第十一章 刚性路面

1. 第十一章 刚性路面 • §11－1 刚性路面的特点与损坏现象 • §11－2 水泥混凝土路面结构组合设计 • §11－3 混凝土路面板厚设计 • §11－4 水泥混凝土路面板平面尺寸确定 • §11－5 接缝设计与局部钢筋补强 • §11－6 水泥混凝土路面施工工艺

2. 刚性路面主要指水泥混凝土路面，包括素混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、预应力混凝土、装配式混凝土、钢纤维混凝土等面层板与基层组成的路面。刚性路面主要指水泥混凝土路面，包括素混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、预应力混凝土、装配式混凝土、钢纤维混凝土等面层板与基层组成的路面。 • 本章主要介绍素混凝土路面，即除接缝处及边角外不配钢筋的混凝土路面。 • 内容包括路面特点、损坏现象、结构组合、板厚设计、接缝设计、补强设计、材料组成与配比设计、施工工艺及质量控制。

3. 水泥混凝土路面的分类 • 水泥混凝土路面是以水泥与水合成的水泥浆为结合料，以碎（砾）石、砂为集料，加适当的掺合料及外加剂，拌合成水泥混凝土混合料铺筑而成的高等级路面。经过一段时间的养护，能达到很高的强度与耐久性。 • 水泥混凝土路面属于刚性路面，它由混凝土面板和基层、垫层组成。根据材料的要求、组成及施工工艺的不同，水泥混凝土路面包括普通混凝土、碾压混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土、钢纤维混凝土等。

4. （１）普通混凝土 目前采用最广泛的是就地浇筑的普通混凝土路面。普通混凝土又称有接缝素混凝土，是指仅在接缝处和一些局部范围（如角隅、边缘）内配置钢筋的水泥混凝土面层。这是目前应用最为广泛的一种面层类型。混凝土面层通常采用等厚断面，其厚度多变动于18~30cm，视轴载大小和作用次数以及混凝土强度而定。面层通常采用整体（整层）式浇筑；面层较厚时，也可采用双层浇筑方式。面层由纵向和横向接缝划分为矩形板块。 （２）碾压混凝土 这是一种采用不同方法施工的普通混凝土。它不是在混合料内部振捣密实成型，而是采用类似于水泥稳定粒料基层的施工方法铺筑，通过路碾压实成型。这类面层具有不需专用的混凝土铺面机械施工，完工后可以较早地开放交通 （如7ｄ或14ｄ），还可以采用粉煤灰掺代水泥而降低造价。碾压混凝土面层目前主要用于行车速度不太高的道路、停车场或停机坪的面层；或者用作下面层，在其上面铺筑高强的普通混凝土、钢纤维混凝土或沥青混凝土薄面层，而形成复合式面层。

5. （３）钢筋混凝土 这是一种为防止混凝土面层板产生的裂缝缝隙张开而在板内配置纵向和横向钢筋的混凝土面层。通常，它仅在下述情况下采用：板的长度较大，如6ｍ 以上；板下埋有沟、管、线等地下设施或者路基可能产生不均匀沉降而使板开裂；板的平面形状不规则或板内开设孔口等。钢筋混凝土路面由于板的长度大，接缝缝隙宽，因而在横缝内应设置传力杆以提供相邻板的传荷能力。 （４）连续配筋混凝土 除了在邻近构造物处或与其他路面交接处设置胀缝，以及视施工需要设置施工缝外，在路段长度内不设横缝，并配置纵向连续钢筋和横向钢筋。连续配筋混凝土面层的厚度为普通混凝土面层厚度的0.8~0.9倍。这类面层由于钢筋用量大，造价高，一般仅用于高速公路或交通繁重的道路，或者用于加铺已损坏的旧混凝土路面。 （５）钢纤维混凝土 在混凝土中掺拌钢纤维，可以提高混凝土的韧度和强度，减少其收缩量。钢纤维可以采用不同方式制造，如钢丝截断法、薄钢板剪切法、熔抽法和钢坯铣削法，由此得到不同形状和横截面的纤维。由于钢纤维混凝土的造价高，因而这类面层主要用于设计标高受到限制的旧混凝土路面上的加铺层，或者用作复合式混凝土面层的上面层。

6. §11－1 刚性路面的特点与损坏现象 一、刚性路面的特点 1、强度高、耐久性好；稳定性好；平整度与粗糙度好；养护费用低；利于夜间行车。 2、造价高，水泥和水的需求量大；有接缝；维修困难；开放交通较迟；白天行车不利；施工复杂，速度慢。 适用于交通繁重的工矿道路、机场跑道、干线公路、隧道等特殊路段。

8. 二、刚性路面的损坏现象 1、断裂 2、碎裂 3、唧呢 4、错台 5、拱起 6、剥落、缝隙拉宽、填缝料脱落

14. §11－2 水泥混凝土路面结构组合设计 一、面层 • 水泥混凝土面层板主要考虑弯拉应力与温度翘曲应力。两力叠加不应超过混凝土的抗折强度，否则面层板将破坏。 • 特殊面层材料不再赘述。 • 面层通常采用等厚式，分成小块。 • 面层板厚度视交通量大小而定，最小厚度18cm。

15. 混凝土面板： 板边受力大于板中 • →厚边式面板 • →等厚式断面板+板边配筋 混凝土面板性能要求： • 弯拉强度 • 表面平整 • 耐磨 • 抗滑

16. 二、基层与垫层 • 因面层板强度较高，基层不主要起承重作用，主要目的是防唧呢、防冰冻、防水、防错台，同时为施工提供方便。 • 设置基层的主要作用：①混凝土面板提供均匀稳定的支撑②防止唧泥和冻胀的不良影响③保证路面整体强度和有较好的平整度④便于混凝土面层支模板施工⑤提高基础的综合回弹模量，减小混凝土面板拉应力，延长混凝土板的使用寿命。 • 基层顶面当量回弹模量应满足规定要求。

17. 采用非整体性材料做基层，在行车荷载反复作用下，易产生较大的塑性累计变形，而且不均匀，从而导致面层板的弯拉应力加大而破坏。采用非整体性材料做基层，在行车荷载反复作用下，易产生较大的塑性累计变形，而且不均匀，从而导致面层板的弯拉应力加大而破坏。 • 特重交通道路宜采用贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土做基层；重交通道路采用水泥稳定粒料或沥青稳定碎石基层；中等和较轻交通的公路，可采用水泥稳定粒料、石灰粉煤灰稳定粒料类或级配粒料类、水硬性工业废渣稳定类基层。 • 实践证明：采用无机结合料稳定类和工业废渣类作基层效果较好。厚度一般在15cm以上，每侧比面层应宽25~30cm。

18. 在水文不良路段（湿软地区），设置垫层以起排水的作用。在水文不良路段（湿软地区），设置垫层以起排水的作用。 • 在冰冻深度大于0.5m的季节性冰冻地区，为防止路基可能产生的不均匀冻胀对混凝土面层的不利影响，路面结构应有足够的总厚度，否则应加垫层。 水泥混凝土路面最小抗冻层厚度

19. 三、土基 • 通过刚性面层和基层传到路基上的压应力很小，一般不超过0.05Mpa。然而如果路基的稳定性不足，在水、温度等自然因素的变化影响下，路基将出现较大的变形，造成不均匀沉陷，导致对面层板的不均匀支撑，使面层板在荷载作用下底部产生过大的弯拉应力而破坏。 • 对路基的要求首先要保证足够的稳定性和强度，与路面紧密接触，不致因承受荷载、气候及其它因素的影响而改变形状、降低强度等。 • 土基应密实、均匀、稳定，并具有良好的湿度。强度不小于20MPa,防止产生不均匀支承。 • 通常将基（垫）层和土基合称为地基，其顶面当量回弹模量应符合相应交通等级的要求。

20. §11－3 水泥混凝土路面板厚度计算 水泥混凝土板的厚度，主要取决于预定的使用年限、荷载大小和交通量。厚度计算所依据的设计标准是：以使用年限末期混凝土板出现疲劳开裂为临界状态，即板的厚度要满足车辆荷载产生的应力σp不超过混凝土材料在设计年限末期的疲劳强度σf。并满足

21. 一、混凝土板的计算荷载应力σp 计算荷载应力σp的确定是以半无限地基上的弹性薄板理论为基础，求得汽车荷载作用下混凝土板产生的最大应力，并考虑各种影响因素综合确定。 σp＝Kd×Kc× σmax (Mpa) 其中： Kd， Kc为动荷系数与综合系数； σmax为轴载作用下的最大应力，与 h,P,Es,Ec有关。

22. 1、标准轴载与计算荷位 混凝土板厚度设计以BZZ-100为标准轴载。 计算荷位如图。 根据有限元分析结果，得到在汽车荷载作用下板内产生最大应力的位置。其中1、2为纵横缝边缘中间，适用于不设传力杆的情况；3为板中临界荷位，适用于设传力杆的情况。

23. x 计算轮 （2） y 计算轮 （1） （a）板边临界荷位 x 计算轮 （3） y （b）板中临界荷位

24. 查图方法示意图 2、荷载应力σmax的计算 道路设计应用半无限地基上矩形板的有限元程序，对矩形板在不同荷载作用下的应力状况予以分析，并根据板边、板中不同计算荷位，分别绘制了应力计算诺谟图。

25. 板中荷位时荷载应力计算诺谟图

26. 板边荷位时荷载应力计算诺谟图

27. 3、考虑各影响因素对σmax 的影响 1）动荷系数：考虑路面不平整、车辆自振等因素； 2）综合系数：考虑汽车超载、偏载、路面结构不均等因素。 各交通等级对应的系数见表。

28. 二、混凝土的抗弯拉疲劳强度σf 混凝土材料承受汽车荷载重复作用时，会在低于静载一次作用下的极限应力值时出现破坏，这种强度降低的现象即为疲劳现象。出现疲劳现象的重复应力大小，即称为疲劳强度σf。实践经验证明： σf与混凝土的设计强度（抗折强度）fm、汽车荷载重复作用次数Ne有关。通过室内小梁疲劳试验得到疲劳方程计算式： σf＝fm（0.085-0.063lgNe)

29. 三、混凝土板厚设计步骤 1、轴载换算（≥40KN) 其中：αn为后轴数系数，考虑单、双后轴，是否设传力杆，Ec/Es值等按规范确定。

30. 2、根据Nli=Nci·ηn,确定交通等级与设计年限 3、确定各计算参数。包括Kd、Kc、fcm、Ec、Et 4、计算设计年限内设计车道上标准轴载累计作用次数 5、计算混凝土抗弯拉疲劳强度 σf＝ fm（0.085-0.063lg Ne)

31. 6、计算基层顶面的计算回弹模量ES=n·Et 7、初估板厚ｈ，按交通等级取中值 ８、计算荷载应力σp＝Kd·Kc·σmax ９、验算并确定板厚ｈ

32. §１１－４混凝土板平面尺寸的确定 • 平行于道路中心线的纵缝之间的宽度为板宽，一般为３．５～３．７５ｍ，最大不超过４ｍ；垂直于道路中心线的横缝间距为板长，一般为４～５．５ｍ，最大不超过６ｍ。 • 混凝土板具体布置形式可灵活多样。

33. 混凝土板之所以设缝分成若干矩形板，是因为混凝土板受温度影响将产生翘曲变形和收缩变形，板的尺寸初定以后，还应进温度翘曲应力的验算。使混凝土板中或板边计算荷位处，因计算荷载与温度所产生的综合应力σｃ不超过混凝土计算抗折强度σｓ＝ fm。即σｃ＝ σｐ１＋ σＴ≤ σｓ

34. §１１－５接缝设计与局部钢筋补强 • 纵缝、横缝 • 胀缝、缩缝、施工缝 • 交叉口接缝布置 • 板边补强 • 角隅补强 • 混凝土板同构造物相接处的处理

35. 混凝土路面接缝设置及变形开裂

36. 一、纵缝 • 纵缝位置与间距 • 纵向缩缝与纵向施工缝：当一次铺筑宽度大于4.5m时，应增设纵向缩缝，纵向缩缝采用假缝形式，应设置拉杆。 • 一次铺筑宽度小于路面宽度时，应设置纵向施工缝，施工缝采用平缝形式，并应设置拉杆。 • 纵缝构造（平缝、企口缝） • 拉杆尺寸、数量、间距、钢筋类型

37. 纵向缩缝 纵向施工缝

39. 二、横缝 （一）胀缝 • 设置目的：为混凝土板膨胀伸长提供余地，避免产生过大的热压应力。 • 设置条件： １、夏季施工，板厚≥２０CM，可不设； ２、其它季节，以１００～２００ｍ为宜； ３、混凝土板与桥梁或其它构造物、交叉口相接处、板厚变化处、小半径平曲线、竖曲线处；混凝土路面端部二或三条横缝均应设为胀缝。

40. 胀缝构造 • 不设传力杆型 • 设传力杆型 • 厚边型 • 边缘钢筋型

42. 缺陷：薄弱环节；施工不便；传力杆设置不当（未能正确定位）使胀缝处的混凝土碎裂；渗水；砂石进入胀缝后，造成胀缝处板边挤碎、拱胀；引起行车跳动；填缝料又要经常补充或更换。缺陷：薄弱环节；施工不便；传力杆设置不当（未能正确定位）使胀缝处的混凝土碎裂；渗水；砂石进入胀缝后，造成胀缝处板边挤碎、拱胀；引起行车跳动；填缝料又要经常补充或更换。 • 我国现行公路水泥混凝土路面设计规范规定，胀缝应尽量少设或不设。 • 减少胀缝措施：增大基层表面的摩阻力；在气温较高时施工

43. （二）缩缝 • 缩缝一般为假缝，根据交通等级考虑是否设传力杆。传力杆采用Ⅰ级光圆钢筋，一端涂沥青。 • 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，但特重和重交通的道路，横向缩缝应加传力杆；其它各级交通的公路上，在邻近胀缝或路面自由端部的3条缩缝内，均宜加设传力杆。

45. （三）施工缝 • 施工缝尽量做在胀缝或缩缝处，其构造同胀缝与缩缝构造相同。 • 设在胀缝处的施工缝，其构造与胀缝相同；设在缩缝处的施工缝应采用平缝加传力杆型。需设在缩缝之间时，采用设拉杆的企口缝形式。

47. 接缝材料——接缝板和填缝料 • 接缝板－能适应混凝土面板的膨胀收缩，且施工时不变形、耐久性良好的材料。 • 填缝料－能与混凝土面板缝壁粘结力强、回弹性好、能适应混凝土面板收缩和膨胀、不溶于水和不渗水、高温时不溢出、低温时不脆裂和耐久性好。

48. 三、交叉口接缝布置 • 纵缝与横缝一般作成垂直正交，使混凝土板具有90度的角隅。纵缝两旁的横缝一般成一条直线。

49. 目前国外流行一种新的混凝土接缝布置形式，即胀缝甚少，缩缝间距不等，按4、4.5、5、5.5、6m的顺序设置，而且横缝与纵缝交成80º左右的斜角。目前国外流行一种新的混凝土接缝布置形式，即胀缝甚少，缩缝间距不等，按4、4.5、5、5.5、6m的顺序设置，而且横缝与纵缝交成80º左右的斜角。 • 如设传力杆，则传力杆与路线平行，其目的是使一辆车只有一个后轮横越接缝，减轻由于共振作用所引起的行车跳动的幅度，同时也可缓和板伸张时的顶推作用。

50. ＋字路口接缝设置