第十一章 水泥混凝土路面设计.doc

第十一章 水泥混凝土路面设计
　　　　　　　　发表日期：2008-6-10
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§11-1概述
    水泥混凝土路面，包括普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、预应力混凝土、装配式混凝土和刚纤维混凝土等面层板和基(垫）层所组成的路面。
优点：
1.强度高
2.稳定性好
3.耐久性好
4.有利于夜间行车
缺点：
1.对水泥和水的需要量大
2.有接缝
3.开放交通迟
4.修复困难
§11-2 水泥混凝土路面构造
一、土基和基层
（一）土基：密实、稳定和均匀
     路基不均匀支承，可能由下列因素造成：不均匀沉陷、不均匀冻胀、膨胀土
（二）基层
    目的：防唧泥、防冰冻、减小路基顶面的压应力，并缓和路基不均匀变形对面层的影响、防水、为面层施工提供方便、提高路面结构的支乘能力，延长路面的使用寿命。
二、混凝土面板
混凝土面板应保证表面平整、耐磨、抗滑
三、排水要求
   确保排水通畅、路基路面稳定和行车安全。
四、接缝的构造和布置
横缝：垂直于行车方向，共有三种：缩缝 、胀缝和施工缝。
（一）横缝的构造与布置
（1）胀缝的构造
（2）缩缝的构造  
（3）施工缝的构造
    纵缝：平行于行车方向
五、特殊部位混凝土路面的处理
六、接缝材料及技术要求
接缝材料按使用性能分接缝板和填缝料
接缝板要求能适应混凝土面板的膨胀与收缩，施工时不变形、耐久性良好。
填缝料要求能与混凝土面板壁粘结力强，材料的回弹性好、能适应混凝土面板的膨胀与收缩、不溶于水、不渗水、高温时不溢出、低温时不脆裂和耐久性好。
§11-3 水泥混凝土路面施工工艺
一、对面层混凝土材料的要求：
    面层混合料必须具有较高的抗弯拉强度和耐磨性、良好的耐冻性以及尽可能低的膨胀系数和弹性模量。此外，湿混合料还应有适当的施工和易性，一般规定其坍落度0～30mm，工作度约为30s。在施工时，应力求混凝土强度满足设计要求。
二、施工准备工作
    1.选择混凝土拌和场，根据施工路线的长短和所采用的运输工具，混凝土可集中在一个场地拌制，也可以在沿线选择几个场地拌制，随工程进展情况迁移。
    2.进行材料试验和混凝土配合比设计
    3.基层的检查与整修
三、混凝土板的施工程序与施工技术
   1.边模的安装 2.传力杆的设置 3.制备与运输混凝土混合料4.摊铺与震捣5筑做接缝6表面整修与防滑措施7.养生与填缝 8.冬季和夏季施工
四、质量控制和检查
§11-4 其它类型混凝土路面简介
    一、钢筋混凝土路面
    二、连续配筋混凝土路面
三、装配式混凝土路面
四、组合式混凝土路面
五、纤维混凝土路面
六、混凝土小块铺砌路面
七、碾压混凝土路面
§11-5弹性地基板体系理论概述
在力学图式上可把水泥混凝土路面结构看做是弹性地基板，用弹性地基板理论进行分析计算。
一、弹性地基板基本假定
    一般采用小挠度弹性薄板理论进行分析。
    三项基本假设：
    (1)垂直于中面方向的应变极其微小，可以忽略不计，薄板全厚度范围内的所有各点都有相同的位移W。
    (2)垂直于中面的法线，在弯曲变形前后均保持为直线并垂直于中面，因而无横向剪切应变。
    (3)中面上各点无平行于中面的位移。
二、文克勒地基与弹性半空间地基
文克勒地基假设提出地基反力只有垂直力，它是以反应模量K表征的弹性地基。
并假设地基上任一点的反力q(x,y)仅同该点的挠度W(x,y)成正比，而同其他邻点无关，可用下式表示为：
q(x,y)= KW(x,y)
式中：q(x,y) ——地基顶面某一点的反力(MPa)；
Ｋ——地基反力模量(MPa/m3)；
W(x,y) ——竖向挠度(cm)。
文克勒地基假设认为地基顶面某一点的沉陷仅决定于作用于该点的压力，而与相邻的地基不发生任何关系，地基的受压作用正如许多彼此互不相联系的弹簧受压的情况一样(如图16.1.a)。
弹性半空间地基是以弹性模量和泊松比表征的弹性地基。其它假设地基为一各向同性的弹性半无限体(故又称半无限地基)，如图16.1.b所示。

图16.1 不同假设地基的表面变形图
a)文克勒地基；b)弹性半空间地基

地基在荷载作用范围内及影响所及以外部分均产生变形，其顶面上任一点的挠度不仅同该点的压力有关，也同其他各点的压力有关，可以用如下计算公式表示：
q(x，y) ＝fW(x，y)
我国现在采用弹性半无限地基上的弹性薄板理论和有限元位移法计算荷载应力和温度应力。
三、半无限地基板荷载应力的有限元解
1.有限元法
有限元法是结构和连续介质应力分析中的一种有效的计算方法。采用有限元法分析水泥混凝土路面的荷载应力优点如下：
    (1)可以按板块的实际大小求解有限尺寸的板，从而消除无限大板的假设所带来的误差(此误差随荷载接近板边缘和相对刚度半径的增大而增加)；
    (2)可以考虑各种荷载情况(包括荷载组合和荷载位置)，而不必像前述方法那样规定若干种典型荷位，并且能解算简单的荷载组合情况。因此，可以求得符合实际荷载情况的应力分析，
    (3)可以计及板的实际边界条件，如接缝的传荷能力、板和地基的脱空(不连续接触)等；
    (4)所解得的结果是整个板面上的位移场和应力场，从而可以更全面地分析板的受荷情况。
2.临界荷位的确定
为简化计算工作，通常选取使路面板产生最大应力、最大挠度或最大损坏的一个轴载作用位置作为临界荷位。《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40—2002)以荷载应力和温度应力产生的综合疲劳损坏作为设计标准。经过几种典型路面结构的荷载和强度梯度的损耗分析，只有在纵缝为具有较大传荷能力的企口缝，横缝为不考虑其传荷能力的假缝(当作自由边处理)时，临界荷位出现在横缝边缘中部(但前者出现的可能性很小)，其余情况均应选取纵缝边缘中部为临界荷位。因此选取纵缝边缘中部作为临界荷位，用以计算板内最大弯拉应力值。
§11-6 水泥混凝土路面荷载应力分析
标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按式（11.13）确定。
     (11.13)
式中：σpr——标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力(MPa)；
σps——标准轴载PS在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力(MPa)，由公式（11.14）计算确定；
kr——考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时，kr=0.87～0.92(刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值)；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时，kr=1.0；纵缝为设拉杆的企口缝时， kr =0.76～0.84；
kf——考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，由公式（11.16）计算确定；
kc——考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查表11.7确定。
表11.7 综合系数kc
公路等级
高速公路
一级公路
二级公路
三、四级公路
kc
1.30
1.25
1.20
1.10
标准轴载PS在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力按式（11.14）计算。
                                             (11.14)
                                         (11.15)
式中：r——混凝土板的相对刚度半径(m)；
          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)。
设计基准期内的荷载疲劳应力系数按式公式(11.16)计算确定。
                                                      （11.16）
式中：kf——设计基准期内的荷载疲劳应力系数；
Ne——设计基准期内标准轴载累计作用次数；
ν——与混合料性质有关的指数，普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土，ν= 0.057；碾压混凝土和贫混凝土，ν= 0.065；
§11-7 水泥混凝土路面温度应力分析
在临界荷位处的温度疲劳应力按式(11.17)确定。
                     (11.17)
图16.2 温度应力系数

式中：σtr——临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)；
σtm——最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)，按(11.18)条确定
kt——考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按(11.19)条确定。
最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力按式(11.18)计算。
                                     (11.18)
式中：σtm——最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)
αc——混凝土的线膨胀系数(1/℃)，通常可取为1×10-5/℃；
Tg——最大温度梯度，查表11.8取用；
Bx——综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，可按l／r和h查用图11.2确定；
l——板长，即横缝间距(m)。
温度疲劳应力系数可按式(16.19)计算确定
                                                   (11.19)
式中：a、b和c——回归系数，按所在地区的公路自然区划确定
表11.8 最大温度梯度标准值
公路自然区划
Ⅱ、Ⅴ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅵ
Ⅶ
最大温度梯度(℃/m)
83～88
90～95
86～92
93～98
注：海拔高时，取高值；湿度大时，取低值。
§11-8 水泥混凝土路面板厚设计方法
考虑荷载应力和温度翘曲应力综合疲劳损伤作用的混凝土面层厚度和板平面尺寸确定方法，可遵循下述设计步骤：
    1)收集并分析交通参数——收集日交通量和轴载组成数据，确定轮迹分布系数，计算设计车道标准轴载日作用次数；由此确定道路的交通等级，并进而选定设计年限、选定交通量年平均增长率，计算使用年限内标准轴载的累计作用次数。
    2)初拟路面结构——初选路面结构层次、类型和材料组成；拟定各层的厚度、面层板平面尺寸和接缝构造。
3)确定材料参数——试验确定混凝土的设计弯拉强度和弹性模量，基层、垫层和路基的回弹模量，基层顶面的当量回弹模量。
    4)计算荷载疲劳应力——计算得到标准轴载作用下板边中部的最大荷载应力；按接缝类型选定接缝传荷系数；按标准轴载累计作用次数计算得到疲劳应力系数；按交通等级选定综合系数；综合上述计算结果可得到荷载疲劳应力。
    5)计算温度应力——由所在地公路自然区划选择最大温度梯度；按路面结构和板平面尺寸计算最大温度梯度时的温度翘曲应力；按自然区划及σtm和fr确定温度应力累计疲劳作用系数；由此计算确定温度疲劳应力。
6)检验初拟路面结构——行车荷载和温度梯度综合作用满足公式(11.20)，说明拟定的板厚合理，上述检验条件如不符合，则重新拟定路面结构或板平面尺寸，重新计算，直到满足为止。
                  (11.20)
§11-9 水泥混凝土路面接缝设计
一、纵向接缝
纵向接缝的布设应根据路面宽度和施工铺筑宽度而定。
纵向接缝的拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚的中央，并应对拉杆中部100mm范围内作防锈处理。
连续配筋混凝土路面的纵缝拉杆可由板内横向钢筋延伸穿过接缝代替拉杆。
二、横向接缝
    每日施工结束或临近中断施工时，必须设置横向施工缝，其位置应尽可能设在横向缩缝或胀缝处。施工缝应采用加传力杆的平缝形式。
 横向伸缝可等间距设置，采用假缝形式。
 横向胀缝只在邻近桥梁或其他固定构造物处或与其他道路相交处设计。
§11-10 水泥混凝土路面的加铺层设计
一、旧混凝土路面的技术调查
在进行旧混凝土路面加铺层设计之前，应调查公路修建和养护技术资料：路面结构和材料组成、接缝构造及养护历史等；路面损坏状况；路面结构强度；承受的交通荷载及预计的交通需求；环境条件。
1.路面损坏状况调查评定
混凝土路面的损坏状况采用断板率和平均错台量两项指标评定，分为4个等级。断板率的调查和计算可按《公路水泥混凝土路面养护技术规范》(JTJ 073.1)的规定进行；错台调查可采用错台仪或其它方法量测接缝两侧板边的高程差，量测点的位置在错台严重车道右侧边缘内300mm处，以调查路段内各条接缝高程差的平均值表示该路段的平均错台量。
2.接缝传荷能力和板底脱空状况调查评定
旧混凝土面层板的接缝传荷能力和板底脱空状况采用弯沉测试法调查评定。弯沉测试宜采用落锤式弯沉仪，也可采用梁式弯沉仪，其支点不得落在弯沉盆内。旧混凝土面层的接缝传荷能力依据接缝传荷系数分为4个等级，板底脱空可根据面层板角隅处的多级荷载弯沉测试结果，并综合考虑唧泥和错台发展程度以及接缝传荷能力进行判别。
3.旧混凝土路面结构参数调查
旧混凝土面层厚度的标准值可根据钻孔芯样的量测高度按式(16.21)计算确定。
                    (16.21)
式中：he——旧混凝土面层量测厚度的标准值(mm)；
——旧混凝土面层量测厚度的均值(mm)；
Sh——旧混凝土面层厚度量测值的标准差(mm)。
旧混凝土面层弯拉强度的标准值可采用钻孔芯样的劈裂试验测定结果按式(16.22) 和(16.23)计算确定。
                   (16.22)
                      (16.23)
式中：fr——旧混凝土弯拉强度标准值(MPa)；
fsp——旧混凝土劈裂强度标准值(MPa)；
——旧混凝土劈裂强度测定值的均值(MPa)；
ssp——旧混凝土劈裂强度测定值的标准差(MPa)。
旧混凝土的弯拉弹性模量标准值可按式(16.24)计算确定。
                     (16.24)
式中：Ec——旧混凝土的弯拉弹性模量标准值(MPa)
fr——旧混凝土的弯拉强度标准值(MPa)。
旧混凝土路面基层顶面的当量回弹模量标准值，宜采用落锤式弯沉仪(标准荷载100kN、承载板半径150mm)量测板中荷载作用下的弯沉曲线，按式(16.25)和式(16.26)确定。
                            (16.25)
           (16.26)
式中：Et——基层顶面的当量回弹模量标准值(Mpa)；
SI——路面结构的荷载扩散系数；
WO——荷载中心处的弯沉值(μm)；
W300、W600、W900一—距离荷载中心300mm、600mm 和900mm处的弯沉值(μm)。
二、混凝土加铺层结构设计
加铺层铺筑前应更换破碎板，修补裂缝，磨平错台，压浆填封板底脱空，清除接缝中失效的填缝料和杂物，并重新封缝。
加铺层应根据使用要求及旧混凝土路面的状况，选用分离式或结合式水泥混凝土加铺结构，或沥青混凝土加铺结构，经技术经济比较后选定。
旧混凝板的厚度、混凝土的弯拉强度和弹性模量标准值以及基层顶面当量回弹模量标准值，采用旧混凝土路面的实测值，按旧混凝土路面结构参数调查方法确定。
1.分离式混凝土加铺层结构设计
当旧混凝土路面的损坏状况和接缝传荷能力评定等级为中或次，或者新旧混凝土板的平面尺寸不同、接缝形式或位置不对应或路拱横坡不一致时，应采用分离式混凝土加铺层。
分离式混凝土加铺层的接缝形式和位置，按新建混凝土面层的要求布置。
加铺层可采用普通混凝土、钢纤维混凝土、钢筋混凝土和连续配筋混凝土。普通混凝土、钢筋混凝土和连续配筋混凝土加铺层的厚度不宜小于180mm；钢纤维混凝土加铺层的厚度不宜小于140mm。
加铺层和旧混凝土面层应力分析，按分离式双层板进行。
2.结合式混凝土加铺层结构设计
当旧混凝土路面的损坏状况和接缝传荷能力评定等级为优良，面层板的平面尺寸及接缝布置合理，路拱横坡符合要求时，可采用结合式混凝土加铺层。
采用铣刨、喷射高压水或钢珠、酸蚀等方法，打毛清理旧混凝土面层表面，并在清理后的表面涂敷粘结剂，使加铺层与旧混凝土面层结合成整体。加铺层的最小厚度为25mm。加铺层和旧混凝土板的应力分析，按结合式双层板进行。
3.沥青加铺层结构设计
当旧混凝土路面的损坏状况和接缝传荷能力评定等级为优良或中时，可采用沥青加铺层。
接缝传荷能力评定等级为中时，应根据气温、荷载、旧混凝土路面承载能力、接缝处弯沉差等情况选用减缓反射裂缝的措施。
沥青加铺层的厚度按减缓反射裂缝的要求确定。高速公路和一级公路的最小厚度宜为100mm，其他等级公路的最小厚度宜为70mm。