鋪面工程課件

引論鋪面：一類改善基礎(chǔ)表面特性的措施的總稱，是一種地基表層加固措施，包括道路路面、機場道面、港區(qū)場地鋪面、廣場/停車場鋪面等。工程：從規(guī)劃、分析、設(shè)計、施工、運營管理的整個過程。§1.1對鋪面的要求§1.1.1使用要求

§1.1.2技術(shù)要求§1.1.3環(huán)境要求

§1.1.1使用要求

舒適性安全性

經(jīng)濟性

舒適性舒適性與三個因素有關(guān)，一是路面的平整度，一是車輛的振動特性，再一是人對振動的反應(yīng)。這里主要指路面的平整度。路面的平整度由兩部分組成。一是初始平整度，取決于施工質(zhì)量和材料，另一部分是由于路面的損壞引起的路面平整度的惡化。即

IRI=IRI0+ΔIRI

安全性--影響安全性的因素路面的摩擦力和附著力，決定這兩個力的因素是集料本身的特性（紋理）和混合料級配設(shè)計。輪胎本身的性質(zhì)。路面不平整將影響路面的行車安全。尤其是車轍和坑槽。排水不暢也將影響路面的行車安全。

經(jīng)濟性用戶所關(guān)心的經(jīng)濟性是指使用道路所付出代價。實際上，這與行駛舒適性具有相關(guān)性。平整的路面，帶來的燃油消耗、機械磨耗以及輪胎磨耗都小。用戶一般不會直接關(guān)心使用中的經(jīng)濟性問題，但會通過行駛舒適性來間接反映這一點。

§1.1.2技術(shù)要求

結(jié)構(gòu)要求耐久性經(jīng)濟性

結(jié)構(gòu)要求鋪面的結(jié)構(gòu)特性包括兩個方面，一是強度特性；另一是變形特性，也稱剛度特性。車輛荷載作用于鋪面結(jié)構(gòu)，形成了一個十分復(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)。耐久性耐久性是指結(jié)構(gòu)保持其性能的時間或能力。影響耐久性的主要因素。

經(jīng)濟性經(jīng)濟性（造價）是設(shè)計者所無法回避的重要內(nèi)容。工程問題，說到底是一個經(jīng)濟問題。目前的工程設(shè)計已經(jīng)越來越多地體現(xiàn)為一種技術(shù)經(jīng)濟問題?！?.1.3環(huán)境要求

噪聲環(huán)保景觀污染

噪聲不同的路面結(jié)構(gòu)或材料特性使路面具有不同的行駛噪聲。噪聲組成---（輪胎-路面）摩擦噪聲、振動噪聲和發(fā)動機噪聲。與路面有關(guān)的是摩擦噪聲和振動噪聲。

環(huán)保路面建設(shè)所用材料的開采可能會破壞自然環(huán)境，養(yǎng)護廢棄物可能會污染環(huán)境。工程中應(yīng)注意環(huán)境保護。

景觀不同的路面有時也會造成好的視覺或景觀效果，如彩色路面、拼花路面、黑色路面等。滿足景觀要求同樣變得越來越重要了。

污染——

包括廢棄物污染、廢氣污染、輪胎粉末污染等。

§1.2鋪面的類型與發(fā)展歷史

1發(fā)展歷史2路面類型

§1.3鋪面結(jié)構(gòu)的組成§1.3.1結(jié)構(gòu)組成

瀝青路面水泥路面聯(lián)鎖塊路面§1.3.2排水考慮路表水的排除：橫坡內(nèi)部水的排除：排水層

§1.3.3路肩§1.4鋪面工程的內(nèi)容和特點1

內(nèi)容----見教材2特點鋪面荷載是小噸位荷載的大量反復(fù)作用采用疲勞設(shè)計而不是考慮一次荷載的作用采用損傷設(shè)計而不是無損傷設(shè)計，即采用使用性能標準設(shè)計安全度很小，幾乎沒有安全系數(shù)材料的工程性質(zhì)差，變異性大§1.5鋪面設(shè)計方法發(fā)展簡史

1

設(shè)計方法分類經(jīng)驗法力學(xué)（力學(xué)-經(jīng)驗）法基于性能的方法2簡史美國路面發(fā)展歷史我國路面發(fā)展歷史

思考題1.

對路面工程有什么要求？2.

路面有哪些類型，其結(jié)構(gòu)組合怎樣，各有什么優(yōu)缺點？3.

路面設(shè)計流程怎樣，與其他結(jié)構(gòu)工程相比，路面設(shè)計在設(shè)計思想上有什么異同？

荷載分析

§2.1引言路面損壞原因：荷載因素環(huán)境因素

荷載的構(gòu)型交通渠化車輛的動態(tài)影響車輛的軸重§2.2荷載類型

§2.2.1汽車荷載§2.2.2飛機荷載§2.2.3工業(yè)區(qū)荷載

§2.3典型荷載圖式

§2.3.1輪胎-路面接觸壓力分布

§2.3.2荷載作用形狀與面積§2.3.3標準荷載

輪胎-路面接觸壓力分布

輪胎接地壓力不是均勻分布的，如下圖所示:

標準荷載

我國的標準荷載定義為黃河車（JN-150）和解放車后軸荷載。軸重100kN,輪重25kN。接地特性假定為圓形均布，平均接地壓強為0.7Mpa。

§2.4荷載的動態(tài)特性

§2.4.1影響荷載-路面動態(tài)作用特性的因素

車輛方面：減振系統(tǒng)，速度，軸型，輪胎性質(zhì)，總重，額定重量道路方面：平整度，路面類型，加減速，縱坡，橫坡§2.4.2瞬時性§2.4.3動態(tài)變動§2.4.4水平力

§2.4.2瞬時性表面層作用時間很短，行車速度小于72km/h時，僅0.01-0.1秒。車速越大，作用時間越小。深度越大，作用時間越長，甚至可能更加滯后。表面承受大荷載、短作用時間，深處承受小荷載、長作用時間。如下圖。不同路面類型，車速的影響是不同的，說明了路面材料的粘滯性。

§2.4.3動態(tài)變動定義：輪地作用力的非恒定特性。輪地作用力圍繞著靜載而上下波動。行車速度越大，變異系數(shù)越大與平整度有關(guān)與輪胎、路面的剛度有關(guān)導(dǎo)致路面受到的動荷載與靜載不同

思考討論題：動態(tài)變動的動態(tài)性是指什么含義？怎樣理解它？

§2.4.4水平力與路面類型、潮濕程度、輪胎類型和新舊、行駛狀態(tài)等有關(guān)。車輛載行駛過程中，路面和車輛受到的水平力主要是滾動阻力，僅為重量的5%以下。剎車和啟動時，水平力要大得多，界于純滑動摩擦力和最大附著力之間。§2.5交通分析

§2.5.1交通量及交通增長率§2.5.2軸載組成§2.5.3標準荷載與等效換算§2.5.4軸載的橫向分布§2.5.5飛機荷載

軸載組成軸載組成又稱軸載譜，決定了路面的壽命。軸載指軸的重量，包括自重和載重，不是指車的重量。為了獲得車輛的軸載組成，有以下幾種方法：歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計法區(qū)域經(jīng)驗法目測法稱重法

§2.5.3標準荷載與等效換算

路面結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下達到相同的狀態(tài)，即稱這兩種荷載的作用次數(shù)是等效的。等效性是相對的，與等效指標、材料性能等因素有關(guān)。等效性原理：

標準荷載與等效換算等效性考慮方法1----荷載換算法

等效性考慮方法2----Miner定律，即線性疲勞迭加率

自然因素影響§3.1引言-1自然因素，也稱環(huán)境因素，主要指溫度和濕度的影響。

溫度的影響

對材料性能的影響對內(nèi)應(yīng)力的影響§3.1引言-2濕度（降雨）的影響

造成材料性能的變化

水的剝蝕作用

干縮-濕漲循環(huán)，造成開裂；凍融循環(huán)造成強度降低內(nèi)應(yīng)力，漲縮的不均勻造成

§3.1引言-3施工過程中的影響含水量與壓實度土基的強度選擇合理的施工季節(jié)是工程師的責(zé)任

使用過程中的影響

路面力學(xué)參數(shù)隨濕度而變化

§3.2路面溫度場

§3.2.1溫度變化特性

§3.2.2溫度狀況預(yù)測§3.2.3設(shè)計中的考慮

§3.2.4思考§3.2.1溫度變化特性氣溫呈周期性變化，每天一個周期，每年一個周期氣溫的突然變化路表溫度與氣溫基本同步變化，而且路表溫度（高溫）大大高于氣溫。低溫時，路面的溫度與氣溫大體相等。路面深處的溫度也呈周期變化，像氣溫一樣，但越深越滯后。溫度沿深度的變化溫度梯度雨、云、風(fēng)和氣溫的變化，使路面溫度梯度隨之變化，路面的內(nèi)應(yīng)力將會非常復(fù)雜。面層內(nèi)月平均溫度變化，1月份最低，7月份最高?！?.2.2溫度狀況預(yù)測-1影響路面溫度的因素外因：氣溫，太陽輻射（日照和云量），風(fēng)速，降雨量，蒸發(fā)等內(nèi)因：材料的熱傳導(dǎo)率、熱容量和對輻射熱的吸收能力

預(yù)估方法

統(tǒng)計分析法：回歸方程形式簡單，輸入?yún)?shù)少，預(yù)測精 度可以滿足工程需要

理論分析法：一維熱傳導(dǎo)方程

§3.2.2溫度狀況預(yù)測-2預(yù)估方程日本的秋山政敬路表溫度Ts與氣溫Ta之間，在雨天時大致呈線性關(guān)系，而在晴天及陰天時則呈曲線關(guān)系,瀝青路面內(nèi)部最高溫度Tmax與路表溫度Ts之間，不管層厚大小，皆為直線關(guān)系:

雨天時：

晴天及陰天時：

§3.2.2溫度狀況預(yù)測-3預(yù)估方程SHRP方法

或§3.2.2溫度狀況預(yù)測-3預(yù)估方程在研方法§3.2.3設(shè)計中的考慮材料設(shè)計中的考慮，選擇合適的瀝青，設(shè)計滿足高溫性能要求的混合料，一系列試驗在60℃下進行。結(jié)構(gòu)設(shè)計中的考慮，瀝青路面的車轍控制，水泥路面的板塊劃分和翹曲應(yīng)力控制

§3.2.4思考從力學(xué)的角度考慮，僅預(yù)估或僅考慮路面的最高和最低溫度是否滿足要求？從使用性能的角度考慮，僅預(yù)估或僅考慮路面的最高和最低溫度是否滿足要求？

§3.3濕度

§3.3.1濕度變化§3.3.2平衡濕度§3.3.3季節(jié)性冰凍地區(qū)土基的水文狀況

§3.3.4路表水的影響，動水壓力§3.3.5路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中對水的考慮§3.3.1濕度變化造成路面濕度變化的因素有：§3.3.2平衡濕度不透水的面層，濕度主要受地下水位的影響地下水位的影響范圍是一定的，一般黏土6米、砂質(zhì)黏土3米、砂土0.9米左右土基一般在平衡濕度條件下工作

思考題：土基強度設(shè)計驗收標準應(yīng)如何考慮？§3.3.3季節(jié)性冰凍地區(qū)土基的水文狀況華北、東北和西北地區(qū)為季節(jié)性冰凍地區(qū)在凍結(jié)過程中將在溫度坡差的條件下出現(xiàn)濕度積聚的現(xiàn)象，造成凍漲和翻漿，見下圖設(shè)計時通過設(shè)置墊層，保證路面的最小抗凍厚度、降低地下水位的方法解決影響水份積聚、即凍漲和翻漿的因素包括

土質(zhì)條件水文條件氣候條件養(yǎng)護條件

§3.3.4路表水的影響，動水壓力高速行車條件下，路面將受到很大的動水沖擊力光面輪胎、不透水路面條件下，動水壓力可以按照貝努力方程求解

輪胎花紋、路面空隙的存在使動水壓力大大減小，僅為理論值的8%左右

§3.3.5路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中對水的考慮地下水：路基高度限制；設(shè)計模量的選取地表水：道路排水系統(tǒng)，路面排水系統(tǒng)；適當?shù)牟牧显O(shè)計以阻止水份的進入；多孔排水路面路面內(nèi)部水：內(nèi)部排水系統(tǒng)

排水性路面，空隙率20%左右一般路面內(nèi)部排水路面的構(gòu)造§3.4路基濕度的預(yù)估

§3.4.1基于公路自然分區(qū)的預(yù)估方法§3.4.2現(xiàn)場調(diào)查法§3.4.3類比調(diào)查法§3.4.1基于公路自然分區(qū)的預(yù)估方法公路自然分區(qū)（仿照蘇聯(lián)方法）路基的干濕類型

按照H的大小，可將路基的干濕程度分為4個等級，即H>H1干燥狀態(tài)

H2<H<H1中濕狀態(tài)H3<H<H2潮濕狀態(tài)

H<H3

過濕狀態(tài)

H1、H2、H3路基濕度狀態(tài)臨界高度，ω1、ω2、ω3臨界稠度

§3.4.2現(xiàn)場調(diào)查法公路自然區(qū)劃方法雖然比較簡便，但比較粗糙，可以預(yù)估宏觀的平均狀況，但不能準確地反映具體道路、具體路段的路基濕度狀況。所以，更直接的方法是現(xiàn)場調(diào)查法。

§3.4.3類比調(diào)查法對類似道路的調(diào)查

路面材料的力學(xué)性能5.1 引言1、路面材料的類型

2、應(yīng)力-應(yīng)變特性：模量E，這是主要力學(xué)分析參數(shù)

3、強度特性：了解其自身的抗力，了解強度的來源

4、變形特性：變形能力，可恢復(fù)的和不可恢復(fù)的變形，對平整度的影響

5、疲勞特性：與壽命有關(guān)，與荷載作用次數(shù)有關(guān)

6、耐久性：自然因素的影響，包括水的作用、水穩(wěn)定性、抗剝落特性、抗凍融特性（溫度）、自然老化、抗紫外線。

5.2

顆粒材料的工程性質(zhì)1、強度來源強度來源顆粒材料的幾種組成狀態(tài)

壓碎值、形狀與透水性滿足級配要求2、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系測定方法：三軸試驗3、變形累計4、泊松比一般0.2-0.5，一般取0.25-0.35）

5.3

穩(wěn)定類材料－11、強度特性

測試方法：三軸壓縮試驗梁式試件，4點加荷法，三分點加荷試驗劈裂試驗，間接拉伸試驗2、三軸壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系3、梁式彎拉狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

5.3

穩(wěn)定類材料－24、影響因素

結(jié)合料的劑量和活性齡期集料的類型（土）5、參考值域6、變形特性：累計永久變形忽略不計7、疲勞特性5.4 瀝青混合料1、強度來源2、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系3、變形特性4、泊松比5、強度特征6、疲勞特性5.5 水泥混凝土

或疲勞特性5.6 Miner定律-線性疲勞迭加律

路面上的荷載輕重不一，怎樣考慮不同荷載的作用？

Miner在研究金屬材料的性能時提出了線性疲勞迭加律，即不同等級荷載產(chǎn)生的疲勞效應(yīng)可以直接相加。即

路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析6.1 引言-1路面作為一類土木工程結(jié)構(gòu)物，設(shè)計時必然要考慮在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變大小，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。路面作為一類土木工程結(jié)構(gòu)物，設(shè)計時必然要考慮在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變大小，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。進行廣泛的應(yīng)力、應(yīng)變分析，了解路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形分布，為路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計提供基礎(chǔ)。模型不同的路面結(jié)構(gòu)采用了不同的力學(xué)模型，這既有路面結(jié)構(gòu)特點的原因，也有當時技術(shù)水平的原因6.1 引言-2彈性半空間模型多層彈性體模型，軸對稱模型彈性地基板模型多層彈性結(jié)構(gòu)上的板模型非線性、粘性、塑性的考慮解算方法理論解近似解：數(shù)值解，有限元解6.2 層彈性體軸對稱模型的基本假定路面結(jié)構(gòu)由多個性能不同的層次組成，在圓形均布荷載的作用下，呈現(xiàn)軸對稱的特性每個層次都是由均質(zhì)的、各向同性的線彈性材料組成，材料性能可采用彈性參數(shù)E、μ表征結(jié)構(gòu)的最下層為水平向無限延伸的半無限體，其上各層為水平向無限延伸、豎向有一定厚度的層次層間接觸條件可以有多種狀況應(yīng)力、位移完全連續(xù)----連續(xù)體系豎向的應(yīng)力和位移連續(xù)，層間水平摩擦力為零----滑動體系豎向的應(yīng)力和位移連續(xù)，層間水平摩擦力不為零----半連續(xù)體系無限深度處的應(yīng)力和位移為零

假設(shè)的局限性當荷載位于路面邊緣時，軸對稱的假設(shè)與實際受力情況不符，所以路面邊緣最好加寬或支擋。當路面出現(xiàn)裂縫后，路面內(nèi)的應(yīng)力將發(fā)生重新分布。

計算的局限性較深處的應(yīng)力、變形是可計算的。層間接觸條件對計算結(jié)果有較大影響。材料的性能隨環(huán)境的變化很大。在目前的多層彈性體理論中，近域應(yīng)力難以準確計算。6.3 彈性多層體理論解，計算方法多層彈性體理論解

D.M.Burmister1943年提出了雙層體系解，奠定了現(xiàn)代路面分析的基礎(chǔ)。之后人們又陸續(xù)建立了三層、多層體的解析解。雖然人們給出了解析解的表達，但無法簡單計算，仍然只能使用數(shù)值解。臨界計算點和計算方法

對特定計算點和計算指標，在保持該計算點的計算指標值不變的前提下，將多層結(jié)構(gòu)簡化為三層結(jié)構(gòu)，從而可以采用三層體的計算圖表進行多層體的計算。這是一種工程中常用的經(jīng)驗性方法。要注意的是：等效的指標不同時，換算結(jié)果（方法）不同；同一換算指標、不同計算點位時，換算結(jié)果也不同。

等效換算原理

6.4 應(yīng)力與位移分析彎沉面層底面的徑向應(yīng)力面層剪應(yīng)力基層底面的彎拉應(yīng)力路基頂面壓應(yīng)力

面層、基層厚度對路面彎沉的影響

隨著面層、基層厚度的增加，路面彎沉都將減小隨著基層厚度的增加，彎沉迅速減小（紅線左側(cè)）；當基層厚度增大到一定厚度時，增加基層厚度是十分不經(jīng)濟的面層厚度較小時，增加厚度的效果是很好的，但隨著面層厚度的增加，繼續(xù)增加厚度的作用不斷減小效果變差的分界點以圖中的紅線為界，不同結(jié)構(gòu)可能不同，但規(guī)律類似

路基和面層模量對彎沉的影響隨著面層和路基模量的增加，路面彎沉都隨之減小隨著路基模量的增加，彎沉顯著減?。坏斅坊Ａ繙p小到一定水平時，繼續(xù)增大路基模量的效果變得越來越差面層模量的影響與路基模量的影響類似效果變差的分界點以圖中的紅線為界，不同結(jié)構(gòu)可能不同，但規(guī)律類似豎向荷載作用下的面層底面彎拉應(yīng)力狀況

隨著基層模量的增大或面層模量的減小，面層底面彎拉應(yīng)力迅速減小面層厚度很小時，底面將會產(chǎn)生壓應(yīng)力隨著面層厚度的增加，底面應(yīng)力將產(chǎn)生一個最大值，當面層達到一定厚度時，面層厚度的增加將使底面彎拉應(yīng)力減小圖中不同的曲線并不平行，說明了底面應(yīng)力變化的復(fù)雜性面層較厚時，最大彎拉應(yīng)力可能并不產(chǎn)生在面層的底面水平荷載作用下路面內(nèi)徑向應(yīng)力的變化

水平荷載作用下產(chǎn)生的表面徑向應(yīng)力產(chǎn)生在輪載邊緣處，離荷載越遠，應(yīng)力迅速減小面層底面的最大應(yīng)力產(chǎn)生在荷載邊緣外側(cè)。應(yīng)力隨面層厚度的增加而減小

面層內(nèi)的剪應(yīng)力最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在

0－4cm的范圍內(nèi)4厘米以下的剪應(yīng)力迅速減小剪切應(yīng)力的變化基層模量越大，彎沉越小，面層結(jié)構(gòu)承受的剪應(yīng)力卻越大基層模量的變化，剪應(yīng)力增18－31％面層特性對剪切應(yīng)力的影響面層模量越低，所承受的剪應(yīng)力越大面層模量變化，剪應(yīng)力增

17－36％基層底面彎拉應(yīng)力變化隨著基層模量的增加,基層底面應(yīng)力隨之增加隨著厚度的增加，基層底面的應(yīng)力減小當厚度基數(shù)較大時，增加厚度的效果在不斷減小面層、基層的厚度和模量對路基頂面應(yīng)力的影響

當面層、基層較薄時，增加面層、基層的厚度和模量的效果都十分顯著當基層達到一定厚度時，增加基層厚度的效果在減小

6.5 小結(jié)與設(shè)計考慮小結(jié)當一個層次的參數(shù)（厚度和模量）較弱時，增強該層次的參數(shù)考慮的效果是最顯著的厚度的改變是容易的，模量的改變并不容易，這意味著改變材料類型。豎向的應(yīng)力和位移連續(xù)，層間水平摩擦力不為零----半連續(xù)體系設(shè)計考慮厚度設(shè)計時結(jié)構(gòu)組合時，加強某一層次可能會造成其他層次的受力狀況改變了解不同因素的影響規(guī)律，非常有助于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計7.1 引言理解設(shè)計方法目前設(shè)計方法的分類另一種更科學(xué)的設(shè)計方法分類7.2路面損壞分析與設(shè)計考慮

疲勞裂縫反射裂縫

低溫開裂

沉陷車轍

波浪、擁包

坑槽松散泛油7.3路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計輕交通－中交通時的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計原則重交通時的結(jié)構(gòu)組合設(shè)計原則結(jié)構(gòu)組合示例

輕交通

——中交通結(jié)構(gòu)組合設(shè)計原則按照道路等級和交通要求選擇面層等級和類型按各結(jié)構(gòu)層的功能選擇結(jié)構(gòu)層次按各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分布特性顧及各結(jié)構(gòu)層次本身的特性考慮環(huán)境狀況的不利影響適當?shù)膶訑?shù)和厚度重交通時結(jié)構(gòu)組合設(shè)計原則正確認識各結(jié)構(gòu)層的作用，考慮各結(jié)構(gòu)層對路面長期使用性能的影響瀝青層應(yīng)保證足夠的厚度，交通量越大，瀝青層的厚度應(yīng)越大瀝青層材料設(shè)計基層模量應(yīng)具有適當?shù)哪Ａ慨敳捎冒雱傂圆牧献鳛榛鶎踊驂|層時，應(yīng)作適當?shù)奶幚硎种匾暵访媾潘到y(tǒng)的設(shè)計7.4 我國現(xiàn)行瀝青路面

設(shè)計方法設(shè)計指標和計算圖式彎沉計算應(yīng)力計算軸載換算材料參數(shù)（模量和強度）設(shè)計指標

路面表面回彈彎沉瀝青混凝土面層底面彎拉應(yīng)力整體性基層底面彎拉應(yīng)力

彎沉計算計算彎沉設(shè)計彎沉基層考慮關(guān)于新規(guī)范的說明應(yīng)力計算路面應(yīng)力計算容許應(yīng)力計算軸載換算軸載的等效換算基于彎沉指標的等效換算基于彎拉應(yīng)力指標的等效換算

7.5 國外解析類方法設(shè)計指標 瀝青層底面的彎拉疲勞應(yīng)變 路基頂面的壓應(yīng)變（考慮荷載重復(fù)作用）驗算指標 車轍深度 其它整體性材料底面的彎拉疲勞應(yīng)變

水泥路面分析8.1 引言水泥路面由于多種原因而被設(shè)計成小尺寸板，這為路面的分析帶來了很大困難。與無限大的結(jié)構(gòu)相比，有限尺寸模型的力學(xué)分析要困難得多。與瀝青路面相比，由于瀝青路面被認為是平面尺寸無限大的空間軸對稱模型，所以荷載作用點的位置對分析結(jié)果沒有影響；但對水泥路面而言，荷載作用點的位置不同，應(yīng)力、應(yīng)變場的分析結(jié)果有很大不同。水泥路面的分析采用半空間彈性地基板模型或Winkler地基板模型,小撓度薄板理論。解算方法理論解――Westergaard方法（Winkler地基）近似解――有限元方法（各種地基）

8.2 小撓度薄板理論-1板與地基的基本假設(shè)

1.各向同性的等厚度板，厚度范圍在10－50cm之間，板的平面尺寸比厚度大十幾倍，撓度比厚度小兩個數(shù)量級，荷載集度比較小?；炯僭O(shè)為：無壓縮假設(shè)：豎向應(yīng)變同其他應(yīng)變分量相比很小，可以忽略，即豎向位移只是平面尺寸的函數(shù)；無剪切假設(shè)：垂直于板中面的法線，在彎曲變形前后均保持為直線并垂直于中面，橫向剪切位移為零無位移假設(shè)：中面上各點無平行于中面的位移。

8.2 小撓度薄板理論-22.地基的支撐條件分為兩類，即：Winkler地基，地基由許多緊密排列但互不關(guān)聯(lián)的彈簧所組成，地基反力與該點的撓度成正比，

彈性半空間地基，假設(shè)地基是均質(zhì)的半無限介質(zhì)，其特性采用（E、μ）表征，地基反力不僅與該點的撓度有關(guān)，而且與整個地基的撓區(qū)特性有關(guān)。

8.2 小撓度薄板理論-3翹曲面微分方程根據(jù)力的平衡條件，可得表征板的力－變形特性的微分方程：式中，W為板的撓度，p(x,y)為荷載應(yīng)力分布，q(x,y)為地基反力分布，D為板的剛度

Winkler地基上板的解――Westergaard方法

Westergaard給出了液體地基條件下特定荷載位置的解結(jié)果。

板中受荷時無限大板上的任何一點，有限尺寸板上遠離板邊緣的點，均可理解為板中。8.2 小撓度薄板理論-4

集中荷載式中，l：板對地基的相對剛度半徑，

：撓度系數(shù)、徑向彎矩系數(shù)和切向彎矩系數(shù)。

r=0時，彎矩為無窮大，離荷載越遠，衰減很快，尤其是徑向彎矩。在r=l、r=2l附近，彎矩轉(zhuǎn)為負值，說明多個荷載作用時的應(yīng)力不一定比單個荷載更大。8.2 小撓度薄板理論-5n

圓形均部荷載，即荷載半徑與板底相對剛度半徑底比值。

8.2 小撓度薄板理論-6n

板底最大應(yīng)力r＝0，彎矩為無窮大?？紤]到薄板理論底局限性進行修正，板底最大應(yīng)力系數(shù)按照下式計算：式中，b為荷載作用半徑底當量值，按下式計算：

8.2 小撓度薄板理論-7l

板邊（中部）受荷時荷載作用于板邊緣中部，半圓形均布荷載，板底最大彎拉應(yīng)力為：

板角隅受荷時

見P156，式10－32、10－33。

應(yīng)力計算三種荷位的應(yīng)力計算可以寫為：

C見P156圖10－26。8.2 小撓度薄板理論-8

多個輪載作用時應(yīng)力（彎矩）的疊加

半空間地基板的解

彈性半空間地基板目前只有無限大板時的解，見P159,式10－36。對于有限尺寸板，只能求其近似解。8.3 溫度應(yīng)力計算-1溫度應(yīng)力伸縮應(yīng)力：溫度變化造成板的伸縮；伸縮受阻即產(chǎn)生伸縮應(yīng)力。應(yīng)力大小與板的平均溫度和施工水化完成時板的平均溫度的差、以及板與地基的連接有關(guān)。翹曲應(yīng)力：溫度梯度的存在使板發(fā)生翹曲變形，受阻時即產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。應(yīng)力大小與溫度梯度、板與地基的連接有關(guān)。

8.3 溫度應(yīng)力計算-2伸縮應(yīng)力計算

板內(nèi)任一點的變形等于溫度變形與由溫度變化受阻引起的應(yīng)力變形之和，即伸縮完全受阻時，應(yīng)變?yōu)?，故對于板邊緣中部，，故此時

8.3 溫度應(yīng)力計算-3翹曲應(yīng)力計算

板的翹曲應(yīng)力由板的溫度梯度引起。翹曲應(yīng)力有兩個來源，一是翹曲受阻，翹曲受到地基連接條件、相鄰板的鉗制等的作用，無法自由翹曲而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；另一是板的平截面特性與溫度沿厚度的非線性特性之間的不協(xié)調(diào)而引起的內(nèi)應(yīng)力。不過，當溫度梯度達到最大值時，溫度梯度接近直線，所以后一個應(yīng)力值很小，通常不予考慮。8.3 溫度應(yīng)力計算-4

翹曲后的中面曲面微分方程為：

解該微分方程，R.D.Bradbury給出了有限尺寸矩形板板中的翹曲應(yīng)力計算公式：

板邊緣中點的翹曲應(yīng)力為：

8.4 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析

荷載應(yīng)力溫度翹曲應(yīng)力板尺寸增大增大增大板厚度增大減小增大板模量增大增大增大地基接觸條件改善減小增大地基模量增大減小增大

水泥路面設(shè)計9.1 引言參見瀝青路面設(shè)計的引言部分設(shè)計內(nèi)容路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計

平面設(shè)計構(gòu)造設(shè)計路肩和排水設(shè)計

9.2 損壞模式與設(shè)計標準

損壞模式板的斷裂包括橫向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫、板角隅斷裂、破碎板。原因：強度不足；未設(shè)置傳力桿和拉桿；板底脫空；荷載、溫度重復(fù)作用，達到疲勞極限；荷載過重。接縫損壞出現(xiàn)在接縫附近的損壞，如剝落、碎塊等。

唧泥泥漿、灰漿從板底擠出和噴射而出。原因：基層材料不耐沖刷。9.2 損壞模式與設(shè)計標準損壞模式錯臺:接縫或裂縫兩側(cè)出現(xiàn)高程差。原因：唧泥等的存在是出現(xiàn)錯臺的主要原因：行車造成的水壓使泥灰漿從后載板向先載板遷移，造成先載高、后載板低的現(xiàn)象，一般是有規(guī)律的出現(xiàn)；未設(shè)置傳力桿。拱起:溫度引起的屈曲失穩(wěn)而向上隆起的現(xiàn)象，一般伴有橫向裂縫。原因：溫度太高；脹縫間距太大；接縫、尤其是脹縫內(nèi)填滿了雜物而失效；脹縫設(shè)置工藝不當而使其無法伸縮。9.2 損壞模式與設(shè)計標準設(shè)計標準上述各類損壞在設(shè)計中均需考慮。斷裂類損壞主要由厚度設(shè)計解決，材料設(shè)計和平面設(shè)計予以保證，設(shè)計標準是板底最大疲勞應(yīng)力；唧泥、錯臺主要通過材料設(shè)計和排水設(shè)計予以解決；拱起主要通過平面設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計解決；接縫損壞靠接縫設(shè)計解決。設(shè)計標準可以寫為：式中：為標準軸載作用下產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力；為等效疲勞溫度梯度下產(chǎn)生的溫度翹曲應(yīng)力；為混凝土的疲勞強度。

9.2 損壞模式與