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1、道路工程讲义第5章 刚性路面刚性路面是指水泥混凝土路面，主要包括素混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、碾压式混凝土、钢纤维混凝土等面层板与基（垫）层所组成的路面。广泛采用的是就地浇筑的素混凝土路面，简称混凝土路面。这种路面是以水泥与水合成的水泥浆为结合料、碎（砾）石为骨料、砂为填充料，按适当的配合比例，经拌和、摊铺、振捣、整平和养生而筑成，除了在接缝区和局部范围（边缘和角隅）外，不配置钢筋的混凝土路面。5-1 刚性路面的特点、损坏现象和结构组合一、刚性路面的特点（一）优点1强度高、刚度大、耐久性好。混凝土路面具有较高的抗压、抗弯拉和抗磨耗强度。因此，具有较高的承载能力和扩散荷载的能力，而且耐久
2、性好，一般可以使用2030年以上。2稳定性好环境温度和湿度对水泥混凝土路面的力学强度的影响很小，因而，其热稳定性、水稳定性和时间稳定性均较好。尤其是强度将随时间而逐渐增高，而不会出现“老化”现象。3平整度和粗糙度较好。虽有接缝，但是起伏变化小，基本上能满足汽车行驶的平整性要求；路表面经过拉毛或轧槽处理，为路面提供了一定的粗糙度。4养护费用少、运输成本低。水泥混凝土路面坚固耐久，经常性的养护维修工作量小，养护费用较低。5色泽鲜明、反光能力强，有利于夜间行车。（二）缺点1有接缝混凝土面板为了适应热胀冷缩的需要，必须设置接缝，而在接缝设置之后带来一系列问题：（1）接缝是路面的薄弱点，如果处理不当，容
3、易导致板边和板角破坏。；（2）接缝增加了施工和养护作业的复杂性（3）接缝易引起行车跳动，影响行车的舒适性。2竣工后不能立即开放交通施工结束后要经过1520天的湿治养生，才能开放交通。3挖掘和修补困难路面破坏后，挖掘和修补工作相当困难，而且影响交通严重。地下管线维修的难度也非常大。4阳光下反光太强水泥混凝土路面反光强烈，阳光下使驾驶员有很明显的刺目感觉。5对超载敏感水泥混凝土属于脆性材料，一旦车辆荷载超出混凝土的极限强度，将引起面板的断裂。6对水泥和水的需求量大水泥混凝土面板板厚、体积大，所需要的原材料较多。7施工前的准备工作繁重施工前需要施工放样、支立模板、布置接缝、敷设钢筋等。二、水泥混凝土
4、路面的损坏现象1断裂当混凝土路面板内产生的应力超过混凝土强度时，面板将出现横向或纵向的断裂裂缝，以及角隅处的折断裂缝。断裂的出现，破坏了面板的结构整体性，使板丧失部分或全部的承载能力。原因：应力过大，板体太薄，板尺寸太大，混凝土板材料、级配、施工不良；地基塑性变形过量，使板底失去支撑等。2碎裂出现在横向接缝（主要是胀缝）两侧数十厘米的范围内，由于胀缝内的滑动传力杆排列不正或不能滑动、或缝隙内嵌入坚硬碎屑等，使混凝土在膨胀时受到较高的挤压力而碎裂。3唧泥汽车行至接缝处时，缝内溅出稀泥的现象称为唧泥。原因是水分沿缝隙下渗而积聚在局部脱空的板下，在重轮载的作用下，积水变为有压水同基层内浸湿的细集料搅
5、混成悬液，并沿接缝喷溅而出。而唧泥出现后，促使面层板的边缘和角隅部分逐渐失去支撑，最终导致断裂。4错台横向接缝或裂缝两侧的面板端部出现的竖向相对位移称错台。错台的出现降低了行车的平稳性和舒适性。5拱起混凝土路面面板在热膨胀受到约束时，某一接缝两侧的数块板突然出现向上的屈曲失稳现象称拱起。原因：主要是填料失效，让硬物落入接缝，致使面板变形受限。此外，还有一些非结构性的损坏，如剥落、纹裂等损坏现象。三、刚性路面的工作特性刚性路面强度高、板体性好，在荷载作用下产生的变形小，通常处于弹性工作状态；同时由于混凝土路面板体在荷载作用下产生的挠度小，其下地基所产生的变形也小，同样可被视为弹性。因此，水泥混凝
6、土路面可以看成是被支承在弹性地基上的弹性薄板。1在车轮荷载作用下，混凝土板产生弯曲，当荷载作用于板中时，板的顶面会出现压应力，而板的底面会产生拉应力；当荷载作用于板角时，板的底面会出现压应力，而板顶面则会出现弯拉应力。由于水泥混凝土有较高的抗压强度，故板内产生的压应力对确定板厚的影响不大，但是板内所产生的弯拉应力却不容忽视，因为混凝土板的极限抗弯拉强度要比它的极限抗压强度低很多。所以，当荷载较大、而板又较薄时，在车轮荷载的重复作用下，板的底部或顶部会发生开裂现象。2另外，在自然因素（温度和湿度）的作用下，水泥混凝土路面板内会产生内应力。为了减少这些内应力，应预先限定混凝土板的开裂位置，将路面划
7、分成较小尺寸的板块，在板间设有胀、缩缝，缝又有纵、横之分。3水泥混凝土路面要求板下的土基、基层既要有足够的强度，更要注意它的均匀性和水稳性。四、结构层的组合水泥混凝土路面的结构层一般由：水泥混凝土面板、基层、垫层（不良地质水文条件下）和土基组成，板厚的推荐值见表2-4-1，P354。1水泥混凝土面板面层板断面一般采用等厚度形式，最小厚度为18cm；路面板宽度一般按每车道宽，不大于4.5m；路面板长度一般采用45m,最长不超过6m。2基层要求基层平整、坚实，具有抗变形能力强、整体性好、透水性小和耐冲刷的性能。采用整体性好(具有较高弹性模量)的材料修筑基层可保障混凝土路面良好使用特性和延长路面使用
8、寿命。设置基层，可以起到防止唧泥、冰冻以及排除渗入的地表水、隔断地下毛细水，缓和土基不均匀变形对面板影响的作用，并可为面板提供方便的施工条件。3垫层不良地质水温条件的路段，宜加设垫层，最小厚度为15cm。4土基要求土基必须密实、稳定、不产生过量的沉陷和不均匀变形。除此之外，应按规定设置路肩和排水系统。5-2 水泥混凝土路面尺寸的确定水泥混凝土路面板的尺寸的设计包括：板的厚度和平面尺寸的设计。现行规范采用弹性半无限地基板理论和有限元法计算板内应力，以荷载应力和温度应力产生的综合疲劳损坏（断裂）为设计控制标准。一、交通荷载分析（一）荷载标准与交通分级1水泥混凝土路面设计以100kN的双轮组单轴荷载
9、作为标准轴载，记作BZZ-100。2交通分级交通（交通量和轴载大小）是路面设计的基本依据。为了区分使用年限、混凝土强度、面板厚度、基层类型和模量等各项要求在程度上的差别，按相应的使用初期设计车道每日通过的标准轴载作用次数，将交通划分为特重、重、中等和轻四级。（二）轴载换算路面承受轴型和轴重不同的各种车辆荷载的作用。按由荷载应力与温度应力综合疲劳损耗等效原则，把各种车辆荷载作用次数换算为某标准轴载的作用次数。所谓等效，是指同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的疲劳程度。我国以疲劳断裂作为混凝土路面的损坏标准，因而以疲劳断裂为标准建立疲劳方程，推导产生等效疲劳损耗时的轴载换算公式和换算系数。 计算
10、公式及系数如下， 式中：Pi、Ni各级轴载重（单轴重或双单轴重，kN）和作用次数(次/d) Ns标准轴（100kN）作用次数；ai 轴载系数。单轴时ai =1；双轴时ai =1.4610-5P i-0.3767 。（三）轴载累计作用次数 设计使用年限内路面临界荷位上所受到的标准轴载累计作用次数，依据设计车道内的初始标准轴载的作用次数，交通量年平均增长率和车轮轮迹在纵缝边缘处的横向分布系数计算确定。式中：N标准轴载的当量轴次（次/日）ni被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）P标准轴载（KN）。Pi被换算车型的各级轴载（KN）C1轴数系数。C 2轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.
11、38。设计车道是指行车道内承受交通最繁重的一个车道。设计车道内的标准轴载日作用次数N。系由路段日交通量(断面交通量)乘出(行驶)方向分配系数和车道分配系数后得到的设计车道日交通量，再按轴载组成和相应的轴数系数经过换算和累加而得到。二、荷载疲劳应力（一）临界荷位1为简化计算工作，通常选取使路面板产生最大应力、最大挠度或最大损坏的一个轴载作用位置作为临界荷位。现行规范选取水泥混凝土路面纵缝边缘中部为应力计算时的临界荷位。2公路水泥混凝土路面设计规范以荷载应力和温度应力产生的综合疲劳损坏作为设计标准。经过几种典型路面结构的荷载和温度梯度的损耗分析，只有在纵缝为具有较大传荷能力的企口缝，横缝为不考虑其
12、传荷能力的假缝(当作自由边处理)时，临界荷位出现在横缝边缘中部（但前者出现的可能性很小）3其余情况均应选取纵缝边缘中部为临界荷位。因此规范规定选取纵缝边缘中部作为临界荷位。 （二）材料和地基参数1混凝土弯拉强度和弹性模量 混凝土面板在行车荷载和温度变化等因素作用下，将产生压应力和弯拉应力。混凝土面板所受的压应力与混凝土的抗压强度相比很小，而所受的弯拉应力与抗弯拉强度的比值则大得多，可能导致混凝土面板开裂破坏。因此，在设计混凝土面板厚度时，应以弯拉强度为其设计标准。混凝土设计强度以龄期28d的弯拉强度标准。各级交通要求的混凝土设计强度不得低于表2-4-6。当混凝土浇筑后90d不开放交通，可采用9
13、0d龄期强度。其值一般可按28d龄期强度的1.l倍计。 混凝土弯拉弹性模量以试验实测为宜，但测试工作很费时而又不易准确，且其数值变化对荷载应力计算结果影响不大。因而，无条件测试时可查表取用或按下式计算， 式中：Ec弯拉弹性模量Mpa,；fcm设计弯拉强度Mpa。2基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量（1）设计新建公路时，基层顶面的当量回弹模量E1，可根据土类、路基干湿状态、所拟定的基层垫层结构类型和厚度h b，按公路水泥混凝土路面规范中土基回弹模量建议值。、路面材料土基回弹模量建议值确定；土基和材料的回弹模量E0和E1查当量回弹模量Et计算图确定。（2）在原有柔性路面上铺筑混凝土面板时，应通过
14、承载板试验确定原有柔性路面的当量回弹模量值E 1；如条件不具备或有困难时，可用汽车实测路段的回弹弯沉值l 0则； h混凝土面板厚度（cm）；Et基层顶面的当量回弹模量和计算回弹模量(MPa)；Ec混凝土弯拉弹性模量(MPa)。新建公路的基层顶面的当量回弹模量Et不应低于表2-4-1的规定。 （三）荷载疲劳应力：三、温度疲劳应力 1混凝土面板内最大温度梯度 混凝土板顶面和底面的温度之差除以板厚，即为板的温度梯度。在晴天，混凝土板的温度梯度经历了由零经正最大（板顶高于板底）到零，再经负最大(板顶低于板底)后回到零的周期性变化。同时，在一年内也显现周期性变化，最大值出现在5-7月份，最小值出现在1-
15、2月份。混凝土面板内温度状况主要受气温和太阳辐射等大气因素的影响。混凝土的最大温度梯度计算值可依据道路所在地区的公路自然区划按表2-4-9取用。2温度疲劳应力 四、水泥混凝土路面板尺寸验算：检验荷载疲劳应力与温度疲劳应力(p十t)之和是否满足下列条件。 0.95fcmp十t1.03 fcm如满足，则初拟厚度可以作为设计厚度。如不满足，则重新拟定路面结构，重作的计算，直到上述要求满足为止。设计厚度取整至厘米。5-3水泥混凝土路面的接缝设计一、纵缝和横缝（一）接缝设置的原因混凝土路面利用纵横接缝，把整个路面分割成许多板块，划分板块的目的是为防止混凝土板因温度变化造成的不规则断裂。1随着一年四季气温
16、的变化，混凝土板将产生整体性的膨胀与收缩。2在昼夜气温变化时，由于温度坡差作用，在白天混凝土板顶面温度较底面为高，造成板中部隆起；在夜间板顶面温度较底面为低，会使板的周边和角隅翘起。但是，这些变形会受到板与基础之间的摩阻力和粘结力的影响，同时还受到混凝土板自重和车轮荷载的约束。致使板内产生较大应力，造成面板的断裂或拱胀破坏。接缝设计的要求应能控制或减少收缩应力和翘曲应力所引起的裂缝出现，并提供足够的荷载传递能力，防止坚硬杂物落入接缝缝隙内。（二）接缝的分类混凝土路面接缝按平面位置可分为纵缝和横缝两大类；结合接缝的功能，纵缝又可细分为纵向缩缝和纵向施工缝，横缝又可分为横向缩缝、横向胀缝和横向施工
17、缝。1纵缝混凝土面板的纵缝是与路中线平行的接缝，分为纵向缩缝和纵向施工缝。（1）纵向施工缝当面板一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设纵向施工缝。 纵向施工缝的接缝形式有两种： 一般情况下，纵向施工缝采用平缝形式，需要设拉杆，其构造如图2-4-7 a）所示，P362。为了更好的传力，纵向施工缝也可采用企口缝形式，仍需要设拉杆，其构造如图2-4-7 b）所示。（2）纵向缩缝反之，当混凝土板一次铺筑的宽度大干4.5m时，其间应增设纵向缩缝，以减小收缩应力和温度翘曲应力。纵向缩缝宜采用假缝形式，并设置拉杆，如图2-4-8所示，P363。2横缝横缝是垂直于路中线方向的接缝，分为横向缩缝、横向胀缝和横向施工缝
18、。（1）横向缩缝横向缩缝是为了减小收缩应力和温度翘曲应力而设置。横向缩缝采用假缝形式，一般不需要设置传力杆，其构造如图2-4-9 a)所示。为了提高接缝的传荷能力，在交通繁重的道路上，横向缩缝宜加设传力杆；另外，在邻近横向胀缝或路面纵向自由端部的3条缩缝内，均宜加设传力杆，其构造如图2-4-9 b）所示。 图2-4-11 胀缝构造（2）横向胀缝胀缝的设置是为了给混凝土面层的膨胀提供伸长的余地，以免产生过大的热压应力。胀缝的位置一般在下列位置应设置胀缝： 在邻近桥梁或其它固定构筑物处、与柔性路面相接处，隧道口、小半径平曲线和凹形竖曲线纵坡变换处，平面交叉口，以及路面厚度变化处等均应设置胀缝。（注
19、：在邻近构造物或与沥青路面结合处的胀缝，应根据实际情况设置23条胀缝） 上述位置以外的胀缝宜尽量不设或少设。胀缝的间距应根据施工季节、施工温度、混凝土的膨胀性，并结合当地的经验而定。胀缝的形式胀缝采用平缝形式，缝宽22.5cm，并要求设置滑动传力杆，以提供传荷能力。其构造如图2-4-11 a）所示。与结构物交接处的胀缝无法设传力杆时，可采用加设边缘钢筋，或加厚边部的措施，其构造分别如图2-4-11 b）、c）所示，P364。（3）横向施工缝在每日施工的终了，或混凝土浇筑过程中因故中断时，必须设置横向施工缝，其位置宜设在横向胀缝或横向缩缝位置处。设在横向胀缝处的施工缝，应按照横向胀缝处理，其构造
20、与图2-4-11 a）相同；设在横向缩缝处的施工缝，应采用平缝加传力杆型，其构造如图2-4-10所示，P364。3拉杆与传力杆（1）拉杆：拉紧相邻板块，不让它们产生分离。拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚中央，并应对拉杆中部l0cm范围内进行防锈处理。拉杆长度、直径及横向间距，可根据板宽和板厚参照设计规范选用。最外边的拉杆距接缝或自由边的距离一般为2535cm。（2）传力杆：为了提高接缝的传荷能力。传力杆应采用光面圆钢筋，设在板厚中央，其长度的一半再加5cm范围内，应涂以沥青或加塑料套。胀缝处的传力杆，尚应在涂沥青一端加一套子，内留3cm的空隙，填以纱头或泡沫塑料。套子端宜在相邻板中交错布置。传力杆
21、的长度、直径及横向间距，可根据板厚参照设计规范选用。最外边的传力杆距接缝或自由边的距离一般为1525cm。 二、接缝材料 水泥混凝土路面接缝的好坏，对于保证路面的使用质量至关重要，接缝常出现的问题有：渗水、填缝料外溢、填缝料老化、杂物嵌入等。接缝槽口超过3mm时，均须加以封填，封填材料分为填缝料和填缝板两类。1填缝料填缝料应富有弹性、可压缩性大，不溶于水和不渗水、高温不溢出和低温不脆裂、耐疲劳，并能同混凝土表面粘附牢固。加热式填缝料有：沥青玛蹄脂类、沥青橡胶类和聚氯乙烯胶泥类等；常温式填缝料有：聚氨脂焦油类、氯丁橡胶类、乳化沥青橡胶类等。2填缝板填缝板应选用能很好的适应混凝土面板的膨胀与收缩、
22、施工时不易变形，以及耐久性良好的材料。可采用杉木板、纤维板、泡沫橡胶板、泡沫树脂板等材料。三、交叉口接缝的布置 交叉口混凝土面板的接缝布置应与交通流向相适应，并做到易于排水、整齐美观、施工方便。 图2-4-12 交叉口接缝布置混凝土面板的接缝宜正交，尽量将锐角放置在非主要行车的部位，且在板角处加设补强钢筋网或角隅钢筋；面板分块不宜过小，接缝边长不应小于1m。相邻板的接缝应对齐，一般不得形成错缝。四、补强钢筋当混凝土板纵、横自由边缘下的基础有可能产生较大的塑性变形时，可沿板的边缘加设补强钢筋；同样，在角隅处为了防止板角断裂，可加设发针形钢筋或钢筋网。1板边补强一般选用2根1216的螺纹钢筋，平行布置在板的下部距离板底1/4板厚处，并不得小于5cm；间距为10cm。钢筋两端向上弯起。2角隅补强一般选用2根1214的螺纹钢筋，以发针形式布置在板的上部，距离板顶不得小于5cm；也可以采用双层钢筋网进行补强，选用6的圆钢筋，布置在面板的上、下部，距离板顶和板底以510cm为宜。5-4水泥混凝土路面设计步骤1收集交通资料2分析交通资料3初拟板的平面尺寸4确定路面内排水的型式5初拟路面结构6按混凝土设计弯拉强度的最低要求，进行混凝土的组成设计。7确定基层顶面的计算回弹模量8计算荷载疲劳应力9计算温度疲劳应力10检验荷载疲劳应力与温度疲劳应力()之和是否满足条件： 第二篇 第5章 刚性路面 12