第四章水泥混凝土路面设计

第四章水泥混凝土路面设计

§4－1水泥混凝土路面破坏形式与设计技术指标

一、水泥混凝土路面破坏形式

裂缝类：横向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝、交叉裂缝、板角断裂和网裂 变形类：沉陷、胀起

接缝损坏类：接缝碎裂、填缝料损坏、接缝张开、错台、唧泥、拱起 表面损坏类：网纹裂、起皮、磨损、麻面、露骨、坑槽、孔洞、磨光 二、设计技术指标（结构）

疲劳断裂是水泥混凝土路面损坏的主要模式，所以把疲劳开裂作为确定混凝土路面板厚与下承层结构的临界损坏状态：?r?pr??tr?fr

??§4－2设计内容

一、路面结构组合设计

根据设计等级和交通繁重程度，结合当地环境条件和材料供应情况，合理选择、安排混凝土①路面的结构层层次、②各层的路面结构类型、③弹性模量和④厚度。 综合考虑承载的要求、环境的要求、技术经济的要求、环境的要求。 二、面板厚度设计：按照设计技术指标，确定面板厚度 三、平面设计：面板的平面尺寸划分

四、接缝设计：布设各种接缝的位置，设计各种接缝的构造（包含各种杆件） 五、路肩和中央分隔带设计

六、路面排水系统和排水结构物设计

七、局部配筋设计：桥头搭板、面板跨越不均匀沉降区的板中和板边，不规则板的板角 八、端部设计：与其他类型路面或结构物相接处理

§4－3水泥混凝土路面结构组合设计

一、设计内容：如前述

根据设计等级和交通繁重程度，结合当地环境条件和材料供应情况，合理选择、安排混凝土①路面的结构层层次、②各层的路面结构类型、③弹性模量和④厚度。 综合考虑承载的要求、环境的要求、技术经济的要求、环境的要求。 二、路面组合设计的基本要求 1．满足交通荷载的要求

是否满足交通荷载的要求由基层顶面当量刚度（土基、垫层、基层的综合回弹模量）和面板刚度(面板的弹性模量、厚度、强度)共同决定。

其中面板的刚度一般做为设计未知量由解析法求算，并由材料设计和面板厚度设计加以实现；基层顶面当量刚度作为已知量，通常需要由理论分析结果和经验控制其指标——如P67的表4－1的要求。 2．满足环境性要求

水、温稳定性——土基：渗透性较好的土、足够的密实度 基层：良好的抗冲刷性或适当的排水性，足够的水温稳定性 垫层：当处于以下条件时考虑采用垫层①季冻区处于中湿或潮湿状态的细粒土路基，路面抗

冻总厚度不足时。②非季冻区处于中湿或潮湿状态的细粒土路基上设粒料基层时。

3．综合考虑各结构层的特点

厚度和刚度组合——路面板适宜厚度 稳定类基层、垫层适宜厚度 粒料类基层、垫层适宜厚度

基层与垫层或基层与土基模量比：见路基路面教材 三、路基设计参数

（一）路基设计的一般要求，P73，同其他任何道路 （二）设计参数 1．顶面回弹模量E0 （1）由承载板试验确定 （2）由三轴试验确定

（3）由CBR或压实度K换算 （4）查表（沥青规或水泥规）

四、基层设计与参数 （一）基层的作用

1防止或减轻唧泥、错台和断裂等病害的出现。 2改善接缝的传荷能力及其耐久性。

3有助于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。 4为面层施工提供稳定而坚实的工作面。 （二）对基层的要求

1．强度均一稳定，与面层匹配 2．良好的水温稳定性。

3．适当的排水及耐冲刷性能。

（三）基层类型

按材料分类：无机结合料稳定类；沥青类；无粘结粒料类 按耐冲刷能力分类：

1级（极耐冲刷）——贫混凝土（水泥含量7％～8％）、碾压混凝土、沥青混凝土 2级（耐冲刷）——厂拌水泥稳定粒料（水泥含量5％） 3级（较耐冲刷）——厂拌水泥稳定粒料（水泥含量3.5%）、沥青稳定粒料（沥青含量3％） 4级（较易冲刷）——现场拌和水泥稳定粒料（水泥含量2.5%），级配粒料 5级（易冲刷）——混杂的粒料、细粒土

（四）基层设计参数

1．基层材料抗弯回弹模量Ei

在沥青路面设计理论中，以弯沉为设计指标的结构层厚度设计应该采用抗压回弹模量，对于层底弯拉应力验算应该采用材料的抗弯回弹模量。为统一概念，减少工作量，《沥青路面设计规范》统一采用抗压回弹模量为设计参数。而《水泥路面设计规范》沿用沥青路面的 规定，在需要应用到抗弯回弹模量时，采用抗压回弹模量代替。（考虑相关换算） （1）由三轴试验确定——粒料类

（2）由压缩试验或顶面法确定——稳定类

（3）采用15℃抗压回弹模量/劲度模量——沥青类 （4）由CBR值换算——沥青路面设计规范

（5）由规范推荐表确定——沥青/水泥路面设计规范上都有，水P113，表6－4 2．基层顶面当量回弹模量Et

等刚度换算，基本需要满足表4－1 3．基层厚度

（1）由Et确定，Et?f?E0,Ei,h?，见图4－1，令Et?En代入图中 （2）由承载力系数确定，K?f(E0/Ei,h/?)，见图4－2

（3）由土基设计CBR试验确定，见表4－4，土基CBR（沥青规） （4）由规范推荐表确定，水泥规P11，表4.3.5,教材P113,表6－4 4．基层宽度

见教材P71，比面层宽30cm以上。 五、垫层设计与参数

（一）垫层材料：粒料类和稳定类 （二）垫层参数：同基层

（三）垫层厚度：①>150mm；②由防冻总厚度控制，满足表4－3 六、面板设计与参数

（一）面板类型：见规范P11，表4.4.2

（二）面板初拟厚度（素混凝土）——等厚度板，P112表6－1，规范p12,表4.4.6

§4－4面板厚度设计

一、路面可靠度设计介绍 （一） 可靠度设计的目的

由于混凝土等筑路材料本身非均质性和施工偏差，以及道路在使用年限内的环境和荷载条件的变化，使砼路面结构的各项设计参数都具有一定的变异性。在传统的设计方法中，这些结构设计参数的变异性对结构功能的影响通常用两种方法加以考虑。

一种是“安全系数”法，既对结构本身的能力加以某种缩小，或对外部作用予以某种放大。例如：边坡稳定性验算K?F抗滑/F下滑

另一种是根据各个参数的数理统计结果，在设计取值上加上一定的“保证率”，既对有利于结构功能的参数按均值减去数倍的均方差取值，而对不利于结构功能的参数加上数倍的均方差。例如：验收弯沉值的代表值：l0?l?Zas；或混凝土强度检验代表值f?f?ZaS 或重力式挡土墙的“分项安全系数法”中各项安全系数的选取。

由于缺乏各个参数变异性和各参数变异性之间的关系对设计结果影响的定量分析，在确定“安全系数”和“保证率”时有着很大的随意性和主观成分。

为了使设计更加合理和更能反映实际情况，以及施工控制和质量检验的需要，各项设计参数的变异性和变异性之间的相互关系对结构功能的影响必须加以定量研究。

可靠度设计就是这样一种研究方法，同时也是各种结构分析方法的趋势。 （二） 路面结构可靠度

结构可靠度：在规定的时内，在规定的条件下，结构能够完成使用功能的概率。

路面结构可靠度：在规定的使用期内，在规定的交通和环境条件下，路面使用功能满足预定水平要求的概率。

路面使用功能标准一般描述为经历一定的交通荷载作用次数，所以上述概念具体为：在规定的使用期内，道路结构所能承受的标准轴载作用次数N（容许的）超过设计使用期内标准轴作用次数n（统计的）概率。 设计可靠度：ps?p?NR?Ne?

其中：NR是砼的弯拉强度，重复荷载（BZZ-100）在面板产生的应力,温度翘曲应力的函数

NR?F(fcm,?p,?t)?F[fcm,?p?f(h,Ec,Et),?t?f(r,?t,Ec,B)]

tNs??(1?g)?1??365r??Ne??

gr(三)分析方法

1．找到各因子的分布函数（大多数是正态分布），可以通过试验、调查的数据进行回归和假设检验，分析各数据的变异系数

2．分析各独立因子的干涉关系——各因子变异性对整体的影响。 3．建立多因子分布函数，如路面结构的疲劳寿命的分布函数的一种：

???NR??1?exp???????,NR?0?,?是威分布的两个参数

双参数威布尔分布：Fw?NR????????0..........................,N?0?R

2?lnNe?Ne1??exp[?],Ne?02累计当量轴次分布函数：Fln?Ne???2??N 2?NeNee???0..................................................,Ne?0??4．根据干涉理论，对两个多因子函数求可靠度 可靠度R＝1－干涉区（不可靠度）＝》R??????Fln(S)[1?Fw(S)]dS，如下图：

Fln(S) Fw(S) （三） 实际应用（对可靠度概念的逆用） P94第一段画线部分和公式5－32 1．拟定目标可靠度

目标可靠度：所设计路面结构应该具有的可靠度水平。 它的选取是一个技术经济问题，采用“校准法”，既由现有道路和现有设计方法所设计出来的结构推算出其可靠度或隐含可靠度，以统计的均值（期望）作为新方法的目标可靠度。 目标可靠度的等级见表5－8

干涉区2．由目标可靠度确定可靠度系数?r，定义见P98 可靠度系数：Fr?[?p??t]?p??t，是可靠度的另一种表达方式

[?p??t]——由疲劳方程决定的结构容许疲劳应力

?p??t——实际发生的最大应力

可靠度与可靠度系数的关系见P99图5－8，可靠度系数的定义复合公式5－33 3．砼路面验算疲劳拉裂威设计指标，为此采用如下验算公式：

?r(?pr??tr)?fr

4．以目标可靠度所对应的变异水平进行施工质量控制。P105，表5－8 及倒数第二段 二、面板厚度设计步骤

1．交通分析 5.计算温度疲劳应力

2．初拟路面结构 6.根据道路等级和施工水平选用系数验算 3．确定路面材料参数 7.如不满足重新拟定结构重复上述过程 4．计算荷载疲劳应力 8.满足通过

三、基层顶面当量回弹模量Et的确定 （一）新建公路Et

根据三层弹性体系有限元程序直接计算结果，及按等刚度换算法将路面结构层换得双层体系结果对比后，用下述回归公式计算基层顶面当量回弹模量。

?E?bEt?ahxE0?x?

?E0?2h12E1?h2E2：等刚度原则的当量模量折算式 Ex?h1?h21/3?12Dx?hx???：等刚度原则的当量厚度折算式

?Ex?3E1h13?E2h2(h1?h2)2?11?Dx?????：等刚度原则的当量弯曲刚度折算式

124EhEh?1122??11/3?0.45??Ex??a?6.22?1?1.51???：有限元分析的回归参数

??E0?????E?b?1?1.44?x??E0??0.55

h1——基层厚度

h2——底基层或垫层厚度

底基层和垫层同时存在，将相邻层次间模量相差小的两层先换算为一层后计算。 （二）原有柔性路面的当量回弹模量 1．承载板试验直接确定：Et?1000.2．弯沉试验换算：Et?13739?l0?1.04?D4.?p(1???lii20)——一元线性回归

——反映轮、板试验之间的差异，

Et?pDm1m2,m1?轮板比，m2——扩大系数（回归得到) l0换算法见交通部公路科学研究所熊焕荣；《刚性路面下基层顶面当量回弹模量计算方法的探讨》，公路交通科技，1984年第三期。 （三）计算Et对于结构应力分析的影响

计算Et对于结构荷载应力和温度应力分析都有影响——通常与实测结果有所差异，为消除差异，95规范在将计算结果应用于荷载疲劳应力分析和温度疲劳应力分析方面分别进修正后引用，03规范修正了荷载疲劳应力分析和温度应力分析公式，不必进行计算前的参

数修正。

四、水泥混凝土的设计弯拉强度标准值和弯拉弹性模量标准值 （一）水泥混凝土的设计弯拉强度标准值——由经验确定的相对于公路交通荷载等级和一般常用道路结构的混凝土抗拉强度，要和一般混凝土材料能达到的抗拉强度相结合。施工中的混凝土配合比设计依次增大（考虑试验误差和施工变异水平）具体数值见表6－5。 （二）弯拉弹性模量标准值——由试配满足弯拉强度的混凝土进行试验确定，或由前人经验参考表6－6

五、荷载疲劳应力

（一）计算荷载应力?p——BZZ—100作用下的有限元结构分析结果 临界荷位：表6－7 表达式：?p?ArPh

临界荷位为纵缝板边缘中部（如图6－1）的A、m、n见表6－9（已经考虑理论与实测值的偏差），其表达式：

mn?2?p?0.077r0.60h?2,(MPa);r?h3（二）荷载疲劳应力?pr 表达式：?pr?krkfkc?ps

?Ec??0.537h??,(m);h——路面板厚度（m)6Et(1??c2)?Et?Ec(1??t2)1/3kc——考虑偏载和动载对路面的疲劳影响的综合系数，

取：表6－11

公路等级 高速 kc 一级 二级 三、四级 1．1 1．3 1．25 1．2 kr——考虑接缝传荷的应力折减系数，表6－10：纵缝为设拉杆的平缝时取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，取1.0；纵

缝为设拉杆的启口缝时，取0.76~0.84，原则同前。

PC、RC、CRC——??0.057

? RCC、LC——??0.065 kf——疲劳应力系数，kf?Ne SFRC——??0.053?0.017?f六、温度疲劳应力（翘曲） （一）温度翘曲应力?tm 表达式：?tm?lfdf，公式6－27

?cEchTg2Bx，Tg由统计按表6－12查用，海拔高取高值；湿度大取低值

Ⅱ、Ⅴ 83～88 Ⅲ 90～95 Ⅳ、Ⅵ 86～92 Ⅶ 93～98 公路自然区划 最大温度梯度（℃/m） Bx——综合翘曲应力和内应力作用的温度应力系数，查图6－2（谈志明）

（二）温度疲劳应力?tr

表达式：?tr?kt?tm，kt——温度疲劳应力系数

c?fr???tm??a?表达式：kt???b?，a、b、c——回归系数，查表6－3 ?tm??fr????§4－5 平面设计

一、缩缝间距与宽度

（一） 按均匀温度变化收缩应力控制缩缝间距 应力平衡：?拉＝?摩阻＝?L???f，变形为：L?122????f，公式6－33

视摩阻变化，可以变化在10～100m之间。 （二） 按干缩应力控制缩缝间距

－5

90天的干缩应变约为80～100×10，L=6～10m (三)按耦合应力控制缩缝间距

翘曲应力＋翘曲时的荷载应力≤fr，L=4～6m 二、胀缝间距和宽度

(一)按无摩阻设置胀缝间距

?t.L?b??TL?b??L?b公式6－35 ???T一般胀缝宽度b=10~20mm，?=2.0(填缝材料压缩系数)时，算得L≈30m

（三） 按有摩阻设置胀缝间距

L≈150m或不设，有关胀缝得论述见p126：

1. 胀缝水损害；2。胀缝跳车；3。板块孤立；4。施工困难，质量难以控制

考虑到目前基层的大摩阻和面板的高抗压强度，可以考虑取消胀缝。但是应该注意薄壁结构的屈曲。现行规范规定设胀缝的位置：

1． 临近桥梁或其他构造物； 2． 小半径曲线与纵坡变坡点； 3． 交叉口（设在次要道路上） 三、纵缝布置 全断面摊铺： 车道断面摊铺： 四、平面板块布置 （一）对称布置 （二）错开布置

（三）不规则部位路面平面布置P131,图6－7，规范规定：两条道路正交时，各条道路的直通部分均保持本身纵缝的连贯，而相交路段内各条道路的横缝位置应按相对道路的纵缝间距作相应变动，保证两条道路的纵横缝垂直相交，互不错位。两条道路斜交时，主要道路的直

道部分保持纵缝的连贯，而相交路段内的横缝位置应按次要道路的纵缝间距作相应变动，保证与次要道路的纵缝相连接。相交道路弯道加宽部分的接缝布置，应不出现或少出现错缝和锐角板。

（四）机场道面的平面分仓，见p125,图6－5

§4－6 接缝设计

一、接缝的类型和构造 （一） 类型

按平面位置划分：横缝、纵缝

按使用功能划分：缩缝、胀缝、施工缝 按结构划分：假缝、真缝

按构造划分：平缝、启口缝、半通缝 （二）布置位置与构造 1．纵向接缝

1）一次铺筑宽度小于路面宽度时，设置纵向施工缝，采用平缝设拉杆或设启口拉杆型形式，上部应锯切槽口，深度为30～40mm，宽3～8mm槽内灌塞填缝料。如图6－6的e、g 2)一次性铺筑宽度大于4.5m时，应设纵向缩缝。采用假缝设拉杆形式，锯切的槽口深度应大于施工缝的槽口深度。采用粒料基层时，槽口深度应为板厚的1/3；采用半刚性基层时，槽口深度应为板厚的2/5。如规范p15,b图

3）路面加宽段的加宽部分与等宽部分用纵向施工缝隔开。 2．横向接缝

1）施工中断时，设置横向施工缝，位置尽量选在缩缝或胀缝处。设在缩缝处的横向施工缝应采用加传力杆的平缝形式或启口缝形式(如图6－6的f、h,遇有困难需设置在缩缝之间时，采用设拉杆的启口缝形式如图g

2）横向缩缝全线等间距或变间距设置，采用假缝形式（图a）。特重和重交通公路、收费广场以及邻近胀缝或自由端的3条缩缝，应该采用设传力杆假缝形式（如图b）。横向缩缝顶部应锯切槽口，深度为面层的1/5~1/4，宽度3～8mm，槽内填塞填缝料。高速公路的横向槽口宜于增设深度20mm、宽度6~10mm的浅槽口。

10填缝料条带或绳～8/4～1/5)h

3）在邻近桥梁或其他构造物处、水泥路面与其他道路相交处应设置胀缝，低温浇注混凝土或选用膨胀性混凝土，胀缝设置的条数视膨胀量大小而定。胀缝构造如图c

涂沥青并裹聚乙烯膜填缝料传力杆12?16@填缝板长100mm的小套子留30mm的空隙填以纱头等二、传力杆和拉杆的构造和布置

（一） 传力杆的尺寸、间距与布置 面层厚度（mm） 220 240 260 280 300 传力杆直径(mm) 28 30 32 35 38 传力杆最小长度(mm) 400 400 450 450 500 传力杆最大间距（mm） 300 300 300 300 300 传力杆采用光圆钢筋，最外侧传力杆距离板缝或板边150～250mm

（二） 拉杆的的尺寸、间距与布置

面层厚度 （mm） 200~250 260~300 到自由边或未设拉杆纵缝的距离（m） 3.0 14×700×900 16×800×900 3.5 14×700×800 16×800×800 3.75 14×700×700 16×800×700 4.5 14×700×600 16×800×600 6.0 14×700×500 16×800×500 7.5 14×700×400 16×800×400 注：直径×长度×间距

三、接缝填封材料与技术要求 （一）胀缝材料

1．胀缝板材料与要求

选用能适应混凝土面板膨胀、收缩，施工时不变形，复原率高，耐久性好的材料。高速公路宜采用泡沫橡胶板、沥青纤维板；其他等级的公路也可以选用木材类或纤维类板。具体指标见表6——14 2．胀缝填缝料

胀缝填缝料的问题是伸缩量很大，任何填实的材料都会在夏天挤出来，影响平整度并被车轮碾坏。所以应该采用弹性多孔材料。

（1）一般等级的公路可以采用质量较好的缩缝填缝材料

（2）高速和一级公路上，多采用预制多孔橡胶条（两孔、四孔、五孔等）和发泡聚氨脂作为胀缝填缝料。用于胀缝预制橡胶填缝条的材料应该满足《混凝土道路伸缩缝用预成型

硫化橡胶压缩填缝材料规范》（GB 10710）的要求。预制多孔橡胶条作为胀缝填缝料需要使用粘结剂（常用聚氨脂、改性环氧树脂，粘度适中，固化前润滑，固化后粘结牢固，低温不脆，高温不化，不溶于水）粘结在封壁上。 （二）横向缩缝填封材料 1．横向缩缝的问题

国外（美国）缩缝宽度小于3mm，耐冲刷的贫混凝土基层，非多雨地带缩缝可以不填封，我国横向缩缝不填缝行不行？

我国水泥混凝土路面缩缝必须填封的原因： （1） 我国公路运输条件要求灌缝；

（2） 我国混凝土路面半刚性基层抗水冲刷能力要求灌缝。 2．横向缩缝填缝料

（1）树脂类—硅树脂、聚氨脂、氯偏树脂、环氧树脂、聚氰酸脂（性质好，常温施工） （2）橡胶类—氯丁橡胶（SBR）、沥青橡胶、改性橡胶（变形性好，粘结性不好，常温施工） （3）胶泥类—聚氯乙稀胶泥、聚乙烯胶泥（硬度不足，加热施工）

（4）沥青类—热沥青、沥青马蹄脂、乳化沥青、改型沥青（价廉，弹性、硬度、粘结性和耐久性不足

（三）纵缝灌缝材料

由于有拉杆约束，对纵缝灌缝材料的要求不高，所有灌缝材料都适应于纵缝填缝使用。 已经涂满沥青的纵向施工缝可以不填缝；

未涂饱满沥青，有可能透水的纵向施工缝或高填方路段应该与纵向缩缝一样切缝并灌缝；

（四）缩缝背衬泡沫塑料垫条

通过垫条使灌缝材料厚度均匀一致，使受到胀缩时的内应力均匀一致，保证灌缝材料的耐久性。规范要求高速、一级混凝土路面采用二次开槽的设背衬泡沫塑料垫条的缩缝形式。

一般采用：聚乙烯/聚氯乙烯/交链聚乙烯微孔泡沫塑料垫条、聚氨脂、橡胶(已经取消) 圆柱状，直径比缝隙宽3～5mm的条状物。

§6—7 端部处理

一、水泥路面与建筑物搭接

不设传力杆，在端部配置双层钢筋网或在长度约为板厚的6～10倍范围内逐渐将板增厚20％。

二、水泥路面与桥梁相接

1． 设置不小于8m的块料或沥青路面过渡段。 2． 设置桥头搭板

设置搭板时，与搭板相接位置应该设置6～10m的钢筋混凝土过渡面板。 与搭板相接初采用设Φ25拉杆平缝形式

与路面相接处采用传力杆胀缝形式，膨胀量大时，设2～3道胀缝。 与桥梁斜交时，钢筋混凝土路面板锐角采用钢筋网补强 三、水泥路面与沥青路面相接

1．设置大于3m长的阶梯状迭合过渡段

其下混凝土铺设的变厚度混凝土板的厚度不小于20cm，过渡板与混凝土面层相接处的接缝内设置直径25mm，长700mm，间距400mm的拉杆，混凝土面层毗邻接缝的1～2条横缝设置为胀缝。

2．下设枕梁式

3．设置3m长块料路面过渡

§6—8 局部配筋设计

一、砼面层自由边缘（与路肩相接处）下部基础薄弱或未设传力杆的平缝（未设传力杆的胀

缝或施工缝），在面层边缘下（距离底面1/4H并不小于50mm）设2根直径12～16的螺纹钢筋，端部弯起，间距10cm.。

二、锐角面板角隅，承受特重交通的胀缝、施工缝和自由边的面层角隅顶部（距离顶面不小

于50mm,距离边缘不小于100mm）配置直径12～16mm的单层发针状或网状钢筋。 三、混凝土路面下有箱形构造物穿越，其顶面至面层底面距离小于400mm或嵌入基层时，

在构造物上部及两侧（H+1）m，并且不小于4m范围内配置直径12mm，纵向×横向间距为100×200mm的双层钢筋网。

混凝土路面下有箱形构造物，距离板底400～1200mm；或混凝土路面下有管形构造物，距

离板底<1200mm时，在板中部设置直径12mm，纵向×横向间距为100×200mm的单层钢筋网。

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