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1、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l 力学体系：弹性层状体系l 弹性模量、力学强度大大高于基层和土基；l 抗弯拉强度远小于抗压强度；l 混凝土板尺寸的强度指标：抗弯拉应力。l 力学图式：弹性地基板l 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l 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。l 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。l 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
2、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
3、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
4、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
5、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l 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。l 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
6、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l 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。l 集料公称最大粒径不应大于31.5mm（碎石）或19.0mm（卵石）。l 砂的细度模数不宜小于2.5。l 水泥用量，冰冻地区的混凝土必须加引气剂。l 普通水泥混凝土通常采用常规的振捣方法进行铺筑。l 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l 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。l 采用情况：l 板长度较大； 板下埋有地下设施和路基有可能产生不均匀沉降；
7、 板的平面形状不规则或有孔等。l 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l 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。l 其纵向配筋率通常为0.60.7。面层产生的横向裂缝平均间距为1.04.5m，平均缝隙宽0.20.5mm。l 连续配筋混凝土面层厚度约为普通混凝土面层厚度的8090。（4） 预应力混凝土（目前尚未大量推广使用）（5） 钢纤维混凝土l 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。l 抗疲劳强度、抗冲击能力和防止裂缝的能力好。l 其厚度按
8、钢纤维掺量确定。l 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。l 集料公称最大粒径宜为钢纤维长度的1/21/3。l 钢纤维抗拉强度标准值，水泥用量。（6） 混凝土预制块路面l 由混凝土预制块铺砌而成，靠块料间的嵌锁作用承受荷载。l 预制块长：200250mm，宽：100125mm，长宽比通常为2：1；厚度：100120mm。l 预制块下的稳平层厚3050mm，宜选用细度模数为2.33.0天然砂。l 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）。u 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
9、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l 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。l 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：l 不均匀沉陷、不均匀冻胀、膨胀土3 处理措施：l 选择低膨胀土或冰冻不敏感土；将膨胀性
10、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。l 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。l 严格控制压实度和压实时的含水量。l 岩石或填石路床顶面应铺设整平层。l 加设垫层。3 基层和垫层l 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。l 基层和垫层宽度：应大于面层的宽度l 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1
11、2-4（2） 基层的作用l 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。l 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l 集料的公称粒径、级配要求l 水泥或沥青的标号、用量要求。2 垫层（1） 垫层设置的要求l 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。l 水文地质不良的土质路堑，应设置排水垫层。l 路基可能产生不均匀沉降时，可加设半刚性垫层。l 垫层宽度与路基同宽，最小厚度150mm。（2） 对垫层材料的要求l 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
12、粒料或细粒土。l 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。l 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u 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l 类型：缩缝、胀缝和施工缝l 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
13、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l 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。l 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22028400300240304003002603245030028035450300300385003002 缩缝l 一般采用假缝形式l 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l 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l 采用平头缝或企口缝的构造形式。l 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：l 一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设纵向施工缝；l 一次铺筑宽度大于
