第12章水泥混凝土路面结构设计.docx
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第12章水泥混凝土路面结构设计
第十二章水泥混凝土路面结构设计
第1节概述
1．水泥混凝土路面结构特征
●力学体系：
弹性层状体系
●弹性模量、力学强度大大高于基层和土基；
●抗弯拉强度远小于抗压强度；
●混凝土板尺寸的强度指标：
抗弯拉应力。
●力学图式：
弹性地基板
●主要损害模式：
疲劳断裂
2．设计内容和要求
1．路面结构层组合设计
●确定土基、垫层、基层和面层的结构层位，各层路面结构类型、弹性模量和厚度。
●水泥混凝土面板要求具有较高的弯拉强度，表面平整、抗滑、耐磨。
常用类型：
普通混凝土路面、钢筋混凝土路面、连续配筋混凝土路面、钢纤维混凝土路面等。
●基层、垫层的设置和抗冻要求应符合有关规定。
2．混凝土面板厚度设计
3．混凝土面板的平面尺寸与接缝设计
4．路肩设计
5．普通混凝土路面的钢筋配筋率设计
3．设计原则
1．首先保证工程的质量与耐久性。
基层、垫层设计在满足设计要求的前提下，尽可能使用当地材料。
2．遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资的原则进行方案比选。
3．积极推广成熟的科研成果，运用行之有效的新材料、新工艺、新技术。
4．保护环境，利于施工、养护人员的健康和安全。
5．选择有利于机械化、工厂化施工的设计方案。
6．地基不良地段，应采取有效措施加快稳定路基沉降。
第2节损坏模式和设计标准
1．损坏模式
水泥混凝土路面在行车荷载和环境因素的作用下可能出现的破坏类型主要有以下几种。
1.断裂
路面板内应力超过泥凝土强度时会出现纵向、横向、斜向或角隅断裂裂缝。
原因：
板太薄、轮载过重、板的平间尺寸过大，地基不均匀沉降或过量塑性变形使板底脱空失去支承，施工养生期间收缩应力过大等。
断裂破坏了板的整体性，使板承载能力降低。
因而，板体断裂为水泥混凝土面层结构破坏的临界状态。
2.接缝挤碎
接缝挤碎指邻近横向和纵向两侧的数十厘米宽度内，路面板因热胀时受到阻碍，产生较高的热压应力而挤压成碎块。
原因：
由于胀缝内的传力杆排列不正或不能滑动，或者缝隙内落入硬物所致。
3.拱起
混凝土路面在热胀受阻时，横缝两侧的数块板突然出现向上拱起的屈曲失稳现象，并伴随出现板块的横向断裂。
原因：
由于板收缩时接缝缝隙张开，填缝料失效，硬物嵌入缝内，致使板受热膨胀时产生较大的热压应力，从而出现这种纵向屈曲失稳现象。
4.唧泥
唧泥是车辆行经接缝时，由缝内喷溅出稀泥浆的现象。
原因：
在轮载的重复作用下，板边缘或角隅下的基层由于塑性变形累积而同混凝土面板脱离，或者甚层的细颗粒在水的作用下强度降低，当水分沿缝隙下渗而积聚在脱空的间隙内或细颗粒土中，在车辆荷载作用下积水形成水压，使水和细颗粒土形成的泥浆而从缝隙中喷溅山来。
唧泥的出现，使路面板边缘部分，逐渐形成脱空区，随荷载重复作用次数的增加，脱空区逐渐增大，最终使板出现断裂。
5．错台
错台是指接缝两侧出现的竖向相对位移。
原因：
1）当胀缝下部填缝板与上部缝槽未能对齐，或胀缝两侧混凝土壁面不垂直，在胀缩过程中接缝两侧上下错位而形成错台。
2）横缝处传荷能力不足，或唧泥发生过程中，使基层材料在高压水的作用下冲积到后方板的板底脱空区内，使该板抬高，形成两板间高度差。
3）当交通量或地基承载力在横向各块板上分布不均匀，各块板沉陷不一致时，纵缝处也会产生错台现象。
错台降低了行车的平稳性和舒适性。
2．设计标准
●我国现行水泥混凝土路面设计方法，以水泥混凝土面层板的疲劳断裂为路面损坏的主要模式，以控制行车荷载反复作用在板内产生的荷载疲劳应力与温度梯度反复作用产生的温度疲劳应力之和与可靠度系数乘积不大于混凝土的弯拉强度标准值作为确定混凝土板厚的设计标准。
●可靠度：
规定时间内，规定条件下，路面使用性能满足预定水平要求的概率。
第三节路面结构组合设计
1．面层
1．面层类型及材料要求
（1）普通水泥混凝土面层
●定义：
除接缝处和一些局部范围外板内不配置钢筋的水泥混凝土面层。
●集料公称最大粒径不应大于31.5mm（碎石）或19.0mm（卵石）。
●砂的细度模数不宜小于2.5。
●水泥用量，冰冻地区的混凝土必须加引气剂。
●普通水泥混凝土通常采用常规的振捣方法进行铺筑。
●碾压混凝土：
含水量低，采用碾压工艺达到高密度而铺筑的水泥混凝土路面。
（2）钢筋混凝土面层
●定义：
为防止混凝土板产生的裂缝缝隙扩大，在板内配置纵向横向钢筋的混凝土面层。
●采用情况：
●①板长度较大；②板下埋有地下设施和路基有可能产生不均匀沉降；③板的平面形状不规则或有孔等。
●厚度：
与素（无筋）混凝土面层的厚度相同。
（3）连续配筋混凝土面层
●定义：
除了在与其他路面交接处或邻近结构物处设置胀缝及视施工需要设置施工缝外，路段长度内不设置横缝的一种纵向连续配置钢筋的混凝土面层。
●其纵向配筋率通常为0.6％～0.7％。
面层产生的横向裂缝平均间距为1.0～4.5m，平均缝隙宽0.2～0.5mm。
●连续配筋混凝土面层厚度约为普通混凝土面层厚度的80％～90％。
（4）预应力混凝土（目前尚未大量推广使用）
（5）钢纤维混凝土
●定义：
在混凝土内掺入低碳钢或不锈钢纤维形成均匀而多向配筋的混凝土面层。
●抗疲劳强度、抗冲击能力和防止裂缝的能力好。
●其厚度按钢纤维掺量确定。
●特重或重交通时，其最小厚度为16cm；中等或轻交通时，最小厚度为14cm。
●集料公称最大粒径宜为钢纤维长度的1/2～1/3。
●钢纤维抗拉强度标准值，水泥用量。
（6）混凝土预制块路面
●由混凝土预制块铺砌而成，靠块料间的嵌锁作用承受荷载。
●预制块长：
200～250mm，宽：
100～125mm，长宽比通常为2：
1；厚度：
100～120mm。
●预制块下的稳平层厚30～50mm，宜选用细度模数为2.3～3.0天然砂。
●混凝土预制块的抗压强度不宜低于50MPa（非冰冻地区）或60Mpa（冰冻地区）。
◆面层类型的选用：
✓一般采用设接缝的普通混凝土。
✓面层板平面尺寸较大或形状不规则，路面结构下埋有地下设施，高填方、软土地基等由可能产生不均匀沉降时，应采用钢筋混凝土面层。
✓其他面层类型适用条件如下表：
2．面层板厚度
●轮载作用于板中部时板所产生的最大应力约为轮载作用于板边部时的2/3。
●采用等厚式断面
各混凝土面层所需厚度，可参照表12-2所示参考范围并按规定计算确定。
3．表面抗滑构造
路面表面构造应采用刻槽、压槽、拉槽或拉毛等方法制作。
构造深度在使用初期满足：
二．路基
1．基本要求：
稳定、密实、均质，对路面结构提供均匀的支撑，在环境和荷载作用下产生的布均匀变形小。
2．路基产生不均匀支撑的原因：
●不均匀沉陷、不均匀冻胀、膨胀土
3．处理措施：
●选择低膨胀土或冰冻不敏感土；将膨胀性高或对冰冻敏感的土放在路堤下层；尽量不用高液限粘土及粉土、含有机质细粒土及塑性指数大于16或膨胀率大于3％的低液限粘土作为路基填料。
●增加路面同地下水位之间的距离；设置路基排水设施；选用粗粒土或低剂量石灰或水泥稳定细粒土作路床填料。
●严格控制压实度和压实时的含水量。
●岩石或填石路床顶面应铺设整平层。
●加设垫层。
3．基层和垫层
●设置基层和垫层的作用
✧防止或减轻唧泥和错台现象
✧控制或减少路基不均匀冻胀或体积变形对混凝土面层的不利影响。
✧为面层施工提供稳定而坚实的工作面。
●基层和垫层宽度：
应大于面层的宽度
●基层和垫层类型：
粒料类、稳定类和贫混凝土
1.基层
（1）基层类型的选择：
详见表12-4
（2）基层的作用
●可以为混凝土面层提供均匀坚实的支承；增加路面刚度，减小面层板挠度，降低板底的脱空量，增加缩缝传荷能力和耐久性。
●增加抗冲刷能力，减轻唧泥和错台现象
（3）对基层材料的要求
●集料的公称粒径、级配要求
●水泥或沥青的标号、用量要求。
1．垫层
（1）垫层设置的要求
●水泥混凝土路面结构应满足下表要求的防冻最小厚度，则超出面层和基层的厚度可由垫层来补。
●水文地质不良的土质路堑，应设置排水垫层。
●路基可能产生不均匀沉降时，可加设半刚性垫层。
●垫层宽度与路基同宽，最小厚度150mm。
（2）对垫层材料的要求
●防冻和排水垫层可采用砂、砂砾等材料；也可采用无机结合料稳定粒料或细粒土。
●防冻垫层采用的砂或砂砾中通过0.075mm筛孔的细粒土含量不宜大于5％。
●排水垫层材料级配应满足相应的渗滤标准。
第四节接缝构造设计
◆接缝设计实现的要求：
（1）控制温度应力引起的裂缝出现位置；
（2）提供一定的合作传递能力；
（3）防止坚硬的杂物落入接缝缝隙和地表水的渗入。
1．横缝构造设计
●类型：
缩缝、胀缝和施工缝
●设置作用：
（1）缩缝：
保证板因温度和湿度的降低而收缩时沿该薄弱断面缩裂，从而避免产生不规则的裂缝。
（2）胀缝：
保证板在温度升高时能部分伸，从而避免产生路面板在热天的拱胀和折断破坏，同时胀缝也能起到缩缝的作用。
（3）施工缝：
混凝土路面每天完工以及因雨天或其它原因不能继续施工时，应尽量做到胀缝处或缩缝处，并做成施工缝的构造形式。
1．胀缝
●设置位置：
邻近桥梁或其他固定构造物处或与其他道路相交处。
●构造：
详见下图：
传力杆：
光圆钢筋；
长：
40-60cm直径：
20-38mm间距：
30cm，具体见下表：
在同一条胀缝上的传力杆，设有套筒的活动端最好在缝的两边交错布置。
传力杆尺寸和间距（mm）表12-6
面层厚度（mm）
传力杆直径
传力杆最小长度
传力杆最大间距
220
28
400
300
240
30
400
300
260
32
450
300
280
35
450
300
300
38
500
300
2．缩缝
●一般采用假缝形式
●由于缩缝缝隙下面板断裂面凹凸不平，能起一定的传荷作用，一般不必设置传力杆
●交通繁重或地基水文条件不良路段，应在板厚中央设置传力杆
3．施工缝
●采用平头缝或企口缝的构造形式。
●为利于板间传递荷载，在板厚的中央也应设置传力杆。
2．纵缝构造设计
1．设置条件：
●一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设纵向施工缝；
●一次铺筑宽度大于4.5m时，应设纵向缩缝。
2．构造：
详见下图。
3．纵缝方向：
与路中心线平行；间距：
3~4.5m
4．拉杆：
●设在板厚中央
●螺纹筋
●直径、长度和间距参照下表。
拉杆直径、长度荷间距（mm）表12-7
面层板厚度（mm）
到自由边或未设拉杆纵缝的间距（mm）
3000
3500
3750
4500
6000
7500
200～250
14*700*900
14*700*800
14*700*700
14*700*600
14*700*500
14*700*400
250～300
16*800*900
16*800*800
16*800*700
16*800*600
16*800*500
16*800*400
3．接缝的布置
●纵缝与横缝垂直正交，纵缝两侧的横缝不得互相错位。
●板宽和板长之比一般为1：
1.3左右
●纵缝间距：
3～4.5m；
●横缝间距：
普通混凝土面层为4～6m；碾压混凝土或钢纤维混凝土面层为6～10m；钢筋混凝土面层为6～15m。
4．交叉口接缝布置
●两条道路正交，各条道路的直道部分保持本身纵缝连贯，相交路段内各道路的横缝位置按相对道路的纵缝间距相应变动，保证纵横缝垂直相交，不错位。
●两条道路斜交，主要道路的直道部分保持本身纵缝连贯，相交路段内横缝位置按次要道路的纵缝间距相应变动，保证与次要道路的纵缝相连。
●次要道路弯道加宽段起终点断面处的横向接缝，应采用胀缝形式。
5．特殊部位混凝土路面的处理
1．水泥混凝土路面与固定构造物衔接的胀缝无法设置传力杆时，可在毗邻构造物的板端部内配置双层钢筋网；和在长度约为6～10倍板厚的范围内逐渐将板厚增加20％
2．水泥混凝土路面与桥梁相接，宜设置钢筋混凝土搭板；当桥梁为斜交时，钢筋混凝土板的锐角部分采用钢筋网补强。
3．水泥混凝土路面与沥青路面相接时，应设置至少3m长的过渡段，过渡板与混凝土面层相接处的接缝内设置拉杆。
6．接缝材料和技术要求
接缝板：
衫木板、纤维板、泡沫树脂板等
填缝料
加热施工式：
沥青橡胶类、沥青玛蹄脂类等
常温施工式：
聚氨脂胶泥类、氯丁橡胶类等
接缝材料
第五节混凝土路面板配筋设计
1．普通混凝土板的不强钢筋
当混凝土面层板纵、横向自由边有可能产生较大的塑性变形或接缝为未设传力杆的平
缝时，可在面层边缘和角隅处配置补强钢筋。
1．边缘钢筋
●纵向边缘钢筋：
一般只做在一块扳内，不得穿过缩缝，以免妨碍扳的翘曲
●亦可将其穿过缩缝，但不得穿过胀缝
●钢筋两端应向上弯起
●可设置横向边缘钢筋
2．角隅钢筋
●设置在特重交通的胀缝、施工缝和自幼边两侧板的角隅处。
2．钢筋混凝土面层配筋设计
●配筋原则：
按混凝土收缩时将板块拉在一起所需的拉力确定。
●配筋计算：
（12-1）
式中：
As——每延米混凝土面层宽（或长）所需的钢筋面积，mm2；
Ls——纵向钢筋，为横缝间距；横向钢筋，为无拉杆的纵缝或自由边间距离；
h——面层厚，mm；
μ——面层与基层间的摩阻系数；
fsy——钢筋的屈服强度，Mpa。
3．连续配筋混凝土面层配筋设计
●确定纵向钢筋用量的控制因素：
裂缝的间距、缝隙的宽度。
●纵向钢筋的配筋率：
约为混凝土板截面积的0.6％～0.8％。
●横向配筋：
与钢筋混凝土面层配筋相同，也可按纵向钢筋用量的1/5～1/8取用。
●连续配筋混凝土板内的钢筋并非按承受荷载应力进行设计的。
●厚度：
采用无筋混凝土路面板的计算方法确定
第六节面层板厚度和平面尺寸的设计
1．设计依据与设计参数
1．设计依据
●设计安全等级及相应的设计基准期
●目标可靠指标和目标可靠度
●材料性能和结构尺寸参数的变异等级
●可靠度设计方法：
即以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为极限设计状态，其表达式为：
（12-2）
式中：
γr——可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平等级按表12-11确定；
σpr——行车荷载疲劳应力（Mpa）；
σtr——温度梯度疲劳应力（Mpa）；
fr——水泥混凝土设计弯拉强度（Mpa）。
可靠度系数表12-11
变异水平等级
目标可靠度
95
90
85
80
低
1.20～1.33
1.09～1.16
1.04～1.08
--
中
1.33～1.5
1.16～1.23
1.08～1.13
1.04～1.07
高
--
1.23～1.33
1.13～1.18
1.07～1.11
注：
变异系数在表3.0.2所示的变化范围的下限时，可靠度系数取低值；上限时，取高值。
2．设计参数
（1）标准轴载与轴载换算
我国公路水泥混凝土路面结构设计以100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。
对于各种不同汽车轴载的作用次数，可按等效疲劳断裂原则换算成标准轴载的作用次数，并根据标准轴载的作用次数判断道路的交通繁重程度。
轴载换算公式为：
（12-3）
（12-4）
或
（12-5）
或
（12-6）
式中：
Ns——100KN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载的作用次数；
Pi——单轴-单轮、单轴-双轮组或三轴-双轮组轴型i级轴载的总重（kN）；
n——轴型和轴载级位数；
Ni——各类轴型i级轴载的作用次数；
δi——轴-轮型系数，单轴-双轮组时，δi=1；单轴-单轮时，按式（12-4）计算；双轴-双轮组时，按式（12-5）计算；三轴-三轮组时，按式（12-6）计算。
（2）交通分级及标准累计作用次数计算
水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为4级，分级范围如表16.5
交通分级表12-12
交通等级
特重
重
中等
轻
设计车道标准轴载累计作用次数Ne（104）
＞2000
100～2000
3～100
＜3
设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数与使用初期的交通量、交通组成和交通量的增长情况等因素有关。
上述交通参数应进行详细调查、观测与预测,然后按下式确定设计使用年限内设计车道的标准轴载累计作用次数Ne：
（12-7）
式中：
Ne——标准轴载累计作用次数；
t——设计基准期；
γ——交通量年平均增长率；
η——临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按表12-13选用。
车辆轮迹横向分布系数表12-13
公路等级
纵缝边缘处
高速公路、一级公路、收费站
0.17～0.22
二级及二级以下公路
行车道宽＞7m
0.34～0.39
行车道宽≤7m
0.54～0.62
（3）基层顶面当量回弹模量
混凝土面板下的地基包括路基和根据需要设置的垫层和基层，分析板内荷载应力时，直接采用三层弹性体系进行计算，并对路床上的基层和底基层或垫层结构，依据等弯曲刚度的原则换算为回弹模量和厚度当量的单层结构后，按双层体系进行计算。
其计算分为新建公路和旧柔性路面两种情况。
①新建公路的基层顶面当量回弹模量值
在设计新建公路时，基层顶面的当量回弹模量Et，可根据土基状态拟定的基层、垫层结构类型和厚度，用规范建议的土基、垫层及基层材料回弹模量值，按下式确定。
（12-8）
（12-9）
（12-10）
（12-11）
（12-12）
（12-13）
式中：
Et——基层顶面的当量回弹模量（MPa）；
E0——路床顶面的回弹模量（MPa）；
Ex——基层和底基层或垫层的当量回弹模量（MPa）；
E1、E2——基层和底基层或垫层的回弹模量（m）；
hx——基层和底基层或垫层的当量厚度（MN-m）；
h1、h2——基层和底基层或垫层的厚度（m）；
a、b——与Ex/E0有关的回归系数；
注意：
底基层和垫层同时存在时，可先按式（12-9）～式（12-11）将底基层和垫层换算成具有当量回弹模量和当量厚度的单层，然后再与基层一起按上述各式计算基层顶面当量回弹模量。
无底基层和垫层时，相应层的厚度和回弹模量分别以零值代如上述各式进行计算。
②原有沥青路面的顶面当量回弹模量值
在原有沥青路面上加铺混凝土路面时，应通过承载板试验或弯沉测定法确定原有路面顶面的当量回弹模量Et。
（12-14）
式中：
ω0——以后轴重l00kN的车辆进行弯沉测定，经统计整理得到的原路面计算回弹弯沉值（0.01mm）。
（4）水泥混凝土板的设计强度与弯拉弹性模量
水泥混凝土路面的强度以28d龄期的弯拉强度作为设计控制指标。
当混凝土浇筑后90d内不开放交通时，可采用90d龄期的弯拉强度。
各交通等级要求的混凝土弯拉强度标准值不得低于表12-16的规定。
混凝土弯拉强度标准值表12-16
交通等级
特重
重
中等
轻
水泥混凝土的弯拉强度标准值（MPa）
5.0
5.0
4.5
4.0
钢纤维混凝土的弯拉强度标准值（MPa）
6.0
6.0
5.5
5.0
水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值见表12-17
水泥混凝土弯拉弹性模量经验参考值表12-17
弯拉强度（MPa）
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
抗压强度（MPa）
5.0
7.7
11.0
14.9
19.3
弯拉弹性模量（MPa）
10
15
18
21
23
弯拉强度（MPa）
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
抗压强度（MPa）
24.2
29.7
35.8
41.8
48.4
弯拉弹性模量（MPa）
25
27
29
31
33
2．荷载疲劳应力
轴载在混凝面层内产生的应力，采用半无限地基上弹性小挠度薄板的力学模型和有限元法进行分析计算。
选取混凝土板的纵向边缘中部作为产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位。
标准轴载PS作用下产生的荷载应力公式为：
（12-16）
（12-17）
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）。
标准轴载PS在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按式（12-18）确定。
（12-18）
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（16.14）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（12-19）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16.7确定。
综合系数kc表12-19
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
设计基准期内的荷载疲劳应力系数按式公式（12-19）计算确定。
（12-19）
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；
υ——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，υ=0.065；钢纤维混凝土，υ按下式计算：
（12-20）
三．温度疲劳应力分析
在临界荷位处的温度疲劳应力按式（16.17）确定。
（12-21）
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（12-22）条确定
kt——考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按（12-23）条确定。
最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力按式（12-22）计算。
（12-22）
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12-20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12-12确定；
l——板长，即横缝间距（m）。
最大温度梯度标准值表12-20
公路自然区划
Ⅱ、Ⅴ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅵ
Ⅶ
最大温度梯度（℃/m）
83～8
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