十六章水泥混凝土路面設(shè)計(jì)2

1、16-1 概 述o 混凝土板工作在彈性階段混凝土板工作在彈性階段，即在計(jì)算汽車荷載，即在計(jì)算汽車荷載作用下，板內(nèi)產(chǎn)生的最大應(yīng)力不超過水泥混凝作用下，板內(nèi)產(chǎn)生的最大應(yīng)力不超過水泥混凝土的比例極限應(yīng)力。土的比例極限應(yīng)力。o 基層和土基所承受的荷載單位壓力及產(chǎn)生的變基層和土基所承受的荷載單位壓力及產(chǎn)生的變形也微小，都工作于彈性階段。形也微小，都工作于彈性階段。o 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)屬于彈性層狀體系。水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)屬于彈性層狀體系。o 一、同柔性路面相比，水泥混凝土路面的一、同柔性路面相比，水泥混凝土路面的特性特性：1 1、混凝土路面板的彈性模量及力學(xué)強(qiáng)度大大高于基、混凝土路面板的彈性模量及力學(xué)強(qiáng)

2、度大大高于基層和土基的相應(yīng)模量和強(qiáng)度；層和土基的相應(yīng)模量和強(qiáng)度；2 2、混凝土的抗彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，約為、混凝土的抗彎拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，約為1/7-1/7-1/61/6，因此決定水泥混凝土板尺寸的因此決定水泥混凝土板尺寸的強(qiáng)度指標(biāo)是強(qiáng)度指標(biāo)是抗彎拉應(yīng)力抗彎拉應(yīng)力；3 3、由于混凝土板與基層或土基之間的摩阻力一般不、由于混凝土板與基層或土基之間的摩阻力一般不大，所以在力學(xué)圖式上可把水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)大，所以在力學(xué)圖式上可把水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)看作是彈性地基板，用彈性地基板理論進(jìn)行分析看作是彈性地基板，用彈性地基板理論進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算。o 由于混凝土的抗彎拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低得多，在車輪由

3、于混凝土的抗彎拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度低得多，在車輪荷載作用下當(dāng)彎拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗彎拉強(qiáng)度荷載作用下當(dāng)彎拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗彎拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土板便產(chǎn)生斷裂破壞。且在車輪荷載的重復(fù)時(shí)，混凝土板便產(chǎn)生斷裂破壞。且在車輪荷載的重復(fù)作用下，混凝土板會(huì)在低于其極限抗彎拉強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)作用下，混凝土板會(huì)在低于其極限抗彎拉強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)破壞。破壞。o 此外，由于板頂面和底面的此外，由于板頂面和底面的溫差會(huì)使板產(chǎn)生溫度翹曲溫差會(huì)使板產(chǎn)生溫度翹曲應(yīng)力應(yīng)力，板的平面尺寸越大，翹曲應(yīng)力也越大。另外，板的平面尺寸越大，翹曲應(yīng)力也越大。另外，水泥混凝土又是一種脆性材料，它在斷裂時(shí)的水泥混凝土又是一種脆性材料，它在斷裂時(shí)的相

4、對(duì)拉相對(duì)拉伸變形很小伸變形很小。因此，在荷載作用下土基和基層的變形。因此，在荷載作用下土基和基層的變形情況對(duì)混凝土板的影響很大，不均勻的基礎(chǔ)變形會(huì)使情況對(duì)混凝土板的影響很大，不均勻的基礎(chǔ)變形會(huì)使混凝土板與基層脫空，在車輪荷載作用下板產(chǎn)生過大混凝土板與基層脫空，在車輪荷載作用下板產(chǎn)生過大的彎拉應(yīng)力而遭破壞。的彎拉應(yīng)力而遭破壞。o 為使路面能夠經(jīng)受車輪荷載的多次重復(fù)作用、抵抗溫為使路面能夠經(jīng)受車輪荷載的多次重復(fù)作用、抵抗溫度翹曲應(yīng)力、并對(duì)地基變形有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，混凝度翹曲應(yīng)力、并對(duì)地基變形有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，混凝土板必須具有足夠的抗彎拉強(qiáng)度和厚度。土板必須具有足夠的抗彎拉強(qiáng)度和厚度。o 水泥混凝土

5、路面在行車荷載和環(huán)境因素的作用下可水泥混凝土路面在行車荷載和環(huán)境因素的作用下可能出現(xiàn)的破壞類型主要有：能出現(xiàn)的破壞類型主要有：o 1 1）斷裂；）斷裂；2 2）唧泥；）唧泥；3 3）錯(cuò)臺(tái)；）錯(cuò)臺(tái)；4 4）拱起；）拱起；5 5）接縫）接縫擠碎等。擠碎等。o 從水泥混凝士路面的幾個(gè)主要破壞類型可以看出，從水泥混凝士路面的幾個(gè)主要破壞類型可以看出，影響混凝土路面的使用性能的因素是多方面的，如影響混凝土路面的使用性能的因素是多方面的，如輪載、溫度、水分、基層、接縫構(gòu)造、材料以及施輪載、溫度、水分、基層、接縫構(gòu)造、材料以及施工和養(yǎng)護(hù)情況等。從保證路面結(jié)構(gòu)承載能力的角度，工和養(yǎng)護(hù)情況等。從保證路面結(jié)構(gòu)承載

6、能力的角度，混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以防止面層板斷裂為主要設(shè)混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以防止面層板斷裂為主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；從保證汽車行駛性能的角度，應(yīng)嚴(yán)格控制計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；從保證汽車行駛性能的角度，應(yīng)嚴(yán)格控制接縫兩側(cè)的錯(cuò)臺(tái)量。接縫兩側(cè)的錯(cuò)臺(tái)量。o 產(chǎn)生斷裂、錯(cuò)臺(tái)等的原因是多方面的，如基層的沖產(chǎn)生斷裂、錯(cuò)臺(tái)等的原因是多方面的，如基層的沖刷和排水條件。因此，混凝土路面設(shè)計(jì)必須從多方刷和排水條件。因此，混凝土路面設(shè)計(jì)必須從多方向采取措施來保證它的使用壽命。向采取措施來保證它的使用壽命。二、水泥混凝土路面破壞形式水泥混凝土路面破壞形式o 破壞形式分為接縫破壞和混凝土面板損壞o 損壞性質(zhì)分為功能性損壞和結(jié)構(gòu)性損壞。功能性損

7、壞：由于路面的不平整，使其不再具有預(yù)期的功能；結(jié)構(gòu)性損壞：路面結(jié)構(gòu)的整體或其某一個(gè)或幾個(gè)組成部分的破壞，嚴(yán)重時(shí)可能不能支承車輛的荷載。o （1）接縫的破壞A、擠碎：出現(xiàn)于橫向接縫兩側(cè)數(shù)十厘米寬度內(nèi)。傳力桿位置不正確，或滑動(dòng)功能失效，或縫內(nèi)有混凝土或硬雜屑B、拱起：受熱膨脹受阻時(shí)，某一接縫兩側(cè)的板突然向上拱起。硬雜屑塞滿縫隙。C、錯(cuò)臺(tái)：橫向接縫兩側(cè)路面板出現(xiàn)的豎向相對(duì)位移。脹縫兩側(cè)混凝土面壁不垂直，或接縫滲水基礎(chǔ)軟化，或接縫傳荷能力不足、失效，或基礎(chǔ)沉降不均勻等。D、唧泥：汽車行經(jīng)接縫時(shí)，由縫內(nèi)噴濺出稀泥漿的現(xiàn)象。（2）、混凝土板本身的破壞o 斷裂和裂縫原因：板太薄或輪載太重；渠化荷載；板的尺寸

8、太大；地基變形；收縮應(yīng)力過大；或材料、施工質(zhì)量不良，混凝土未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求等。三、水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容：三、水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容：o 1 1路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計(jì)o 應(yīng)根據(jù)該路的交通繁重程度，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和應(yīng)根據(jù)該路的交通繁重程度，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件和恢料供應(yīng)情況。選擇安排混凝土路面的結(jié)構(gòu)層層次；恢料供應(yīng)情況。選擇安排混凝土路面的結(jié)構(gòu)層層次；o 包括土基、墊層、基層和面層的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，各包括土基、墊層、基層和面層的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，各層的路面結(jié)構(gòu)類型、彈性模量和厚度。層的路面結(jié)構(gòu)類型、彈性模量和厚度。o 能給混凝土面層以均勻支承、承受預(yù)期交通的作用、能給混凝土面層以均

9、勻支承、承受預(yù)期交通的作用、提供良好使用性能的混凝土路面結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)過程提供良好使用性能的混凝土路面結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)過程與柔性路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)相仿。與柔性路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)相仿。o 水泥混凝土面板要求具有較高的彎拉強(qiáng)度，表面平整、水泥混凝土面板要求具有較高的彎拉強(qiáng)度，表面平整、抗滑、耐磨。常選用的面板類型有普通混凝土路面、鋼抗滑、耐磨。常選用的面板類型有普通混凝土路面、鋼筋混凝土路面、連續(xù)配筋混凝土路面、鋼纖維混凝土路筋混凝土路面、連續(xù)配筋混凝土路面、鋼纖維混凝土路面、混凝土板料路面等。面、混凝土板料路面等。o 基層和墊層有粒料類（碎石、砂礫）、穩(wěn)定類（水泥、基層和墊層有粒料類（碎石、砂礫）、穩(wěn)定類

10、（水泥、石灰、工業(yè)廢渣）和貧混凝土三大類，分別具有不同的石灰、工業(yè)廢渣）和貧混凝土三大類，分別具有不同的剛度、沖刷能力和透水性。在重交通的道路上，選用水剛度、沖刷能力和透水性。在重交通的道路上，選用水泥穩(wěn)定類或貧混凝土作為基層具有良好的使用性能。泥穩(wěn)定類或貧混凝土作為基層具有良好的使用性能。o2 2混凝土面板厚度設(shè)計(jì)混凝土面板厚度設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，確定滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)使用要求所需的混凝土按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，確定滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)使用要求所需的混凝土面層的厚度。面層的厚度。o3 3混凝土面板的平面尺寸與接縫設(shè)計(jì)混凝土面板的平面尺寸與接縫設(shè)計(jì) 根據(jù)混凝土面層板內(nèi)產(chǎn)生的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力作出板的平

11、面尺寸根據(jù)混凝土面層板內(nèi)產(chǎn)生的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力作出板的平面尺寸設(shè)計(jì)，確定接縫的位置，設(shè)計(jì)接縫的構(gòu)造，并采取有效措施提高接設(shè)計(jì)，確定接縫的位置，設(shè)計(jì)接縫的構(gòu)造，并采取有效措施提高接縫的傳荷能力?？p的傳荷能力。o4 4路肩設(shè)計(jì)路肩設(shè)計(jì) 高速公路和一級(jí)公路中間帶和路肩路緣帶的結(jié)構(gòu)應(yīng)與行車道的混凝高速公路和一級(jí)公路中間帶和路肩路緣帶的結(jié)構(gòu)應(yīng)與行車道的混凝土路面相同，并與行車道部分的混凝土面板澆筑成整體。路肩可采土路面相同，并與行車道部分的混凝土面板澆筑成整體。路肩可采用水泥混凝土面層或?yàn)r青混合料面層，其基層結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足行車道路用水泥混凝土面層或?yàn)r青混合料面層，其基層結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足行車道路面結(jié)構(gòu)和排水的要求

12、。一般公路的混凝土路面應(yīng)設(shè)置路緣石或加固面結(jié)構(gòu)和排水的要求。一般公路的混凝土路面應(yīng)設(shè)置路緣石或加固路肩，路肩加固可采用瀝青混合料或其它材料。路肩，路肩加固可采用瀝青混合料或其它材料。o5 5普通混凝土路面的鋼筋配筋率設(shè)計(jì)普通混凝土路面的鋼筋配筋率設(shè)計(jì) 當(dāng)混凝土路面板較長或交通量較大時(shí)、地基有不均勻沉降或板的形當(dāng)混凝土路面板較長或交通量較大時(shí)、地基有不均勻沉降或板的形狀不規(guī)則時(shí)，可沿板的自由邊緣加設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，在角隅處加設(shè)發(fā)針狀不規(guī)則時(shí)，可沿板的自由邊緣加設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，在角隅處加設(shè)發(fā)針形鋼筋或鋼筋網(wǎng)，以阻止可能出現(xiàn)的裂縫。形鋼筋或鋼筋網(wǎng)，以阻止可能出現(xiàn)的裂縫。三、有限尺寸矩形板o 生產(chǎn)實(shí)踐中的混凝土

13、路面板都具有有限尺寸，而且生產(chǎn)實(shí)踐中的混凝土路面板都具有有限尺寸，而且大都屬于有限尺寸的矩形板，真正的無限大板實(shí)際大都屬于有限尺寸的矩形板，真正的無限大板實(shí)際并不存在。并不存在。o 對(duì)于彈性半空間體地基上有限尺寸矩形板的板中、對(duì)于彈性半空間體地基上有限尺寸矩形板的板中、板邊和板角作用車輪荷載時(shí)，求解相應(yīng)位置的撓度板邊和板角作用車輪荷載時(shí)，求解相應(yīng)位置的撓度和彎矩（屬非軸對(duì)稱課題），在數(shù)學(xué)上遇到很大困和彎矩（屬非軸對(duì)稱課題），在數(shù)學(xué)上遇到很大困難，故至今尚未得到解析表達(dá)式。有限元方法是結(jié)難，故至今尚未得到解析表達(dá)式。有限元方法是結(jié)構(gòu)和連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力分析中的一種較新而較有效的計(jì)構(gòu)和連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力分析中

14、的一種較新而較有效的計(jì)算方法。采用有限元法分析水泥混凝土路面的荷載算方法。采用有限元法分析水泥混凝土路面的荷載應(yīng)力，有著比積分解（解平衡微分方程）優(yōu)越的地應(yīng)力，有著比積分解（解平衡微分方程）優(yōu)越的地方，主要表現(xiàn)在：方，主要表現(xiàn)在：o 1 1可以按板塊的實(shí)際大小求解有限尺寸的板，從而消除無可以按板塊的實(shí)際大小求解有限尺寸的板，從而消除無限大板的假設(shè)所帶來的誤差（此誤差隨荷載接近板邊緣和限大板的假設(shè)所帶來的誤差（此誤差隨荷載接近板邊緣和相對(duì)剛度半徑的增大而增加）；相對(duì)剛度半徑的增大而增加）；o 2 2可以考慮各種荷載情況（包括荷載組合和荷載位置），可以考慮各種荷載情況（包括荷載組合和荷載位置），而

15、不必象前述方法那樣規(guī)定若干種典型的荷位，并且能解而不必象前述方法那樣規(guī)定若干種典型的荷位，并且能解算簡單的荷載組合情況。因此，可以用于符合實(shí)際荷載情算簡單的荷載組合情況。因此，可以用于符合實(shí)際荷載情況的應(yīng)力分析；況的應(yīng)力分析；o 3 3可以計(jì)及板的實(shí)際邊界條件，如接縫的傳荷能力、板和可以計(jì)及板的實(shí)際邊界條件，如接縫的傳荷能力、板和地基的脫空（不連續(xù)接觸）等；地基的脫空（不連續(xù)接觸）等；o 4 4所解得的結(jié)果是整個(gè)板面上的位移場和應(yīng)力場，從而可所解得的結(jié)果是整個(gè)板面上的位移場和應(yīng)力場，從而可以更全面地分析板的受荷情況?，F(xiàn)行公路水泥混凝土路以更全面地分析板的受荷情況?，F(xiàn)行公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范

16、（面設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ 012JTJ 0129494）用有限元法分析了荷載作用下）用有限元法分析了荷載作用下板的極限應(yīng)力值，由此給出了應(yīng)力計(jì)算諾漠圖。板的極限應(yīng)力值，由此給出了應(yīng)力計(jì)算諾漠圖。64 水泥混凝土路面溫度應(yīng)力分析o 水泥混凝土路面板內(nèi)不同深處的溫度，隨氣水泥混凝土路面板內(nèi)不同深處的溫度，隨氣溫的變化而變化。這種變化使混凝土板出現(xiàn)溫的變化而變化。這種變化使混凝土板出現(xiàn)膨脹和收縮變形的趨勢。當(dāng)變形受阻時(shí)，板膨脹和收縮變形的趨勢。當(dāng)變形受阻時(shí)，板內(nèi)便產(chǎn)生脹縮應(yīng)力或翹曲應(yīng)力。內(nèi)便產(chǎn)生脹縮應(yīng)力或翹曲應(yīng)力。 二、翹曲應(yīng)力o 由于板的自重、地基反力和相鄰板的鉗制作用，使部分由于板的自重、地基反力和

17、相鄰板的鉗制作用，使部分翹曲變形受阻，從而使板內(nèi)產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。由氣溫升高翹曲變形受阻，從而使板內(nèi)產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。由氣溫升高引起的板中部隆起受到限制時(shí)，板底面出現(xiàn)拉應(yīng)力；而引起的板中部隆起受到限制時(shí)，板底面出現(xiàn)拉應(yīng)力；而當(dāng)氣溫降低引起的板四周翹起受阻時(shí)，板頂面出現(xiàn)拉應(yīng)當(dāng)氣溫降低引起的板四周翹起受阻時(shí)，板頂面出現(xiàn)拉應(yīng)力。力。o 為了分析翹曲應(yīng)力，威斯特卡德對(duì)文克勒地基板作了如為了分析翹曲應(yīng)力，威斯特卡德對(duì)文克勒地基板作了如下假設(shè)：下假設(shè)：o 1 1、溫度沿板斷面呈直線變化、溫度沿板斷面呈直線變化、2 2、板和地基始終保持接、板和地基始終保持接觸，觸，o 3 3、不計(jì)板自重，、不計(jì)板自重，4 4、板僅

18、受地基約束、板僅受地基約束o 此時(shí)的翹曲應(yīng)力計(jì)算公式：此時(shí)的翹曲應(yīng)力計(jì)算公式： 例題i=2.22*103Pi-0.43 (1)或i=1.07*10-5Pi-0.22 (2)或i=2.24*10-8Pi-0.22 (3)i 軸輪型系數(shù)，單軸雙輪組，i1 單軸單輪組，按（1）式計(jì)算 雙軸雙輪組，按（2）式計(jì)算 三軸雙輪組，按（3）式計(jì)算Et 基層頂面的當(dāng)量回彈模量（MPa）E0 路床頂面的當(dāng)量回彈模量（MPa）Ex 基層和底基層或墊層的當(dāng)量回彈模量 （MPa），按（1）式計(jì)算。E1、E 2基層和底基層或墊層的回彈模量（MPa）hx 基層和底基層或墊層的當(dāng)量厚度（m），按（2）式計(jì)算Dx 基層和底基層或墊層的當(dāng)量彎曲