路基路面工程覃峰教授91課件

路基路面工程覃峰教授廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目31水泥混凝土路面設(shè)計(jì)任務(wù)1概述一、混凝土路面結(jié)構(gòu)特性水泥混凝土路面板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和一定的厚度，以便抵抗車輪荷載作用下混凝土板內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力。由于水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度比其抗壓強(qiáng)度小得多，在車輪荷載重復(fù)作用下，混凝土路面板的受彎拉部位最容易產(chǎn)生裂縫而破壞，因此彎拉應(yīng)力是面板的主要設(shè)計(jì)依據(jù)。水泥混凝土路面的破壞類型：

1、接縫的破壞擠碎、拱起、錯(cuò)臺(tái)、唧泥

2、混凝土板本身的破壞裂縫、斷裂錯(cuò)臺(tái)縱向裂縫橫向裂縫板角斷裂唧泥產(chǎn)生的斷裂二、混凝土路面設(shè)計(jì)內(nèi)容

1、路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

2、混凝土面板厚度設(shè)計(jì)

3、混凝土面板的平面尺寸與接縫設(shè)計(jì)

4、路肩設(shè)計(jì)

5、普通混凝土路面的鋼筋配筋設(shè)計(jì)三、混凝土路面設(shè)計(jì)原則（P454）

1、考慮當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文、地質(zhì)情況；

2、因地制宜，就地取材；

3、結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，積極、慎重新材料、新技術(shù)；

4、注意沿線的環(huán)境保護(hù)；

5、盡量采用機(jī)械化、工廠化施工；

6、不良地基路段，采用有效的加固措施。四、混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法我國(guó)現(xiàn)行的《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD40—2002)設(shè)計(jì)方法：以彈性半空間地基上矩形板模型為基礎(chǔ)，以100KN單軸雙輪標(biāo)準(zhǔn)軸作用下臨界荷位產(chǎn)生的最大應(yīng)力控制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方法采用了可靠度設(shè)計(jì)方法，以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)。五、混凝土路面的交通等級(jí)

（1）混凝土路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期

公路混凝土路面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期參考值公路技術(shù)等級(jí)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（年）高速公路30一級(jí)公路30二級(jí)公路20三、四級(jí)公路20（2）標(biāo)準(zhǔn)軸載與當(dāng)量軸載換算標(biāo)準(zhǔn)軸載：BZZ-100。式中：NS——100KN的單軸—雙輪組標(biāo)準(zhǔn)軸載的通行次數(shù)（次/天）。

Ni——各類軸—輪型i級(jí)軸載通行次數(shù)（次/天）。

n——軸型和軸載級(jí)位數(shù)。

Pi——各類軸—輪型i級(jí)軸載的總重（KN）。δi——軸—輪型系數(shù)。單軸—雙輪組：δi=1

單軸—單輪組：雙軸—雙輪組：三軸—雙輪組：（標(biāo)準(zhǔn)軸）（3）交通調(diào)查與軸載分析

單軸軸載按10kN分級(jí)，雙軸、三軸軸載按20kN分級(jí)。各種軸型不同軸載級(jí)位的標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量換算系數(shù)按下式計(jì)算。單向車道數(shù)123≥4車道分配系數(shù)1.00.8-1.00.6-0.80.5-0.75

交通量車道分布系數(shù)表16-2式中：Kp,ij——各級(jí)軸載不同軸載級(jí)位的標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量換算系數(shù)。

i——軸型(單軸、雙軸、三軸)。

j——軸載級(jí)位。

Pij——i型軸型j級(jí)軸載的軸重（kN）。

δ——i型軸型j級(jí)軸載的軸-輪系數(shù)。（kN）。設(shè)計(jì)車道在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期初期的標(biāo)準(zhǔn)軸載日作用次數(shù)Ns.式中：NS——設(shè)計(jì)車道設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期初期的標(biāo)準(zhǔn)軸載日作用次數(shù)。

ADTT——設(shè)計(jì)車道年平均日貨車交通量（雙向）。

ni——每1000輛2軸6輪以上客、貨車中i種軸型出現(xiàn)的次數(shù)。

Pij——i型軸型j級(jí)軸載的頻率。（4）標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量作用次數(shù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)混凝土面板臨界荷位處所承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)當(dāng)量作用次數(shù)Ne：式中：Ne——標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)當(dāng)量作用次數(shù)（次/天）。

gr——交通量年平均增長(zhǎng)率（%）。

t——設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（年）。

η——臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)。臨界荷位處車輪輪跡橫向分布系數(shù)η表16-6公路等級(jí)縱縫邊緣處高速、一級(jí)公路、收費(fèi)站0.17~0.22二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)公路行車道寬>7m0.34~0.39行車道寬≤7m0.54~0.62（5）混凝土路面交通等級(jí)劃分任務(wù)2彈性地基板體系理論簡(jiǎn)介

一、小撓度彈性薄板的基本假定兩個(gè)平行面和垂直于這兩個(gè)平行面的柱面或棱樁面所圍成的物體稱為板。平分厚度h的平面稱為中平面。假如板的厚度h遠(yuǎn)小于板面的最小尺寸b的十分之一，此板稱為薄板。薄板受到垂直于板面的荷載就會(huì)產(chǎn)生彎曲，中面所彎成的曲面稱為彈性曲面，而中面內(nèi)各點(diǎn)在橫向的位移稱為薄板的撓度W。交通分級(jí)與設(shè)計(jì)使用年限及初估板厚表16-5交通等級(jí)設(shè)計(jì)車道標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)Ne(×104)特重＞2000重100～2000中等3～100輕

3

對(duì)于面板為局部范圍內(nèi)的輪載，底面為地基反力作用下的薄板彎曲時(shí)的三項(xiàng)基本假定是：

1）豎向應(yīng)變?chǔ)舲和應(yīng)力σz同其它應(yīng)變和應(yīng)力分量相比極其微小，可以忽略不計(jì)因此，豎向撓度W只是平面坐標(biāo)（x,y）的函數(shù)，則沿板厚各點(diǎn)具有相等的位移W。

2）垂直板中面的法線，在薄板彎曲以后，仍保持直線并且垂直于彈性曲面，所以無(wú)橫向剪應(yīng)變，即γzx=0,γyz=03）薄板受到垂直于板面的荷載面的荷載時(shí)，中間平面內(nèi)各點(diǎn)均沒有平行于板面的位移，即μz=0=0。

對(duì)于彈性地基薄板，板與地基聯(lián)系的基本假定：

1）在變形過程中，板和地基始終緊密接觸，無(wú)間隙。因此，地基頂面和薄板中面的垂直位移相等；

2）板與地基的接觸面上無(wú)摩阻力，可以自由滑動(dòng)，也就是說，層間水平剪力為零，地基對(duì)板體只有垂直作用力。任務(wù)3水泥混凝土路面應(yīng)力分析一、荷載應(yīng)力分析（一）溫克勒地基（文克勒地基）式中：k——地基反應(yīng)模量。

w——垂直位移。當(dāng)?shù)鼗枯^大時(shí)比較準(zhǔn)確。

地基反力q(x,y)與該點(diǎn)撓度W（x,y）的關(guān)系為：（二）彈性半空間體地基板荷載應(yīng)力（沿X方向位移）（沿Y方向位移）

板中面的水平位移為0，而平行于板中面的各面都產(chǎn)生水平位移，大小同該面與板中面的距離成正比。（2）薄板應(yīng)變場(chǎng)

1、薄板位移、應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)（1）薄板位移場(chǎng)（3）薄板應(yīng)力場(chǎng)，二、水泥混凝土路面溫度應(yīng)力分析（一）概述氣溫變化時(shí)（四季變化、晝夜變化），路面結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮、翹曲、變形受阻——產(chǎn)生溫度應(yīng)力（或熱應(yīng)力）（thermalstress）路面處于自然環(huán)境中，經(jīng)受著持續(xù)變化氣溫的影響，路面內(nèi)的溫度也隨之變化?！雎访娼Y(jié)構(gòu)層溫度均勻升降，產(chǎn)生脹縮變形，其受阻時(shí)產(chǎn)生脹縮應(yīng)力；■結(jié)構(gòu)層內(nèi)存在溫度坡差（梯度）時(shí)，產(chǎn)生翹曲變形，其受限制而產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力——系統(tǒng)的溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化，在彈性力學(xué)的基礎(chǔ)上考慮溫度的影響。參數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)。瞬態(tài)溫度應(yīng)力——系統(tǒng)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間而變化。參數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱。（二）路面溫度場(chǎng)計(jì)算基本理論

在溫度未達(dá)到完全平衡的物體內(nèi)會(huì)發(fā)生熱流，如果熱量?jī)H僅通過熱傳導(dǎo)來傳播，則在均質(zhì)各向同性的物體里，某一給定瞬間t的這種熱流，可用溫度場(chǎng)來表示。如果物體內(nèi)的各質(zhì)點(diǎn)用直角坐標(biāo)系確定，則在某一確定時(shí)刻，物體中各點(diǎn)的溫度值可用溫度場(chǎng)表示如下：則溫度梯度可以表示為路面結(jié)構(gòu)示意圖（三）混凝土路面脹縮溫度應(yīng)力當(dāng)氣溫緩慢變化時(shí)，板內(nèi)溫度均勻升降，則面板沿?cái)嗝娴纳疃染鶆蛎浛s。設(shè)x為板的縱軸，y為板的橫軸。設(shè)彈性體內(nèi)各點(diǎn)的變溫為。當(dāng)不受約束自由變形時(shí)，則由變溫引起并作用于各個(gè)方向的溫度應(yīng)力為：

當(dāng)路面結(jié)構(gòu)變形受到約束時(shí)，就產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而溫度應(yīng)力又將由于物體的彈性引起附加的應(yīng)變，根據(jù)虎克定律，得到下列應(yīng)變與應(yīng)力和變溫之間的關(guān)系：平面應(yīng)變狀態(tài)：則脹縮溫度應(yīng)力為：（四）混凝土路面翹曲溫度應(yīng)力板底和板頂溫度差引起的翹曲溫度應(yīng)力為：圖16-11混凝土路面板的翹曲變形a)氣溫升高時(shí)；b)氣溫降低時(shí)在板邊緣中點(diǎn)：式中：△t——板頂和板底面的溫度差（℃）；

CX、CY——與L/r或B/r有關(guān)的系數(shù)，可按P469圖16-12查用。

§16.4水泥混凝土路面可靠度設(shè)計(jì)一、路面可靠度的定義和極限狀態(tài)函數(shù)

路面可靠度——在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在將遇到的環(huán)境條件和荷載條件下，路面能夠發(fā)揮其預(yù)期功能的概率。

混凝土路面結(jié)構(gòu)的可靠度——在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在車輛荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的綜合作用下，路面板縱縫邊緣中部不出現(xiàn)疲勞開裂的概率。路面結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)函數(shù)：式中：σP——荷載疲勞應(yīng)力（MPa）；

σt——溫度疲勞應(yīng)力（MPa）；

σrf——混凝土疲勞強(qiáng)度（MPa）；

σS——混凝土極限抗折強(qiáng)度（MPa）；

N——當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸作用次數(shù)；

A、B——疲勞方程回歸參數(shù)。混凝土路面結(jié)構(gòu)的可靠度：二、路面可靠度目標(biāo)

P472三、設(shè)計(jì)參數(shù)均值的取值和變異系數(shù)范圍

1、設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸作用次數(shù)Ne：P473安全等級(jí)一級(jí)二級(jí)三級(jí)公路等級(jí)高速一級(jí)二級(jí)目標(biāo)可靠度Ps(%)959085

目標(biāo)可靠度表16-9Ne預(yù)估標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)表16-10公路等級(jí)高速一級(jí)二級(jí)三級(jí)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（年）30302020標(biāo)準(zhǔn)差σNe0.03850.03850.04700.0794變異系數(shù)CVNe(%)0.3040.2520.1970.237

2、混凝土抗彎拉模量和彈性模量

P473

3、路面板厚度

P473

4、基層和土基抗壓回彈模量和基層頂面綜合回彈模量

P473交通等級(jí)特重重中等輕設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度（MPa）5.05.04.54.0彎拉彈性模量（MPa）30000300002800027000混凝土抗彎拉模量和彈性模量表16-11路面板厚度的變異系數(shù)表16-13變異水平低中高變異系數(shù)0.02-0.040.04-0.060.06-0.08

穩(wěn)定粒料基層和土基抗壓回彈模量和抗彎拉強(qiáng)度表16-14項(xiàng)目抗彎拉強(qiáng)度（MPa）抗壓回彈模量(MPa)水泥穩(wěn)定粒料1.01300-1600二灰穩(wěn)定粒料1.01300-1600土基——30-80§16.5水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)一、面板混凝土

P476表16-16其他面層類型的選擇

P476表16-17水泥混凝土面層厚度的參考范圍

各級(jí)公路水泥混凝土的構(gòu)造深度（mm）表16-18

二、基層

P476表16-19各類基層適宜的交通等級(jí)與厚度范圍。三、墊層防凍、排水、加固四、路基滿足《路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。公路等級(jí)高速、一級(jí)二、三、四級(jí)一般公路0.7-1.00.5-0.9特殊公路0.8-1.20.6-1.0§16.6我國(guó)水泥混凝土路面設(shè)計(jì)方法我國(guó)水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范采用單軸雙輪組100kN標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的彈性半空間地基有限大矩形薄板理論有限元解為理論基礎(chǔ)，以路面板縱縫邊緣荷載與溫度綜合疲勞彎拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行路面厚度設(shè)計(jì)。路面板的綜合疲勞彎拉應(yīng)力應(yīng)滿足以目標(biāo)可靠度為依據(jù)的極限狀態(tài)平衡方程式。

臨界荷位：位于縱縫邊緣的中點(diǎn)處，即荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力產(chǎn)生最大疲勞損傷的位置。臨界荷位臨界荷位平面圖立面圖一、目標(biāo)可靠度與疲勞極限狀態(tài)的方程式

P478表16-20可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

P478表16-21變異系數(shù)CV的變化范圍式中：γr——可靠度系數(shù)。P479表16-22

σP——荷載疲勞應(yīng)力（MPa）。

σt——溫度疲勞應(yīng)力（MPa）。

fr——水泥混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）。P479表16-23二、彎拉應(yīng)力分析及厚度設(shè)計(jì)1、荷載疲勞應(yīng)力臨界荷位處荷載應(yīng)力計(jì)算:式中：σPr——荷載疲勞應(yīng)力(MPa);Kr——應(yīng)力折減系數(shù)?？v縫為設(shè)拉桿的平縫，Kr=0.87-0.92;

縱縫為不設(shè)拉桿的平縫或自由邊，Kr=1.0;

縱縫為設(shè)拉桿的啟口縫，Kr=0.76-0.84;Kf——疲勞應(yīng)力系數(shù);V——與混合料性質(zhì)有關(guān)的指數(shù)，普通混凝土、鋼筋混凝土、連續(xù)配筋混凝土v=0.057，碾壓混凝土和貧混凝土v=0.065，鋼纖維混凝土按下式計(jì)算：

ρf——鋼纖維的體積率（%）

Lf——鋼纖維的長(zhǎng)度（mm）

df——鋼纖維的直徑（mm）KC——考慮超載和動(dòng)荷載等因素對(duì)路面疲勞損壞綜合影響系數(shù)，

P479，表16-24。

σPS——標(biāo)準(zhǔn)軸載PS在四邊自由的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力(MPa);式中：r——混凝土板的相對(duì)剛度半徑(m);h——混凝土板后厚(m);Ec——混凝土的彎拉彈性模量(MPa)。P480表16-25。

Et——基層頂面當(dāng)量回彈模量(MPa)。新建公路：

式中：E0——路床頂面的回彈模量(MPa)，P481表16-26；

EX——基層和底基層或墊層的當(dāng)量回彈模量(MPa)；

E1、E2——基層和底基層或墊層的回彈模量(MPa)；P481表16-27hX——基層和底基層或墊層的當(dāng)量厚度(m)；

DX——基層和底基層或墊層的當(dāng)量彎曲剛度(MN.m)；

h1

、h2——基層和底基層或墊層的厚度(m)；

a、b——與EX/E0有關(guān)的回歸系數(shù)。舊路改建：原柔性路面頂面的當(dāng)量回彈模量可按下式計(jì)算：式中：W0——以后軸重100KN的車輛進(jìn)行彎沉測(cè)定，統(tǒng)計(jì)后得到的原路面計(jì)算回彈彎沉值(0.01mm)；2、溫度應(yīng)力分析臨界荷位處溫度應(yīng)力計(jì)算式中：σtr——溫度疲勞應(yīng)力(MPa);σtm——縱縫邊緣中點(diǎn)在最大溫度梯度時(shí)的溫度應(yīng)力(MPa);

αC——混凝土線膨脹系數(shù)（1/℃）,一般可取1×10-5/℃;EC——混凝土彎拉彈性模量（MPa）;h——混凝土板厚（cm）;Tg——最大溫度梯度（℃/m）;P482，表16-28。

Bx——考慮溫度沿板厚非線性分布的溫度應(yīng)力系數(shù);按板長(zhǎng)L與板相對(duì)剛度半徑r的比值L/r和板厚由圖16-14（P482）確定。最大溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)值Tg公路自然區(qū)劃Ⅱ、ⅤⅢⅣ、ⅥⅦ最大溫度梯度（℃/m）83-8890-9586-9293-98圖16-14板溫度翹曲應(yīng)力系數(shù)值BxCxCxL/rKt——溫度疲勞作用系數(shù)。a、b、c——回歸系數(shù)。P483表16-29。3、混凝土路面板厚設(shè)計(jì)步驟（1）累計(jì)軸載作用次數(shù)（2）初擬定路面結(jié)構(gòu)（3）確定材料參數(shù)（4）計(jì)算荷載疲勞應(yīng)力（5）計(jì)算溫度疲勞應(yīng)力（6）檢驗(yàn)初擬路面結(jié)構(gòu)。按下述條件檢驗(yàn)。水泥混凝土板厚設(shè)計(jì)流程圖P483圖16-15。三、接縫設(shè)計(jì)（1）縱向接縫縱縫拉桿直徑、長(zhǎng)度和間距，P484表16-30

（2）橫向接縫橫縫傳力桿尺寸和間距，P484表16-31四、混凝土路面板厚度設(shè)計(jì)示例

P493普通混凝土路面厚度計(jì)算示例

【例題】公路自然區(qū)劃Ⅱ區(qū)擬新建一條二級(jí)公路，路基為粘質(zhì)土，采用普通混凝土路面，路面寬度9m。交通調(diào)查得知，設(shè)計(jì)車道使用初期標(biāo)準(zhǔn)軸載日作用次數(shù)為2100。試設(shè)計(jì)該路面的厚度。解：（1）交通分析設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：20年安全等級(jí)：3級(jí)橫向分布系數(shù)：0.39

交通量年平均增長(zhǎng)率：5%

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)混凝土面板臨界荷位處所承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)當(dāng)量作用次數(shù)Ne：次

屬重交通等級(jí)。（2）初擬定路面結(jié)構(gòu)面層：水泥混凝土：厚0.22m

基層：水泥穩(wěn)定碎石（水泥用量