（道路与铁道工程专业论文）考虑冲刷脱空的水泥混凝土路面设计研究.pdf

摘要 我国水泥混凝土路面早期损坏比较严重，造成这种现状固然有施工质量差，后期养 护不到位等原因，但重载交通条件下路面基层材料抗冲刷能力不足，路面结构设计没有 考虑板底冲刷脱空对路面结构的影响，路面面层设计厚度过薄是造成目前我国水泥混凝 土路面早期损坏一个深层原因。本文深入开展了路面行车荷载与水耦合作用下基层冲刷 和路面板底脱空发展规律研究，提出可应用于路面结构设计的基层抗冲刷试验方法和评 价指标；建立了路面板底冲刷脱空预估模型，通过板底脱空路面结构三维有限元计算及 回归分析，给出了脱空路面荷载应力计算公式；依据室内混凝土小梁疲劳试验理论推导 出可用于脱空路面计算的变荷载重复作用下混凝土小梁疲劳方程，提出了脱空路面荷载 疲劳应力计算方法。综合上述研究，系统提出了考虑路面板底冲刷脱空的水泥混凝土路 面结构设计方法。 水泥混凝土路面调查分析表明，现行水泥混凝土路面设计方法没有定量提出基层材 料抗冲刷评价指标和标准，路面面层厚度设计没有考虑基层冲刷和路面板底脱空影响， 路面面层设计厚度过薄是造成我国水泥路面早期损坏一个深层原因。 路面板底冲刷唧泥现象只在大气降水和雨后板底脱空区处于半饱和状态的时间段 内出现，板底冲刷水压力与车速和轴重有关。车速越高，水压力越大：轴重越大，水压 力越大。综合考虑路面基层材料实际使用条件，提出考虑荷载作用次数的基层材料抗冲 刷评价指标一冲刷系数恕，推荐水压力5 0k p a 作为材料冲刷试验标准水压力。 研究开发了水压力可调的气动冲刷试验机，进行了水泥土、二灰土及二灰碎石材料 冲刷试验，得出二灰土抗冲刷性能最好，二灰碎石次之，水泥土最差。 路面板底脱空体形状接近于圆锥体或棱锥体脱空高度与脱空面边长相比非常小， 通过引入基层材料冲刷系数，及降水天气修正系数概念，提出了路面初始使用阶段冲 刷脱空预估模型和路面出现脱空后脱空预估模型。 建立了路面板边纵缝中部和板角脱空三维有限元结构分析模型，通过计算得出路面 板底出现脱空后，荷载应力随板底脱空面积的增大而显著增加。进一步分析表明，对于 板边纵缝中部脱空，板内荷载应力与板底脱空半径是指数关系，与路面板的相对刚度半 径是乘幂关系。对于板角脱空路面，板内荷载应力与脱空半径是线性关系。 通过对有限元计算结果回归分析，得出板边纵缝中部脱空和板角脱空荷载应力拟合 公式，在综合考虑基层顶面当量模量变化和荷载轴重变化基础上，提出脱空路面荷载应 力计算公式。 依据室内混凝土小梁疲劳试验基本理论，推导出可用于脱空路面计算的变荷载重复 作用下混凝土疲劳方程。通过引入降水天气修正系数毛，提出考虑路面板底脱空和冲刷 的路面板荷载疲劳应力实用计算公式。 依据疲劳损伤等效原则，提出可用于路面荷载应力分析的脱空路面轴载换算关系 式。 综合以上分析，系统提出了考虑路面板底冲刷脱空的水泥混凝路面结构设计方 法，并给出了路面设计流程图。 关键词：水泥混凝土路面：基层冲刷；唧泥；动水压力；板底脱空；预估模型：基层评价指标；基 层抗冲刷系数；疲劳方程：轴载换算；荷载疲劳应力；等效荷载应力；有限元模型；设计方法 a b s t r a c t i nc h i n a , t h ee a r l yd a m a g eo fc e m e mc o n c r e t ep a v e m e mi sm o r es e r i o u s t h ep o o r c o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n dt h ei m p r o p e rl a t em a i n t e n a n c e ，谢mn od o u b t ，c o u l dc a u s et h i s s i t u a t i o n h o w e v e r , t h ed e 印r e a s o no ft h i se a r l yd a m a g ei st h a t ，u n d e rh e a v yt r a f f i c ，t h e a n t i s c o u ra b i l i t yo fb a s ec o u r s ei sp o o r , t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g ni sl a c ko fc o n s i d e r a t i o n f o rt h ei n f l u e n c eo fb a s ee r o s i o na n dc a v i t yb e n e a t hs l a b ，a n dt h ed e s i g nt h i c k n e s so f p a v e m e n t c o u l s ci st o ot h i n i nt h i sp a p e r , t h ec h a n g el a wo f b a s ee r o s i o na n dc a v i t yb e n e a t h s l a bu n d e rt h ec o u p l ea c t i o no ft r a f f i cl o a da n dw a t e ri sd e e p l ys t u d i e d ，a n dt h ee v a l u a t i n g i n d i c a t o r so fb a s em a t e r i a lf o ra n t i e r o s i o np r o p e r t i e sa r ep r o p o s e d , w h i c ha r ea v a i l a b l ef o r t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g n ；t h ep r e d i c t i o nm o d e lo ft h ee r o s i o na n dc a v i t yb e n e a t hs l a b ， w h i c hi sa v a i l a b l ef o r t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ec a l c u l a t i o n , i sf i r s t l ys e tu p ；a n db yt h e t h r e e - d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e mc a l c u l a t i o na n dr e g r e s s i o na n a l y s i so fc a v i t yb e n e a t hs l a b p a v e m e n ts t r u c t u r e ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a o fl o a ds t r e s si sg i v e n ；b a s e do nt h et h e o r yo ft h e c o n c r e t et r a b e c u l ai n d o o rf a t i g u et e s t , t h ec o n c r e t ef a t i g u ef o r m u l a , w h i c hi sa v a i l a b l ef o r c a v i t yp a v e m e n tc a l c u l a t i o nu n d e rc h a n g i n ga n dr e p e a t i n gl o a d , i sf i r s t l yd e r i v e d ；c o n c e r n i n g t h ee r o s i o na n dc a v i t yb e n e a t hs l a b ，t h ep r a c t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fl o a df a t i g u es t r e s si s p r o p o s e d b a s e do nt h es u m m a r yo ft h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sa b o v e ，t h e 饫i n l e n tc o n c r e t e p a v e m e n td e s i g nm e t h o d ，b a s e do ne r o s i o na n dc a v i t yb e n e a t hs l a b ，i ss y s t e m l yp r o p o s e d t h ea n a l y s i so ft h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n di n v e s t i g a t i o no nt h eo u l l i n - l i u z h o u e x p r e s s w a ys h o wt h a tt h e r ea r et h r e ed e e p s e a t e dr e a s o n st h a tc a u s e dt h ee a r l yd a m a g eo f c c n l e 】1 tc o n c r e t ep a v e m e n ti no u rc o u n t r y f i r s t ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xa n ds t a n d a r do ft h e a n t i - s c o u ra b i l i t yo ft h eb a s ec o u r s em a t e r i a la r en o tp r o p o s e dq u a n t i t a t i v e l yi nt h ec u r r e n t c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n td e s i g nm e t h o d 。s e c o n d ，t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g ni sn o t t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei n f l u e n c eo f b a s ee r o s i o na n dc a v i t yb e n e a t hs l a b t h el a s to n ei st h a t t h ed e s i g nt h i c k n e s so f p a v e m e n tc o u r s ei st o ot h i n t h eb a s ee r o s i o na n dp u m p i n go n l yh a p p e nd u r i n gt h ep e r i o dw h e ni tr a i n so rt h ec a v e s b e n e a t ht h es l a bi si ns e m i - s a t u r a t i o na f t e rt h er a i n t h ee r o s i o nw a t e rp r e s s u r eb e n e a t ht h e s l a bh a sr e l a t i o n s h i p 、析mb o t ht h es p e e do ft h ev e h i c l ea n dt h e a x l el o a d t h eh i g h e rt h e s p e e d ，t h eb i g g e rt h ew a t e rp r e s s u r e ；t h eh e a v i e rt h ea x l el o a d ，t h eb i g g e rt h ew a t e rp r e s s u r e t a k i n gi n t oa c c o u n tt h et i m e so ft h el o a df u n c t i o n ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xo ft h ea n t i - s c o u t a b i l i t yo ft h eb a s ec o u r s e _ - 1 岫a n t i s c o u rc o e f f i c i e n t 吃，i sp r o p o s e d ，a n dt h e n5 0k p ai s r e c o m m e n d e da st h es t a n d a r dw a t e rp r e s s u r ei nt h ee r o s i o nt e s t t h ee r o s i o nm a c h i n eo fv a r i a b l ew a t e rp r e s s u r ei sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d ，t h ee r o s i o n t e s t so fc e m e n ts o i l ，t w oa s h e s - s o i l ，a n dt w oa s h e sa n dm a c a d a ma r ec a r d e do u t ，a n dt h e nt h e r e s u l t ss h o wt h a ta n t i - s c o u ra b i l i t yo ft w oa s h e s s o i li sb e s t ，t h es e c o n di st w oa s h e sa n d m a c a d a m ，c e m e n ts o i li sw o r s e t h es h a p eo fc a v i t yb e n e a t hs l a bi sc l o s et oc o n eo rp y r a m i d ，t h ec a v i t yh e i g h ti sl e s s t h a ns i d el e n g t h b yi n t r o d u c i n gt h ea n t i s c o u ri n d e xo fb a s em a t e r i a l ，t h ep r e c i p i t a t i o n w e a t h e rc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n t 岛i sp r o p o s e d ，t h ec a v i t yp r e d i c t i o nm o d e lo fp a v e m e n ti n i t i a l u s es t a g ea n da f t e ru n j o i n ti sp u tf o r w a r d t h et h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fl o n g i t u d i n a lj o i n tm i d d l ea n dc o r e r o fs l a bi sb u i l t ，t h r o u g hc a l c u l a t i o n , t h er e s u l t ss h o wt h a ta f t e rt h es l a bb o t t o ma p p e a r sc a v i t y , t h el o a ds t r e s si ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e db yc a v i t ya r e a f u r t h e ra n a l y s i ss h o wt h a t ，a st oc a v i t y o fl o n g i t u d i n a lj o i n tm i d d l e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nl o a ds t r e s sa n dr a d i u so fc a v i t yi s e x p o n e n t i a l ，t h er e l a t i o nb e t w e e nl o a ds t r e s sa n dr e l a t i v es t i f f n e s sr a d i u si sp o w e r ；a st oc a v i t y o fc o r e r , t h er e l a t i o nb e t w e e nl o a ds t r e s sa n dr a d i u so fc a v i t yi sl i n e a r t h r o u g h t h er e g r e s s i o na n a l y s i so ff i r f i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nr e s u l t ，t h el o a ds t r e s sf i t t i n g f o r m u l aa b o u tc a v i t yo fl o n g i t u d i n a lj o i n tm i d d l ea n dc o r e ro fs l a bi sg i v e n b a s e do n c o n s i d e r i n gt h ec h a n g eo fb a s et o ps u r f a c ee q u i v a l e n tm o d u l u sa n da x l el o a d ，t h el o a ds t r e s s c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fc a v i t yp a v e m e n ti sp r o p o s e d b a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fi n d o o rc o n c r e t et r a b e c u l a rf a t i g u et e s t ，t h ec o n c r e t ef a t i g u e f o r m u l a , w h i c hi sa v a i l a b l ef o rc a v i t yp a v e m e n tc a l c u l a t i o nu n d e rc h a n g i n ga n dr e p e a t i n g l o a d ，i sd e r i v e d b yi n t r o d u c i n gt h ep r e c i p i t a t i o nw e a t h e rc o r r e c t i o nc o e f f i c i e n t 屯，t h e p r a c t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fl o a df a t i g u es t r e s si sp r o p o s e d ，w h i c hc o n s i d e r sc a v i t y b e n e a t hs l a ba n db a s ee r o s i o n a c c o r d i n gt o t h ef a t i g u ei n j u r ye q u i v a l e n tp r i n c i p l e ，t h el o a dc o n v e r s i o nr e l a t i o n s h i p f o r m u l ao fc a v i t yp a v e m e n t ，w h i c hi sa v a i l a b l ef o rt h ep a v e m e n tl o a ds t r e s sa n a l y s i s ，i sp u t t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea n a l y s i sa b o v e ，t h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n td e s i g nm e t h o d ， b a s e do ne r o s i o na n dc a v i t yb e n e a t hs l a b ，i sf i r s t l ya n ds y s t e m l yp r o p o s e d ，a n dt h e nt h e p a v e m e n td e s i g nf l o w c h a r ti sg i v e n k e yw o r d s ：c e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n t ；b a s ee r o s i o n ；p u m p i n g ；h y d r o d y n a m i cp r e s s u r e ； c a v i t yb e n e a t hs l a b ；p r e d i c t i o nm o d e l ；e v a l u a t i o ni n d e xo f b a s ec o u r s e ；a n t i s c o u rc o e f f i c i e n t o f b a s ec o u r s e ；f a t i g u ee q u a t i o n ；a x l el o a dc o n v e r s i o n ；l o a df a t i g u es t r e s s ；e q u i v a l e n tl o a d s t r e s s ；f i n i t ee l e m e n tm o d e l ；d e s i g nm e t h o d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 嘶叫嘶伊 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 日 侣f 卟剧月 6 r 磁 引 年 r7，9 习 长安大学博士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 近年来我国公路建设快速发展，截至2 0 0 7 年底，全国公路总里程达3 5 8 3 7 万公里， 其中水泥混凝土路面铺面里程8 4 。8 8 万公里。但是相对于沥青路面的迅猛发展，水泥混 凝土路面在高等级公路特别是高速公路新增里程增长缓慢，究其原因主要在于我国重载 交通干线的水泥混凝土路面使用状况不佳，早期损坏比较严重，往往通车2 - 5 年左右 就出现路面使用性能下降及结构损坏等现象，不得不进行路面大修。过早出现的路面损 坏增加了路面维修养护费用，降低了路面服务能力，巨大地制约了水泥混凝土路面在我 国高等级路面的发展。当前我国水泥路面早期损坏类型主要表现为由路面板底水冲刷脱 空而引发的路面面板开裂、断板和接缝错台几种类型，路面早期损坏固然有施工质量差， 后期养护不到位等原因，但重载交通条件下路面基层材料抗冲刷能力不足，路面结构设 计没有考虑板底冲刷脱空对路面结构受力的影响，路面面层厚度设计过薄是造成目前我 国水泥混凝土路面早期损坏的深层原因。 我国现行0 2 版水泥混凝土路面设计规范是9 4 版设计规范的延续，荷载应力计算基 于弹性半空间体上小挠度弹性薄板理论，该理论在分析路面荷载应力时假设弹性薄板与 弹性半空间体之间的接触面是连续均匀的，不存在脱空。在计算行车荷载作用下路面板 内荷载应力时，假设路面设计基准期内路面板与基层的接触始终保持连续均匀。在基层 材料设计中仅仅提出了“基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度”的定性要求，没有 对基层材料抗冲刷性能给出具体设计指标和量化标准，路面基层材料缺乏抗冲刷评价的 具体方法，路面板厚设计中没有考虑路面板底脱空对路面结构的影响。随着我国经济持 续快速发展，道路条件改善，公路行驶车辆轴重不断增大，路面行车速度逐年提高，路 面板下基层冲刷唧泥现象越来越严重，路面板底开始出现脱空，致使基层支撑条件由连 续、均匀状况快速衰减为不均匀状况。由于路面面层厚度是基于路面板底基层连续均匀 支撑的假设设计的，板底出现脱空后路面板内荷载应力逐渐增大，造成路面过早出现面 层开裂、断板和错台等结构性破坏。 9 4 版设计规范颁布时，我国社会经济发展水平较低，水泥混凝土路面主要是二级和 二级以下公路，路面行驶车辆轴重较轻，普遍在l o t 以下，限于当时公路等级较低，车 辆动力性能较差及存在着混合交通，车辆实际行驶速度较低。由于车辆轴重小，车速低， 第章结论 路面板下基层材料冲刷唧泥现象不严重，路面板底脱空发展较慢，因而在整个路面设计 基准期内内，路面板底面与基层表面接触基本能保持连续，出现脱空情况较少。按照弹 性半空间体上小挠度弹性薄板理论计算的路面荷载应力比较接近现场路面板的应力水 平，路面使用状况较好，实际使用寿命能够达到设计要求。 随着我国道路交通发展迅猛，路面行驶条件和车辆性能得到很大提高，车辆轴重大 幅增加，公路发展日益表现出重型化，快速化发展趋势。公路运输部门为了适应公路货 运量猛增的需要，添置了许多大型车辆，公路运输中的大型货运和集装箱货运车辆的比 重不断增大；同时，受市场经济的冲击，运输部门片面追求经济效益，及监控管理的局 限性，车辆超载、超限运输已成为非常普遍的现象。如地处中原的河南省是我国煤炭工 业基地，也是晋煤南下、东运的主要通道，煤炭建材等大宗货物运输任务繁重。据调查 分析，该省载重8 t 以上的重车占汽车自然交通量的比例为2 0 5 0 ，某些路段比例高 达5 0 以上，且普遍超载，8 i 、1 0 t 的车辆经改装后实际载货高达4 5 t l o o t ，轴载普遍 达1 5 2 0 t 。1 9 9 7 年河南省某超限检测站的固定式自动电子磅记录中，有超过l o o t 的斯 太尔型拖挂车，其双轴轴重超过6 0 t 。据天津超载车辆调查表明，超载车辆约占重车比 例的3 0 7 0 ，平均超载率5 0 7 0 ；1 9 9 9 年津淄、京津等六条公路超载情况：轴 重大于l o t 的车占3 45 ，大于1 3 t 的占1 37 5 。湖南某段轴载调查资料表明，轴重大 于1 3 t 的轴数占有效轴数的2 2 ，其中大于19 t 的占2 左右，1 7 1 9 t 的约占4 6 左右，1 5 1 7 t 的约占6 7 左右，1 3 1 5 t 的约占8 - - 1 0 左右。上海有关公路超 载情况调查表明，超载车辆单轴最高轴载可远1 7 t ，双联轴可达2 9 t ，中型以上货车约 2 5 4 5 超载，最高装载率在3 0 0 以上轴载大于1 0 t 的车占货车的2 4 。山西1 0 9 国道对运煤车辆的称重发现，最重的单轴单轮组有1 02 t ，单轴双轮组有2 4 t ，双轴双轮 组有4 i t ，最高的轮压达1o m p a 以上。宣化大同高速公路轴重调查发现，不少单轴双 圉1 一l 水泥混凝土路面横缝唧泥和纵缝唧掘 鬻 长安大学博士学位论文 轮组车辆轴重达2 2 t ，最高的轮胎气压达1 2 m p a t 5 4 1 。另外，为提高道路通行能力，降低 道路交通安全事故，大部分公路采用渠化交通，机动车和非机动车分行等形式，车辆行 驶速度大幅提高，这使水泥路面板下基层唧泥冲刷更为严重。 目前我国的水泥混凝土路面结构普遍采用图1 2 的型式。路面基层厚度设计按照 面层( 1 8 3 2 咖) 基层( 1 5 - - - 2 0 c m ) 底基层( 1 5 一3 0 c m ) 图1 2 路面结构图 规范推荐确定，普遍在1 5 - - 2 0 c m ，基层材料主要是半刚性材料，包括水泥稳定土、二 灰稳定土、水泥稳定碎砾石及二灰稳定碎砾石等，其中水泥稳定土及二灰稳定碎砾石材 料占公路路面基层材料的绝大多数。以水泥、石灰和粉煤灰为结合料的半刚性材料具有 强度高、承载能力大、水稳性好等优点，同时无机结合料材料在我国储量大、价格低， 便于就地取材，加之我国多年来在公路建设中积累了大量半刚性材料的实际使用经验， 在过去及今后相当长的一段时间内水泥、石灰和粉煤灰稳定类半刚性材料仍然是我国公 路建设的主要基层材料。无机结合料稳定类半刚性基层材料组成中细粒含量较高，抗冲 刷能力差，在实际使用中极易发生冲刷唧泥等破坏，在我国当前重载交通条件下路面板 底基层冲刷脱空现象较为普遍。 我国水泥混凝土路面面层采用普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、碾压混 凝土等材料，面层厚度设计按照设计规范计算方法确定，普遍在2 2 - - 2 8 c m 。面层厚度 计算以路面板内荷载疲劳应力和温度疲劳应力之和小于混凝土弯拉强度作为路面破坏 的标准，荷载疲劳应力计算是用荷载应力乘疲劳应力系数、应力折减系数和综合系数求 得。路面荷载应力计算基于基层对路面板是均匀连续支撑的假设，计算中没有考虑路面 基层冲刷脱空对板内荷载应力的影响，显然，在目前重载交通条件下，大量采用稳定类 半刚性材料修筑的路面基层冲刷脱空现象普遍，路面板底基层支撑状况与均匀连续支撑 的假设存在较大差异，按照设计方法计算的路面荷载应力比现场使用中路面板内产生的 荷载应力要小的多，因而设计出的路面面层厚度偏薄，结果是路面结构承载能力偏低， 路面板达不到设计基准期内标准轴重作用次数就出现了早期的疲劳开裂、断板等损坏。 因此，基层材料抗冲刷能力不足，路面结构设计没有考虑基层脱空的影响，面层设计厚 第一章绪论 度过薄是造成我国水泥混凝土路面出现早期损坏主要原因。 截至2 0 0 2 年，美国铺筑道路( 含城市道路) 6 4 0 7 8 8 5k m ，其中，高级柔性路面8 3 3 7 0 6 k m ，刚性路面9 4 0 9 8k m ，复合式路面1 6 7 1 6 3k m ，中级路面2 5 13 4 7k m ，低级路面1 2 6 0 5 8k m ，地方道路各级路面2 6 7 6 0 2 3k m ( 主要是沥青路面) ，未铺面道路2 2 5 7 9 0 2k m 。 其中刚性路面采用水泥混凝土面层和粒料( 底) 基层。近年来，为适应交通量增长和延长 路面使用寿命的需要，一些刚性路面在传统结构的基础上，增加了沥青稳定基层、水泥 稳定基层和贫混凝土基层。面层采用普通水泥混凝土、钢筋混凝土和连续配筋混凝土。 主要道路典型路面结构包括2 2 5 - - - 3 2 5m l l 的水泥混凝土面层，1 0 0m i l l 水泥稳定排水基 层和3 0 0m n 的粒料底基层。在路肩与外侧行车道以外0 6m 设置纵缝。美国设计人员 非常重视基层排水设计和材料抗冲刷性能，路面结构中一般都有1 0 0m i l l 厚的沥青或水 泥处治排水基层、连续的边缘排水系统，按大约7 5m 间距设置出水口。美国设计人员 认为底基层不透水，故水分通过透水基层排出，而不是通过底基层。佐治亚州刚性路面 通常包括1 2 5 m m 的s u p e r p a v e 沥青混合料基层。美国刚性路面基层材料主要采用级 配碎石，此外还有沥青稳定基层、水泥稳定基层、石灰稳定基层和贫混凝土基层等。 美国刚性路面设计非常重视基层冲刷对路面使用性能和寿命的影响，在设计方法中 提出了控制基层冲刷和路面板底挠度的设计标准，选用抗冲刷能力强的路面基层材料， 路面板底脱空病害较轻。如p c a 设计方法不仅提出疲劳分析的设计标准，而且增加冲 刷分析设计标准，并认为路面破坏一方面是车轮荷载作用下产生疲劳效应造成，另一方 面也是由于路面受到板下水的影响，形成唧泥、冲刷和接缝错台所致。冲刷分析中通过 试验路建立了唧泥、地基冲刷和接缝错台破坏与挠度的关系，引入功率概念，给出可控 制功率的允许荷载重复作用次数计算公式。路面设计中对于轻型交通，及设有传力杆的 中型交通，按照疲劳分析控制路面设计，而对于有接缝传力杆的重型交通，通常都是按 照冲刷分析控制路面设计。反观我国的水泥混凝土路面设计方法无论是轻型、中型或重 型交通均不考虑基层冲刷脱空对路面结构的影响，都采用应力破坏标准，路面结构设计 缺乏重载交通下基层冲刷和板底脱空控制，致使路面板底出现脱空后，面层很快出现开 裂断板结构性破坏。 综上所述，为适应我国现阶段公路交通运输重型化和快速化发展趋势，提高路面使 用服务能力，完善我国现行水泥混凝土路面设计方法，推动水泥混凝土路面在高等级公 路的发展，深入开展路面板下基层冲刷和路面板底脱空发展研究，提出可用于水泥混凝 土路面设计的基层抗冲刷性能评价指标，建立路面板底脱空预估方程，提出综合考虑基 4 长安大学博士学位论文 层冲刷和板下脱空的水泥混凝土路面设计方法是非常及时和必要的，具有重要理论价值 和现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水泥混凝土路面设计方法 我国现行0 2 版公路水泥混凝土路面设计规范以控制路面板疲劳开裂损坏作为 水泥混凝土路面厚度的设计标准，为反应路面结构设计中的不定性因素设计参数 的变异性、设计方法与实际情况的不相符性以及交通荷载的预估偏差等影响在路面结构 设计中引入一个可靠度系数以，加以综合修正。设计表达式为： 以( + ) z ( 1 1 ) 式中：以可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平等级确定； ，荷载疲劳应力( m p a ) ； _ 度疲劳应力( m p a ) ； z 水泥混凝土弯拉强度标准值( m p a ) 。 在计算荷载疲劳应力和温度疲劳应力时，水泥混凝土路面结构被看作弹性半空间体 地基上的小挠度弹性薄板，其主要力学假设为：路面板的弯曲是小挠度，板截面竖向拉 压和剪切形变可以忽略；板与地基层间竖向连续，水平向光滑无摩阻；板等截面、且材 料各向同性。结构分析中临界荷位选在路面板纵缝中部，计算采用有限元位移法。0 2 版规范是以路面板内产生的荷载疲劳应力和温度疲劳应力不大于路面混凝土的弯拉强 度作用控制标准的，荷载应力计算中假设板与地基层间竖向连续，无脱空并均匀的，对 于由基层冲刷而出现的路面板底脱空对路面结构的影响没有考虑。而路面使用状况现场 调查资料表明，重载交通条件下水泥混凝土路面板边和板角隅板下均存在不同程度冲刷 和脱空现象，路面板裂缝大多出现在板底脱空位置，板边纵缝和板角隅部均有，许多破 坏的路面板并未达到设计使用寿命，这种现状表明路面板边和板角隅出现脱空后路面板 内荷载应力增大，造成路面混凝土的应力比增大，路面实际使用寿命降低，因而路面设 计中应考虑基层冲刷和板底脱空对路面结构的影响。 大量路面调查表明水泥混凝土路面使用不久均出现不同程度的唧泥冲刷脱空病害， 5 第一章绪论 路面实际使用寿命大大低于设计寿命，这引起国内学者的重视。为弄清基层支撑条件变 化对路面结构的影响，国内研究人员进行了存在脱空的路面结构分析，得出脱空增大荷 载应力的结论，提出一些考虑基层脱空的新的路面设计方法。同济大学石小平先生于 1 9 9 1 年最先提出控制挠度的混凝土路面结构设计方法，该方法考虑了板底脱空和基层受 侵蚀而引起的唧泥、错台和断裂损坏，提出板角挠度控制的指标和方法。该方法认为现 行控制纵向疲劳断裂的混凝土路面设计方法，不能充分反映和控制混凝土路面的其它断 裂损坏。为控制由于板底脱空和基层受侵蚀而引起的唧泥、错台和断裂等损环，补充了 对板角挠度量的限制。该方法选用一个包含挠度、地基刚度和板厚等影响因素在内的综 合指标地基损坏指数，通过对浙江省部分混凝土路面损坏调查和结构分析，建立了 综合指枥。地基损坏指数的关系式和相应的设计标准。经分析比较后指出，特重交通 道路的路面厚度可用挠度控制；轻交通道路则可由应力控制；而中等和重交通道路，二 种方法均可川。该结论与美国p c a 设计方法基本相符。该设计方法将板角挠度作为路面 设计的控制指标，具有一定的合理性，但可惜没有继续深入研究。 唐伯明、邓学钧等提出刚性路面结构设计增补弯沉指标的观点，指出实际使用中混 凝土路面的结构破坏是多种多样的，不仅仅是应力指标所能控制的。如板下基础材料的 侵蚀，进而导致唧泥、错台等，则主要是由于频繁通过的车辆轴载使得混凝土板的边角 弯沉加大，并且剧烈的交替变化所致。随着车辆作用荷载的加大，交通量的增长，特别 是高等级道路上重交通的发展，行车荷载作用下路表过量弯沉将是刚性路面过早破坏的 一个主要原因。若能将路面弯沉控制在一定的范围内，将会有效地减缓这类破坏的发生， 延长路面的使用寿命。因此，在刚性路面结构设计中，引入弯沉控制指标将是必要的【e 】。 上述两种方法已经认识到路面结构破坏不仅有应力型破坏，还包括基层冲刷产生的路面 挠度( 弯沉) 过大破坏，并提出在路面结构设计应予以考虑，可惜的是没有进行进一步 深入研究，提出可用于路面结构设计基层冲刷试验方法和评价标准，也没有提出系统的 考虑冲刷或弯沉的结构设计方法。 美国目前刚性路面设计仍然是以力学分析设计方法为主，提出了多种结构损失模型 与极限状态标准。其设计方法包括用结构模型计算路面响应，建立损伤模型，预测结构 响应产生的损伤，根据使用中的实际路面损伤来校正预期的损伤。 美国在路面结构力学分析方面大多通过建模，采用有限元法进行分析。但大多数模 型是以试验所得的大量离散数据推导得出的回归方程。模拟主要破坏类型，对于有接缝 的混凝土路面主要有疲劳开裂、唧泥、错台和接缝损坏，对于连续配筋混凝土路面主要 6 长安大学博士学位论文 为冲断破坏。 ( 1 ) 疲劳开裂模型：刚性路面累积疲劳损坏可用损伤率的总和表示。损伤率为预 期和允许的荷载重复作用次数之比，该模型并没有将允许荷载重复作用次数与拉应变建 立关系，而是与应力比建立关系，该值为弯拉应力与抗弯拉强度之比。可以采用定义开 裂面积百分数相同的可靠度概念，来定义面板开裂的百分数。 ( 2 ) 唧泥和冲刷模型：除了疲劳开裂之外，需要考虑的另一个重要损坏模型就是 板下和板侧面材料的唧泥和冲刷。实际上，在马里兰道路试验和a a s h t o 道路试验中， 大部分破坏是由于唧泥造成的。 研究表明，影响唧泥和冲刷的因素包括有水的存在、水自板下挤出的速率、底基层 材料的抗冲刷性、重复荷载的大小和次数以及挠度的大小。目前还没有能考虑上述所有 因素的可供路面结构分析的力学模型。唯一可供应用的是p c a 提出的模型，该模型主 要是根据a a s h t o 道路试验的成果，并且只是直接考虑板角的挠度。由于a s s h t o 道 路试验所采用的底基层材料很容易受冲刷，而现在所有的公路部门已不再采用，所以该 模型的应用受到了限制。d e m p s e y 和p h u 等曾试图用能量模型建立冲刷与水挤出的速率、 交通荷载和路面挠度之间的相互关系。这一方法的难点在于计算路面体系沉降中的能量 和建立某一交通水平所吸收的总能量和冲刷之间的相互关系。这些模型虽然对于某种特 定的情况取得了一定的成功，但是影响冲刷的其他因素还没有充分考虑。特别是在这些 模型应用于路面结构力学设计方法之前，尚需作进一步的研究。 美国1 9 9 0 年n c h r p 报告1 - 2 6 还提出了经验性的唧泥模型，该模型被认为是考虑 了影响刚性路面冲刷和唧泥的所有因素，它可用于有接缝混凝土路面( j p c p ) 和有接缝 钢筋混凝土路面( j 1 5 汜p ) 两种路面，并将荷载传递类型作为变量。该模型根据不同的气 候区，由7 个州9 2 7 个路面段建立的数据库采用非线性回归方法推导得到的。普渡大学 另外提出了一个唧泥预测模型，并且应用于p e a r d a r p 计算机程序。此模型以不同来 源的野外数据和路面结构的变形能为基础，将唧泥材料的体积作为车辆产生变形能的函 数来计算，再根据底基层类型、排水条件、荷载传递程度、土基情况和气候这些变量对 上述唧泥体积加以修正。该模型可用于刚性路面的优化设计，预测不同设计方法唧泥的 发展。但是，和任何回归模型一样，此模型只有在其建模推导所用的数据库范围内才是 正确的。 此外还包括错台模型、接缝损坏模型和冲断模型。 美国波特兰水泥协会设计法( p c a 法) 不仅提出了路面疲劳分析的方法，还提出冲 7 第一章绪论 刷分析的方法。疲劳分析的最不利荷载位置选在横缝之间板边中部，地基模量采用地基 反应模量，在不考虑翘曲应力条件下，全部荷载组产生了累积损伤按式计算： d r = 羔i = l 寿 ( 1 2 ) j ， 式中：d ，设计年限内，全部荷载组产生了累积损伤； m 前载组的总数； , i 第i 个荷载组的预期重复作用次数； m 第i 个荷载组的允许重复作用次数。 冲刷分析提出路面极限挠度发生在板角，提出功率定义为板角挠度w 与板和地基界 面上压力p 的乘积除以弯沉盆的长度，该长度是相对刚度的函数。允许荷载重复作用 次数计算公式为： l g n = 1 4 5 2 4 6 7 7 7 ( c l p - 9 0 ) o - 1 0 3 ( 1 - - 3 ) 式中：一p s i 等于3 0 时的允许荷载重复作用次数； c l 修正系数，对未处理的基层取1 ，稳定底基层取0 9 ： p 功率。 冲刷损伤方程为： 冲刷损伤百分数- 1 。嘻鲁 ( 1 _ 4 ) 式中：c ，不设混凝土路肩的路面为o 0 6 ，