面板厚度设计
混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 路肩设计 混凝土路面的钢筋配筋设计
1 x y E 1 y x E
EZ 2 w 2w EZ 1 x 2 1 2 y 2 1 2 x Px Py
x
x y



y
x 1 2 x y y E 2 y x
耐久性好；
养护费用少，运输成本低； 有利于夜间行车。
开放交通迟；
修复困难； 对超载敏感
第一节 概述
类型： 普通混凝土； 钢筋混凝土； 连续配筋混凝土； 预应力混凝土； 装配式混凝土； 钢纤维混凝土等。
第一节 概述
普通混凝土路面 除接缝区和局部范围外不配置钢筋的 混凝土路面（素混凝土路面应具有足够的耐久性，面板必 须设置在坚固耐久的的基础上，以保证行车要求。
第二节 水泥混凝土路面结构
面层厚度参考范围
交通等级 公路等级 变异水平等级 面层厚度 （mm） 高速 低 特重 一级 中 低 二 级 中 高速 低 270～ 240 重 一级 中 260～ 230 低 二级 中
≥26 ≥250 0
≥240
250～220
第二节 水泥混凝土路面结构
面层厚度参考范围
交通等级 公路等级 变异水平等级 面层厚度 （mm） 二级 高 240～210 中 中等 三、四级 高 三、四级 中 220～200 轻 三、四级 高 ≤230 中 ≤220

缩缝应做成假缝形式，即铺筑时仅在板的上部设缝槽，而 板的收缩和翘曲会使缝槽下的混凝土自行断裂。 纵向缩缝也应设拉杆，以避免板块横向位移并保证接缝的 传荷能力。

第二节 水泥混凝土路面结构
第二节 水泥混凝土路面结构
接缝布置： 纵缝：车道线划分处（3~3.75m宽），避免纵缝设在轮迹 上。 横缝：一般等间距垂直纵缝布设。两侧的横缝应对齐。 4 、 4.5、5、5.5、6m等，也可与纵缝斜交，减少行车跳动。 胀缝：尽量布设，但与其他结构物（桥梁、隧道、柔性路 面等）相接处、板厚变化处、小半径弯道、纵坡变换处均 应设置胀缝。
y x
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
由几何方程和物理方程，得出应力—应变—位移方程：
Ec Ec z 2 w 2w x ( x y ) ( 2 c 2 ) 2 2 1 c 1 c x y Ec Ec z 2 w 2w y ( y x ) ( 2 c 2 ) 2 2 1 c 1 c y x Ec Ec z 2 w xy xy 2(1 c） 1 c xy
服务区停车场
第二节 水泥混凝土路面结构
第二节 水泥混凝土路面结构

接缝
设置目的： 防止温度变化引起的胀缩应力、翘曲 应力和施工要求。
温度升高时
温度降低时
第二节 水泥混凝土路面结构
接缝分类 （1）从接缝的方向分：横缝、纵缝 横缝：垂直于行车方向的接缝 纵缝：平行于行车方向的接缝
路面接缝设置图
1 Px Py
1 Py Px
xy
EZ 2 w EZ k xy 1 xy 1
积分
Mx
w2 w2
Z x dz
Eh3 1 (1 )
2
(k x k y )
适用于： 城市道路、厂矿道路。大型基建场地、停车站场和软弱土地 基上。
第一节 概述
钢纤维混凝土路面 在混凝土中掺入一些低碳钢，不锈 钢纤维或其他纤维（如塑料纤维、纤维网等），即成为一 种均匀而多向配筋的混凝土路面。
特点：显著提高混凝土的抗拉强度、抗冻性、抗冲击性、抗 摩性、抗疲劳性，可以显著减薄路面厚度，改善路用性能。
E 1
xy
E 2(1 )
xy
x y2 w 2 EZ 2w 1 EZ y 2 E 1 y 2 x 2 1 2 y x 1 2
E




1 Py Px
（1-横缝；2-纵缝）
第二节 水泥混凝土路面结构
第二节 水泥混凝土路面结构
(2)从接缝的功能分：缩缝、胀缝、施工缝
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，同时也 能起到缩缝的作用。
第一节 概述
钢筋混凝土 为防止可能产生的裂缝缝隙张开，板内配置 有纵、横向钢筋网的混凝土路面。 适用于:1）混凝土平面尺寸较大；2）路基或基层可能产生不 均匀沉陷；3）板下埋有地下设施。
第一节 概述
连续配筋混凝土路面 除在邻近构造物处或与其他路面交 接处设置胀缝，以及视施工需要设置施工缝外，在路段长 度范围内不设横缝，而配置纵向连续钢筋和横向钢筋的混 凝土面层。 适用于：高速公路、一级公路
提高路面结构的承载能力，延长路面的使用寿命 防水，为面层施工提供方便
第二节 水泥混凝土路面结构
适宜于各交通荷载等级的基层和底基层类型
交通荷载等级 极重、特重 基层类型 贫混凝土、碾压混凝土 沥青混凝土 重 密集配沥青稳定碎石 底基层类型 级配碎石 级配碎石、石灰、粉煤 灰稳定碎石、水泥稳定 碎石
水泥稳定碎石
第八章 水泥混凝土路面及其结构设计 李波（副教授）
兰州交通大学土木工程学院
录
目
Contents
04 02 03
01
概述 水泥混凝土路面结构 弹性地基板的荷载应力分析 我国水泥混凝土路面结构设计
05
国外水泥混凝土路面设计方法
第一节 概述
第一节 概述
优点：
强度高； 稳定性好；
缺点：
水和水泥用量大； 有接缝，舒适性差；
◆ 不均匀沉陷
◆不均匀冻胀
◆膨胀土
第二节 水泥混凝土路面结构
垫层：
垫层的作用： 改善路基水温状况
阻止路基土挤入基层
保证路面结构的稳定性，减少路基顶面的应力和变形
达到路面结构总厚度（对季节性冰冻地区，路面有最小防 冻厚度要求）
第二节 水泥混凝土路面结构
基层和底基层 作用： 防唧泥、冰冻
减少路基顶面的压应力，并缓和路基不均匀变形对面层的 影响
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
薄板下的地基有两种： 文克勒地基 弹性半无限地基 弹性地基小挠度薄板理论： 混凝土路面板常做成等厚式，其厚度不到平面尺寸的1/10， 在轮载作用下的竖向位移 (称作挠度)又比厚度小两个数量 级，可把混凝土板看作是均质、各向同性、无重量、等厚 的小挠度弹性薄板。
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
由
Mx
w2 w2
Z x dz
Eh3 1 (1 )
2
(k x k y )
推导得
2w 2w M x D ( k x k y ) D x 2 y 2
2 2w w M y D (k y k x ) D y 2 x 2
在研究竖向荷载作用下的小挠度板问题时，常采用下列 三项基本假设： 1. ζz,εz≈0,W为（x，y)的函数。Hale Waihona Puke Baidu2. 无横向剪应变，γ xz=γ yz=0。 3. 中面上各点无x、y方向位移，u=v=0 ,只有W 。
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
第三节 弹性地基板的荷载应力分析

平衡方程：
Z 0 M 0 M 0
第一节 概述
预应力混凝土路面 事先在工作截面上施加压应力，以提 高它的抗弯拉强度，提高承受荷载能力。
优点： 1 ）路面板厚度小； 2 ）接缝数量小，行车平稳； 3 ） 横向开裂少，耐久性好。
缺点：需大量的预应力筋腱，施工工艺复杂，人力工作量大， 难以实现机械化施工，初期投资大。
第一节 概述
装配式混凝土路面 在工厂中把混凝土预制成板块，然 后运至工地现场装配而成的混凝土路面。
第二节 水泥混凝土路面结构
第二节 水泥混凝土路面结构
水泥路面分层
水泥混凝土
上基层
面
CTB、 LFTB… 砂石材料
层 层
基
下基层（底基层）
上路床 下路床 上路堤 下路堤
级配碎石
路 基
改良土 或改善 土
第二节 水泥混凝土路面结构
路基：
对路基的要求 稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支撑。
产生不均匀支撑的原因
施工缝：每天完工或因雨天及其他原因不能继续 施工时，应做到胀缝处或缩缝处，并做成施工缝 的构造形式。
第二节 水泥混凝土路面结构


设在缩缝处的施工缝，采用设传力杆的平缝形式。
设在胀缝处的施工缝，其形式与胀缝相同。 遇有困难而需设在缩缝之间时，施工缝采用设拉杆的企口 缝形式。
第二节 水泥混凝土路面结构
采用圆柱坐标时：
d2 1 d d 2 w 1 dw D( 2 )( ) pq 2 dr r dr dr r dr
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
x
u 2w Z x x 2
y
xy
u 2w Z y y 2
2
u w 2Z x y xy
2w 2w M x D( 2 c ) 2 x y 2w 2w M y D( 2 c ) y x 2
2w M xy D(1 c ) xy 3 Ec h D 2 12(1 c )
4w 4w 4w 则板挠曲面微分方程为： D( 2 ) pq 4 2 2 4 x x y y
230～200
第二节 水泥混凝土路面结构
其他面层类型选择
面层类型 连续配筋混凝土面层 沥青上面层与连续配筋混凝土或横 缝设传力杆的普通混凝土下面层的 复合式路面 碾压混凝土面层 适用条件 高速公路 特重交通的高速公路
二级及二级以下公路、服务区停车 场
钢纤维混凝土面层
矩形混凝土预制块面层
标高受限制路段、收费站、混凝土 加铺层及桥面铺装
中等、轻 石灰 级配碎石 粉煤灰稳定碎 石
级配碎石
级配碎石、未筛分碎石 或不设 未筛分碎石
第二节 水泥混凝土路面结构
面层
应具有足够的强度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整。
选择方法
面层一般采用设接缝的普通混凝土； 面层板的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。
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
采用此理论时三个基本假设： 垂直于中面方向的应变及其微小，可以忽略不计； 垂直于中面的法线，在弯曲变形后均保持为直线并垂直于 中面，故无横向剪切应变；
中面上各点无平行于中面的位移。
板与基础之间始终保持接触，且面剪应力为零。
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
基（垫）层、路基可看成弹性地基，它对路面只有向 上的竖向反力，且地基与板完全接触（不脱离），即挠度 相同。
同理
M xy D(1 )k xy
2w D(1 ) xy
第三节 弹性地基板的荷载应力分析
挠曲面微分方程推导：
Qx Qy ( p q) x y M x M xy Qx 0 x y M y M xy Qy 0 y x