水泥混凝土路面设计

水泥混凝土路面设计第1页，共63页，2023年，2月20日，星期一水泥混凝土路面力学特点：1混凝土的强度远大于基层和土基模量和强度；2水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度；3基层表面与路面板间摩擦力较小；4板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小；5混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方向的温度梯度，会产生翘曲现象，如果受到约束，会在板中产生翘曲应力。6荷载多次重复作用，温度梯度也反复变化，混凝土板有疲劳现象。第一节概述一、混凝土路面结构特征：第2页，共63页，2023年，2月20日，星期一力学特点与力学模型混凝土的强度远大于基层和土基的模量和强度

这就决定了基层、土基的模量、强度参数变化对整个结构的应力分布情况影响不大，这时可以将下层结构看作统一材料（介质）的弹性体（地基）。水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度实际工程中，板块往往因为抗折强度不足，发生断裂（而不是压碎），这与以上力学特点相吻合。这同时确定了水泥混凝土路面板块厚度设计时，应按抗折强度作为主要标准。

第3页，共63页，2023年，2月20日，星期一基层表面与路面板间摩擦力较小

在力学模型中，可以将摩擦力忽略，从而得到了板块与基层间完全光滑的联结条件。也就是板块和弹性地基间只传递竖向应力，而不传递水平面上的应力。板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小可以采用小挠度弹性薄板理论。第4页，共63页，2023年，2月20日，星期一荷载多次重复作用，温度梯度也反复变化，混凝土板有疲劳现象

设计时，要考虑荷载疲劳应力（σp）和温度疲劳翘曲应力（

σt）两种应力的综合作用。

混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方向的温度梯度，会产生翘曲现象，如果受到约束，会在板中产生翘曲应力。要考虑温度翘曲应力的影响，某种温度梯度下的温度翘曲应力最大值应出现在板块变形受到地基摩阻力完全限制的时候。也就是板与地基始终保持接触时。第5页，共63页，2023年，2月20日，星期一二、混凝土路面结构设计内容（1）路面结构组合设计根据该路的交通情况，结合当地环境气候条件和材料供应情况综合考虑。包括各层的结构类型、弹性模量和厚度的确定。（2）混凝土面板厚度设计混凝土面板厚度设计，应按照设计标准的要求，确定满足设计年限内使用要求所需的混凝土面层的厚度。（3）混凝土面板的平面尺寸与接缝设计根据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力作出板的平面尺寸设计，布设各类接缝的位置，设计接缝的构造，并采取有效措施提高接缝的传荷能力。第6页，共63页，2023年，2月20日，星期一（4）路肩设计高速公路和一级公路中间带的路缘带和路肩的结构应与行车道的混凝土路面相同，并与行车道部分的混凝土面板浇筑成整体。路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混合料面层，其基（垫）层结构应满足行车道路面结构和排水的要求。（5）普通混凝土路面配筋设计普通混凝土路面板较长或交通量较大、地基有不均匀沉降或板的形状不规则时，可沿板的自由边缘加设补强钢筋，在角隅处加设发针形钢筋或钢筋网，以阻止可能出现的裂缝。第7页，共63页，2023年，2月20日，星期一三、混凝土路面结构设计原则应根据使用要求及气候、水文、土质等自然因素，密切结合本地区实践经验，将混凝土路面板按重要工程结构的要求完成。保证工程的质量与耐久性；基层、底基层、垫层设计在满足设计要求的前提之下，尽可使用当地材料修建。遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资的原则进行路面设计方案的比较，选择技术先进、经济合理、安全可靠的方案。结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果。充分考虑沿线环境的保护，自然生态的平衡，有利于施工、养护工作人员的健康与安全。尽可能选择有利于机械化、工厂化施工的设计方案。地处不良地基的路段，应采取有效措施加快稳定路基沉降。第8页，共63页，2023年，2月20日，星期一四、混凝土路面结构设计理论与方法目前世界各国的混凝土路面设计方法都是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。《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2002）是我国现行混凝土路面设计规范。新规范列出的设计方法以弹性半空间地基有限大矩形板模型为基础，以100kN单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。第9页，共63页，2023年，2月20日，星期一五、混凝土路面交通等级路面结构设计的目标是要求混凝土路面结构在设计基准期内满足预测交通量累计标准轴载通行时，具有快速、安全、稳定的服务功能，路面结构具有相应的承载能力，路面板的弯拉应力满足疲劳极限应力的容许标准。（1）设计基准期路面设计基准期是计算路面结构可靠度时，考虑各项基本度量与时间关系所取用的基准时间。也可理解为保证路面结构达到规定可靠度指标的有效期间。设计基准期与公路等级有关，可根据公路在路网中的功能定位，当地国民经济发展的需求以及投资条件等因素，经综合论证后确定。第10页，共63页，2023年，2月20日，星期一（2）标准轴载及轴载当量换算我国公路水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。对于各种不同汽车轴载的作用次数，可按等效疲劳断裂原则换算成标准轴载的作用次数，并根据标准轴载的作用次数判断道路的交通繁重程度。轴载换算公式为：第11页，共63页，2023年，2月20日，星期一（3）交通调查与轴载分析通过当地交通量观测站历年统计资料进行交通调查，用于分析并提出设计车道的年平均日货车交通量ADTT及设计基准期内的交通量年平均增长率gr。调查获得的双向年平均日货车交通量，还应乘以方向系数（通常为0.5）和车道分布系数（表16-2），得到设计车道在设计基准期初期的年平均日货车交通量ADTT（单向）。第12页，共63页，2023年，2月20日，星期一设计基准期内交通量的年平均增长率gr可通过交通观测点多年的交通统计资料进行分析，同时参考当地经济与交通发展的宏观形势，并根据公路的等级及其承担的功能，通过论证后确定。（4）标准轴载累计当量作用次数Ne式中：Ne——标准轴载累计作用次数；t——设计基准期；gr——交通量年平均增长率；η——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按表16-3选用。公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.17～0.22二级及二级以下公路行车道宽＞7m0.34～0.39行车道宽≤7m0.54～0.62表16-3车辆轮迹横向分布系数第13页，共63页，2023年，2月20日，星期一（5）混凝土路面交通等级划分水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按照设计基准期内设计车道临界荷位承受的标准轴载当量累计作用次数分为4级。第14页，共63页，2023年，2月20日，星期一水泥混凝土路面结构→支撑于弹性地基上的小挠度弹性薄板地基模型：1.温克勒（Winkler）地基模型（稠密液体地基、弹簧地基）→地基反应模量k。2.弹性固体地基模型（弹性半空间体地基）→弹性模量E0和泊松比μ03.巴斯特纳克（Pasternak）地基模型→地基反应模量k和剪切模量G

介于Winkler地基和半空间地基之间的过渡模型。第二节弹性地基板体系理论简介第15页，共63页，2023年，2月20日，星期一一、小挠度弹性薄板基本假定：（1）垂直于中面方向的应变εz极其微小，可以忽略不计。（2）垂直于中面的法线，在弯曲变形前后均保持为直线并垂直于中面，因而无横向剪切应变。（3）中面上各点无平行于中面的位移。板与地基的联系基本假定：

1）在变形过程中，板与地基的接触面始终吻合，即板面与地基表面的竖向位移是相同的。

2）在板与地基的接触面之间没有摩阻力（可以自由滑动），即接触面上的剪应力视为零。第16页，共63页，2023年，2月20日，星期一

从板上割取长和宽各为dx和dy，高为h的单元，根据单元的平衡条件（∑Z=0,∑Ｍy=0，∑Ｍx=0）可导出当板表面作用竖向荷载p，地基对板底面作用竖向反力q时，板中心挠曲面的微分方程为：二、板挠曲面微分方程第17页，共63页，2023年，2月20日，星期一在求得板的挠度W解后，即可由下式计算板的应力：有两个未知数，必须建立附加方程。荷载型式不同，地基反力在板底xy平面内的分布也不同，根据不同的地基反力特性定义两种地基：文克勒地基和弹性半空间体地基。第18页，共63页，2023年，2月20日，星期一一、温克勒地基板的荷载应力分析温克勒地基：地基反力与该点的挠度成正比，而与其它点的挠度无关，公式：第三节水泥混凝土路面应力分析其中k－地基反力模量（MPa/m³）第19页，共63页，2023年，2月20日，星期一1.荷载作用于板中(荷位①)，荷载中心处板底最大弯拉应力：2.荷载作用于板边缘中部(荷位②)，荷位下板底的最大弯拉应力：3.荷载作用于板角隅(荷位③)，最大拉应力产生在板的表面离荷载圆中心为X1的分角线上:为板的相对刚度半径:文克勒地基上板的威斯特卡德解三个临界荷位时最大应力计算公式：第20页，共63页，2023年，2月20日，星期一二、弹性半空间地基板的荷载应力分析弹性半空间地基：假定地基是各向同性的弹性半空间体，这时地基在荷载作用范围内、外均产生变形和反力。公式：弹性半空间体地基上作用任意竖向轴对称荷载q(r)时，其表面的挠度为：第21页，共63页，2023年，2月20日，星期一

弹性半无限地基的荷载应力计算理论对于荷载作用于板边、板角隅处，以及有限尺寸的矩形板，在不同组合的轮载作用于板上任何位置时，均无法解决。对于外荷载与弹性地基板本身均属于轴对称的情况下：第22页，共63页，2023年，2月20日，星期一四、水泥混凝土路面温度应力分析1.胀缩应力当气温缓慢变化时，板内温度均匀升降，则面板沿断面的深度均匀胀缩。设x为板的纵轴，y为板的横轴。如有一平面尺寸很大的板，在温差影响下板内任一点的应变为：面板胀缩完全受阻时所产生的应力为：第23页，共63页，2023年，2月20日，星期一在混凝土板内设置接缝后，板被化分为有限尺寸的板块。这时因变形受阻而产生的板内最大应力出现于板长的中央，其值可近似按下式计算：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。第24页，共63页，2023年，2月20日，星期一2.翘曲应力

由于混凝土板、基层和土基的导热性能较差，当气温变化较快时，板顶面与底面产生温度差，从而使板顶面与底面的胀缩变形大小也就不同。当气温升高时，板顶面温度较其底面高，板顶膨胀变形较板底的大，则板中部隆起；相反，当气温下降时，板顶面温度较其底面低，板顶收缩变形较板底的大，因而板的边缘和角隅翘起。由于板的自重、地基反力和相邻板的钳制作用，使部分翘曲变形受阻，从而使板内产生翘曲应力。由气温升高引起的板中部隆起受到限制时，板底面出现拉应力；而当气温降低引起的板四周翘起受阻时，板顶面出现拉应力。板顶面与板底面的温度差通常表示为板的温度梯度乘以板厚，即Δt=Tg·h。第25页，共63页，2023年，2月20日，星期一

威斯特卡德对温克勒地基板作了如下假设：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。对有限尺寸板，沿板长（L）和板宽（B）方向的翘曲应力分别为：板边中点：第26页，共63页，2023年，2月20日，星期一

按照文克勒地基板计算翘曲应力的假设，采用有限元法来计算弹性半空间体地基上板的翘曲应力。板的刚性半径第27页，共63页，2023年，2月20日，星期一

一、面层混凝土板要求：应具有足够的强度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整等良好的路用性能类型：面层一般采用设接缝、不配筋的普通混凝土路面板。对于不同等级公路承受不同交通等级的道路，也可采用其他类型混凝土面板第四节水泥混凝土路面结构组合设计第28页，共63页，2023年，2月20日，星期一平面尺寸：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，用纵横接缝分隔，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。纵缝间距按路面宽度在3.0～4.5m范围内确定。普通混凝土面层板的横缝间距一般为4～6m，长宽比不宜超过1.50，平面尺寸不宜大于25m2；碾压混凝土或钢纤维混凝土面层板的横缝间距一般为6～10m，钢筋混凝土面层板一般为6～15m。厚度：混凝土面层板的厚度决定于公路和交通等级，对于普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或连续配筋混凝土面层板所需的厚度可参考后表所示的范围初步选定。钢纤维混凝土面层板的厚度一般为普通混凝土路面厚度的0.65～0.75倍。特重或重交通时，最小厚度为160mm；中等或轻交通时，最小厚度为140mm。复合式路面沥青上面层的厚度一般为25～80mm。第29页，共63页，2023年，2月20日，星期一表面构造：为保证行车安全，路面混凝土板表面构造应采用刻槽、压槽、拉槽或拉毛等方法制作。构造深度在使用初期应满足下表的要求。第30页，共63页，2023年，2月20日，星期一二、混凝土路面基层结构要求：应具备足够的抗冲刷能力和一定的刚度。基层类型与适宜厚度：湿润和多雨地区，路基为低透水性细粒土的高速公路和一级公路或者承受特重交通或重交通的二级公路，宜采用排水基层。各类基层的适宜交通等级与适宜厚度范围见下表所列：第31页，共63页，2023年，2月20日，星期一宽度：宽度应比混凝土面板每侧宽出300～650mm。路肩采用混凝土面层，其厚度与行车道面层板相同时，基层宽度宜与路基同宽。碾压混凝土作基层时，应设置与混凝土面层板相对应的纵、横接缝。采用贫混凝土基层时，若弯拉应力超过1.8MPa，应设置与混凝土面层板相对应的横向接缝；一次摊铺宽度大于7.5m，还应设置纵向缩缝。

排水基层下应设置由水泥稳定粒料或密级配粒料组成的不透水底基层，厚度一般为200mm。底基层顶面应铺设沥青封层或防水土工织物。在基层下若未设置垫层，而上路床土质为细粒土、粘土质砂或级配不良砂（承受特重或重交通时），或者上路床土质为细粒土（承受中等交通时），均应在基层下设置底基层。底基层可采用级配粒料、水泥稳定粒料或石灰粉煤灰稳定粒料，厚度可取200mm。第32页，共63页，2023年，2月20日，星期一三、混凝土路面垫层结构垫层结构一般是为应对路基的特殊需求而设置，分为防冻垫层、排水垫层与加固垫层三类。在季节性冰冻地区修筑混凝土路面，当路面结构总厚度不能满足最小防冻要求时，应设置防冻垫层，保证总厚度满足最小防冻厚度的要求。对于水文地质条件不良的土质路堑，路床土的湿度较大时，为防止地下水对路面结构的侵蚀，应设置排水垫层。当路基土特别软弱，经加固后，仍有可能出现不均匀沉降、变形时，应设置加固垫层以增强路床的承载能力。有时以上三种情况兼而有之。选择垫层结构材料时也应兼顾，具备多种功能。一般情况，垫层多数选用当地廉价材料修筑，或取当地材料掺少量无机结合料处治后使用，如砂、砂砾料、低剂量无机结合料稳定粒料等。垫层厚度一般为150mm。第33页，共63页，2023年，2月20日，星期一

四、混凝土路面的路基结构满足稳定、密实、均质、耐久的要求，为路面结构提供均匀支承。对路基土质的要求很严格，一般高液限粘土及含有机质细粒土均不能用于高速公路和一级公路的路床填料、也不能用于二级和二级以下公路的上路床填料。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无机结合料进行处治。地下水位较高的路段，应提高路堤设计标高。若设计标高受限制，路基达不到中湿状态的临界高度时，应选用粗粒土或低剂量石灰或水泥稳定细粒料做路床填料；未能达到潮湿状态的路基临界高度时，除采用上述填料之外，还应采取在边沟下设置排水渗沟等降低地下水位的措施。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，整平层可采用未筛分碎石和石屑或低剂量水泥稳定粒料、其厚度视路床顶面不平整程度而定，一般为100～150mm。第34页，共63页，2023年，2月20日，星期一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尺寸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。第五节我国水泥混凝土路面设计方法第35页，共63页，2023年，2月20日，星期一一、目标可靠度与疲劳极限状态方程式水泥混凝土路面按可靠度方法进行设计，不同等级公路的路面结构设计安全等级及相应的设计基准期、可靠度指标和目标可靠度列于下表。对于各设计参数的变异系数Cv范围有不同要求，如下表。第36页，共63页，2023年，2月20日，星期一水泥混凝土路面结构设计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，极限状态方程式如下式所示：第37页，共63页，2023年，2月20日，星期一二、弯拉应力分析及厚度设计1.荷载应力分析临界荷位：产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位位于混凝土板的纵向边缘中部。标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算确定。第38页，共63页，2023年，2月20日，星期一第39页，共63页，2023年，2月20日，星期一第40页，共63页，2023年，2月20日，星期一第41页，共63页，2023年，2月20日，星期一按表推荐的路床顶面回弹模量参考值适用于中湿状态路基。若路基干湿类型达不到中湿状态，则不能直接做路床铺筑路面，应按照路面结构组合设计的要求进行处治，使路基干湿类型优于中湿状态。底基层和垫层同时存在时，可先按公式将底基层和垫层换算成具有当量回弹模量和当量厚度的单层，然后再与基层一起按公式计算基层顶面当量回弹模量。若无底基层和垫层，只要对相应的厚度和回弹模量置零代入各式，即可完成计算。旧路改建，在柔性路面上铺筑水泥混凝土路面板时，原柔性路面顶面的当量回弹模量可按下式计算确定。第42页，共63页，2023年，2月20日，星期一第43页，共63页，2023年，2月20日，星期一2.

温度应力分析在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算确定。第44页，共63页，2023年，2月20日，星期一第45页，共63页，2023年，2月20日，星期一第46页，共63页，2023年，2月20日，星期一3.混凝土路面板厚度设计首先进行路面结构组合设计，即根据公路等级、交通等级和目标可靠度等初步选定路面结构组合，即选定面层混凝土板、基层、底基层、垫层、路床的材料类型和厚度。第47页，共63页，2023年，2月20日，星期一面层混凝土板可参考建议的参考范围，根据公路等级、交通等级和变异水平等级选定适宜的初估厚度。进一步计算荷载疲劳应力σps和温度疲劳应力σpt。考察σps与σpt之和与可靠度系数γf的乘积是否满足极限状态平衡方程式，即是否小于或等于混凝土弯拉应力的标准值fr。如果满足极限状态平衡方程式的要求，则初估厚度即为设计路面板厚度，若不能满足极限状态平衡方程式的要求，可以重新确定初估厚度，或调整结构类型和结构组合，再一次进行荷载疲劳应力和温度疲劳应力验算，直至完全满足极限平衡方程式。路面结构设计厚度依计算结果按10mm向上取整。第48页，共63页，2023年，2月20日，星期一第49页，共63页，2023年，2月20日，星期一三、接缝设计1．纵向接缝纵向接缝的布设应根据路面宽度和施工铺筑宽度而定。一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝，纵向施工缝采用平缝形式；一次铺筑宽度大于4.5m时，应设置纵向缩缝，纵向缩缝采用假缝形式。拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚的中央，并对拉杆中部100m范围内作防锈处理。拉杆的直径、长度和间距，可参照表16-30选用。连续配筋混凝土路面的纵缝拉杆可由板内横向钢筋延伸穿过接缝代替拉杆。第50页，共63页，2023年，2月20日，星期一纵缝构造（尺寸单位：mm）a）纵向施工缝；b）纵向缩缝第51页，共63页，2023年，2月20日，星期一2．横向接缝每日施工结束或临时中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能设在横向缩缝或胀缝处。施工缝应采用设传为杆的平缝形式。横向缩缝可等间距设置，采用假缝形式。特重和重交通公路、收费广场及邻近胀缝或自由端部的三条最靠近的缩缝，均应采用设传力杆假缝形式。其他情况可采用不设传力杆的假缝形式。横向胀缝只在邻近桥梁或其他固定构造物处或与其他道路相交处设置。胀缝设置条数视膨胀量大小而定。低温浇筑混凝土面层或选用膨胀性高的集料时，根据具体情况决定胀缝的设置。传力杆采用光面钢筋。其尺寸和间距按表16-31选用。最外侧传力杆距纵向接缝或自由边的距离150～250mm。第52页，共63页，2023年，2月20日，星期一第53页，共63页，2023年，2月20日，星期一横向施工缝构造（尺寸单位：mm）a）设传力杆平缝型；b）设拉杆企口缝型横向缩缝构造（尺寸单位：mm）a）设传力杆假缝型；b）不设传力杆假缝型第54页，共63页，2023年，2月20日，星期一四、混凝土面板配筋设计1.钢筋混凝土面层板配筋设计钢筋混凝土面层板的钢筋配筋量按下式计算确定。第55页，共63页，2023年，2月20日，星期一纵向和横向钢筋宜采用相同或相近的直径，钢筋的最小值和最大间距应符合下表的规定。钢筋的最小间距为集料最大粒径的2倍。钢筋布置应符合以下要求：纵向钢筋设在面层顶面1/3～1/2厚度范围内；纵向钢筋的搭接长度一般不