第十六章-水泥混凝土路面

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概述P453-458一、結構特征面板具有彈性板的變形特性面板有板體彎析破壞的破壞特征下部結構基本上工作在彈性范圍面板與基層之間的摩擦力小

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概述P453-458二、結構設計內容路面結構層組合設計混凝土面板厚度設計混凝土面板的平面尺寸與接縫設計路肩設計混凝土路面的鋼筋配筋設計上級上頁下頁§16-1

概述P453-458三、結構設計原則根據使用要求及氣候、水文、土質等自然因素，密切結合本地區(qū)實踐經驗；遵循因地制宜、合理選材、方便施工、利于養(yǎng)護、節(jié)約投資；積極推廣成熟的科研成果；注意環(huán)境保護；盡可能機械化、工程化；處理好地基不良地段。上級上頁下頁§16-1

概述P453-458四、設計理論與方法世界各國：以彈性地基板的荷載應力、溫度應力分析方法為基本理論，以混凝土路面板的彎拉應力作為極限狀態(tài)和設計控制指標。上級上頁下頁§16-1

概述P453-458《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》JTGD40-2002:

以彈性半空間地基有限大矩形板模型為基礎，以100KN單軸雙輪標準軸載作用于矩形板縱向邊緣中部產生的最大荷載應力控制設計。上級上頁下頁§16-1

概述P453-458五、混凝土路面交通等級1.設計基準期上級上頁下頁公路技術等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路設計基準期（a）303020202.軸載當量換算§16-1

概述P453-458上級上頁下頁3.軸載分析交通量車道分布系數(shù)單向車道數(shù)1234及>4車道分布系數(shù)1.00.8-1.00.6-0.80.5-0.754.標準軸載累計當量作用次數(shù)§16-1

概述P453-458上級上頁下頁交通等級特重重中等輕設計車道標準軸載累計作用次數(shù)Ne（104）＞2000100～20003～100＜3交通分級5.交通等級劃分公路等級縱縫邊緣處高速公路、一級公路0.17-0.22二級、二級以下公路行車道寬＞7m0.34-0.39行車道寬<7m0.54-0.62臨界荷位車輛輪跡橫向分布系數(shù)§16-2

彈性地基板體系理論簡介P458-460一、基本概念：在彈性力學里，兩個平行面和垂直于這兩個平行面所圍成的柱面或棱柱面簡稱板；兩個板面之間的距離h稱厚度；平分厚度h的平面稱為板的中面。如果板的厚度h遠小于中面的最小邊尺寸b（如b/8～b/5），這種板稱薄板。在薄板彎曲時，中面所形成的稱為薄板彈性曲面，而中面內各點在橫向的位移稱為撓度。上級上頁下頁§16-2

彈性地基板體系理論簡介P458-460薄板下的地基有兩種：文克勒地基（E.Winkler）彈性半空間體地基彈性地基小撓度薄板理論：混凝土路面板常做成等厚式，其厚度不到平面尺寸的1/10，在輪載作用下的豎向位移(稱作撓度)又比厚度小兩個數(shù)量級，可把混凝土板看作是均質、各向同性、無重量、等厚的小撓度彈性薄板。上級上頁下頁§16-2

彈性地基板體系理論簡介P458-460采用此理論時三個基本假設：垂直于中面方向的應變及其微小，可以忽略不計；垂直于中面的法線，在彎曲變形后均保持為直線并垂直于中面，故無橫向剪切應變；中面上各點無平行于中面的位移?！迮c基礎之間始終保持接觸，且面剪應力為零。

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彈性地基板體系理論簡介P458-460二、板擾曲面微分方程上級上頁下頁§16-2

彈性地基板體系理論簡介P458-460二、板擾曲面微分方程上級上頁下頁平衡方程：§16-2

彈性地基板體系理論簡介P458-460板應力：上級上頁下頁變換§16-2

彈性地基板體系理論簡介P458-460上級上頁下頁彎矩與扭矩積分§16-2

彈性地基板體系理論簡介P458-460上級上頁下頁推導得：同理：§16-2

彈性地基板體系理論簡介P458-460上級上頁下頁撓曲面微分方程推導：§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471上級上頁下頁一、文克勒地基假設地基上任一點的反力僅同該點的撓度成正比以反應模量K表征的地基§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471上級上頁下頁二、彈性半空間體地基撓度計算公式以彈性模量和泊松比表征的地基§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471當荷載作用于板中時:上級上頁下頁求解方法：應用彈性地基上無限大板軸對稱課題的理論解進行計算。輪下彎矩：§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471當荷載距計算點一定距離時:上級上頁下頁求解方法：視為集中荷載求解Mt>Mr輪外彎矩：§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471上級上頁下頁對稱多輪載:求解方法：以一組輪子為主輪，按圓形均布荷載計算板中最大彎矩；其它輪子按集中荷載計算其在主輪輪跡中心下成熟的附加彎矩和切向彎矩，然后轉換為x和y向彎矩后疊加?！?6-3

水泥砼路面應力分析P460-471上級上頁下頁疊加多輪載:§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471三、彈性地基板的有限元解上級上頁下頁對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，求解相應位置的撓度和彎矩在數(shù)學上遇到很大困難。而有限元方法是結構和連續(xù)介質應力分析中的一種較有效的計算方法?，F(xiàn)行《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范（JTJ012－94）》用有限元法分析了荷載作用下板的極限應力值，由此給出了應力計算諾漠圖。以彈性半空間地基上度剪板理論為力學模型，用有限元方法計算載荷應力和疲勞強度設計法§16-3

水泥砼路面應力分析P460-4711.特點：可分析不規(guī)則板(發(fā)交叉口的梯形板、三角板、缺口板)可計算有限尺寸的板（使得板邊、板角的分析成為可能）可考慮各種實際的邊界約束和支承狀況（如傳力捍、脫空等，非均勻支承）可分析各種荷位和載荷組合（找到最荷位及荷載組合）上級上頁下頁§16-3

水泥砼路面應力分析P460-4712.臨界荷位的確定雙輪組作用于縱縫邊緣中間（且假定橫縫無傳載能力）軸載作用于板中（比雙輪組作用于板中要大）上級上頁下頁規(guī)范規(guī)定：以雙輪組作用于縱縫邊緣中部為設計荷位?！?6-3

水泥砼路面應力分析P460-4713.求解法查諾莫圖計算機有限元程序計算上級上頁下頁§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471四、溫度應力1.脹縮應力1)膨脹：當氣溫緩慢變化時，板內溫度均勻升降，則面板沿斷面的深度均勻脹縮。由于板與基層之間的摩阻約束，在溫度升降時板中部不能移動，得面板脹縮完全受阻時所產生的應力為：上級上頁下頁對于板邊緣中部或窄長板：§16-3

水泥砼路面應力分析P460-4712)收縮：板劃分為有限尺寸塊后，因收縮而產生的應力很小，可不予考慮。2.翹曲應力產生原因：由于板的自重、地基反力和相鄰板的鉗制作用，使部分翹曲變形受阻，從而使板內產生翹曲應力。由氣溫升高引起的板中部隆起受到限制時，板底面出現(xiàn)拉應力；而當氣溫降低引起的板四周翹起受阻時，板頂面出現(xiàn)拉應力。上級上頁下頁§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471上級上頁下頁§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471上級上頁下頁1.文克勒地基有限尺寸板假設：溫度沿板斷面呈直線變化；板和地基始終保持接觸；不計板自重。沿板長（L）和板寬（B）方向的翹曲應力分別為：在板邊緣中點：式中△t為板頂面與板底面的溫度差（℃）,通常表示為板的溫度梯度乘以板厚，即：§16-3

水泥砼路面應力分析P460-471上級上頁下頁2.彈性半空間體地基有限尺寸板彈性半空間體地基上板的翹曲應力，目前尚無解析解，可采用有限元法計算板內翹曲應力。根據計算結果，繪出圖16-l0中的曲線1和2。三、考慮內應力的溫度翹曲應力對于較厚的板，采用溫度沿板斷面呈直線分布的假設，即按板頂和板底的溫度差確定的溫度梯度計算的溫度翹曲應力，會得到偏大的溫度翹曲應力值。為此，應考慮由于溫度的非線性分布而引起的內應力。將內應力同翹曲應力相疊加后，使得到考慮內應力的翹曲應力計算式為：板中部：板邊緣中點：式中Dx為溫度應力系數(shù)：若為板中部則Cx取§16-4

水泥砼路面可靠度設計P471-475基本概念：可靠度：路面結構在規(guī)定的時間內和規(guī)定的條件下完成預定功能的概率。目標可靠度：作為設計依據的可靠度?？煽恐笜耍憾攘柯访娼Y構可靠性的一種數(shù)量指標。目標可靠指標：作為設計依據的可靠指標?？煽慷认禂?shù)：為保證所設計的結構具有規(guī)定的可靠度，而在極限狀態(tài)設計表達式中采用的單一綜合系數(shù)。上級上頁下頁§16-4

水泥砼路面可靠度設計P471-475上級上頁下頁水泥混凝土路面設計可靠度指標公路技術等級高速公路一級公路二級公路三、四級公路

安全等級一級二級三級四級設計基準期（a）30302020目標可靠度（％）95908580目標可靠指標1.641.281.040.84變異水平等級低低～中中中～高§16-4

水泥砼路面可靠度設計P471-475上級上頁下頁變異水平等級低中高水泥混凝土彎拉強度、彎拉彈性模量cv≤0.100.10＜cv≤0.150.15＜cv≤0.20基層頂面當量回彈模量cv≤0.250.25＜cv≤0.350.35＜cv≤0.55水泥混凝土面層厚度cv≤0.040.04＜cv≤0.060.06＜cv≤0.08變異系數(shù)變換范圍§16-4

水泥砼路面可靠度設計P471-475上級上頁下頁可靠度系數(shù)范圍變異水平等級目標可靠度（％）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—1.23～1.331.13～1.181.07～1.11§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478組合設計內容：面層基層墊層路基上級上頁下頁§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478一、面層應具有足夠的強度、耐久性，表面抗滑、耐磨、平整。選擇方法：面層一般采用設接縫的普通混凝土；面層板的平面尺寸較大或形狀不規(guī)則，路面結構下埋有地下設施，高填方、軟土地基、填挖交界段的路等有可能產生不均勻沉降時，應采用設置接縫的鋼筋混凝土面層。上級上頁下頁§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478上級上頁下頁面層類型適用條件連續(xù)配筋混凝土面層高速公路瀝青上面層與連續(xù)配筋混凝土或橫縫設傳力桿的普通混凝土下面層組成的復合式路面特重交通的高速公路碾壓混凝土面層二級及二級以下公路、服務區(qū)停車場鋼纖維混凝土面層標高受限制路段、收費站、混凝土加鋪層和橋面鋪裝矩形或異形混凝土預制塊面層服務區(qū)停車場、二級及二級以下公路橋頭引道沉降未穩(wěn)定段其它面層類型選擇§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478交通等級特重重公路等級高速一級二級高速一級二級變異水平等級低中低中低中低中面層厚度（mm）≥260≥250≥240270～240260～230250～220上級上頁下頁面層厚度參考范圍§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478上級上頁下頁面層構造深度要求/mm公路等級高速公路、一級公路二、三、四級公路一般路段0.70～1.100.50～0.90特殊路段0.80～1.200.60～1.00§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478二、基層基層應具有足夠的抗沖刷能力和一定的剛度?；鶎宇愋鸵艘勒战煌ǖ燃壈幢磉x用?！炷令A制塊面層應采用水泥穩(wěn)定粒料基層

上級上頁下頁交通等級基層類型特重交通貧混凝土、碾壓混凝土或瀝青混凝土基層重交通水泥穩(wěn)定粒料或瀝青穩(wěn)定碎石基層中等或輕交通水泥穩(wěn)定粒料、石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料或級配粒料基層§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478上級上頁下頁基層類型厚度適宜的范圍（mm）貧混凝土或碾壓混凝土基層120～200水泥或石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料基層150～250瀝青混凝土基層40～60瀝青穩(wěn)定碎石基層80～100級配粒料基層150～200多孔隙水泥穩(wěn)定碎石排水基層100～140瀝青穩(wěn)定碎石排水基層80～100各類基層厚度的適宜范圍§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478三、墊層

遇有下述情況時，需在層基下設置墊層：季節(jié)性冰凍地區(qū)，路面總厚度小于最小防凍厚度要求時，其差值應以墊層厚度補足；水文地質條件不良的土質路塹，路床土濕度較大時，宜設置排水墊層；路基可能產生不均勻沉降或不均勻變形時，可加設半剛性墊層。上級上頁下頁§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478注意事項：墊層的寬應與路基同寬，其最小厚度為150mm。防凍墊層和排水墊層宜采用砂、砂礫等顆粒材料。半剛性墊層可采用低劑量無機結合料穩(wěn)定粒料或土。上級上頁下頁§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478四、路基路基應穩(wěn)定、密實、均質，對路面結構提供均勻的支承。注意事項：高液限粘土及含有機質細粒土，不能用做高速公路和一級公路的路床填料或二級和二級以下公路和上路床填料；上級上頁下頁§16-5

水泥砼路面結構組合設計P475-478高液限粉土及塑性指數(shù)大于16或膨脹率大于3％的低液限粘土，不能用做高速公路和一級公路的上路床填料。※因條件限制而必須采用上述土做填料時，應摻加石灰或水泥等結合料改善。地下水位高時，宜提高路堤設計標高。路基壓實度應符合《公路路基設計規(guī)范》的要求。巖石或填石路床頂面應鋪設整平層。上級上頁下頁§16-6

國內水泥砼路面設計方法P478-497

上級上頁下頁一、設計參數(shù)1.標準軸載與軸載換算設計標準軸載：汽車車軸重為100kN的單軸荷載。軸載換算原則：等效疲勞損傷原則。換算方法：凡是前、后軸載大于40kN的軸載的作用次數(shù)，均換算成標準軸載的作用次數(shù)，并根據標準軸載的作用次數(shù)判斷道路的交通繁重程度。軸載換算公式：單軸時：αi=l；雙軸時：★小于40kN的單軸和80kN雙軸可略去不計?！?6-6

國內水泥砼路面設計方法P478-497上級上頁下頁2.交通分級、設計使用年限和累計作用次數(shù)⑴交通分級水泥混凝土路面按使用初期設計車道每日通過的標準軸載作用次數(shù)Ns劃分為四個等級：特重交通、重交通、中等交通、輕交通。交通等級特重重中等輕設計車道標準軸載累計作用次數(shù)Ne（104）＞2000100～20003～100＜3⑵設計使用年限路面設計使用年限：路面達到預定損壞標準時所能使用的年限。★可根據交通等級確定。§16-6

國內水泥砼路面設計方法P478-497

上級上頁下頁按下式計算確定設計使用年限內設計車道的標準軸載累計作用次數(shù)Ne

⑶標準軸載累計作用次數(shù)3.基層頂面的當量回彈模量和計算回彈模量換算目的：混凝土面層板下的基礎包括路基、基層（墊層），其整體路面結構為彈性多層體系。分析板內荷載應力時，應將其換算為半無限體，以基層頂面的當量回彈模量作為半無限地基的模量值。⑴新建公路的基層頂面模量值查圖方法：由E1/E0的比值，作豎線垂直向上交于h1后，據此作水平線得到Et/E0的比值，即得到當量回彈模量Et1。上述方法得到墊層頂面的當量回彈模量后，把它當作勻質體，再重復上述步驟確定基層頂面的當量回彈模量值Et?！?6-6

國內水泥砼路面設計方法P478-497上級上頁下頁⑵原有路面的頂面當量回彈模量值應通過承載板試驗或彎沉測定法確定原有路面頂面的當量回彈模量Et。如用汽車實測路段的回彈彎沉值，可按瀝青路面舊路補強法中的計算方法確定計算回彈彎沉值l0后，按下式轉換成基層頂面的當量回彈模量Et：我國規(guī)范規(guī)定：水泥混凝土路面的基層頂面的當量回彈模量Et值不應低于規(guī)范規(guī)定值。⑶計算回彈模量Etc修正原因：由于進行荷載應力分析時，水泥混凝土路面板下基層應力狀況與瀝青路面的應力狀況的區(qū)別?！?6-6

國內水泥砼路面設計方法P478-497上級上頁下頁修正公式：式中：n為模量修正系數(shù)。計算荷載應力時：計算溫度應力時：n=0.354.水泥混凝土的設計強度與彎拉彈性模量⑴設計彎拉強度水泥混凝土路面以設計彎拉強度作為設計控制指標。其設計彎拉強度fcm按下式計算：混凝土路面施工時，應按《水泥混凝土路面施工及驗收規(guī)范》（GBJ97-87）提出按下式確定混凝土的試配強度R：§16-6

國內水泥砼路面設計方法P478-497上級上頁下頁⑵彎拉彈性模量在設計混凝土路面時，采用的混凝土彎拉彈性模量應以試驗實測為準。如無實測條件，可參照表16-8選用各級交通等級要求的混凝土設計彎拉強度和彈性模量，或按下式計算：二、荷載疲勞應力

軸載在混凝土面層內產生的應力，采用半無限大地基上彈性小撓度薄板的力學模型和有限元法進行分析計算。1.臨界荷位：是指使路面產生最大綜合疲勞損傷的荷載作用位置?！?6-6

國內水泥砼路面設計方法P478-497

上級上頁下頁2.荷載應力計算半無限地基上矩形板在板邊緣中部受軸載作用下的應力采用有限元法分析。利用計算結果編繪成應力計算圖（圖16-13