1、16.1 16.1 概述概述 16.2 16.2 弹性地基板体系理论简介弹性地基板体系理论简介 16.3 16.3 水泥混凝土路面应力分析水泥混凝土路面应力分析 16.4 16.4 水泥混凝土路面可靠度设计水泥混凝土路面可靠度设计 16.5 16.5 水泥混凝土路面结构组合设计水泥混凝土路面结构组合设计 16.6 16.6 我国水泥混凝土路面设计方法我国水泥混凝土路面设计方法 16.7 16.7 外国混凝土路面设计方法简介外国混凝土路面设计方法简介第十三章 水泥混凝土路面设计 水泥混凝土路面力学特点：水泥混凝土路面力学特点： 1 1 混凝土的强度远大于基层和土基模量和强度；混凝土的强度远大于基
2、层和土基模量和强度；2 2 水泥混凝土本身的抗压强度远大于水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折强度抗折强度；3 3 基层表面与路面板间摩擦力较小；基层表面与路面板间摩擦力较小；4 4 板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在荷载作用下的挠度（竖向位移）很小；（竖向位移）很小；5 5混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方向的混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方向的温度温度 梯度梯度，会，会产生翘曲现象，如果受到约束，会在板中产生翘曲现象，如果受到约束，会在板中 产生产生翘曲应力翘曲应力。 6 6 荷载多次重复作用，温度梯度也反复变化，混凝土板有荷载多次重复作用
3、，温度梯度也反复变化，混凝土板有疲疲劳现象劳现象。第一节 概 述一、混凝土路面结构特征：一、混凝土路面结构特征： 力学特点与力学模型力学特点与力学模型混凝土的强度远大于基层和土基的模量和混凝土的强度远大于基层和土基的模量和 强度强度 这就这就决定了决定了基层、土基的模量、强度参基层、土基的模量、强度参 数变化对整个结构的应力数变化对整个结构的应力分布情况影响分布情况影响 不大，这时不大，这时可以将下层结构看作统一材可以将下层结构看作统一材 料（介质）料（介质）的弹性体（地基）。的弹性体（地基）。 水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折水泥混凝土本身的抗压强度远大于抗折 强度强度 实际工程中，板块往
4、往因为抗折强度不实际工程中，板块往往因为抗折强度不 足，发生足，发生断裂断裂（而不是压（而不是压碎），这与以碎），这与以 上力学特点相吻合。这同时上力学特点相吻合。这同时确定了水泥确定了水泥 混凝土路面混凝土路面板块厚度设计时，应按抗折板块厚度设计时，应按抗折 强度作为主要标准。强度作为主要标准。 基层表面与路面板间摩擦力较小基层表面与路面板间摩擦力较小 在力学模型中，可以在力学模型中，可以将摩擦力忽略将摩擦力忽略，从，从 而得到了板块与基层间而得到了板块与基层间完完全光滑的联结条件全光滑的联结条件。也就是。也就是板块和弹性地基间只传递板块和弹性地基间只传递 竖向应力，竖向应力，而不传递水平面
5、上的应力而不传递水平面上的应力。 板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在板块厚度相对与平面尺寸较小，板块在 荷载作用下的挠度（竖向荷载作用下的挠度（竖向位移）很小位移）很小 可以采用小挠度弹性薄板理论可以采用小挠度弹性薄板理论。 荷载多次重复作用，温度梯度也反复变荷载多次重复作用，温度梯度也反复变 化，混凝土板有疲劳现象化，混凝土板有疲劳现象 设计时，要考虑荷载疲劳应力（设计时，要考虑荷载疲劳应力（ p p）和温度疲）和温度疲 劳翘曲应力（劳翘曲应力（ t t）两种应力的综合两种应力的综合作用。作用。 混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方混凝土板在自然条件下，存在沿板厚方 向的温度梯度，会产生翘向的
6、温度梯度，会产生翘曲现象，如果曲现象，如果 受到约束，会在板中产生翘曲应力受到约束，会在板中产生翘曲应力。 要考虑温度翘曲应力的影响，某种温度要考虑温度翘曲应力的影响，某种温度 梯度下的梯度下的温度翘曲应力最温度翘曲应力最大值应出现在大值应出现在 板块变形受到地基摩阻力完全限制的时板块变形受到地基摩阻力完全限制的时 候候。也就是也就是板与地基始终保持接触时。板与地基始终保持接触时。 二、混凝土路面结构设计内容二、混凝土路面结构设计内容（1 1）路面结构组合设计）路面结构组合设计 根据该路的交通情况，结合当地环境气候条件和材根据该路的交通情况，结合当地环境气候条件和材料供应情况综合考虑。包括各层
7、的结构类型、弹性模料供应情况综合考虑。包括各层的结构类型、弹性模量和厚度的确定。量和厚度的确定。（2 2）混凝土面板厚度设计）混凝土面板厚度设计 混凝土面板厚度设计，应按照设计标准的要求，确混凝土面板厚度设计，应按照设计标准的要求，确定满足设计年限内使用要求所需的混凝土面层的厚度。定满足设计年限内使用要求所需的混凝土面层的厚度。（3 3）混凝土面板的平面尺寸与接缝设计）混凝土面板的平面尺寸与接缝设计 根据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力作根据混凝土面层板内产生的荷载应力和温度应力作出板的平面尺寸设计，布设各类接缝的位置，设计接出板的平面尺寸设计，布设各类接缝的位置，设计接缝的构造，并采取
8、有效措施提高接缝的传荷能力。缝的构造，并采取有效措施提高接缝的传荷能力。（4）路肩设计）路肩设计 高速公路和一级公路中间带的路缘带和路肩的结构应与高速公路和一级公路中间带的路缘带和路肩的结构应与行车道的混凝土路面相同，并与行车道部分的混凝土面板行车道的混凝土路面相同，并与行车道部分的混凝土面板浇筑成整体。路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混合料面浇筑成整体。路肩可采用水泥混凝土面层或沥青混合料面层，其基（垫）层结构应满足行车道路面结构和排水的要层，其基（垫）层结构应满足行车道路面结构和排水的要求。求。（5）普通混凝土路面配筋设计）普通混凝土路面配筋设计 普通混凝土路面板较长或交通量较大、地基有不均
9、匀沉普通混凝土路面板较长或交通量较大、地基有不均匀沉降或板的形状不规则时，可沿板的自由边缘加设补强钢筋，降或板的形状不规则时，可沿板的自由边缘加设补强钢筋，在角隅处加设发针形钢筋或钢筋网，以阻止可能出现的裂在角隅处加设发针形钢筋或钢筋网，以阻止可能出现的裂缝缝。三、混凝土路面结构设计原则三、混凝土路面结构设计原则应根据使用要求及气候、水文、土质等自然因素，密切结应根据使用要求及气候、水文、土质等自然因素，密切结合本地区实践经验，将混凝土路面板按重要工程结构的要求合本地区实践经验，将混凝土路面板按重要工程结构的要求完成。保证工程的质量与耐久性；基层、底基层、垫层设计完成。保证工程的质量与耐久性；
10、基层、底基层、垫层设计在满足设计要求的前提之下，尽可使用当地材料修建。在满足设计要求的前提之下，尽可使用当地材料修建。遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投遵循因地制宜、合理选材、方便施工、利于养护、节约投资的原则进行路面设计方案的比较，选择技术先进、经济合资的原则进行路面设计方案的比较，选择技术先进、经济合理、安全可靠的方案。理、安全可靠的方案。结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果。结合当地实践基础，积极推广成熟的科研成果。充分考虑沿线环境的保护，自然生态的平衡，有利于施工、充分考虑沿线环境的保护，自然生态的平衡，有利于施工、养护工作人员的健康与安全。养护工作人员的健康与安全
11、。尽可能选择有利于机械化、工厂化施工的设计方案。尽可能选择有利于机械化、工厂化施工的设计方案。地处不良地基的路段，应采取有效措施加快稳定路基沉降。地处不良地基的路段，应采取有效措施加快稳定路基沉降。四、混凝土路面结构设计理论与方法四、混凝土路面结构设计理论与方法目前世界各国的混凝土路面设计方法都是以弹性地基板的目前世界各国的混凝土路面设计方法都是以弹性地基板的荷载应力、温度应力分析方法为基本理论，以混凝土路面荷载应力、温度应力分析方法为基本理论，以混凝土路面板的弯拉应力作为极限状态和设计控制指标。板的弯拉应力作为极限状态和设计控制指标。公路水泥混凝土路面设计规范公路水泥混凝土路面设计规范（JT
12、G D40-2002JTG D40-2002）是我）是我国现行混凝土路面设计规范。新规范列出的设计方法以弹国现行混凝土路面设计规范。新规范列出的设计方法以弹性半空间地基有限大矩形板模型为基础，以性半空间地基有限大矩形板模型为基础，以100kN100kN单轴双单轴双轮标准轴载作用于矩形板纵向边缘中部产生的最大荷载应轮标准轴载作用于矩形板纵向边缘中部产生的最大荷载应力控制设计。采用可靠度设计方法，以行车荷载和温度梯力控制设计。采用可靠度设计方法，以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态。度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态。五、混凝土路面交通等级五、混凝土路面交通等级u路
13、面结构设计的目标是要求混凝土路面结构在设计基准期内路面结构设计的目标是要求混凝土路面结构在设计基准期内满足预测交通量累计标准轴载通行时，具有快速、安全、稳满足预测交通量累计标准轴载通行时，具有快速、安全、稳定的服务功能，路面结构具有相应的承载能力，路面板的弯定的服务功能，路面结构具有相应的承载能力，路面板的弯拉应力满足疲劳极限应力的容许标准。拉应力满足疲劳极限应力的容许标准。（1 1）设计基准期）设计基准期u路面设计基准期是计算路面结构可靠度时，考虑各项基本度路面设计基准期是计算路面结构可靠度时，考虑各项基本度量与时间关系所取用的基准时间。也可理解为保证路面结构量与时间关系所取用的基准时间。也
14、可理解为保证路面结构达到规定可靠度指标的有效期间。达到规定可靠度指标的有效期间。u设计基准期与公路等级有关，可根据公路在路网中的功能定设计基准期与公路等级有关，可根据公路在路网中的功能定位，当地国民经济发展的需求以及投资条件等因素，经综合位，当地国民经济发展的需求以及投资条件等因素，经综合论证后确定。论证后确定。（2 2）标准轴载及轴载当量换算）标准轴载及轴载当量换算u我国公路水泥混凝土路面结构设计以我国公路水泥混凝土路面结构设计以100KN100KN的单轴的单轴- -双轮组荷双轮组荷载作为标准轴载。对于各种不同汽车轴载的作用次数，可按载作为标准轴载。对于各种不同汽车轴载的作用次数，可按等等效
15、疲劳断裂原则效疲劳断裂原则换算成标准轴载的作用次数，并换算成标准轴载的作用次数，并根据标准轴载根据标准轴载的作用次数判断道路的交通繁重程度的作用次数判断道路的交通繁重程度。轴载换算公式为：。轴载换算公式为：（3 3）交通调查与轴载分析）交通调查与轴载分析u通过当地交通量观测站历年统计资料进行交通调查，用于分通过当地交通量观测站历年统计资料进行交通调查，用于分析并提出设计车道的年平均日货车交通量析并提出设计车道的年平均日货车交通量ADTTADTT及设计基准期及设计基准期内的交通量年平均增长率内的交通量年平均增长率g gr r。u调查获得的双向年平均日货车交通量，还应乘以方向系数调查获得的双向年平
16、均日货车交通量，还应乘以方向系数（通常为（通常为0.50.5）和车道分布系数（表）和车道分布系数（表16-216-2），得到设计车道在设），得到设计车道在设计基准期初期的年平均日货车交通量计基准期初期的年平均日货车交通量ADTTADTT（单向）。（单向）。u设计基准期内设计基准期内交通量的年平均增长率交通量的年平均增长率g gr r可通过交通观测点多年的可通过交通观测点多年的交通统计资料进行分析，同时参考当地经济与交通发展的宏观交通统计资料进行分析，同时参考当地经济与交通发展的宏观形势，并根据公路的等级及其承担的功能，通过论证后确定。形势，并根据公路的等级及其承担的功能，通过论证后确定。（4
17、4）标准轴载累计当量作用次数）标准轴载累计当量作用次数N Ne e式中：式中：N Ne e标准轴载累计作用次数；标准轴载累计作用次数； t t设计基准期；设计基准期； g gr r交通量年平均增长率；交通量年平均增长率； 临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按表临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，按表16-316-3选用。选用。rtrseggNN36511公路等级纵缝边缘处高速公路、一级公路、收费站0.170.22二级及二级以下公路行车道宽7m0.340.39行车道宽7m0.540.62表表16-3 16-3 车辆轮迹横向分布系数车辆轮迹横向分布系数（5 5）混凝土路面交通等级划分）混凝土路面交通
18、等级划分u水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按照设计基准期内设计车水泥混凝土路面所承受的轴载作用，按照设计基准期内设计车道临界荷位承受的标准轴载当量累计作用次数分为道临界荷位承受的标准轴载当量累计作用次数分为4 4级。级。水泥混凝土路面结构水泥混凝土路面结构支撑于弹性地基上的小挠度弹性薄板支撑于弹性地基上的小挠度弹性薄板地基模型：地基模型：1. 1.温克勒（温克勒（WinklerWinkler）地基模型（稠密液体地基、弹簧地基）地基模型（稠密液体地基、弹簧地基） 地基反地基反应模量应模量k k。2. 2.弹性固体地基模型（弹性半空间体地基）弹性固体地基模型（弹性半空间体地基）弹性模量弹性模量E
19、E0 0和泊松比和泊松比 0 03. 3.巴斯特纳克（巴斯特纳克（PasternakPasternak）地基模型）地基模型地基反应模量地基反应模量k k和剪切模量和剪切模量G G 介于介于WinklerWinkler地基和半空间地基之间的过渡模型。地基和半空间地基之间的过渡模型。第二节第二节 弹性地基板体系理论简介弹性地基板体系理论简介一、小挠度弹性薄板基本假定一、小挠度弹性薄板基本假定：（1 1）垂直于中面方向的应变）垂直于中面方向的应变 z z极其微小，可以忽极其微小，可以忽略不计。略不计。（2 2）垂直于中面的法线，在弯曲变形前后均保）垂直于中面的法线，在弯曲变形前后均保持为直线并垂直于
20、中面，因而无横向剪切应变。持为直线并垂直于中面，因而无横向剪切应变。（3 3）中面上各点无平行于中面的位移。）中面上各点无平行于中面的位移。yxWW,0zyzx000zzVU板与地基的联系基本假定板与地基的联系基本假定： 1 1）在变形过程中，板与地基的接触面始终吻合，即板面与地基表面的竖向）在变形过程中，板与地基的接触面始终吻合，即板面与地基表面的竖向位移是相同的。位移是相同的。 2 2）在板与地基的接触面之间没有摩阻力（可以自由滑动），即接触面上的）在板与地基的接触面之间没有摩阻力（可以自由滑动），即接触面上的剪应力视为零。剪应力视为零。板厚。量和泊松比；分别为板的弹性模，板的挠度；板的弯
21、曲刚度，即；拉普拉斯算子，即式中：hEWhEDDyxqpWDcccc)1 (122322222222 从板上割取长和宽各为从板上割取长和宽各为dxdx和和dydy，高为，高为h h的单元，根据单元的平衡条件的单元，根据单元的平衡条件（Z=0,Z=0,y=0y=0，x=0 x=0）可导出当板表面作用竖向荷载）可导出当板表面作用竖向荷载p p，地基对，地基对板底面作用竖向反力板底面作用竖向反力q q时，板中心挠曲面的微分方程为：时，板中心挠曲面的微分方程为：二、板挠曲面微分方程二、板挠曲面微分方程在求得板的挠度在求得板的挠度WW解后，即可由下式计算板的应力：解后，即可由下式计算板的应力：)414(
22、111222222222222yxWzExWyWzEyWxWzEccxycccycccxyxWDMxWyWDMyWxWDMcxycycx2222222221)514( 有两个未知数，必须建立附加方程。荷载型式不同，地基反力在板有两个未知数，必须建立附加方程。荷载型式不同，地基反力在板底底xyxy平面内的分布也不同，根据不同的地基反力特性定义两种地基：平面内的分布也不同，根据不同的地基反力特性定义两种地基：文克勒地基和弹性半空间体地基。文克勒地基和弹性半空间体地基。一、温克勒地基板的荷载应力分析一、温克勒地基板的荷载应力分析yxKWyxq,温克勒地基温克勒地基：地基反力与该点的挠度成正比，而与其
23、它：地基反力与该点的挠度成正比，而与其它点的挠度无关，公式：点的挠度无关，公式：第三节第三节 水泥混凝土路面应力分析水泥混凝土路面应力分析其中其中k k地基反力模量（地基反力模量（MPa/mMPa/m ）1. 1.荷载作用于板中荷载作用于板中( (荷位荷位) )，荷载，荷载中心处板底最大弯拉应力：中心处板底最大弯拉应力：2. 2.荷载作用于板边缘中部荷载作用于板边缘中部( (荷位荷位) )，荷，荷位下板底的最大弯拉应力：位下板底的最大弯拉应力：3. 3.荷载作用于板角隅荷载作用于板角隅( (荷位荷位) )，最大拉，最大拉应力产生在板的表面离荷载圆中心为应力产生在板的表面离荷载圆中心为X X1
24、1的分角线上的分角线上: :为板的相对刚度半径为板的相对刚度半径: :l文克勒地基上板的威斯特卡德解文克勒地基上板的威斯特卡德解三个临界荷位时最大应力计算公式：三个临界荷位时最大应力计算公式： 22673. 0lg)1 ( 1 . 1hPRlci208975.0lg54.01116.2hPRlceRlxhPlRc2,221311126 . 0二、弹性半空间地基板的荷载应力分析二、弹性半空间地基板的荷载应力分析弹性半空间地基弹性半空间地基：假定地基是各向同性的弹性：假定地基是各向同性的弹性半空间体，这时地基在荷载作用范围内、外均半空间体，这时地基在荷载作用范围内、外均产生变形和反力。公式：产生变
25、形和反力。公式：弹性半空间体地基上作用任意竖向轴对称荷载弹性半空间体地基上作用任意竖向轴对称荷载q(r)q(r)时，其表面的挠度为：时，其表面的挠度为：）（1014,yxWfyxq 弹性半无限地基的荷载应力计算理论对于荷载作用于板边、弹性半无限地基的荷载应力计算理论对于荷载作用于板边、板角隅处，以及有限尺寸的矩形板，在不同组合的轮载作用于板角隅处，以及有限尺寸的矩形板，在不同组合的轮载作用于板上任何位置时，均无法解决。板上任何位置时，均无法解决。对于外荷载与弹性地基板本身均属于轴对称的情况下：对于外荷载与弹性地基板本身均属于轴对称的情况下：）（）（rWdrddrdrDMrWdrdrdrdDMc
26、tcr22221的表达式为：与切向弯矩此时板内径向弯矩trMM四、四、水泥混凝土路面水泥混凝土路面温度温度应力分析应力分析。板温差，；胀系数，约为水泥混凝土的线膨；向的温度应力分别为板纵向和横、向应变；分别为板纵向和横、式中：CtMPatEtEyxyxxyyyxx5101,111. 1.胀缩应力胀缩应力 当气温缓慢变化时，板内温度均匀升降，则面板沿断面的深当气温缓慢变化时，板内温度均匀升降，则面板沿断面的深度均匀胀缩。设度均匀胀缩。设x x为板的纵轴，为板的纵轴，y y为板的横轴。如有一平面尺寸很为板的横轴。如有一平面尺寸很大的板，在温差影响下板内任一点的应变为：大的板，在温差影响下板内任一点
27、的应变为：0yx1tEyx面板胀缩完全受阻时所产生的应力为：面板胀缩完全受阻时所产生的应力为：在混凝土板内设置接缝后，板被化分为有限尺寸的板块。这时因在混凝土板内设置接缝后，板被化分为有限尺寸的板块。这时因变形受阻而产生的板内最大应力出现于板长的中央，变形受阻而产生的板内最大应力出现于板长的中央，其值可近似其值可近似按下式计算：按下式计算：。关，一般为等因素有情况板的位移量和位移反复擦系数，同基础类型、板与基础之间的摩；板长，；混凝土容重，约为式中：0 . 20 . 1/024. 02/3fmLmMNLft板划分为有限尺寸板块后，因收缩而产生的应力很小，可不予考虑。板划分为有限尺寸板块后，因收
28、缩而产生的应力很小，可不予考虑。2. 2.翘曲应力翘曲应力 由于混凝土板、基层和土基的导热性能较差，当气温变化较快时，由于混凝土板、基层和土基的导热性能较差，当气温变化较快时，板顶面与底面产生温度差，从而使板顶面与底面的胀缩变形大小也就板顶面与底面产生温度差，从而使板顶面与底面的胀缩变形大小也就不同。当气温升高时，板顶面温度较其底面高，板顶膨胀变形较板底不同。当气温升高时，板顶面温度较其底面高，板顶膨胀变形较板底的大，则板中部隆起；相反，当气温下降时，板顶面温度较其底面低，的大，则板中部隆起；相反，当气温下降时，板顶面温度较其底面低，板顶收缩变形较板底的大，因而板的边缘和角隅翘起。由于板的自重
29、、板顶收缩变形较板底的大，因而板的边缘和角隅翘起。由于板的自重、地基反力和相邻板的钳制作用，使部分翘曲变形受阻，从而使板内产地基反力和相邻板的钳制作用，使部分翘曲变形受阻，从而使板内产生翘曲应力。由气温升高引起的板中部隆起受到限制时，板底面出现生翘曲应力。由气温升高引起的板中部隆起受到限制时，板底面出现拉应力；而当气温降低引起的板四周翘起受阻时，板顶面出现拉应力。拉应力；而当气温降低引起的板四周翘起受阻时，板顶面出现拉应力。板顶面与板底面的板顶面与板底面的温度差通常表示为板的温度梯度乘以板厚温度差通常表示为板的温度梯度乘以板厚，即，即t=Tt=Tg ghh。 212cycxcxCCtE212c
30、xcycyCCtE有关的系数，或与；温度差，板顶面与板底面的lBlLCCCtyx/, 威斯特卡德对温克勒地基板作了如下假设：温度沿板断面呈直威斯特卡德对温克勒地基板作了如下假设：温度沿板断面呈直线变化、板和地基始终保持接触，不计板自重。对有限尺寸板，线变化、板和地基始终保持接触，不计板自重。对有限尺寸板，沿板长（沿板长（L L）和板宽（）和板宽（B B）方向的翘曲应力分别为：）方向的翘曲应力分别为：4234112KhEKDllcc，板的相对刚性半径板边中点： 按照文克勒地基板计算翘曲应力的假设，采用有限元法按照文克勒地基板计算翘曲应力的假设，采用有限元法来计算弹性半空间体地基上板的翘曲应力。来
31、计算弹性半空间体地基上板的翘曲应力。计算回弹模量（弹性半空间地基的式中：)161322MPaEEEhltcctcsc板的刚性半径板的刚性半径 一、面层混凝土板一、面层混凝土板要求要求：应具有足够的强度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平应具有足够的强度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整等良好的路用性能整等良好的路用性能类型类型：面层一般采用设接缝、不配筋的普通混凝土路面板。面层一般采用设接缝、不配筋的普通混凝土路面板。对于不同等级公路承受不同交通等级的道路，也可采用其对于不同等级公路承受不同交通等级的道路，也可采用其他类型混凝土面板他类型混凝土面板第四节 水泥混凝土路面结构组合设计平面尺寸平面尺寸：普通混
32、凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或钢纤维混普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或钢纤维混凝土面层板一般采用矩形，用纵横接缝分隔，纵向和横向接缝凝土面层板一般采用矩形，用纵横接缝分隔，纵向和横向接缝应垂直相交，纵缝两侧的横缝不得相互错位。纵缝间距按路面应垂直相交，纵缝两侧的横缝不得相互错位。纵缝间距按路面宽度在宽度在3.03.04.5m4.5m范围内确定。普通混凝土面层板的横缝间距一范围内确定。普通混凝土面层板的横缝间距一般为般为4 46m6m，长宽比不宜超过，长宽比不宜超过1.501.50，平面尺寸不宜大于，平面尺寸不宜大于25m25m2 2；碾；碾压混凝土或钢纤维混凝土面层板的横缝间距一般为压混凝
33、土或钢纤维混凝土面层板的横缝间距一般为6 610m10m，钢，钢筋混凝土面层板一般为筋混凝土面层板一般为6 615m15m。厚度厚度：混凝土面层板的厚度决定于公路和交通等级，对于普通混凝土面层板的厚度决定于公路和交通等级，对于普通混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或连续配筋混凝土面层板所混凝土、钢筋混凝土、碾压混凝土或连续配筋混凝土面层板所需的厚度可参考后表所示的范围初步选定。钢纤维混凝土面层需的厚度可参考后表所示的范围初步选定。钢纤维混凝土面层板的厚度一般为普通混凝土路面厚度的板的厚度一般为普通混凝土路面厚度的0.650.650.750.75倍。特重或重倍。特重或重交通时，最小厚度为交通时，最小
34、厚度为160mm160mm；中等或轻交通时，最小厚度为；中等或轻交通时，最小厚度为140mm140mm。复合式路面沥青上面层的厚度一般为。复合式路面沥青上面层的厚度一般为252580mm80mm。表面构造表面构造：为保证行车安全，路面混凝土板表面构造应采用刻槽、为保证行车安全，路面混凝土板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应满足下表的压槽、拉槽或拉毛等方法制作。构造深度在使用初期应满足下表的要求。要求。二、混凝土路面基层结构二、混凝土路面基层结构要求要求：应具备足够的抗冲刷能力和一定的刚度。应具备足够的抗冲刷能力和一定的刚度。基层类型与适宜厚度基层类型与适宜厚度
35、：湿润和多雨地区，路基为低透水性细粒湿润和多雨地区，路基为低透水性细粒土的高速公路和一级公路或者承受特重交通或重交通的二级公土的高速公路和一级公路或者承受特重交通或重交通的二级公路，宜采用排水基层。各类基层的适宜交通等级与适宜厚度范路，宜采用排水基层。各类基层的适宜交通等级与适宜厚度范围见下表所列：围见下表所列：宽度宽度：宽度应比混凝土面板每侧宽出宽度应比混凝土面板每侧宽出300300650mm650mm。路肩采用混凝。路肩采用混凝土面层，其厚度与行车道面层板相同时，基层宽度宜与路基同宽。土面层，其厚度与行车道面层板相同时，基层宽度宜与路基同宽。u 碾压混凝土作基层时，应设置与混凝土面层板相对
36、应的纵、横碾压混凝土作基层时，应设置与混凝土面层板相对应的纵、横接缝。采用贫混凝土基层时，若弯拉应力超过接缝。采用贫混凝土基层时，若弯拉应力超过1.8MPa1.8MPa，应设置与，应设置与混凝土面层板相对应的横向接缝；一次摊铺宽度大于混凝土面层板相对应的横向接缝；一次摊铺宽度大于7.5m7.5m，还应，还应设置纵向缩缝。设置纵向缩缝。u 排水基层下应设置由水泥稳定粒料或密级配粒料组成的不透水排水基层下应设置由水泥稳定粒料或密级配粒料组成的不透水底基层，厚度一般为底基层，厚度一般为200mm200mm。底基层顶面应铺设沥青封层或防水。底基层顶面应铺设沥青封层或防水土工织物。土工织物。u 在基层下
37、若未设置垫层，而上路床土质为细粒土、粘土质砂或在基层下若未设置垫层，而上路床土质为细粒土、粘土质砂或级配不良砂（承受特重或重交通时），或者上路床土质为细粒土级配不良砂（承受特重或重交通时），或者上路床土质为细粒土（承受中等交通时），均应在基层下设置底基层。底基层可采用（承受中等交通时），均应在基层下设置底基层。底基层可采用级配粒料、水泥稳定粒料或石灰粉煤灰稳定粒料，厚度可取级配粒料、水泥稳定粒料或石灰粉煤灰稳定粒料，厚度可取200mm200mm。三、混凝土路面垫层结构三、混凝土路面垫层结构垫层结构一般是为应对路基的特殊需求而设置，分为防冻垫垫层结构一般是为应对路基的特殊需求而设置，分为防冻垫层
38、、排水垫层与加固垫层三类。层、排水垫层与加固垫层三类。在季节性冰冻地区修筑混凝土路面，当路面结构总厚度不能在季节性冰冻地区修筑混凝土路面，当路面结构总厚度不能满足最小防冻要求时，应设置防冻垫层，保证总厚度满足最小满足最小防冻要求时，应设置防冻垫层，保证总厚度满足最小防冻厚度的要求。防冻厚度的要求。对于水文地质条件不良的土质路堑，路床土的湿度较大时，对于水文地质条件不良的土质路堑，路床土的湿度较大时，为防止地下水对路面结构的侵蚀，应设置排水垫层。为防止地下水对路面结构的侵蚀，应设置排水垫层。当路基土特别软弱，经加固后，仍有可能出现不均匀沉降、当路基土特别软弱，经加固后，仍有可能出现不均匀沉降、变
39、形时，应设置加固垫层以增强路床的承载能力。变形时，应设置加固垫层以增强路床的承载能力。有时以上三种情况兼而有之。选择垫层结构材料时也应兼顾，有时以上三种情况兼而有之。选择垫层结构材料时也应兼顾，具备多种功能。一般情况，垫层多数选用当地廉价材料修筑，具备多种功能。一般情况，垫层多数选用当地廉价材料修筑，或取当地材料掺少量无机结合料处治后使用，如砂、砂砾料、或取当地材料掺少量无机结合料处治后使用，如砂、砂砾料、低剂量无机结合料稳定粒料等。垫层厚度一般为低剂量无机结合料稳定粒料等。垫层厚度一般为150mm150mm。 四、混凝土路面的路基结构四、混凝土路面的路基结构满足稳定、密实、均质、耐久的要求，
40、为路面结构提供均匀支承。满足稳定、密实、均质、耐久的要求，为路面结构提供均匀支承。对路基土质的要求很严格，一般高液限粘土及含有机质细粒土均不对路基土质的要求很严格，一般高液限粘土及含有机质细粒土均不能用于高速公路和一级公路的路床填料、也不能用于二级和二级以下能用于高速公路和一级公路的路床填料、也不能用于二级和二级以下公路的上路床填料。高液限粉土及塑性指数大于公路的上路床填料。高液限粉土及塑性指数大于1616或膨胀率大于或膨胀率大于3%3%的的低液限粘土不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制低液限粘土不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时，应掺加石
41、灰或水泥等无机结合料进行处而必须采用上述土做填料时，应掺加石灰或水泥等无机结合料进行处治。治。地下水位较高的路段，应提高路堤设计标高。若设计标高受限制，地下水位较高的路段，应提高路堤设计标高。若设计标高受限制，路基达不到中湿状态的临界高度时，应选用粗粒土或低剂量石灰或水路基达不到中湿状态的临界高度时，应选用粗粒土或低剂量石灰或水泥稳定细粒料做路床填料；未能达到潮湿状态的路基临界高度时，除泥稳定细粒料做路床填料；未能达到潮湿状态的路基临界高度时，除采用上述填料之外，还应采取在边沟下设置排水渗沟等降低地下水位采用上述填料之外，还应采取在边沟下设置排水渗沟等降低地下水位的措施。的措施。路基压实度应符
42、合路基压实度应符合公路路基设计规范公路路基设计规范的要求，岩石或填石路床的要求，岩石或填石路床顶面应铺设整平层，整平层可采用未筛分碎石和石屑或低剂量水泥稳顶面应铺设整平层，整平层可采用未筛分碎石和石屑或低剂量水泥稳定粒料、其厚度视路床顶面不平整程度而定，一般为定粒料、其厚度视路床顶面不平整程度而定，一般为100100150mm150mm。我国水泥混凝土路面设计方法采用单轴双轮组我国水泥混凝土路面设计方法采用单轴双轮组100kN100kN标准轴载作用下的弹性半空间地基有限尺寸矩形薄板理标准轴载作用下的弹性半空间地基有限尺寸矩形薄板理论有限元解为理论基础论有限元解为理论基础，以路面板纵缝边缘荷载与
43、温度以路面板纵缝边缘荷载与温度综合疲劳弯拉应力为设计指标综合疲劳弯拉应力为设计指标进行路面板厚度设计。进行路面板厚度设计。设计完成后，路面板的综合疲劳弯拉应力应满足以目设计完成后，路面板的综合疲劳弯拉应力应满足以目标可靠度为依据的极限状态平衡方程式标可靠度为依据的极限状态平衡方程式。第五节 我国水泥混凝土路面设计方法一、目标可靠度与疲劳极限状态方程式一、目标可靠度与疲劳极限状态方程式水泥混凝土路面按可靠度方法进行设计，不同等级公路的水泥混凝土路面按可靠度方法进行设计，不同等级公路的路面结构设计安全等级及相应的设计基准期、可靠度指标路面结构设计安全等级及相应的设计基准期、可靠度指标和目标可靠度列
44、于下表。和目标可靠度列于下表。n对于各设计参数的变异系数对于各设计参数的变异系数C Cv v范围有不同要求，如下表。范围有不同要求，如下表。水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，极限状态方程式如下式所生的疲劳断裂作为设计的极限状态，极限状态方程式如下式所示：示：二、弯拉应力分析及厚度设计二、弯拉应力分析及厚度设计1. 1. 荷载应力分析荷载应力分析临界荷位：产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷临界荷位：产生最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位位于混凝土板的纵向边缘中部。位位于混凝土板的纵
45、向边缘中部。标准轴载标准轴载P Ps s在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算确定。在临界荷位处产生的荷载疲劳应力按下式计算确定。按表推荐的路床顶面回弹模量参考值适用于中湿状态路基。按表推荐的路床顶面回弹模量参考值适用于中湿状态路基。若路基干湿类型达不到中湿状态，则不能直接做路床铺筑路面，若路基干湿类型达不到中湿状态，则不能直接做路床铺筑路面，应按照路面结构组合设计的要求进行处治，使路基干湿类型优应按照路面结构组合设计的要求进行处治，使路基干湿类型优于中湿状态。于中湿状态。底基层和垫层同时存在时，可先按公式将底基层和垫层换算底基层和垫层同时存在时，可先按公式将底基层和垫层换算成具有当量回弹模
46、量和当量厚度的单层，然后再与基层一起按成具有当量回弹模量和当量厚度的单层，然后再与基层一起按公式计算基层顶面当量回弹模量。若无底基层和垫层，只要对公式计算基层顶面当量回弹模量。若无底基层和垫层，只要对相应的厚度和回弹模量置零代入各式，即可完成计算。相应的厚度和回弹模量置零代入各式，即可完成计算。旧路改建旧路改建，在柔性路面上铺筑水泥混凝土路面板时，原柔性，在柔性路面上铺筑水泥混凝土路面板时，原柔性路面顶面的当量回弹模量可按下式计算确定。路面顶面的当量回弹模量可按下式计算确定。2. 2. 温度应力分析温度应力分析在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算确定。在临界荷位处的温度疲劳应力按下式计算确定。
47、3. 3.混凝土路面板厚度设计混凝土路面板厚度设计 首先进行路面结构组合设计，即根据公路等级、交通等级和目标首先进行路面结构组合设计，即根据公路等级、交通等级和目标可靠度等初步选定路面结构组合，即选定面层混凝土板、基层、底可靠度等初步选定路面结构组合，即选定面层混凝土板、基层、底基层、垫层、路床的材料类型和厚度。基层、垫层、路床的材料类型和厚度。u面层混凝土板可参考建议的参考范围，根据公路等级、交面层混凝土板可参考建议的参考范围，根据公路等级、交通等级和变异水平等级选定适宜的初估厚度。进一步计算荷通等级和变异水平等级选定适宜的初估厚度。进一步计算荷载疲劳应力载疲劳应力 psps和温度疲劳应力和
48、温度疲劳应力 ptpt。考察。考察 psps与与 ptpt之和与可靠度之和与可靠度系数系数 f f的乘积是否满足极限状态平衡方程式，即是否小于或等的乘积是否满足极限状态平衡方程式，即是否小于或等于混凝土弯拉应力的标准值于混凝土弯拉应力的标准值f fr r。如果满足极限状态平衡方程式。如果满足极限状态平衡方程式的要求，则初估厚度即为设计路面板厚度，若不能满足极限的要求，则初估厚度即为设计路面板厚度，若不能满足极限状态平衡方程式的要求，可以重新确定初估厚度，或调整结状态平衡方程式的要求，可以重新确定初估厚度，或调整结构类型和结构组合，再一次进行荷载疲劳应力和温度疲劳应构类型和结构组合，再一次进行荷
49、载疲劳应力和温度疲劳应力验算，直至完全满足极限平衡方程式。力验算，直至完全满足极限平衡方程式。u路面结构设计厚度依计算结果按路面结构设计厚度依计算结果按10mm10mm向上取整。向上取整。三、接缝设计三、接缝设计1 1纵向接缝纵向接缝u纵向接缝的布设应根据路面宽度和施工铺筑宽度而定。纵向接缝的布设应根据路面宽度和施工铺筑宽度而定。u一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝，纵向一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝，纵向施工缝采用平缝形式；一次铺筑宽度大于施工缝采用平缝形式；一次铺筑宽度大于4.5m4.5m时，应设置时，应设置纵向缩缝，纵向缩缝采用假缝形式。纵向缩缝，纵向缩缝采用假缝
50、形式。u拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚的中央，并对拉杆中部拉杆应采用螺纹钢筋，设在板厚的中央，并对拉杆中部100m100m范围内作防锈处理。拉杆的直径、长度和间距，可参范围内作防锈处理。拉杆的直径、长度和间距，可参照表照表16-3016-30选用。选用。u连续配筋混凝土路面的纵缝拉杆可由板内横向钢筋延伸穿连续配筋混凝土路面的纵缝拉杆可由板内横向钢筋延伸穿过接缝代替拉杆。过接缝代替拉杆。纵缝构造（尺寸单位：纵缝构造（尺寸单位：mmmm）a a）纵向施工缝；）纵向施工缝；b b）纵向缩缝）纵向缩缝2 2横向接缝横向接缝u每日施工结束或临时中断施工时，必须设置横向施工缝，其位每日施工结束或临时中断施工
