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 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:v(am+a)≤ §4-2设计内容 、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 、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 第1页共12页
第四章 水泥混凝土路面设计 第 1 页 共 12 页 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 r ( + ) f §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
第四章水泥混凝土路面设计 §4-3水泥混凝土路面结构组合设计 、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一一如 P67的表4-1的要求。 2.满足环境性要求 水、温稳定性一一土基:滲透性较好的土、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。 综合考虑各结构层的特点 厚度和刚度组合—一路面板适宜厚度 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 第2页共12页
第四章 水泥混凝土路面设计 第 2 页 共 12 页 §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
第四章水泥混凝土路面设计 (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)—一混杂的粒料、细粒土 (四)基层设计参数 1.基层材料抗弯回弹模量E 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》统一釆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)由三轴试验确定一一粒料类 (2)由压缩试验或顶面法确定一一稳定类 (3)采用15℃抗压回弹模量/劲度模量一一沥青类 (4)由CBR值换算—一沥青路面设计规范 (5)由规范推荐表确定一—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E 等刚度换算,基本需要满足表4-1 3.基层厚度 (1)由E确定,E=f(E,E,b),见图4-1,令E=En代入图中 (2)由承载力系数确定,K=f(E/E,h/d),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44.2 (二)面板初拟厚度(素混凝土)—一等厚度板,P112表6-1,规范p12,表446 第3页共12页
第四章 水泥混凝土路面设计 第 3 页 共 12 页 （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， E f E E h t i = ( 0 , , ) ，见图 4－1，令 E E t n = 代入图中 （2）由承载力系数确定， 0 ( / , / ) K f E E h i = ，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
第四章水泥混凝土路面设计 §4-4面板厚度设计 、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 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拉滑/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:l=1+Zas;或混凝土强度检验代表值∫=∫-ZS 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:P,=p(N>N) 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=FUEm,Op,o, )=FLm O,=f(h,Ec,E),o,=f(r, At,Ec, B) Nx[(+g)-1×365 7 g, (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一一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: N 双参数威布尔分布:F(N)= exp ,N2≥0 a,B是威分布的两个参数 N。<0 第4页共12页
第四章 水泥混凝土路面设计 第 4 页 共 12 页 §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 F = 抗滑 / 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： 0 a l l Z s = + ；或混凝土强度检验代表值 a f f Z S = − 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： p p N N s R e = ( ) 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 ( , , ) [ , ( , , ), ( , , , )] N F f F f f h E E f r t E B R cm p t cm p c t t c = = = = (1 ) 1 365 t s r e r N g N g + − = (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： 双参数威布尔分布： ( ) 1 exp , 0 0.........................., 0 R R w R R N N F N N − − = , 是威分布的两个参数
第四章水泥混凝土路面设计 累计当量轴次分布函数:F(N)=1t ],N。>0 ,N<0 4.根据干涉理论,对两个多因子函数求可靠度 可靠度R=1-千涉区(不可靠度)=》R=E(S-F(S)S,如下图 F(S) F(s) F(S) 干涉区 (三)实际应用(对可靠度概念的逆用)P4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 2.由目标可靠度确定可靠度系数y,定义见P8 Lo +o, 可靠度系数:F ,是可靠度的另一种表达方式 op+G]一由疲劳方程决定的结构容许疲劳应力 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: Z (o )≤f 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 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 第5页共12页
第四章 水泥混凝土路面设计 第 5 页 共 12 页 干涉区 累计当量轴次分布函数： ( ) ( ) 2 2 ln ln 1 exp[ ], 0 2 2 0.................................................., 0 e e e e e e N e N e N N N F N N N − − = 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）＝》 ln ( )[1 ( )] R F S F S dS w + − = − ，如下图： （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 2．由目标可靠度确定可靠度系数 r ，定义见 P98 可靠度系数： [ ] p t r p t F + = + ，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 r + f 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 ln F S( ) ( ) F S w