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水泥混凝土路面設(shè)計
水泥混凝土路面的損壞模式和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
一、水泥混凝土路面的損壞模式
水泥混凝土路面在行車荷載和環(huán)境因素的作用下可能出現(xiàn)的破壞類型主要有以下幾種。
1.斷裂
路面板內(nèi)應(yīng)力超過泥凝土強度時會出現(xiàn)縱向、橫向、斜向或角隅斷裂裂縫。
原因：板太薄、輪載過重、板的平間尺寸過大，地基不均勻沉降或過量塑性變形使板底脫空失去支承，施工養(yǎng)生期間收縮應(yīng)力過大等。斷裂破壞了板的整體性，使板承載能力降低。
因而，板體斷裂為水泥混凝土面層結(jié)構(gòu)破壞的臨界狀態(tài)。
2.唧泥
唧泥是車輛行經(jīng)接縫時，由縫內(nèi)噴濺出稀泥漿的現(xiàn)象。
原因：在輪載的重復(fù)作用下，板邊緣或角隅下的基層由于塑性變形累積而同混凝土面板脫離，或者甚層的細(xì)顆粒在水的作用下強度降低，當(dāng)水分沿縫隙下滲而積聚在脫空的間隙內(nèi)或細(xì)顆粒土中，在車輛荷載作用下積水形成水壓，使水和細(xì)顆粒土形成的泥漿而從縫隙中噴濺山來。唧泥的出現(xiàn)，使路面板邊緣部分，逐漸形成脫空區(qū)，隨荷載重復(fù)作用次數(shù)的增加，脫空區(qū)逐漸增大，最終使板出現(xiàn)斷裂。
3．錯臺
錯臺是指接縫兩側(cè)出現(xiàn)的豎向相對位移。
原因：當(dāng)脹縫下部填縫板與上部縫槽未能對齊，或脹縫兩側(cè)混凝土壁面不垂直，在脹縮過程中接縫兩側(cè)上下錯位而形成錯臺。
橫縫處傳荷能力不足，或唧泥發(fā)生過程中，使基層材料在高壓水的作用下沖積到后方板的板底脫空區(qū)內(nèi)，使該板抬高，形成兩板間高度差。
當(dāng)交通量或地基承載力在橫向各塊板上分布不均勻，各塊板沉陷不一致時，縱縫處也會產(chǎn)生錯臺現(xiàn)象。錯臺降低了行車的平穩(wěn)性和舒適性。
4.拱起
混凝土路面在熱脹受阻時，橫縫兩側(cè)的數(shù)塊板突然出現(xiàn)向上拱起的屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，并伴隨出現(xiàn)板塊的橫向斷裂。
原因：由于板收縮時接縫縫隙張開，填縫料失效，硬物嵌入縫內(nèi)，致使板受熱膨脹時產(chǎn)生較大的熱壓應(yīng)力，從而出現(xiàn)這種縱向屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。
5.接縫擠碎
接縫擠碎指鄰近橫向和縱向兩側(cè)的數(shù)十厘米寬度內(nèi)，路面板因熱脹時受到阻礙，產(chǎn)生較高的熱壓應(yīng)力而擠壓成碎塊。
原因：由于脹縫內(nèi)的傳力桿排列不正或不能滑動，或者縫隙內(nèi)落入硬物所致。
二、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
從保證路面結(jié)構(gòu)承載能力的角度，混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以防止面層板斷裂為主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。從保證汽車行駛性能的角度，應(yīng)以接縫兩側(cè)的錯臺為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。
我國規(guī)范采用荷載疲勞應(yīng)力和溫度疲勞翹曲應(yīng)力綜合作用所產(chǎn)生的疲勞損壞作為確定混凝土板厚的設(shè)計依據(jù)。
16.2 彈性地基板的應(yīng)力分析
在力學(xué)圖式上可把水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)看做是彈性地基板，用彈性地基板理論進(jìn)行分析計算。
一、彈性地基板基本假定
一般采用小撓度彈性薄板理論進(jìn)行分析。
三項基本假設(shè)：
(1)垂直于中面方向的應(yīng)變極其微小，可以忽略不計，薄板全厚度范圍內(nèi)的所有各點都有相同的位移W。
(2)垂直于中面的法線，在彎曲變形前后均保持為直線并垂直于中面，因而無橫向剪切應(yīng)變。
(3)中面上各點無平行于中面的位移。
二、文克勒地基與彈性半空間地基
文克勒地基假設(shè)提出地基反力只有垂直力，它是以反應(yīng)模量K表征的彈性地基。
并假設(shè)地基上任一點的反力q(x,y)僅同該點的撓度W(x,y)成正比，而同其他鄰點無關(guān)，可用下式表示為：
q(x,y)= KW(x,y)
式中：q(x,y) ——地基頂面某一點的反力(MPa)；
Ｋ——地基反力模量(MPa/m3)；
W(x,y) ——豎向撓度(cm)。
文克勒地基假設(shè)認(rèn)為地基頂面某一點的沉陷僅決定于作用于該點的壓力，而與相鄰的地基不發(fā)生任何關(guān)系，地基的受壓作用正如許多彼此互不相聯(lián)系的彈簧受壓的情況一樣(如圖16.1.a)。
彈性半空間地基是以彈性模量和泊松比表征的彈性地基。它假設(shè)地基為一各向同性的彈性半無限體(故又稱半無限地基)，如圖16.1.b所示。
地基在荷載作用范圍內(nèi)及影響所及時以外部分均產(chǎn)生變形，其頂面上任一點的撓度不僅同該點的壓力有關(guān)，也同其他各點的壓力有關(guān)，可以用如下計算公式表示：
q(x，y) ＝ fW(x，y)
我國現(xiàn)在采用彈性半無限地基上的彈性薄板理論和有限元位移法計算荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力。
三、半無限地基板荷載應(yīng)力的有限元解
1.有限元法
有限元法是結(jié)構(gòu)和連續(xù)介質(zhì)應(yīng)力分析中的一種有效的計算方法。采用有限元法分析水泥混凝土路面的荷載應(yīng)力優(yōu)點如下：
(1)可以按板塊的實際大小求解有限尺寸的板，從而消除無限大板的假設(shè)所帶來的誤差(此誤差隨荷載接近板邊緣和相對剛度半徑的增大而增加)；
(2)可以考慮各種荷載情況(包括荷載組合和荷載位置)，而不必像前述方法那樣規(guī)定若干種典型荷位，并且能解算簡單的荷載組合情況。因此，可以求得符合實際荷載情況的應(yīng)力分析，
(3)可以計及板的實際邊界條件，如接縫的傳荷能力、板和地基的脫空(不連續(xù)接觸)等；
(4)所解得的結(jié)果是整個板面上的位移場和應(yīng)力場，從而可以更全面地分析板的受荷情況。
2.臨界荷位的確定
為簡化計算工作，通常選取使路面板產(chǎn)生最大應(yīng)力、最大撓度或最大損壞的一個軸載作用位置作為臨界荷位。《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D40—2002)以荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力產(chǎn)生的綜合疲勞損壞作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過幾種典型路面結(jié)構(gòu)的荷載和強度梯度的損耗分析，只有在縱縫為具有較大傳荷能力的企口縫，橫縫為不考慮其傳荷能力的假縫(當(dāng)作自由邊處理)時，臨界荷位出現(xiàn)在橫縫邊緣中部(但前者出現(xiàn)的可能性很小)，其余情況均應(yīng)選取縱縫邊緣中部為臨界荷位。因此選取縱縫邊緣中部作為臨界荷位，用以計算板內(nèi)最大彎拉應(yīng)力值。
16.3 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計
一、結(jié)構(gòu)組合設(shè)計原則
1. 土基和基層
(1)土基
土基是混凝土路面的基礎(chǔ)。沒有堅固、密實、均勻、穩(wěn)定的路基，就沒有穩(wěn)固的路面。路基質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到路面的使用品質(zhì)。如果土基的穩(wěn)定性不足，在自然因素如水溫變化等影響下，路基出現(xiàn)較大的變形，造成土基不均勻沉陷，導(dǎo)致對面層板的不均勻支撐，會使面層板在荷載作用下底部產(chǎn)生過大的彎拉應(yīng)力而破壞。
因此，對土基的要求首先要保證足夠的穩(wěn)定性和強度，與路面緊密接觸，不致因承受荷載、氣候及其他因素的影響而改變形狀、降低強度等；同時應(yīng)平整，有一定的路拱橫坡度。
(2)基層
對水泥混凝土面層下基層的首要要求是抗沖刷能力。
不耐沖刷的基層表面，在滲入水和荷載的共同作用下，會產(chǎn)生唧泥、板底脫空和錯臺等病害，導(dǎo)致行車的不舒適，并加速和加劇板的斷裂。提高基層的剛度，有利于改善接縫的傳荷能力。
表16.1 適宜各交通等級的基層類型
交通等級 基層類型
特重交通 貧混凝土、碾壓混凝土或瀝青混凝土基層
重交通 水泥穩(wěn)定粒料或瀝青穩(wěn)定碎石基層
中等或輕交通 水泥穩(wěn)定粒料、石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料或級配粒料基層
交通繁重程度影響到基層受沖刷的程度以及唧泥和錯臺出現(xiàn)的可能性和程度。各種基層具有不同的抗沖刷能力，它取決于基層材料中結(jié)合料的性質(zhì)和含量以及細(xì)料的含量。依據(jù)上述首要要求，按交通等級和基層的抗沖刷能力，提出了各交通等級宜選用的基層類型（見表16.1）。
(3)墊層
墊層主要設(shè)置在溫度和濕度狀況不良的路段上，以改善路面結(jié)構(gòu)的使用性能。前者出現(xiàn)在季節(jié)性冰凍地區(qū)路面結(jié)構(gòu)厚度小于最小防凍厚度要求時（見表16.2），設(shè)置防凍墊層可以使路面結(jié)構(gòu)免除或減輕凍脹和翻漿病害。在路床土濕度較大的挖方路段上，設(shè)置排水墊層可以疏干路床土，改善路面結(jié)構(gòu)的支承條件。
表16.2 水泥混凝土路面最小防凍層厚度(m)
路基干濕類型 路基土質(zhì) 當(dāng)?shù)刈畲蟊鶅錾疃?/div>
0.50～1.00 1.01～1.50 1.51～2.00 ＞2.00
中濕路基 低、中、高液限粘土 0.30～0.50 0.40～0.60 0.50～0.70 0.60～0.95
粉土，粉質(zhì)土、中液限粘土 0.40～0.60 0.50～0.70 0.60～0.85 0.70～1.10
潮濕路基 低、中、高液限粘土 0.40～0.60 0.50～0.70 0.60～0.90 0.75～1.20
粉土，粉質(zhì)土、中液限粘土 0.45～0.70 0.55～0.80 0.70～1.00 0.80～1.30
注：1)凍深小或填方路段，或者基、墊層為隔溫性能良好的材料，可采用低值；凍深大或挖方及地下水位高的路段，或者基、墊層為隔溫性能稍差的材料，應(yīng)采用高值；
2)凍深小于0.50m的地區(qū)，一般不考慮結(jié)構(gòu)層防凍厚度。
2.混凝土面板
輪載作用于板中部時所產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為輪載作用于板邊部時的2/3，但是采用厚邊式路面對土基和基層的施工帶來不便，而且使用經(jīng)驗也表明，在厚度變化轉(zhuǎn)折處，易引起板的折裂。因此，目前國內(nèi)外常采用等厚式斷面，或在等厚式斷面板的最外兩側(cè)板邊部配置鋼筋予以加固。
表16.3 水泥混凝土面層厚度的參考范圍
交通等級 特重 重
公路等級 高速 一級 二級 高速 一級 二級
變異水平等級 低 中 低 中 低 中 低 中
面層厚度(mm) ≥260 ≥250 ≥240 270～240 260～230 250～220
交通等級 中等 輕
公路等級 二級 三、四級 三、四級 三、四級
變異水平等級 高 中 高 中 高 中
面層厚度(mm) 240～210 230～220 220～200 ≤230 ≤220
普通水泥混凝土路面板的厚度須根據(jù)該路在使用期內(nèi)的交通性質(zhì)和交通量設(shè)計計算決定。普通混凝土、鋼筋混凝土、碾壓混凝土或連續(xù)配筋混凝土面層所需的厚度，可參考表16.3計算確定。
二、交通分析與軸載換算
1.標(biāo)準(zhǔn)軸載與軸載換算
我國公路水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計以100KN的單軸-雙輪組荷載作為標(biāo)準(zhǔn)軸載。對于各種不同汽車軸載的作用次數(shù)，可按等效疲勞斷裂原則換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)判斷道路的交通繁重程度。軸載換算公式為：
(16.1)
(16.2)
或 (16.3)
或 (16.4)
式中：Ns——100KN的單軸-雙輪組荷載作為標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)；
Pi——單軸-單輪、單軸-雙輪組或三軸-雙輪組軸型i級軸載的總重(kN)；
n——軸型和軸載級位數(shù)；
Ni——各類軸型i級軸載的作用次數(shù)；
δi——軸-輪型系數(shù)，單軸-雙輪組時，δi=1；單軸-單輪時，按式(16.2)計算；雙軸-雙輪組時，按式(16.3)計算；三軸-三輪組時，按式(16.4)計算。
2.交通分級、累計軸載計算
設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)與使用初期的交通量、交通組成和交通量的增長情況等因素有關(guān)。 上述交通參數(shù)應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查、觀測與預(yù)測,然后按下式確定設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)Ne：
（16.5）
式中：Ne——標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)；
t——設(shè)計基準(zhǔn)期；
gr——交通量年平均增長率；
η——臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)，按表16.4選用。
表16.4 車輛輪跡橫向分布系數(shù)
公路等級 縱縫邊緣處
高速公路、一級公路、收費站 0.17～0.22
二級及二級以下公路 行車道寬＞7m 0.34～0.39
行車道寬≤7m 0.54～0.62
注：車道或行車道寬或者交通量較大時，取高值；反之，取低值。
水泥混凝土路面所承受的軸載作用，按設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計車道所承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)分為4級，分級范圍如表16.5
表16.5 交通分級
交通等級 特重 重 中等 輕
設(shè)計車道標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)Ne(104) ＞2000 100～2000 3～100 ＜3
三、基層頂面當(dāng)量回彈模量
混凝土面板下的地基包括路基和根據(jù)需要設(shè)置的墊層和基層，分析板內(nèi)荷載應(yīng)力時，直接采用三層彈性體系進(jìn)行計算，并對路床上的基層和底基層或墊層結(jié)構(gòu)，依據(jù)等彎曲剛度的原則換算為回彈模量和厚度當(dāng)量的單層結(jié)構(gòu)后，按雙層體系進(jìn)行計算。其計算分為新建公路和舊柔性路面兩種情況。
1.新建公路的基層頂面當(dāng)量回彈模量值
在設(shè)計新建公路時，基層頂面的當(dāng)量回彈模量Et，可根據(jù)土基狀態(tài)擬定的基層、墊層結(jié)構(gòu)類型和厚度，用規(guī)范建議的土基、墊層及基層材料回彈模量值，按下式確定。
（16.6）
（16.7）
（16.8）
（16.9）
（16.10）
（16.11）
式中：Et——基層頂面的當(dāng)量回彈模量(MPa)；
E0——路床頂面的回彈模量(MPa)；
Ex——基層和底基層或墊層的當(dāng)量回彈模量(MPa)；
E1、E2——基層和底基層或墊層的回彈模量(m)；
hx——基層和底基層或墊層的當(dāng)量厚度(MN-m)；
h1 、h2——基層和底基層或墊層的厚度(m)；
a、b——與Ex/E0有關(guān)的回歸系數(shù)；
注意：底基層和墊層同時存在時，可先按式(16.7)～式(16.9)將底基層和墊層換算成具有當(dāng)量回彈模量和當(dāng)量厚度的單層，然后再與基層一起按上述各式計算基層頂面當(dāng)量回彈模量。無底基層和墊層時，相應(yīng)層的厚度和回彈模量分別以零值代如上述各式進(jìn)行計算。
2. 舊柔性路面的頂面當(dāng)量回彈模量值
在舊柔性路面上加鋪混凝土路面時，應(yīng)通過承載板試驗或彎沉測定法確定原有路面頂面的當(dāng)量回彈模量Et。
（16.12）
式中：ω0——以后軸重l00kN的車輛進(jìn)行彎沉測定，經(jīng)統(tǒng)計整理得到的原路面計算回彈彎沉值(0.01mm)。
12.3.3混凝土板的設(shè)計彎拉強度
表16.6 混凝土彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值
交通等級 特重 重 中等 輕
水泥混凝土的彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa） 5.0 5.0 4.5 4.0
鋼纖維混凝土的彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa） 6.0 6.0 5.5 5.0
水泥混凝土路面的強度以28d齡期的彎拉強度作為設(shè)計控制指標(biāo)。當(dāng)混凝土澆筑后90d內(nèi)不開放交通時，可采用90d齡期的彎拉強度。各交通等級要求的混凝土彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值不得低于表16.6的規(guī)定。
四、混凝土板應(yīng)力分析
軸載在混凝面層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力，采用半無限地基上彈性小撓度薄板的力學(xué)模型和有限元法進(jìn)行分析計算。選取混凝土板的縱向邊緣中部作為產(chǎn)生最大荷載和溫度梯度綜合疲勞損壞的臨界荷位。
1.荷載應(yīng)力分析
標(biāo)準(zhǔn)軸載PS在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力按式（16.13）確定。
(16.13)
式中：σpr——標(biāo)準(zhǔn)軸載PS在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力(MPa)；
σps——標(biāo)準(zhǔn)軸載PS在四邊自由板的臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力(MPa)，由公式（16.14）計算確定；
kr——考慮接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù)，縱縫為設(shè)拉桿的平縫時，kr=0.87～0.92(剛性和半剛性基層取低值，柔性基層取高值)；縱縫為不設(shè)拉桿的平縫或自由邊時，kr=1.0；縱縫為設(shè)拉桿的企口縫時， kr =0.76～0.84；
kf——考慮設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)，由公式（16.16）計算確定；
kc——考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù)，按公路等級查表16.7確定。
表16.7 綜合系數(shù)kc
公路等級 高速公路 一級公路 二級公路 三、四級公路
kc 1.30 1.25 1.20 1.10
標(biāo)準(zhǔn)軸載PS在四邊自由板臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力按式（16.14）計算。
(16.14)
(16.15)
式中：r——混凝土板的相對剛度半徑(m)；
h——混凝土板的厚度(m)；
Ec——水泥混凝土的彎拉彈性模量(MPa)；
Et——基層頂面當(dāng)量回彈模量(MPa)。
設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的荷載疲勞應(yīng)力系數(shù)按式公式(16.16)計算確定。
（16.16）
式中：kf——設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的荷載疲勞應(yīng)力系數(shù)；
Ne——設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)；
ν——與混合料性質(zhì)有關(guān)的指數(shù)，普通混凝土、鋼筋混凝土、連續(xù)配筋混凝土，ν= 0.057；碾壓混凝土和貧混凝土，ν= 0.065；
2.溫度應(yīng)力分析
在臨界荷位處的溫度疲勞應(yīng)力按式(16.17)確定。
(16.17)
式中：σtr——臨界荷位處的溫度疲勞應(yīng)力(MPa)；
σtm——最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力(MPa)，按(16.18)條確定
kt——考慮溫度應(yīng)力累計疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)，按(16.19)條確定。
最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力按式(16.18)計算。
(16.18)
式中：σtm——最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力(MPa)
αc——混凝土的線膨脹系數(shù)(1/℃)，通常可取為1×10-5/℃；
Tg——最大溫度梯度，查表16.8取用；
Bx——綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力作用的溫度應(yīng)力系數(shù)，可按l／r和h查用圖16.2確定；
l——板長，即橫縫間距(m)。
溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)可按式(16.19)計算確定
(16.19)
式中：a、b和c——回歸系數(shù)，按所在地區(qū)的公路自然區(qū)劃確定
表16.8 最大溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)值
公路自然區(qū)劃 Ⅱ、Ⅴ Ⅲ Ⅳ、Ⅵ Ⅶ
最大溫度梯度(℃/m) 83～88 90～95 86～92 93～98
注：海拔高時，取高值；濕度大時，取低值。
3.水泥混凝土板的綜合疲勞作用
水泥混凝土板在使用過程中，板的應(yīng)力來自汽車荷載疲勞作用和溫度反復(fù)變化作用。為保證混凝土板在設(shè)計使用年限內(nèi)板不過早破壞，必須綜合考慮這些作用的影響，不導(dǎo)致板的應(yīng)力過大。
混凝土板的綜合疲勞作用是汽車荷載和溫度對板產(chǎn)生的應(yīng)力總和，根據(jù)公式分別求出板的荷載疲勞應(yīng)力和溫度應(yīng)力，然后按現(xiàn)行水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范中采用路面結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計方法，即以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為極限設(shè)計狀態(tài)，其表達(dá)式為：
(16.20)
式中：γr——可靠度系數(shù)，依據(jù)所選目標(biāo)可靠度及變異水平等級按表12.9確定；
σpr——行車荷載疲勞應(yīng)力(Mpa)；
σtr——溫度梯度疲勞應(yīng)力(Mpa)；
fr——水泥混凝土設(shè)計彎拉強度(Mpa)。
表16.9 可靠度系數(shù)
變異水平等級 目標(biāo)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：變異系數(shù)在表3.0.2所示的變化范圍的下限時，可靠度系數(shù)取低值；上限時，取高值。
五、混凝土板厚設(shè)計過程
考慮荷載應(yīng)力和溫度翹曲應(yīng)力綜合疲勞損傷作用的混凝土面層厚度和板平面尺寸確定方法，可遵循下述設(shè)計步驟：
1)收集并分析交通參數(shù)——收集日交通量和軸載組成數(shù)據(jù)，確定輪跡分布系數(shù)，計算設(shè)計車道標(biāo)準(zhǔn)軸載日作用次數(shù)；由此確定道路的交通等級，并進(jìn)而選定設(shè)計年限、選定交通量年平均增長率，計算使用年限內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載的累計作用次數(shù)。
2)初擬路面結(jié)構(gòu)——初選路面結(jié)構(gòu)層次、類型和材料組成；擬定各層的厚度、面層板平面尺寸和接縫構(gòu)造。
3)確定材料參數(shù)——試驗確定混凝土的設(shè)計彎拉強度和彈性模量，基層、墊層和路基的回彈模量，基層頂面的當(dāng)量回彈模量。
4)計算荷載疲勞應(yīng)力——計算得到標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下板邊中部的最大荷載應(yīng)力；按接縫類型選定接縫傳荷系數(shù)；按標(biāo)準(zhǔn)軸載累計作用次數(shù)計算得到疲勞應(yīng)力系數(shù)；按交通等級選定綜合系數(shù)；綜合上述計算結(jié)果可得到荷載疲勞應(yīng)力。
5)計算溫度應(yīng)力——由所在地公路自然區(qū)劃選擇最大溫度梯度；按路面結(jié)構(gòu)和板平面尺寸計算最大溫度梯度時的溫度翹曲應(yīng)力；按自然區(qū)劃及σtm和fr確定溫度應(yīng)力累計疲勞作用系數(shù)；由此計算確定溫度疲勞應(yīng)力。
6)檢驗初擬路面結(jié)構(gòu)——行車荷載和溫度梯度綜合作用滿足公式(16.20)，說明擬定的板厚合理，上述檢驗條件如不符合，則重新擬定路面結(jié)構(gòu)或板平面尺寸，重新計算，直到滿足為止。
16.8 水泥混凝土路面的加鋪層設(shè)計
一、舊混凝土路面的技術(shù)調(diào)查
在進(jìn)行舊混凝土路面加鋪層設(shè)計之前，應(yīng)調(diào)查公路修建和養(yǎng)護(hù)技術(shù)資料：路面結(jié)構(gòu)和材料組成、接縫構(gòu)造及養(yǎng)護(hù)歷史等；路面損壞狀況；路面結(jié)構(gòu)強度；承受的交通荷載及預(yù)計的交通需求；環(huán)境條件。
1.路面損壞狀況調(diào)查評定
混凝土路面的損壞狀況采用斷板率和平均錯臺量兩項指標(biāo)評定，分為4個等級。斷板率的調(diào)查和計算可按《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTJ 073.1)的規(guī)定進(jìn)行；錯臺調(diào)查可采用錯臺儀或其它方法量測接縫兩側(cè)板邊的高程差，量測點的位置在錯臺嚴(yán)重車道右側(cè)邊緣內(nèi)300mm處，以調(diào)查路段內(nèi)各條接縫高程差的平均值表示該路段的平均錯臺量。
2.接縫傳荷能力和板底脫空狀況調(diào)查評定
舊混凝土面層板的接縫傳荷能力和板底脫空狀況采用彎沉測試法調(diào)查評定。彎沉測試宜采用落錘式彎沉儀，也可采用梁式彎沉儀，其支點不得落在彎沉盆內(nèi)。舊混凝土面層的接縫傳荷能力依據(jù)接縫傳荷系數(shù)分為4個等級，板底脫空可根據(jù)面層板角隅處的多級荷載彎沉測試結(jié)果，并綜合考慮唧泥和錯臺發(fā)展程度以及接縫傳荷能力進(jìn)行判別。
3.舊混凝土路面結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)查
舊混凝土面層厚度的標(biāo)準(zhǔn)值可根據(jù)鉆孔芯樣的量測高度按式(16.21)計算確定。
(16.21)
式中：he——舊混凝土面層量測厚度的標(biāo)準(zhǔn)值(mm)；
——舊混凝土面層量測厚度的均值(mm)；
Sh——舊混凝土面層厚度量測值的標(biāo)準(zhǔn)差(mm)。
舊混凝土面層彎拉強度的標(biāo)準(zhǔn)值可采用鉆孔芯樣的劈裂試驗測定結(jié)果按式(16.22) 和(16.23)計算確定。
(16.22)
(16.23)
式中：fr——舊混凝土彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；
fsp——舊混凝土劈裂強度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；
——舊混凝土劈裂強度測定值的均值(MPa)；
ssp——舊混凝土劈裂強度測定值的標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)。
舊混凝土的彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值可按式(16.24)計算確定。
(16.24)
式中：Ec——舊混凝土的彎拉彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)
fr——舊混凝土的彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)。
舊混凝土路面基層頂面的當(dāng)量回彈模量標(biāo)準(zhǔn)值，宜采用落錘式彎沉儀(標(biāo)準(zhǔn)荷載100kN、承載板半徑150mm)量測板中荷載作用下的彎沉曲線，按式(16.25)和式(16.26)確定。
(16.25)
(16.26)
式中：Et——基層頂面的當(dāng)量回彈模量標(biāo)準(zhǔn)值(Mpa)；
SI——路面結(jié)構(gòu)的荷載擴散系數(shù)；
WO——荷載中心處的彎沉值(μm)；
W300、W600、W900一—距離荷載中心300mm、600mm 和900mm處的彎沉值(μm)。
二、混凝土加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計
加鋪層鋪筑前應(yīng)更換破碎板，修補裂縫，磨平錯臺，壓漿填封板底脫空，清除接縫中失效的填縫料和雜物，并重新封縫。
加鋪層應(yīng)根據(jù)使用要求及舊混凝土路面的狀況，選用分離式或結(jié)合式水泥混凝土加鋪結(jié)構(gòu)，或瀝青混凝土加鋪結(jié)構(gòu)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后選定。
舊混凝板的厚度、混凝土的彎拉強度和彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值以及基層頂面當(dāng)量回彈模量標(biāo)準(zhǔn)值，采用舊混凝土路面的實測值，按舊混凝土路面結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)查方法確定。
1.分離式混凝土加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計
當(dāng)舊混凝土路面的損壞狀況和接縫傳荷能力評定等級為中或次，或者新舊混凝土板的平面尺寸不同、接縫形式或位置不對應(yīng)或路拱橫坡不一致時，應(yīng)采用分離式混凝土加鋪層。
分離式混凝土加鋪層的接縫形式和位置，按新建混凝土面層的要求布置。
加鋪層可采用普通混凝土、鋼纖維混凝土、鋼筋混凝土和連續(xù)配筋混凝土。普通混凝土、鋼筋混凝土和連續(xù)配筋混凝土加鋪層的厚度不宜小于180mm；鋼纖維混凝土加鋪層的厚度不宜小于140mm。
加鋪層和舊混凝土面層應(yīng)力分析，按分離式雙層板進(jìn)行。
2.組合式混凝土加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計
當(dāng)舊混凝土路面的損壞狀況和接縫傳荷能力評定等級為優(yōu)良，面層板的平面尺寸及接縫布置合理，路拱橫坡符合要求時，可采用結(jié)合式混凝土加鋪層。
采用銑刨、噴射高壓水或鋼珠、酸蝕等方法，打毛清理舊混凝土面層表面，并在清理后的表面涂敷粘結(jié)劑，使加鋪層與舊混凝土面層結(jié)合成整體。加鋪層的最小厚度為25mm。加鋪層和舊混凝土板的應(yīng)力分析，按結(jié)合式雙層板進(jìn)行。
3.瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計
當(dāng)舊混凝土路面的損壞狀況和接縫傳荷能力評定等級為優(yōu)良或中時，可采用瀝青加鋪層。
接縫傳荷能力評定等級為中時，應(yīng)根據(jù)氣溫、荷載、舊混凝土路面承載能力、接縫處彎沉差等情況選用減緩反射裂縫的措施。
瀝青加鋪層的厚度按減緩反射裂縫的要求確定。高速公路和一級公路的最小厚度宜為100mm，其他等級公路的最小厚度宜為70mm。
小 結(jié)
本章主要在講述了水泥混凝土路面的損壞模式的基礎(chǔ)上，提出了水泥混凝土路面的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而分析了文科勒地基板和彈性半空間地基板的溫度應(yīng)力與荷載應(yīng)力；同時還講述了水泥混凝土路面板平面尺寸及接縫的設(shè)置。總結(jié)了水泥混凝土板厚度的計算流程。
本章涉及許多彈性力學(xué)、材料力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的知識，要求學(xué)生在掌握了基礎(chǔ)力學(xué)知識的程度上，理解水泥混凝土板的工作原理，重點掌握水泥混凝土路面的設(shè)計過程。
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