刚性路面PPT课件

1、1 刚性路面设计刚性路面设计 第四讲第四讲 力学力学-经验方法经验方法 2 刚性路面概述 混凝土试验 使用指南对ME设计进行敏感性分析 3 50年设计寿命的混凝土路面 100年设计寿命的混凝土桥架 横向开裂横向开裂 坑洞坑洞 IRI 错台错台 5 弹性模量与强度 (随时间) 温度膨胀系数 干缩 (随时间) 基层侵蚀指数 6 弹性模量 泊松比 破坏模量 抗压强度 劈裂强度 收缩 温度膨胀系数 7 8 9 0.00 lb8.60 lb0.00 lb11.92 lb23.82 lb35.21 lb 单位重单位重= =重量重量/ /体积体积 = / 0.25cf 35.21 lb = 140.8 pc

2、f 单位重单位重 10 50C 10C 0.0059 CTE=长度变化长度变化/ /单位长度单位长度/ /度度 AASHTO TP 60 11 .1225 PCCPCC 收缩收缩 AASHTO T 160 ASTM C 157 12 .0000 13 .0011 潮湿室 相对温度40% time % 14 抗压强度抗压强度 = = 最大荷载最大荷载/ / 横截面积横截面积 = 45,718 lb / 12.56 in2 = 3,640 psi AASHTO T 22 或或 ASTM C 78 15 MOE = 应力与应变比应力与应变比 40% f c 16 泊松比泊松比 = =横向应变横向应变

3、 / / 纵向应变纵向应变 .000000 .000000 17 破坏模量破坏模量 = = 弯曲能力弯曲能力 AASHTO T 97 ASTM C 78 18 破坏模量破坏模量 = = 弯曲能力弯曲能力 = (荷载荷载 * * 跨距跨距) / (宽度宽度 * * 高度高度2) = (6,840lb) * 18 in) / (6.0 in) * (6.0 in)2) = 575 psi 19 20 结构层 I - JPCP ？ 21 140.8pcf140.8pcf 5.1 /F5.1 /F 4.15Mpsi15Mpsi 575psi575psi 3,640psi3,640psi 0.220.2

4、2 22 140.8pcf140.8pcf 5.1 /F5.1 /F 4.15Mpsi15Mpsi 575psi575psi 3,640psi3,640psi 0.220.22 23 140.8pcf140.8pcf 5.1 /F5.1 /F 4.15Mpsi15Mpsi 575psi575psi 3,640psi3,640psi 0.220.22 24 140.8pcf140.8pcf 5.1 /F5.1 /F 4.15Mpsi15Mpsi 575psi575psi 3,640psi3,640psi 0.220.22 25 140.8pcf140.8pcf 5.1 /F5.1 /F 4.15

5、Mpsi15Mpsi 575psi575psi 3,640psi3,640psi 0.220.22 1. 定义参照设计定义参照设计 2. 设计不同设计特性设计不同设计特性 3. 比较计算性能比较计算性能 27 已有JPCP路面 I-78 宾夕法尼亚州 从LTPP试验段42-3044 现实数据(输入水平2和3) 敏感性分析 通过一次选择一个设计特性变化评价设计特性的影响 接缝间距边缘支撑 板厚度 基层类型 PCC性质 地理位置 28 与与PCC有连接有连接路肩类型路肩类型边缘支撑边缘支撑 隐含隐含(TTC=1)(TTC=1) 多挂车多挂车 2% 10% 10% 隐含隐含(TTC=1)(TTC=1

6、) 多挂车多挂车 2% 2% 车辆等级分布车辆等级分布 隐含隐含 Site specific data from LTPP Site specific data from LTPP DataPaveDataPave 轴荷分布轴荷分布 传力杆传力杆 接缝间距接缝间距 AADTT双车道双车道 气象数据气象数据 设计特性设计特性 有有 2.5cm 2.5cm 直径，中到中直径，中到中 30cm 30cm 6 6米米 5,750 (5,750 (重重) ) Harrisburg, PAHarrisburg, PA 参照设计参照设计 5.25.2和和4.64.6米米 接缝接缝 无无 3,000 (3,0

7、00 (中等中等) ) 西雅图西雅图 , , 华盛顿州华盛顿州 凤凰城凤凰城 ，阿利桑那州，阿利桑那州 选择变量选择变量 交通交通 位置位置 30 4137KPa4137KPa2828天破坏模量天破坏模量 PCC PCC 性质性质 石灰岩石灰岩 (5.0 x10(5.0 x10-6 -6 in/in/F) in/in/F) 粗集料粗集料 (PCC(PCC和和CTE)CTE) 0.150.15 PoissonPoissons Ratios Ratio 细粒土细粒土 (E(E路基路基 = = 34MPa) ) 路基路基 3.653.65米米 PCCPCC板板 层层 基层基层 设计特性设计特性 25

8、.4cm 25.4cm 粒料粒料 ( (A1a) ) ( (Ebase = 345MPa) ) 参照设计参照设计 31 3448 3448 和和 482748274137KPa4137KPa2828天破坏模量天破坏模量 PCC PCC 性质性质 硅质粒料硅质粒料 (7.0 x10(7.0 x10-6 -6 in/in/F) in/in/F) 石灰岩石灰岩 (5.0 x10(5.0 x10-6 -6 in/in/F) in/in/F) 粗集料粗集料 (PCC(PCC和和CTE)CTE) 0.200.200.150.15PoissonPoissons Ratios Ratio 无变化无变化 细粒土

9、细粒土 (E(E路基路基 = = 34MPa) ) 路基路基 25.4cm 25.4cm 和和 35.6cm35.6cm 3.653.65米米 PCCPCC板板 层层 基层基层 设计特性设计特性 25.4cm 25.4cm 粒料粒料 ( (A1a) ) ( (Ebase = 345MPa) ) 参照设计参照设计 2.5cm2.5cm水泥稳定基层水泥稳定基层(CTB)(CTB) (Ebase= 1,000,000 psi)(Ebase= 1,000,000 psi) 选择变量选择变量 32 选择变量与参照设计敏感性分析 在设计寿命未期破坏比较图 : 板开裂 接缝错台 IRI 33 % Slab

10、Cracked 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Joint 15 Joint 17 Thick 14 High MOR Seattle Low Traffic Wide Lane 14 CTB Axle Dist. Veh. Class No Dowel Standard 12 HMA Shoulder Poisson Phoenix Low MOR Thick 10 Siliceous Gravel Design Variables Distress Ratio (to Reference) % Slab Cracking in Reference Design =

11、18.1% 0.3 5.5 34 Faulting 0.5 1.0 1.5 2.0 Joint 15 CTB Low Traffic Axle Dist. Thick 14 Joint 17 Wide Lane 14 Seattle Low MOR High MOR Veh. Class Poisson Standard 12 HMA Shoulder Phoenix Thick 10 No Dowel Siliceous Gravel Design Variables Distress Ratio (to Reference) Faulting in Reference Design = 0

12、.23 in. 0.7 1.5 35 IRI 0.5 1.0 1.5 2.0 Seattle Thick 14 CTB Low Traffic Axle Dist. Joint 15 Wide Lane 14 Joint 17 High MOR Veh. Class Standard 12 HMA Shoulder Poisson Phoenix No Dowel Low MOR Thick 10 Siliceous Gravel Design Variables Distress Ratio (to Reference) IRI in Reference Design = 192.1 in/

13、mile 0.9 1.6 36 Joint SpacingJoint Spacing 接缝间距接缝间距 - JPCP- JPCP 37 Joint SpacingJoint Spacing Joint Spacing 0.330.34 0.70 0.83 0.93 0.95 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Joint 15Joint 17 Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design Joint Spacing = 20 ft Crack

14、ing = 18.1%, Faulting = 0.23 in.,IRI = 192.1 in/mile 38 Joint Spacing 0.330.34 0.70 0.83 0.93 0.95 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Joint 15Joint 17 Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design Joint Spacing = 20 ft Cracking = 18.1%, Faulting = 0.23 in.,IRI =

15、192.1 in/mile 39 Edge Support 1.571.57 1.061.06 0.84 1.061.06 0.91 0.66 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 HMA ShoulderStandard 12Wide Lane 14 Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design Shoulder Type: Tied PCC Cracking: 18.1 %, Faulting: 0.23 in., IRI: 192.1 in/mile 40 Ed

16、ge Support 1.571.57 1.061.06 0.84 1.061.06 0.91 0.66 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 HMA ShoulderStandard 12Wide Lane 14 Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design Shoulder Type: Tied PCC Cracking: 18.1 %, Faulting: 0.23 in., IRI: 192.1 in/mile 41 Edge Support 1.571.57

17、 1.061.06 0.84 1.061.06 0.91 0.66 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 HMA ShoulderStandard 12Wide Lane 14 Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design Shoulder Type: Tied PCC Cracking: 18.1 %, Faulting: 0.23 in., IRI: 192.1 in/mile 42 Edge SupportEdge Support Edge Support 1.

18、571.57 1.061.06 0.84 1.061.06 0.91 0.66 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 HMA ShoulderStandard 12Wide Lane 14 Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design Shoulder Type: Tied PCC Cracking: 18.1 %, Faulting: 0.23 in., IRI: 192.1 in/mile 43 Slab Thickness 0.35 1.23 0.80 1.37

19、 0.87 5.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Slab Thickness 10Slab Thickness 14 Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design Slab Thickness = 12 Cracking = 18.1% Faulting = 0.23 in. IRI = 192.1 in/mile 44 Slab Thickness 0.35 1.23 0.80 1.37 0.87 5.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

20、 5.0 Slab Thickness 10Slab Thickness 14 Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design Slab Thickness = 12 Cracking = 18.1% Faulting = 0.23 in. IRI = 192.1 in/mile 45 Slab Thickness 0.35 1.23 0.80 1.37 0.87 5.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 Slab Thickness 10Slab Thi

21、ckness 14 Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design Slab Thickness = 12 Cracking = 18.1% Faulting = 0.23 in. IRI = 192.1 in/mile 46 Base Type and Location 0.71 0.49 0.76 0.94 1.06 0.88 0.87 1.10 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10 CTB (E=1,000,000psi) Seattle (WNF)Phoe

22、nix (DF) Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design 10 Granular Base (E= 50,000psi) Location: Harrisburg (Wet-Freeze) 47 Base Type and Location 0.71 0.49 0.76 0.94 1.06 0.88 0.87 1.10 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10 CTB (E=1,000,000psi) Seattle (WNF)Phoenix (DF) Des

23、ign Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design 10 Granular Base (E= 50,000psi) Location: Harrisburg (Wet-Freeze) 48 Base Type and Location 0.71 0.49 0.76 0.94 1.06 0.88 0.87 1.10 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10 CTB (E=1,000,000psi) Seattle (WNF)Phoenix (DF) Design Variable

24、s Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design 10 Granular Base (E= 50,000psi) Location: Harrisburg (Wet-Freeze) 49 Base Type and Location 0.71 0.49 0.76 0.94 1.06 0.88 0.87 1.10 3.55 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 10 CTB (E=1,000,000psi) Seattle (WNF)Phoenix (DF) Design Variables Distr

25、ess Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design 10 Granular Base (E= 50,000psi) Location: Harrisburg (Wet-Freeze) 50 PCC Properties 0.41 3.86 1.01.0 1.05 1.45 0.97 1.18 1.08 1.60 5.52 2.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 MOR 700psiMOR 500psiPoissons Ratio 0.2 Siliceous Gravel (CTE=7e-6/F

26、) Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design 28day MOR= 600 psi Poissons Ratio= 0.15 Aggregate: Limestone (CTE=5.5e-6/F) 51 PCC Properties 0.41 3.86 1.01.0 1.05 1.45 0.97 1.18 1.08 1.60 5.52 2.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 MOR 700psiMOR 500psiPoissons Rati

27、o 0.2 Siliceous Gravel (CTE=7e-6/F) Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design 28day MOR= 600 psi Poissons Ratio= 0.15 Aggregate: Limestone (CTE=5.5e-6/F) 52 PCC Properties 0.41 3.86 1.01.0 1.05 1.45 0.97 1.18 1.08 1.60 5.52 2.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

28、 MOR 700psiMOR 500psiPoissons Ratio 0.2 Siliceous Gravel (CTE=7e-6/F) Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design 28day MOR= 600 psi Poissons Ratio= 0.15 Aggregate: Limestone (CTE=5.5e-6/F) 53 PCC Properties 0.41 3.86 1.01.0 1.05 1.45 0.97 1.18 1.08 1.60 5.5

29、2 2.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 MOR 700psiMOR 500psiPoissons Ratio 0.2 Siliceous Gravel (CTE=7e-6/F) Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design 28day MOR= 600 psi Poissons Ratio= 0.15 Aggregate: Limestone (CTE=5.5e-6/F) 54 PCC Properties 0.41 3.86 1.01.0

30、 1.05 1.45 0.97 1.18 1.08 1.60 5.52 2.00 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 MOR 700psiMOR 500psiPoissons Ratio 0.2 Siliceous Gravel (CTE=7e-6/F) Design Variables Distress Ratio (to Reference) Cracking Faulting IRI Reference Design 28day MOR= 600 psi Poissons Ratio= 0.15 Aggregate: Limestone (CTE=5.5e-6/F)

31、55 PCC Properties 0.41 5.52 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 MOR 700psi Siliceous Gravel (CTE=7e-6/F) Design Variables Distress Ratio (to Reference) 0.34 Joint 17 14 Thick Slab Reference Design 28day MOR= 600 psi Aggregate: Limestone (CTE=5.5e-6/F) Slab Thickness 12” Joint Spacing 20 0.35 56 PCC Properti

32、es 0.41 5.52 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 MOR 700psi Siliceous Gravel (CTE=7e-6/F) Design Variables Distress Ratio (to Reference) 0.34 Joint 17 14 Thick Slab Reference Design 28day MOR= 600 psi Aggregate: Limestone (CTE=5.5e-6/F) Slab Thickness 12” Joint Spacing 20 0.35 .33 17, 14” 700 PSI 57 2. JPCP

33、 罩面示例罩面示例 现有现有JPCP的无粘结罩面层的无粘结罩面层JPCP 58 2. 无粘结PCC 罩面层设计输入 用与粘结PCC罩面层设计示例相同参照设计 路面结构 PCC 罩面层:25cm AC 粘结: 5cm 现有 PCC:30cm 粒料基层: 25cm 路基 59 2. 无粘结PCC 罩面层设计输入 现有路面 按前面JPCP设计进行 重建设计 按以前JPCP设计相同交通和材料进行设计 路面结构 PCC 罩面: 25cm AC 粘结: 5cm 现有 PCC: 30cm 粒料基层: 25cm 60 砼材料与混合料性质 弯曲强度:4.1MPa 温度膨胀系数: 5.0 x10-6 其它设计特性

34、 传力杆间距6米 路肩与PCC有连接 E基层= 344MPa, E垫层= 34MPa 现有PCC不处理 61 0 10 20 30 0246810121416182022 Pavement age, years Percent slabs cracked, % Predicted at 50% Reliability Predicted at 90% Reliability Defualt Design Limit 62 0 50 100 150 200 250 300 0246810121416182022 Pavement age, years IRI, in/mile Predicted

35、 at 50% Reliability Predicted at 90% Reliability Default Design Limit 63 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0246810121416182022 Pavement age, years Faulting, in Predicted at 50% Reliability Predicted at 90% Reliability Default Design Limit 64 设计参数设计参数 Distress TypeDistress Type 板开裂板开裂 % % 错台错台(inche

36、s)(inches)IRI IRI in/miin/mi 可靠度可靠度可靠度可靠度可靠度可靠度 50%50%90%90%50%50%90%90%50%50%90%90% 破坏标准破坏标准1515.125.125172172 参照设计参照设计 2.52.59.69.60.150.150.240.24137137187187 接缝间距接缝间距 20 20 17170.10.16.16.10.120.120.200.20129129181181 接缝间距接缝间距 202010100.00.06.06.00.050.050.110.11117117172172 厚度厚度 101012121.01.07

37、.47.40.120.120.200.20122122172172 传力杆传力杆 1.0 1.0 1.51.52.52.59.69.60.030.030.080.089090130130 65 演示NCHRP 1-37A设计指南的功能 显示设计特性对JPCP破坏发展的影响 表2-1 力和力偶的比较 力力 力偶力偶 力的作用是使物体沿其作用线移动。力的作用是使物体沿其作用线移动。力偶的作用是使物体在其作用面内转动。力偶的作用是使物体在其作用面内转动。 力矢量是滑移矢。力矢量是滑移矢。力偶矩矢量是自由矢。平面力偶矩是代数量。力偶矩矢量是自由矢。平面力偶矩是代数量。 力的三要素是其大小、方向与作用线

38、。力的三要素是其大小、方向与作用线。力偶的三要素是其大小、方向与作用面。力偶的三要素是其大小、方向与作用面。 共点力系可合成为一合力。共点力系可合成为一合力。平面力偶系可合成为一合力偶。平面力偶系可合成为一合力偶。 合力投影定理：合力投影定理： FRx= F1x + F2x+ Fnx= Fx FRy= F1y+ F2y+ Fny= Fy 合力偶定理：合力偶定理： M= Mi 67 破坏模量破坏模量 = = 弯曲能力弯曲能力 AASHTO T 97 ASTM C 78 68 140.8pcf140.8pcf 5.1 /F5.1 /F 4.15Mpsi15Mpsi 575psi575psi 3,6

39、40psi3,640psi 0.220.22 69 3448 3448 和和 482748274137KPa4137KPa2828天破坏模量天破坏模量 PCC PCC 性质性质 硅质粒料硅质粒料 (7.0 x10(7.0 x10-6 -6 in/in/F) in/in/F) 石灰岩石灰岩 (5.0 x10(5.0 x10-6 -6 in/in/F) in/in/F) 粗集料粗集料 (PCC(PCC和和CTE)CTE) 0.200.200.150.15PoissonPoissons Ratios Ratio 无变化无变化 细粒土细粒土 (E(E路基路基 = = 34MPa) ) 路基路基 25.4cm 25.4cm 和和 35.6cm35.6cm 3.653.65米米 PCCPCC板板 层层 基层基层 设计特性设计特性 25.4cm 25.4cm 粒料粒料 ( (A1a) ) ( (Ebase = 345MPa) ) 参照设计参照设计 2.5cm2.5cm水泥稳定基层水泥稳定基层(CTB)(CTB) (Ebase= 1,000,000 psi)(Ebase= 1,000,000 psi) 选择变量选择变量 70 3448 3448 和和 482748274137KPa4137KPa2828天破坏模量