路基路面工程課件 第13章 水泥混凝土路面設計.ppt

1、1,第十三章 水泥混凝土路面設計,2,本章主要內(nèi)容：,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 彈性地基板體系理論概述 第三節(jié) 水泥混凝土路面荷載應力分析 第四節(jié) 水泥混凝土路面溫度應力分析 第五節(jié) 水泥混凝土路面板厚設計方法 第六節(jié) 水泥混凝土路面加鋪層設計,3,13.1 概 述 一、水泥混凝土路面的力學特性 水泥混凝土路面的特點：（從力學角度） 面層彈性模量及強度高，基層和土基的相應模量和強度低； 荷載擴散能力強，撓度小，因而外荷作用時處于彈性狀態(tài)； 抗彎拉強度和抗壓強度高，車輪荷載導致疲勞破壞； 砼板與基層/土基之間摩阻力一般不大，因而彈性地基板理論； 存在溫度翹曲應力尺寸越大，翹曲應力越大限制板尺寸； 不

2、均勻的基礎變形混凝土板脫空彎拉應力過大土基與基層的變形對面板受力影響大。,4,二、水泥混凝土路面的損壞模式,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： 斷裂類、變形類、接縫損壞類、表層損壞等。,5,三、破壞狀態(tài) 1、斷裂：板內(nèi)應力超過砼強度，砼路面結(jié)構破壞的臨界狀態(tài) 產(chǎn)生原因： 2、唧泥：車輛行經(jīng)接縫時，由縫內(nèi)噴射出稀泥漿的現(xiàn)象， 原因：,6,3、錯臺：兩側(cè)（接縫或裂縫）面層板端部出現(xiàn)的高程差 產(chǎn)生原因：唧泥 4、接縫碎裂：臨近橫向和縱向接縫輸十厘米范圍內(nèi)，板邊 緣砼的開裂，斷裂或成碎塊，碎屑。 產(chǎn)生原因： 5、拱起：溫度升高，砼面板在熱膨脹受到約束時，橫縫兩側(cè)數(shù)塊板

3、塊 突然出現(xiàn)向上拱起的屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，并出現(xiàn)板塊橫向斷裂。 產(chǎn)生原因：,7,四、設計標準 彈性地基板，縱縫邊緣中部在重復荷載（車輛荷載及溫度翹曲應力）的反復作用下，路面板的破壞應力要比極限彎拉強度小，即產(chǎn)生疲勞破壞。,8,五.水泥砼路面設計結(jié)構內(nèi)容 1路面結(jié)構層組合設計 2砼面板厚度設計 3砼面板的平面尺寸與接縫設計 4路肩設計和排水設計 5普通砼路面的鋼筋配筋設計,9,13.2 彈性地基板體系理論概述,一小撓度薄板的基本假設： (1)砼板厚度遠小于平面尺寸 (2)撓度遠小于厚度 (3)工作在彈性階段 “小撓度彈性薄板”理論,10,（1）垂直于中面方向形變分量極其微小，可以忽略不計。 故位移僅為

4、平面函數(shù)，也就是說，在中面的任意一根法線上，薄板全厚度范圍內(nèi)的各點都具有相同的位移。 （2）垂直于中面的法線，在彎曲變形前后均保持為直線并垂直于中面，因而無橫向剪切應變，即,研究彈性小撓度薄板在垂直于中面的荷載的作用下的彎 曲時，通常采用下述三項基本假設：,11,（3） 中面上各點無平行于中面的位移，即 由假設（1）得： 由假設（2）得： 則： 板的應力應變關系 （物理方程）,12,由假設（3），式得： 則： 則 ： 此板的幾何方程表示為： ,13,將物理方程式改寫成應力分量表達式， 則： 由可知，各項應力分量均為z的函數(shù)，因此在厚度方向 上截面上的力的和為零，并可分別合成單位寬 度上的彎矩，

5、扭矩和剪力，即：,14, 式中：,15,經(jīng)過整理得出應力分量與彎矩，扭矩，剪力之間的關系： ,16,當z=h/2時，可得到板的最大應力關系為： ,17,二彈性曲面微分方程： 根據(jù)薄板的基本假設及內(nèi)力與荷載的平衡條件可得 分別寫出力矩的平衡方程，簡化以后得：,18,寫出z方向的受力平衡方程，簡化以后，略去微量，得： （11）代入（12）式： 將式（10）中的Mx，My，Mxy的表達式代入（13）得 薄板彈性曲面微分方程,19,w板的撓度； D彎曲剛度； h板厚； 板的彈性模量和泊松比； 當板上作用荷載為p，反力為q時， （14）式改寫為 （15） 求解出板的撓度w后，即可由（6）式求 各應力分量

6、； 由（7）式求 彎矩與扭矩。,20,（15）式中兩個未知數(shù)：撓度w與反力q 必須建立附加方程，將w，q聯(lián)系起來，才能與（15）式 聯(lián)立求解w。 兩種地基模型： 1. 溫克爾地基模型； 2. 彈性半空間體地基模型。,21,13.3 水泥砼路面荷載應力分析,一Winkler地基板的荷載應力分析： 地基反力q（x,y）與該點撓度w(x,y)的關系式： q(x,y)=kq(x,y) k地基反應模量MPa/m3.,22,1）文克勒地基模型：Winkler地基模型/稠密液體地基 假定：土基頂面任一點的彎沉w僅同作用于該點的垂直壓力p成正比，而與其他相鄰點處的壓力無關。壓力p與彎沉w之比即稱為地基反應模量

7、k。 由：k=p/w q(x,y)=kW(x,y),23,2）彈性半空間地基模型： 該地基被看作是均質(zhì)的半無限連續(xù)介質(zhì)。地基頂面任一點的撓度不僅同作用于該點的壓力，也同頂面其它點上的壓力有關，即：q(x,y)=f(x,y)。 這種地基模型有時也稱作彈性半無限或彈性固體地基模型，采用彈性模量和泊桑比來表征其彈性性質(zhì)。 任一點的撓度W為：,24,為了求解彈性地基板的應力，除了彈性小撓度薄板的基本假設外，補充板與地基之間的假設： （1）變形過程中，板與地基始終緊密接觸，與地基頂面垂直； （2）板與地基接觸面上無摩擦阻力，即層間水平剪力為零。 將溫克爾地基模型中反力與位移關系q=kx，或者彈性地基板模

8、型中反力與位移關系q=fw(x,y)帶入彈性地基板微分方程，求解出砼板在荷載作用下的彎拉應力。,25,13.4 水泥砼路面溫度應力分析,一脹縮應力：假定溫度均勻分布 板縱向與橫向應變； 板縱向與橫向溫度應力 MPa； 砼線性膨脹系數(shù)，約為1105； 板的溫差。,26,在板中部，受到約束： 則面板脹縮完全受阻時產(chǎn)生應力為： 對于板邊緣中部或窄長板，固定區(qū)無位移發(fā)生，即： 則： ,27,為了減少收縮應力，將砼板劃分為有限尺寸的板塊，這時板的收縮受到板與基礎的摩阻力的約束，板內(nèi)的最大應力出現(xiàn)在板長的中央，其值可近似按下式計算：,28,二翹曲應力： 溫度分布為隨深度z而變化的函數(shù)，Tzf（z）， 溫度

9、分布不均勻。 威斯特卡德，對文克勒地基假設： （1）溫度沿板斷面呈直線變化 （2）板與地基始終保持接觸 （3）不計板自重,29,有限尺寸矩形板，板長（L）和板寬（B）方向翹曲應力：,30,最大翹曲應力：通常在板中心位置， 或板邊緣中間位置，即 板邊緣中點： 當x0， 當y0 或 考慮溫度的非線性分布： 板中部： 溫度應力系數(shù) 板邊緣中點：,31,13.5 水泥砼路面（板厚）設計方法,（一）設計參數(shù) 標準軸載于換算軸載: 標準軸載BZZ-100同瀝青路面 按等效疲勞損傷原則換算:(采用疲勞斷裂為標準建立疲勞方程推導換算公式),32,2.設計車道使用初期的年平均日交通量： 雙向交通量方向分配系數(shù)車

10、道分配系數(shù) 1）交通量方向分配系數(shù)：一般可取0.5。 2）交通量車道分配系數(shù)：查下表,33,3交通分級設計使用年限,34,4、標準軸載累計作用次數(shù)Ne Ne標準軸載累計作用次數(shù)； t設計基準期； gr交通量年平均增長率； 臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)，按下表選用。,5、確定交通等級 參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-20023.0.5,35,（二）結(jié)構組合設計,1、路基的處理（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-20024.1.3）p478 2、確定基層的材料與厚度p476,477 1）確定基層的材料（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-20024.3.2）

11、表16-19 2）確定基層的厚度（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-20024.3.5）表16-19 3）確定基層的寬度（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-20024.3.4）,36,3、底基層（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-20024.3.7） 4、普通水泥混凝土面層 p476(表16-1617) 1）初擬普通水泥混凝土面層的厚度（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-20024.4.6） 2）確定普通水泥混凝土面層板的寬度及長度；（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-20024.4.3、4.4.5、4.4.6、4.5.3）,37,（

12、三）混凝土面板,混凝土路面板應具有較高的強度，表面平整、耐磨和抗滑；板的橫斷面一般采用等厚式。 混凝土路面板的厚度，由計算確定，初步估算時，可參考表16-17所列的經(jīng)驗厚度，其最小厚度為18cm。面層板的長寬比不得超過1.30，平面尺寸不宜大于25m2. 為了減小溫度應力，常把混凝土面板劃分成有限尺寸的矩形板?？v橫縫應垂直相交，縱縫兩側(cè)的橫縫不得相互錯位。 板寬（縱縫間距）：3.04.5m 板長（橫縫間距）：4m,38,（四）材料設計參數(shù)的擬定,1）土基的回彈模量（參見公路瀝青路面設計規(guī)范JTJ 014-976.1.5）或直接參考水泥路面設計規(guī)范附錄F來選值。 （1）用臨界高度法判斷路基的干濕

13、類型 （2）擬定土的平均稠度（參見公路瀝青路面設計規(guī)范JTJ 014-976.1.2-1） （3）預測土基回彈模量（參見公路瀝青路面設計規(guī)范JTJ 014-97表E2）,39,2）基層回彈模量（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-2002F.2） 3）面層 （1）面層的彎拉強度標準值（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG表D40-20023.0.6） （2）面層的彎拉彈性模量標準值（參見公路水泥混凝土路面設計規(guī)范JTG D40-2002F.3）,40,4）基層頂面的當量回彈模量: （a） 新建公路的基層頂面模量值:,當?shù)谆鶎优c墊層同時存在,先將這兩層折算成具有當量回彈模量和當量厚度的

14、單一層,然后與基層一起進行上述計算過程, 若無底基層與墊層,上述公式中對應的厚度和模量以零值代入.,41,（b） 原有路面的頂面當量回彈模量值 原有路面加鋪水泥砼路面,通過承載板試驗或彎沉測定法 測定原路面頂面的當量回彈模量 ; 若用汽車實測,按瀝青路面補強設計中計算回彈彎沉 方法; 注: 新建水泥砼路面下必須設置最小厚度為0.150.20m的墊層與基層.,42,pr標準軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞應力(MPa) kr 考慮接縫傳荷能力的應力折減系數(shù)，縱縫為設拉桿的平縫時，kr =0.870.92(剛性和半剛性基層取低值，柔性基層取高值)；縱縫為不設拉桿的平縫或自由邊時，kr =1.0；縱縫

15、為設拉桿的企口縫時，kr=0.760.84； kf 考慮設計基準期內(nèi)荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數(shù) kc考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù)，按公路等級查規(guī)范確定。,（五）荷載疲勞應力,1. 荷載疲勞應力計算,43,2. 荷載疲勞應力系數(shù)Kf,求kf設計基準期內(nèi)的荷載疲勞應力系數(shù)； Ne設計基準期內(nèi)標準軸載累計作用次數(shù) 與混合料性質(zhì)有關的指數(shù)，普通混凝土、鋼筋混凝土、連續(xù)配筋混凝土，=0.057；碾壓混凝土和貧混凝土，=0.065。,Kf=Nev,44,3. 計算ps,標準軸載在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應力(MPa) r 混凝土板的相對剛度半徑(m) h混凝土板的厚度(

16、m)； Ec水泥混凝土的彎拉彈性模量(MPa)； Et基層頂面當量回彈模量(MPa),45,（六）溫度疲勞應力,tr臨界荷位處的溫度疲勞應力(MPa)； tm最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應力； kt考慮溫度應力累計疲勞作用的疲勞應力系數(shù)，按下式確定。 a、b、c按規(guī)范查表。,46,*最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應力tm,c混凝土的線膨脹系數(shù)(1)，通常可取為110-5； Tg最大溫度梯度，查表16.7取用； Bx綜合溫度翹曲應力和內(nèi)應力作用的溫度應力系數(shù)，可按Lr和h查用圖16-14確定； L 板長，即橫縫間距(m)。,47,* 計算Bx,48,我國現(xiàn)行設計方法與步驟,1. 可靠度設計標準,49,目標可靠度: 設計路面結(jié)構應具有的可靠度水平。 通常采用”校準法”來確定目標可靠度，是對按原設計規(guī)范或方法設計的已有路面進行隱含可靠度的分析，參照隱含可靠度制定目標可靠度，則設計的路面結(jié)構接納了以往的工程設計和使用經(jīng)驗，包含了原有設計相等的可接受性和經(jīng)濟合理性。,50,路面結(jié)構可靠度:在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，路面使用性能滿預定水平要求的概率。 極限狀態(tài)設計表達式： -砼彎拉強度標準值 表達為:在規(guī)定的設計基準期內(nèi),在規(guī)定的交通和環(huán)境條件下, 行車荷載疲勞應力和溫度梯度疲勞應力的總和不超過 砼彎拉強度的概率,可靠度系數(shù),5