路基路面教案(13章 水泥砼路面设计)

第十三章 水泥砼路面设计

§ 13-1 概述

一、水泥砼路面结构特征

1、力学分析：∵ 砼板力学强度高 ∴ 轮载作用下变形小 弹性阶段

∵ 基层、土基变形小 ∴ 弹性阶段

∴ 水泥砼路面结构属于弹性层状体系

2、同柔性路面相比的一些特性

（1）板的弹性模量及力学强度大大高于土基和基层

（2）抗弯拉强度小，作为设计指标

（3）弹性地基板理论分析计算（板与基层摩阻力不大）

1、 设计标准的分析

轮载重复作用：砼板会在低于极限抗弯拉强度时破坏

板顶底温差：温度翘曲应力，尺寸越大，应力越大 脆性材料

基层与土基不均匀变形：板与基层脱空而断裂

∴ 砼板必须具有足够的抗弯拉强度和厚度

总之，防止面层板断裂为主要设计标准——保证路面承载能力

指标：σp（荷载应力）+σt（温度应力）≤fcm（砼抗弯拉强度）

另外：从保证汽车行驶性能的角度，应严格控制两侧的错台量。从多方面采取措施保证其使用寿命。

二、砼路面结构设计内容

1、路面结构层组合设计

面层——较高的弯拉强度，表面平整、抗滑、耐磨

基层、垫层——粒料类（碎石、砾石）、稳定类（水泥、石灰、工业废渣）、贫砼类；后俩类多用 土基——选择土类，充分压实

2、板厚设计

由荷载应力、温度应力之和是否小于限值定板厚；按设计标准及相关程序和表格。

3、板的平面尺寸和接缝设计

接缝布置及板的受力定平面尺寸；接缝构造

2、 路肩设计

高速、一级公路：同面板浇筑成整体（用水泥砼、沥青混合料面层）

一般公路：设路缘石或加固路肩（用沥青混合料或其它）

3、 配筋设计 边缘、角隅配置

三、砼路面设计原则

1、 保证质量，尽可能使用当地材料

2、 方案比选，择优取用；尽可能用有利于机械化、工厂化的施工方案

3、 新材料、新工艺、新技术的应用积极慎重

4、 环境保护

5、 地处不良路段：措施有效、严格施工

四、砼路面结构设计理论与方法

1、 砼路面设计方法：以弹性地基板的荷载应力、温度应力分析方法为基本理论，以砼路面板的弯拉

应力作为极限状态和设计控制指标。

2、 地基模型：温克勒地基模型；弹性半空间均质地基模型

3、 路面板：温克勒地基上矩形板；弹性半空间均质地基上无限大板；各种模型地基上有限尺寸板

4、 以概率法替代定值法，引入可靠度概念。仍以砼板的极限疲劳弯拉应力为指标。

五、砼路面的交通等级

1、砼路面设计基准期 p457表16-1

2、标准轴载及轴载当量换算

3、交通调查与轴载分析

4、标准轴载累计当量作用次数

5、砼路面交通等级划分 p459表16-4

§ 13-2 弹性地基板体系理论简介

一、小挠度弹性薄板理论

见教材P459。

§ 13-3 水泥砼路面应力分析

一、文克勒地基板的荷载应力分析p461

1、文克勒地基假设：q x,y kw x,y ；地基参数K

2、威斯特卡德解

（1）荷载位于板中，荷载中心处板底最大弯拉应力

（2）荷载位于板边缘，荷位下板底的最大弯拉应力

（3）荷载位于板角，最大拉应力产生在板表面离荷载圆中心为x1的分角线上。

二、弹性半空间体地基板的荷载应力分析

1、弹性地基假设：地基为各向同性弹性半无限体，地基在荷载作用范围内及影响所及的以外部分均产

生变形，其顶面任一点挠度不仅同该点的应力有关，也同其它各点压力有关，即：

q x,y f w x,y ； 地基参数E0

它比文克勒模型符号实际的程度好。因此若干年来这种地基问题的解答越来越多。然而这种地

基问题的解法比较复杂，所以未得到广泛应用。

2、霍格的分析

针对外荷载与弹性地基板均为轴对称时的情况，给出了集中荷载或圆形均布荷载作用于无限大板

板中时板中心在单位宽度内的最大挠度、应力和弯矩Mmax和距离轮载r处板的单位宽度弯矩Mt、Mr等。对于荷载位于板边或板角处，目前无解析解。

三、有限尺寸板的有限元解

1、水泥砼板大都是有限尺寸的矩形板。无论是文克勒地基或是弹性半无限体地基板的解析解，都不

能给予解算。真正无限大板不存在。

2、弹性地基上有限尺寸矩形板的板中、板边、板角作用车轮荷载时，求解相应位置的挠度和弯矩，

属非轴对称课题，数学上遇到很大困难，至今无解析表达式。

3、目前只有采用近似的数值计算方法，如有限单元法、差分法等，才能考虑砼面层的真实工作条件。

其优越性体现在：（1）可按板的实际大小求解；（2）可考虑各种荷载情况；（3）可计及板的实际边界条件；（4）更全面的分析板的受力。

有限元法在应用上的一个主要缺陷：是没有解析式，只能针对具体的情况采用计算机程序解

出具体的结果来。

4、现行《公路水泥砼路面设计规范》JTGD40---2002用有限元法分析了荷载作用下板的极限应力值，

由此给出了应力计算诺莫图。

5、荷载应力最大的位置，即临界荷位：矩形板纵缝边缘中部

四、水泥砼路面温度应力分析

（一）胀缩应力