《道路工程》第九-1章

第9章水泥混凝土路面结构设计主要内容：1水泥混凝土路面概况2水泥混凝土路面损坏模式及设计标准3水泥混凝土路面轮载应力和温度应力计算4水泥混凝土路面结构层组合设计5接缝和配筋设计学习要求：1掌握水泥混凝土路面设计理论和设计方法2能够根据条件进行水泥混凝土路面结构设计9.1.1水泥混凝土路面分类水泥混凝土路面按路面材料分普通素混凝土路面采用425、525普通硅酸盐水泥或道路水泥拌制的素混凝土建造的路面碾压混凝土路面钢筋混凝土路面钢纤维混凝土路面复合混凝土路面（普通混凝土和碾压混凝土路面组成）9.1.2水泥混凝土路面特点强度高、稳定性好耐久，路面寿命长达20~30年接缝多，养护修复困难9.1水泥混凝土路面概述9.1.3水泥混凝土路面构造9.1.4水泥混凝土路面结构设计内容土基和基层设计，提供水泥混凝土面板足够的支撑水泥混凝土面板材料组成设计，按抗弯拉强度设计水泥混凝土面板厚度和平面尺寸设计（几何尺寸设计）接缝和配筋设计水泥混凝土面板hEc基层HE1土基E0水泥混凝土路面结构示意图9.2水泥混凝土路面损坏模式及设计指标9.2.1损坏模式水泥混凝土路面为刚性路面，其破坏模式主要为断裂和接缝破坏为主1）断裂断裂2）接缝破坏疲劳断裂唧泥接缝碎裂表面损坏地基下沉引起的断裂和碎裂9.2.2设计指标疲劳断裂为水泥混凝土路面板结构破坏的临界状态混凝土板疲劳抗拉强度为主要设计指标式中r—可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平确定；pr–行车荷载疲劳应力，MPa；tr–温度梯度疲劳应力，MPa；fr–水泥混凝土弯拉强度标准值。新规范（JTGD40—2002）水泥混凝土路面结构设计采用可靠度设计。各级公路水泥混凝土路面结构的设计安全等级及相应的设计基准期、目标可靠指标和目标可靠度。rtrprrf)(可靠度设计标准公路技术等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路安全等级一级二级三级四级设计基准期（a）30302020目标可靠度（%）95908580目标可靠度指标1.641.281.040.84变异水平等级低低—中中中—高变异系数cv的变化范围变异水平等级低中高水泥混凝土弯拉强度、弯拉弹性模量cv0.100.10cv0.150.15cv0.20基层顶面当量回弹模量cv0.250.25cv0.350.35cv0.55水泥混凝土面层厚度cv0.040.04cv0.060.06cv0.08可靠度系数目标可靠度（%）变异水平等级95908580低1.20~1.331.09~1.161.04~1.08—中1.33~1.501.16~1.231.08~1.131.04~1.07高—1.23~1.331.13~1.181.07~1.119.3弹性地基板应力计算9.3.1计算模型计算采用弹性地基理论，土基和基层组成当量回弹模量为Et的地基，其上为均质弹性各项同性的薄板，受交通荷载和温度变化作用水泥混凝土路面计算模型9.3.2弹性地基板有限元解临界荷位图用有限元方法计算出在标准交通荷载P=100kN作用下各种板厚和各种地基条件下的弯拉应力，制成诺模图供查用单轴轴载作用于纵向边缘中部时的应力计算图9.3.3荷载应力计算1）疲劳荷载应力在标准交通荷载Ps作用于临界荷位处，水泥混凝土板产生荷载疲劳应力pr为：pr=krkfkcps式中ps–标准交通荷载Ps作用于临界荷位产生荷载应力，MPa；kr–应力折减系数;纵缝为设拉杆平缝：kr=0.87~0.92，纵缝为不设拉杆的平缝或自由边：kr=1.0,纵缝为设拉杆的企口缝：kr=0.76~0.84。kf–疲劳应力系数（设计基准期内荷载应力累计疲劳作用；kc–综合系数（超载，动载对路面疲劳损坏的影响）。综合系数交通等级高速公路一级公路二级公路三、四级公路kc1.301.251.201.10260.0077.0hrpsefNk式中r—混凝土板的相对刚度半径，m，31537.0tcEEhr；h—混凝土板的厚度，m；Ec—水泥混凝土的弯拉弹性模量，MPa；Et—基层顶面当量回弹模量，MPa；式中Ne—设计基准期内标准轴载累计作用次数；—与混合料性质有关系数，普通混凝土、钢筋混凝土=0.057，碾压混凝土、贫混凝土=0.065，钢纤维混凝土fffdl017.0053.0（f—钢纤维的体积率，%；lf—钢纤维长度，mm；df—钢纤维的直径，mm）。2）轴载换算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Ps不同轴—轮型轴载Pi的作用次数Ni按疲劳开裂等效换算成标准轴载作用次数Ns161100niiiisPNN式中Pi–单轴—单轮、单轴—双轮组、双轴—双轮组或三轴—双轮组轴型i级轴载总重，kN；Ni–各级轴载作用次数；i—轴—轮型系数，单轴—双轮组i=1；单轴—单轮i=2.22103Pi-0.43；双轴—双轮组i=1.0710-5Pi-0.22；三轴—双轮组轴型i=2.2410-8Pi-0.22。3）交通分析设计基准期内水泥混凝土面层临界荷位处标准轴载累计作用次数Ne36511tseNN车轮轮迹横向分布系数公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.17~0.22行车道宽7m0.34~0.39二、三、四级公路行车道宽7m0.54~0.62交通等级交通等级设计车道标准轴载作用累计次数Ne(104)特重2000重100~2000中等3~100轻3式中t—设计基准期；—交通量年平均增长率；—临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数。9.3.4温度应力计算温度梯度作用在混凝土板临界荷位处产生的温度疲劳应力trtr=kttm最大温度梯度计算值Tg公路自然区划II、VIIIIV、VIVIITg(C/m)83~8890~9586~9293~98式中tm最大温度梯度时混凝土板温度应力（MPa）；xgcctmBhTE2c混凝土线膨胀系数（1/C），c=110-5；Tg混凝土板最大温度梯度，见表9-7；Bx综合翘曲温度应力和内力作用的温度应力系数，根据板长l与板相对刚度半径r的比值l/r和板厚h查图求得；kt温度应力疲劳作用系数。温度应力系数Bx式中a、b、c—回归系数bfafkcrtmtmrt回归系数a、b和c公路自然区划系数IIIIIIVVVIVIIa0.8280.8550.8410.8710.8370.834b0.0410.0410.0580.0710.0380.052c1.3231.3551.3231.2871.3821.2709.4结构层组合设计9.4.1路基路基的干湿类型为干燥或中湿压实度达到规定的要求岩石路床或填石路床顶面应铺设整平层，厚度为100—150mm9.4.2垫层在水温不良的地段，基层和路基之间需设置垫层垫层有一定的强度和水稳定性及抗冻性一般采用砂或砂砾垫层的最小厚度为150mm季冻区路面结构的总厚度小于规定防冻厚度时应加垫层水泥混凝土路面最小防冻厚度当地最大冰冻深度（m）路基干湿类型路基土质0.50~1.001.01~1.501.51~2.002.00低、中、高液限粘土0.30~0.500.40~0.600.50~0.700.60~0.95中湿粉土、粉质低、中液限粘土0.40~0.600.50~0.700.60~0.850.70~1.10低、中、高液限粘土0.40~0.600.50~0.700.60~0.900.75~1.20潮湿粉土、粉质低、中液限粘土0.45~0.700.55~0.800.70~1.000.80~1.309.4.3基层基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度，常用基层材料：1）贫混凝土或碾压混凝土2）沥青混凝土3）石灰、水泥类稳定土4）石灰稳定工业废渣5）级配碎石、砾石基层适宜厚度基层类型厚度适宜的范围（mm）贫混凝土或碾压混凝土基层120—200水泥或石灰粉煤灰稳定粒料基层150—250沥青混凝土基层40—60沥青稳定碎石基层80—100级配粒料基层150—200多孔隙水泥稳定碎石排水基层100—140沥青稳定碎石排水基层80—1009.4.4水泥混凝土面层水泥混凝土面层应具有足够的强度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整水泥混凝土面板采用等厚式面层通常采用设接缝的普通混凝土特殊情况下应采用设置接缝的钢筋混凝土面层（板尺寸过大、形状不规则，路下有结构，高填方、软土地基，填挖交界处）水泥混凝土断面形式水泥混凝土面层类型选择面层类型适用条件连续配筋混凝土面层高速公路沥青上面层与连续配筋混凝土或横缝设传力杆的普通混凝土下面层组成的复合式路面特重交通的高速公路碾压混凝土面层二级及二级以下公路、服务区停车场钢纤维混凝土面层标高受限制路段、收费站、混凝土加铺层和桥面铺装矩形或异形混凝土预制块面层服务区停车场、二级及以下公路桥头引道沉降未稳定段。1）平整度平整度采用3m直尺量测为准3m直尺与路面表面之间最大间隙：高速路、一级公路3mm，其他公路5mm2）抗滑性路表面构造采用刻槽、压槽、拉槽或拉毛等方法制作抗滑性采用构造深度（TD）为指标构造深度TD在使用初期应满足表中要求水泥混凝土面层表面构造深度TD(mm)要求公路等级高速公路、一级公路二、三、四级公路一般路段0.70—1.100.50—0.90特殊路段0.80—1.200.60—1.003）坡度路面横坡1~2%土路肩坡度大于路面横坡1~2%4）路肩硬路肩采用水泥混凝土或沥青混凝土，路肩基层与路面基层相同路面最小厚度普通水泥混凝土路面层为180mm钢纤维混凝土面层特重交通或重交通为160mm，中等交通为140mm