水泥混凝土路面结构设计PPT
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《路面工程概述》PPT课件
直接同车轮相接触的结构层。所受的力有：竖直力、水平力 和冲击力，及大气湿度和温度的直接影响。
要求具有： 1）足够的强度和刚度； 2）足够的稳定性和耐久性； 3）足够的平整度; 4）足够的粗糙度（即抗滑性）； 5）足够的抗水损坏能力（即防渗性）； 6）低噪声及低扬尘性 。
整理ppt
8
2、基层(roadbase): 承受的主要荷载是面层传下来的竖直力。
Image 料：
水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎（砾）混合料、沙 砾或碎石掺土的混合料以及块石等。
整理ppt
6
基层所用材料主要有： 各种结合料（如石灰、水泥、沥青等）稳定土或稳定碎（砾） 石、贫水混凝土、天然沙砾、各种碎石或砾石、片石、块石或 圆石，各种工业废渣（如煤渣、粉煤灰、矿渣、石灰石等）和 土、砂、石所组成的混合料。基层主要承受由面层传来的车辆 荷载的垂直力，并扩散到下面的垫层和土基中去。
3. 基层种类 稳定类、粒料类
（三） 垫层
1. 垫层的作用 排水、隔水、防冻、防基层污染、扩散应力
2. 垫层材料 颗粒材料、结合料稳定土
整理ppt
5
（四）修筑材料：
面层所用材料主要有：
No 它要承受较大的行车荷载的垂直力、水平力和冲
击力的作用，同时还要承受到降水、浸蚀及气温等外 界因素的影响。所以其材料必须能够承受抗压、抗拉 、抗剪，以及抗冲击等多种力的组合。故选用如下材
3. 面层的构成：
多层沥青混合料 双层水泥混凝土 复合式结构 带有磨耗层或保护层的砂石结构
4.面层的结构
横坡 超高 路肩
整理ppt
按力学特性分: 柔性路面 刚性路面 半刚性路面
4
（二） 基层
1.基层的作用: 承受面层传下的行车垂直荷载，向垫层和土基扩散荷载
要求具有： 1）足够的强度和刚度； 2）足够的稳定性和耐久性； 3）足够的平整度; 4）足够的粗糙度（即抗滑性）； 5）足够的抗水损坏能力（即防渗性）； 6）低噪声及低扬尘性 。
整理ppt
8
2、基层(roadbase): 承受的主要荷载是面层传下来的竖直力。
Image 料：
水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎（砾）混合料、沙 砾或碎石掺土的混合料以及块石等。
整理ppt
6
基层所用材料主要有： 各种结合料（如石灰、水泥、沥青等）稳定土或稳定碎（砾） 石、贫水混凝土、天然沙砾、各种碎石或砾石、片石、块石或 圆石，各种工业废渣（如煤渣、粉煤灰、矿渣、石灰石等）和 土、砂、石所组成的混合料。基层主要承受由面层传来的车辆 荷载的垂直力，并扩散到下面的垫层和土基中去。
3. 基层种类 稳定类、粒料类
（三） 垫层
1. 垫层的作用 排水、隔水、防冻、防基层污染、扩散应力
2. 垫层材料 颗粒材料、结合料稳定土
整理ppt
5
（四）修筑材料：
面层所用材料主要有：
No 它要承受较大的行车荷载的垂直力、水平力和冲
击力的作用，同时还要承受到降水、浸蚀及气温等外 界因素的影响。所以其材料必须能够承受抗压、抗拉 、抗剪，以及抗冲击等多种力的组合。故选用如下材
3. 面层的构成：
多层沥青混合料 双层水泥混凝土 复合式结构 带有磨耗层或保护层的砂石结构
4.面层的结构
横坡 超高 路肩
整理ppt
按力学特性分: 柔性路面 刚性路面 半刚性路面
4
（二） 基层
1.基层的作用: 承受面层传下的行车垂直荷载，向垫层和土基扩散荷载
水泥混凝土路面结构设计
表1.2.2 水泥混凝土面层厚度的参考范围
极重
交通荷载等级 公路等级 变异水平等级 低 高速 低 一级 中 低 二级 中 高速 低 一级 中 低 轻 三、四级 中 230~200 高 220~190 三、四级 中 210~180 二级 中
特重
重
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）
注：① 冻深小或填方路段，或者基、垫层为隔温性能良好的材料，可采用低值；冻深大 或挖方及地下水位高的路段，或者基、垫层为隔温性能稍差的材料，应采用高值； ② 冻深小于0.50m的地区，一般不考虑结构层防冻厚度。
1.5 路肩
铺面材料 路肩面层一般宜选用水泥混凝土，也可用沥青类材料。路肩基
层可用开级配粒料类材料，有利于排除渗入路面结构的水。
起讫桩号
基层切缝 情况
使用状况
原路 面结 构
——
——
使用情况良好， 裂缝少。
结构 一
K576+559 ～ K579+514
基层不切缝
使用情况良好， 有裂缝。 配筋率：0.3，0.4 ，0.5。
结构 二
K579+514 ～ K580+533
350m、320m和330m 混凝土基层切缝间距 分别为5m，8m和 10m。
水泥砼面层 28cm
防水联接层1.5cm
二灰碎石基 层18cm 灰土或固化剂处理路床 20cm
冲击压实处理路床（影响深度80cm）
（2）广西
混凝土下面层280㎜ 改性沥青混凝土或SMA上面层，厚40㎜ 混凝土层表面机械凿毛，或5﹪稀盐酸处理，摩擦系数0.65以上。 设高分子改性沥青粘层，或环氧沥青粘层，或橡胶沥青应力吸收层20 ㎜。 使用3年，整体效果良好，局部路段轻微推移。
水泥混凝土路面结构构造设计详解
2R P l ) Kl 2
第三节 水泥路面的应力分析
5）威斯特卡德公式的试验修正公式
• ①角隅修正
威氏公式是理论推导得来的，与实际情况有出入。美国1930年在阿灵顿进行了 试验路，对公式进行了修正。
板体与地基紧密接触时，不修正，理论值近似于实测值； 板底脱空时，实测比计算大30%~50%，需修正，Kelly提出板角修正式:
– 公式左边三项分别代表：可靠度系数、荷载疲劳应力
第四节 路面结构的可靠度
◆8、水泥混凝土路面可靠度的概念
NR : 路面结构的疲劳寿命 Ne : 设计年限内累计当量标准轴载
f Ne
f NR
Ne
NR
干涉区
第五节 水泥路面的设计参数
➢1、设计基准期、目标可靠度和目标可靠度指标
➢2、面板与基层间的摩阻系数
第一节 水泥路面设计概述
◆4、水泥路面的轴载换算与交通分级
➢1）水泥路面的标准轴载及轴载换算
单轴双轮组－100kN
NNee
336655NNs [s1[1
t
t1]1]
公路等级
高速公路、一级公路
二级、三级、四级公路
行车道宽>7m 行车道宽≤7m
纵缝边缘处（临界荷位） 0.17~0.22 0.34~0.39 0.54~0.62
➢ 3）水泥路面的设计标准
✓①结构承载能力
控制板不出现断裂，要求荷载应力与温度应力的疲劳 综合作用满足材料的设计抗拉强度：
即：
✓②行驶舒适性
控制错台量，要求设置传力杆（基层及结构布置满 足）
✓③稳定耐久性
第一节 水泥路面设计概述
◆3、水泥路面结构设计的主要内容
1）路面结构层组合设计； 2）混凝土路面板厚度设计； 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
4、6、12、15米宽水泥混凝土路面结构设计图
值班室值班室 库房加药间输油泵房计量间单井计量间库房供热系统值班室消防泵房泡沫库低压配电室2B变压室1B变压室高压配电室配电室值班室值班室配水间注水泵房配水间库房库房门房污水处理系统库房药品间化验间罐区阀组间地磅室地磅室篮球场温室温室综合楼餐厅止阀室井地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖地砖石子水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥水泥地砖楼梯间楼梯间仓库仓库消防库1234地砖罐区阀组间罐区阀组间分离缓冲器E级YS071357.347E级YS021361.478B2ys06GPS0001L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14L15L16L17L18L19L20L21L22L23L24L25L26L27L28L29L30L31L32L33L34L35L36L37L38L39L40L41L42L43L44L45L46L47L48L49L50L51L52L53L54L55L56L57L58L59L60L61L62L63L64L65L66L67L68L69L70L71L72L73L74L75L76L77L78L79L80L81L82L83L84L85L86L87L88L89L90L91L92L93L94L95L96L97L98L99L100L101L102L103L104L105L106L107L108L109L110L111L112L113L114L115L116L117L118L119L120L121L122L123L124L125L126L127L128L129L130L131L132L133L134L135L136L137L138L139L140L141L142L143L144L145L
水泥混凝土路面结构设计(1)
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. σz,εz≈0,W为（x,y)的函数。
2. 无横向剪应变，γxz =γyz = 0 。
3. 中面上各点无x、y方向位移，u = v = 0 ,只有 W 。
x1 E cc 2(x y) 1E czc 2( 2 x w 2c 2 y w 2)
3.路面板几何尺寸设计：平面尺寸、板厚设计，以使强度（σp,σt）满足要 求。
4.接缝及配筋设计：选接缝类型、布置接缝位置、定接缝构造，以提高接缝 传荷能力。
9.2 弹性地基板的应力分析
混凝土面板承受的应力很多，有荷载应力σp 、温度应力σt 、收缩应力、体 积变化应力等，设计时，主要考虑σp，σt。
为减少σt，将面板分成有限尺寸的矩形板，板宽Bmax=4.5，板长 一般4-5m，不大于6m。
9.4 路面板尺寸的确定
设计理论和方法：我国采用弹性半无限地基板理论和有限元方法计算板内 弯拉应力σ。
1.E地基：我国设计人员特别喜欢用，更接近实际。
2.有限元法：
路面结构临界损坏状态：以设计使用年限末期，板出现疲劳开裂。
8
2）一维板边中部： x 0 y 0 x EccTd
混凝土Ｅc的取值，应考虑应力作用的持续时间．由于混凝土的蠕 变效应，其持久Ｅ仅为标准Ｅ的1/3~2/3．
看到书上204页例题9.2,例题9.3
3)对于窄长混凝土板：
约束板长变化的地基摩阻力随板的重量而变,也即同离板自由端的距 离x成正比。此时:σt=γc ·f ·x
Mt PMt
M r ,M t分别 ,切 为 向 幅 其 弯 向 r 而 值 矩 见 变 随 P 系 1表 9 9 1 数 8
圆形均布内 荷产 载生 作 M 为 的 用 :M 0 最 下 PM 0大 (板 位于荷)载中
1. σz,εz≈0,W为（x,y)的函数。
2. 无横向剪应变，γxz =γyz = 0 。
3. 中面上各点无x、y方向位移，u = v = 0 ,只有 W 。
x1 E cc 2(x y) 1E czc 2( 2 x w 2c 2 y w 2)
3.路面板几何尺寸设计：平面尺寸、板厚设计，以使强度（σp,σt）满足要 求。
4.接缝及配筋设计：选接缝类型、布置接缝位置、定接缝构造，以提高接缝 传荷能力。
9.2 弹性地基板的应力分析
混凝土面板承受的应力很多，有荷载应力σp 、温度应力σt 、收缩应力、体 积变化应力等，设计时，主要考虑σp，σt。
为减少σt，将面板分成有限尺寸的矩形板，板宽Bmax=4.5，板长 一般4-5m，不大于6m。
9.4 路面板尺寸的确定
设计理论和方法：我国采用弹性半无限地基板理论和有限元方法计算板内 弯拉应力σ。
1.E地基：我国设计人员特别喜欢用，更接近实际。
2.有限元法：
路面结构临界损坏状态：以设计使用年限末期，板出现疲劳开裂。
8
2）一维板边中部： x 0 y 0 x EccTd
混凝土Ｅc的取值，应考虑应力作用的持续时间．由于混凝土的蠕 变效应，其持久Ｅ仅为标准Ｅ的1/3~2/3．
看到书上204页例题9.2,例题9.3
3)对于窄长混凝土板：
约束板长变化的地基摩阻力随板的重量而变,也即同离板自由端的距 离x成正比。此时:σt=γc ·f ·x
Mt PMt
M r ,M t分别 ,切 为 向 幅 其 弯 向 r 而 值 矩 见 变 随 P 系 1表 9 9 1 数 8
圆形均布内 荷产 载生 作 M 为 的 用 :M 0 最 下 PM 0大 (板 位于荷)载中
(优)道路工程结构PPT资料
路各面类横结向构坡的比最为小中厚间度向可两参边见下3%表。
柔②性中路级面路主面要和包低括级使路用面各可种不基考层虑〔防水冻泥最混小凝厚土度除外〕和各类沥青面层、碎〔砾〕石面层或块石面层所组成的路
（结三构）稳、定道性路要工求程各特层殊次结配构合物得当，连接牢靠。
4倍，粒径为厚度的0.
推土机（推2平〕后，板铺的以人厚工度整平，以达到合计要求的平整度。
最大冻深。 ③在冻深大或挖方及地下水位高的路段，应采用高限；冻深小或填方路段，可采用低限。
一、路 面 的 分 类
②对于冻深小于50cm的地区，一般不设防冻和垫层，但对水文、地质条件恶劣的路段，路面抗冻层厚度可采用当地最大冻深。
垫②层对的于最冻小深厚小度于为501c5mc的m。地区，一般不设防冻和垫层，但对（水1文〕、地板质的条件平恶面劣的尺路寸段，路面抗冻层厚度可采用当地最大冻深。
稳定性包括气候稳定性和结构稳定性。路面结构气 候稳定性是指水稳定性、干稳性、高温稳定性和冰 冻稳定性。为了保证路面结构气候稳定性，防止路 面冰冻，要求路面总厚度不小于下表的要求。结构 稳定性要求各层次配合得当，连接牢靠。Leabharlann 路面防冻层最小厚度单位：cm
注：①表中数值以砂石材料为准，若采用其他防冻性能好的材料，如煤渣、矿渣及二灰类等，其值可 酌情减少。
（2〕垫层 在水温状况不良路段的路基与基层之间宜设置垫层。垫层应具有一定
的强度和较好的水稳定性，在冰冻地区还需具有较好的抗冻性。垫层的 最小厚度为15cm。在季节性冰冻地区，当路面结构总厚度小于下表规定 的最小厚度时，应通过设置垫层补足。
水泥混凝土最小抗冻层厚度 cm
单位：
注：①表中垫层部分所用材料以砂石为准。如采用隔温性能良好的材料炉渣等，其垫层厚度可约减小30%。 ②对于冻深小于50cm的地区，一般不设防冻和垫层，但对水文、地质条件恶劣的路段，路面抗冻层厚度可采用当地
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低 1.20～ 1.09～ 1.04～ —
异水平等级为低级，目标可靠 度为 95％
再据查得的目标可靠度和 变异水平等级，查右表确定可
1.33 1.16 1.08
中 1.33～ 1.16～ 1.08～ 1.04～ 1.50 1.23 1.13 1.07
靠度系数 ，取为1.26
高
— 1.23～ 1.13～ 1.07～
0.22
850(MPa)
b
1 1.44
Ex E0
0.55
1 1.44
850 30
0.55
0.5224
Dx
E1h13 12
E2 h23 12
(h1
h2 )2 4
1 ( E1h1
1 ) 1 E2 h2
1500 0.23 200 0.23 (0.2 0.2)2 ( 1 1 )1
计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数 k f Nen 8.38106 0.057 2.481
根据公路等级，考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数 kc 1.30
荷载疲劳应力计算为 pr krk f kc ps 0.88 2.4811.31 2.84(MPa)
15
12
12
4 1500 0.2 200 0.2
Et
ahxb E0
Ex E0
1/3
4.106 0.3430.767
30
850 30
1/3
165.63(MPa)
2.496(MN m)
hx 3 12Dx / Ex 3 12 2.496 / 850 0.327(m)
a
6.22
1 1.51
tm
c EchTg 2
Bx
1105 31000 0.2687
0.58
2
2.03(MPa)
c 为混凝土线膨胀系数。
17
， 06 计算温度疲劳应力
温度疲劳应力系数 按下式计算为
kt
fr
tm
a
tm
fr
c
b
5.0
0.841
2.03
1..323
2.03
5.0
0.058
0.49
。 0 5 计算荷载疲劳应力 pr kr k f kc ps
按下式，标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为
ps 0.077r 0.6h2 0.077 0.8020.6 0.262 1(MPa)
r为混凝土板的刚度半径
因纵缝为设拉杆平缝，对于水泥稳定粒料基层，接缝传荷能力的应力折减系数取kr=0.88.考虑设
11
04 材料参数的确定
（4）基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量： 根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，参照《公路水泥混凝土路面设计规范》 (JTG D40—2002)中，计算基层顶面当量回弹模量如下：
Ex
h12 E1 h12
h22E2 h22
1500
0.22 0.22
200 0.22
Ex E0
0.45
6.22
1 1.51
850 30
0.45
3.806
12
04 材料参数的确定
普通混凝土面层的相对刚度半径计算为：
r 0.537h 3 Ec / Et 0.5224 0.26 3 31000 /163.63 0.802(m)
13
05
计算荷载疲劳应力
14
级为重交通；拟建双向四车道高速公路，水泥混凝土路面设计 使用年限30年，车轮轮迹横向分布系数η=0.20。
7
03
初拟路面结构
8
03 初拟路面结构
初拟普通混凝土面层，厚度为 h=0.26m 基层选用水泥稳定粒料基层，厚 h1=0.2m； 垫层选用级配碎砾石，厚h2=0.2m 。 普通混凝土板的平面尺寸为宽3.75m，长5m。 纵缝为设拉杆平缝，横缝为设传力杆的假缝。
水泥混凝土路面结构设计
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1
2
01
收集交通资料
3
01 收集交通资料
1 初始年日交通量 2 日货车交通量 3 方向分配系数
4 车道分配系数
5 设计基准期内交通量年平 均增长率
6 各类货车的轴型和轴载组 成等
4
02
分析交通资料
5
02 分析交通资料
1.33 1.18 1.11
r ( pr tr ) 1.26 (2.84 0.99) 4.82MPa f r 5.0MPa
综上所述，所选的普通混凝土面层厚度 可以承受设计基准期内荷 载应力和温度应力的综合疲劳作用。
20
设计步骤
21
THANKS FOR WACTHING
22
1 计算设计车道的初始年日货 车交通量和各级轴载次数
2
累加各级标准轴载，得出设计 车道初始年日标准轴载Ns
i
N
i
( Pi 100
)16
3
根据公路等级和车道宽度，选定车 轮横向分布系数 η
4 计算设计使用期设计车道上 的标准轴载累计作用次数
6
02
举例
某项目属于南方某省境内，为东南湿热Ⅳ 区。交通量年平均增 长率为8.5%，路基土为粘性土。Ne=3.29× 106 ，所以交通等
06
计算温度疲劳应力
16
， 06 计算温度疲劳应力
因为该属于 东南湿热Ⅳ5区，海拔较低湿度大， 所在86-92之间取低值87，可选取最大温度梯度 Tg =87（℃/m）。
取板长 l 5m
l / r 5 / 0.802 6.23
板厚h=0.26，查右图得Bx=0.58
最大温度梯度时混凝土板的温度翘 曲应力计算为：
其中a,b,c为回归系数：本项目为Ⅳ5区， 分别取0.841，0.058，1.323
再由下式计算温度疲劳应力为
tr kt tm 0.49 2.03 0.99(MPa)
18
07
检验设计结果
19
07 检验设计结果
变异水
目标可靠度（％）
高ห้องสมุดไป่ตู้公路的安全等级为一
平等级 95
90
85
80
级，相应于一级安全等级的变
9
04
确定材料参数
10
04 材料参数的确定
（1）混凝土路面设计弯拉强度与弯拉弹性模量： 本设计为普通混凝土路面为重型交通，查规范得：弯拉强度的标准值 fr=5.0Mpa，相应的弯拉弹性模量标准值为Ec=31 Gpa。 （2）土基的回弹模量： 路基属于中湿状态，可选用路基土基的回弹模量值：Eo=30.0MPa （3）基层和半刚性垫层的回弹模量： 基层选用水泥稳定粒料，回弹模量取：E1=1500 Mpa (1300~1700) 垫层选用级配碎砾石，回弹模量取： E2=200 Mpa (200-250)