《路面路基工程》第16章 水泥混凝土路面設(shè)計

1、路面路基工程汽車與交通學(xué)院第十六章 水泥混凝土路面設(shè)計 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(yīng)力分析 第四節(jié) 水泥混凝土路面溫度應(yīng)力分析 第五節(jié) 水泥混凝土路面板厚設(shè)計方法 第六節(jié) 水泥混凝土路面加鋪層設(shè)計 第十六章 水泥混凝土路面設(shè)計 161 概述一、水泥混凝土路面的力學(xué)特性 1、砼面板的彈性模量及力學(xué)強度大大高于土基與基層的相應(yīng)的模量和強度。 2、砼的抗彎拉強度遠小于抗壓強度，約為1/71/6。 3、砼面板與土基或基層之間的摩阻力一般不大 二、損壞模式 1、斷裂類 2、變形類 3、接縫損壞類 4、表層損壞類三、破壞狀態(tài) 1、斷裂：板內(nèi)應(yīng)力超過砼強度，砼路

2、面結(jié)構(gòu)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 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)板塊得橫向斷裂。 產(chǎn)生原因： 四、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)： 砼板（面層）斷裂（正常使用）為臨界狀態(tài)，抗彎拉強 度為設(shè)計指標(biāo) （荷載重復(fù)作用溫度翹曲應(yīng)力重復(fù)作用）砼抗彎拉強度。五.水泥砼路面設(shè)計結(jié)構(gòu)內(nèi)容： 1路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計 2砼面板厚度設(shè)計 3砼面

3、板的平面尺寸與接縫設(shè)計 4路肩設(shè)計和排水設(shè)計 5普通砼路面的鋼筋配筋設(shè)計六.設(shè)計方法 1經(jīng)驗法 2理論法16-2 彈性地基板體系理論概述 一小撓度薄板的基本假設(shè)： 砼板厚度平面尺寸（1/10） 撓度厚度 工作在彈性階段 小撓度彈性薄板 hb wh 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(shè)：（1）垂直于中面方向形變分量極其微小，可以忽略不計。 （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(yīng)變，即 （3） 中面上各點無平行于中面的位移，即 由假設(shè)（1）得： 由假設(shè)（2）得： 則： 同時，因為因為不計的影響， 板的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

4、 （物理方程）由假設(shè)（3），式得： 則： 則 ： 此板的幾何方程表示為 ： 將物理方程式改寫成應(yīng)力分量表達式， 并將代入 由可知，各項應(yīng)力分量均為z的氣函數(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，扭矩和剪力，即： 式中： 經(jīng)過整理得出應(yīng)力分量與彎矩，扭矩，剪力之間的關(guān)系： 當(dāng)z=1/2時，可得到板的最大應(yīng)力關(guān)系為： 二彈性曲面微分方程： 根據(jù)薄板的基本假設(shè)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：（11）式與（8）式形式不同，本質(zhì)相同 寫出z方向的力的平衡方程，簡化以后，略去微量，得： （11）代入（12）式： 將式（10）中的Mx，My，

5、Mxy的表達式代入（13）得 薄板彈性曲面微分方程 w板的撓度 D彎曲剛度 h板厚 板的彈性模量和泊松比 當(dāng)板上作用荷載p及反力為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(yīng)力分量 由（7）式求 彎矩與扭矩（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 不同的求解方法16-3 水泥砼路面荷載應(yīng)力分析一Winkler地基板的荷載應(yīng)力分析： 地基反力q（x,y）與該點撓度w(x,y)的關(guān)系式： q(x,y)=kq(x,y) k地基反應(yīng)模量MPa/m3 威斯特卡德（H.M.S.Westergoa

6、rd）采用這一地基假說，分析了圖示三種車輪荷載位置下板的撓度和彎矩： 即（1）輪載作用于無限大板中央，分布于半徑為R的圓面積內(nèi) （2）輪載作用于受一直線邊限制的半無限大板的邊緣，分布 于半圓內(nèi) （3）輪載作用于受兩條相互垂直的直線邊限制的大板的角隅 處，壓力分布的圓面積的圓心距角隅點處為 。 （一）荷載圖式與應(yīng)力計算公式： 1荷載作用與板中荷位（1），荷載中心處板底最大彎 拉應(yīng)力： 2荷載作用于板邊荷位（2） 3 荷載作用于板角荷位（3）（二）半徑R的修正 由于忽略豎向應(yīng)力 ，若均布力作用，荷載半徑R與厚度h 相差不大，則假設(shè)符合實際；若集中力作用，R同h相比小 于某一限度，則假定不再符合實際

7、。應(yīng)按厚板理論進行計 算，由此采用當(dāng)量半徑b取代實際半徑R： 當(dāng)R1.724h時，bR（三）應(yīng)力計算公式的修正 1930年美國在阿林頓（Alington）進行砼路面足尺試驗 1荷載位于板中荷位（1） 原公式計算值偏大 威斯特卡德，布拉德伯利(Bradbury) 凱利（kelly）提出了修正公式。 布拉德伯利：當(dāng)l=5t,c=0.20,=0.15 時 為威氏公式計算結(jié)果的8791 凱利：當(dāng)l=1.75t,c=0.05,=0.15 時 為威氏公式計算結(jié)果的72822荷載作用于板邊 在沒有翹曲時，實測應(yīng)力與威氏公式計算結(jié)果一致； 有翹曲時的，實測應(yīng)力大于威氏結(jié)果，尤其是夜晚，實測值明顯大于計算值 凱

8、利提出修正公式： 修正公式計算結(jié)果比沒有修正的計算結(jié)果大617。3荷位作用于板角 正常氣候條件下，板體與地基保持接觸，實測應(yīng)力與威氏公式計算結(jié)果一致。 當(dāng)角隅上翹，實測應(yīng)力明顯高于計算結(jié)果。 凱利提出修正公式： 修正公式計算結(jié)果比沒有修正的結(jié)果大2751。 上述荷位一般公式： 同一輪載和路面結(jié)構(gòu)情況下： 一般板 角隅翹曲 所以：選縱縫邊緣中部為臨界荷位二彈性半空間地基板的荷載應(yīng)力分布： 以彈性模量和泊松比表征的彈性地基板： q（x,y）=fw(x,y) 比Winkler地基更符合實際，然而解法復(fù)雜，未能廣泛應(yīng)用； 1938年霍格(A.H.A.Hogg)和霍爾（Holl）提出彈性半空間地基水泥砼

9、面板的荷載應(yīng)力分析方法。 彈性小撓度薄板的基本假設(shè)外，補充板與地基 之間的假設(shè)： （1）變形過程中，板與地基始終緊密接觸，地基頂面垂直 位移與薄板中面垂直位移相等。 （2）板與地基接觸面上無摩擦阻力，可以自由滑動，即層 間水平剪力為零。 （3）地基符合彈性，均質(zhì)，各項同性的假定。通過彈性半空間體系在軸對稱荷載作用下的表面位移計算公式 建立w(r)與p(r)之間的關(guān)系： 代入公式： 求解出w(r) 圓形均布荷載 最大彎矩 集中荷載 A，B隨 值而變化的系數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出：無限大板指： （1）板的平面尺寸遠大于作用面積 （2）與板面積相等的圓形板的半徑遠大于板的厚度 （3）荷載中心點距板邊有足夠大的距

10、離 S板的剛性指數(shù) 與板面積相等的圓形板的半徑，m 一般均符合上述條件，不需驗算。三砼路面板荷載應(yīng)力的有限元分析： 1965年，張佑啟（Cheung.Y.K）和辛克維綺(Zienkiewicz.C.C)提出彈性地基上薄板的有限元分析方法。 有限元分析的一般過程16-4 水泥砼路面溫度應(yīng)力分析一脹縮應(yīng)力：假定溫度均勻分布 板縱向與橫向應(yīng)變 板縱向與橫向溫度應(yīng)力 MPa 砼線性膨脹系數(shù)，約為1105 板溫差 板受約束，受阻 則產(chǎn)生應(yīng)力為： 對于板邊緣中部或窄長板，固定區(qū)無位移發(fā)生，形似完全固定約束， 則： 滑動區(qū)AB，CD內(nèi)，板體應(yīng)力計算： 若將l1代入上式，可得滑動區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力（B，C點） 將式

11、代入式得： 滑動區(qū)長度：（與路面板長度無關(guān)，不同人們認為的板越 長，滑動的范圍越大） BC段溫度應(yīng)力相同，所以一般計算： 當(dāng)L2l時，最大摩阻力出現(xiàn)在板長中央。二翹曲應(yīng)力： 溫度分布時深度z的函數(shù)Tzf（z） 溫度分布不均勻。 威斯特卡德，對文克勒地基假設(shè)： （1）溫度沿板斷面呈直線變化 （2）板與地基始終保持接觸 （3）不計板自重推導(dǎo)板僅受地基約束時翹曲應(yīng)力： 有限尺寸矩形板，板長（L）和板寬（B）方向翹曲應(yīng)力：最大翹曲應(yīng)力：通常在板中心位置， 或板邊緣中間位置，即 板邊緣中點： 當(dāng)x0， 當(dāng)y0 或 考慮溫度的非線性分布： 板中部： 溫度應(yīng)力系數(shù) 板邊緣中點： 16-5水泥砼路面板厚設(shè)計方

12、法設(shè)計參數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)軸載于換算軸載: 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)建立疲勞方程推導(dǎo)換算公式) 2交通分級設(shè)計使用年限和累計作用次數(shù) 交通分級交通分級 特重 重 中等 輕 設(shè)計車道 Ne(104)2000 1002000 3100 3 設(shè)計年限 （ t）30 30 20 20 3 .基層頂面的當(dāng)量回彈模量: 1) 新建公路的基層頂面模量值: 當(dāng)?shù)谆鶎优c墊層同時存在,先將這兩層折算成具有當(dāng)量回彈模量和當(dāng)量厚度的單一層,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(yīng)的厚度和模量以零值代入.2) 原有路面的頂面當(dāng)量回彈模量值 原有路面加鋪水

13、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(dāng)量回彈模量 ; 若用汽車實測,按瀝青路面補強設(shè)計中計算回彈彎沉 方法; 注: 新建水泥砼路面下必須設(shè)置最小厚度為0.150.20m的墊層與基層.3)水泥砼的設(shè)計強度與彎拉彈性模量 試件 小梁三分點加載試驗 水泥砼路面澆筑不立即開放交通,可采用90天期齡強度; 一般按28天期齡彎拉強度控制交通等級 特重 重 中等 輕 水泥砼彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值MPa 5.0 5.0 4.5 4.0 彎拉強度MPa 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 抗壓強度MPa 5.0 7.7 11.0 14.9 19.3 24.2

14、 29.7 35.8 41.8 48.4 彎拉彈性模量GPa 10 15 18 21 23 25 27 29 31 33 砼強度標(biāo)準(zhǔn)值水泥砼彎拉彈性模量經(jīng)驗參考值二、荷載疲勞應(yīng)力：彈性半無限地基上彈性薄板力學(xué)模型和 有限元法 1.臨界荷位:是指為簡化計算工作，通常選取使混凝土面板產(chǎn)生最大應(yīng)力、最大撓度或最大疲勞破壞的一個輪載計算位置。我國現(xiàn)行規(guī)范以疲勞斷裂作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，故選用使混凝土路面產(chǎn)生最大疲勞損耗的輪載位置為應(yīng)力計算的臨界荷位。因此，臨界荷位選在縱縫邊緣中部，如下圖所示： 縱縫 除了縱縫位企口設(shè)拉桿和橫縫為自由邊的砼路面,臨界位載橫縫邊緣中部外,其余均如圖 2. 荷載應(yīng)力計算:有限元法,

15、通過回歸: 軸載P引起的臨界荷位載應(yīng)力MPa 以標(biāo)準(zhǔn)軸載P=100kN和模量修正后三回歸系數(shù)代入上式:p-軸重kN l-相對剛性半徑m h-厚度m A,m,n-與軸型有關(guān)的回歸系數(shù) 3.接縫傳荷能力: 1)以繞度表示的EW 2)以應(yīng)力表示的EW 02規(guī)范:傳荷系數(shù) Wu-未受荷板接縫邊緣處彎沉值 Wl-受荷板接縫邊緣處彎沉值接縫 傳荷能力分極標(biāo)準(zhǔn) 等級 優(yōu)良 中 次 差 傳荷系數(shù) 80 5680 3155 31 接縫傳荷能力分極標(biāo)準(zhǔn) （舊路面?zhèn)骱赡芰υu定）4.荷載疲勞應(yīng)力: -應(yīng)力傳荷系數(shù) -考慮軸載累計作用次數(shù)的疲勞應(yīng)力系數(shù) (鋼纖維砼) r -與混合料性質(zhì)有關(guān)的指數(shù);普通砼,鋼筋砼連續(xù)配筋

16、砼=0.057, 碾壓砼合貧=0.065 -考慮偏荷和動載對路面疲勞損壞綜合影響系數(shù)-標(biāo)準(zhǔn)軸載載臨界荷位產(chǎn)生荷載疲勞應(yīng)力(MPa) -標(biāo)準(zhǔn)軸載載四邊自由板的臨界荷位產(chǎn)生的荷載應(yīng)力(MPa) 公路等級 高速公路 一級公路 二級公路 三四級公路 1.30 1.25 1.25 1.10 綜合系數(shù)kc 三.溫度疲勞應(yīng)力: 臨界荷位處溫度疲勞應(yīng)力: Kt-考慮溫度應(yīng)力累計疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù) -最大溫度梯度時砼板的溫度翹曲應(yīng)力 a,b,c-按所在的區(qū)劃查取的回歸系數(shù) fr-砼彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa) Bx-綜合翹曲應(yīng)力荷內(nèi)應(yīng)力作用的溫 度應(yīng)力系數(shù),按L/l和h查圖 l -相對剛性半徑 Tg-最大溫度梯

17、度公路自然區(qū)劃 8388 9095 8692 9398 四、我國現(xiàn)行設(shè)計方法與步驟: 1.02規(guī)范可靠度設(shè)計方法 公路技術(shù)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(shè)計基準(zhǔn)期(a) 30 30 20 20 目標(biāo)可靠度() 95 90 85 80 目標(biāo)可靠度指標(biāo) 1.64 1.28 1.04 0.84 變異水平等級 低 低中 中 中高 可靠度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)可靠度:設(shè)計路面結(jié)構(gòu)應(yīng)具有的可靠度水平.(選取是一 個工程經(jīng)濟問題) 通常采用”校準(zhǔn)法”來確定目標(biāo)可靠度,是對按原設(shè)計規(guī)范或 方法設(shè)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(biāo)可靠度,則設(shè)計的

18、路面結(jié)構(gòu)接納了以往的工程設(shè) 計和使用經(jīng)驗,包含了原有設(shè)計相等的可接受性和經(jīng)濟合理性. 路面結(jié)構(gòu)可靠度:在規(guī)定的時間內(nèi),在規(guī)定的條件下,路面使用性能滿足預(yù)定水平要求的概率,極限狀態(tài)設(shè)計表達式; -砼彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值表達為:在規(guī)定的設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi),在規(guī)定的交通和環(huán)境條件下, 行車荷載疲勞應(yīng)力和溫度梯度疲勞應(yīng)力的總和不超過 砼彎拉強度的概率變異水平等級 目標(biāo)可靠度() 95 90 85 80 低 1.201.33 1.091.16 1.041.08 - 中 1.331.50 1.161.23 1.081.13 1.041.07 高 - 1.231.33 1.131.18 1.071.11 可靠度系數(shù) 可靠度系數(shù) :為保證所設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有規(guī)定的可靠度,而在極限狀態(tài)設(shè)計表達式中采用的單一綜合系數(shù).2. 設(shè)計步驟: 6)根據(jù)極限狀態(tài)表達式判斷初擬厚度是否滿足要求,滿足則完成 7)若不滿足則重新擬定路面結(jié)構(gòu)重復(fù)上述計算過程 16-6 水泥砼路面加鋪層設(shè)計 一.舊水泥砼路面的技術(shù)調(diào)查與強度評定: (一) 調(diào)查內(nèi)容: 1.公路修建和養(yǎng)護技術(shù)資料 2.路面損壞狀況 3.路面結(jié)構(gòu)強度 4.已承受交通荷載及預(yù)計的交通要求 5.環(huán)境條件(二) 路面結(jié)構(gòu)強度評定: 1.路面損壞狀況調(diào)查評定 2.接縫傳荷能力與腹板狀況調(diào)查評定: 分四個等級:優(yōu)良 ,中,次,差等