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水泥混凝土路面设计理论研究

吕柳娟
摘要：水泥混凝土路面面板是一种刚性路面， 力学强度高， 在外荷载作用下变形小，所以混凝土板通常都是处于弹性阶段，也就是在汽车荷载下，板内产生的最大应力不超过水泥混凝土板的比例极限应力。这是板由于是处于弹性阶段，基层和土基所承受的荷载及产生的变形都很小，力学分析上可以判定水泥路面结构是属于弹性层状体系。
关键词：水泥混凝土；路面；设计；理论
： TV331 ： A
前 言
水泥混凝土路面优点：路面强度高、承载能力大，耐磨耗能力强，使用寿命长，养护费用少，行车油耗少，水泥混凝土路面广泛使用，在使用过程中面板裂缝引起了广泛注意。设计理论不尽完善、施工工序和施工质量要求不严格是造成水泥混凝土路面裂缝的主要因素之一。
1 混凝土路面的结构设计内容
1.1 路面结构层组合设计
根据交通的繁重程度来确定路面结构层的组合，并根据当地的环境和自然条件材料供应等具体设计。路面的结构层次主要包括土基、垫层、基层以及面层。技术设计合理的结构组合要在满足工程经济的条件下保证混凝土面板在使用期限内承受预期的交通荷载，提供良好的路用品质。
路面在结构层设计中占有很重要的地位，工程中使用较多的有普通混凝土路面、钢筋混凝土路面、连续配筋混凝土路面、钢纤维混凝土路面、混凝土块料路面等。基层和垫层有粒料类、稳定类和贫混凝土类三大类，不同的材料具有不同的刚度以及抗冲刷能力等，根据道路等级等设计要求来具体选用。
1.2 混凝土面板厚度和平面尺寸的设计
厚度要满足设计年限内使用需求，并根据设计标准来确定。平面尺寸的设计要保证面板内产生的荷载应力和温度应力条件，确定接缝位置的构造，有效的保证接缝的传递荷载能力。
1.3 路肩的设计
高速公路以及一级公路中间带和路肩带的结构应力要保证和行车道混凝土路面相同，并和行车道浇筑成一个整体，一般公路的混凝土路面要设置路缘石或者加固路肩的设施，加固材料可以使用沥青混合料等。
1.4 混凝土路面的钢筋配筋率
在交通量较大或者混凝土路面板太长、地基产生不均匀沉降的可能性大或者板的形状不规则时，要沿着面板纵向加设钢筋，以防止裂缝的出现。
2 水泥混凝土路面设计目标可靠度分析
道路工程结构设计安全分为3个等级，路面工程安全等级考虑高速、一级、二级道路路面。相应安全等级要求规定为一级、二级和三级。为三级和四级道路路面增加一个设计安全等级——四级。规定相应设计基准期为20MPa，设计安全等级为四级路面结构目标可靠指标和目标可靠度。系按前一级数值级差递降得到。按施工技术、施工质量控制和管理要求达到和可能达到具体水平，选用其他等级。降低选用变异水平等级，须增加混凝土面层设计厚度要求；提高选用变异水平等级，目标可靠度定得较低，初期修建费用可降低，养护费用和车辆运行费用需提高。通常采用“校准法”来确定目标可靠度。“校准法”是对按现行设计规范或设计方法设计已有路面进行隐含可靠度分析，参照隐含可靠度制定目标可靠度，则所设计路面结构接纳了以往工程设计和使用经验，包含与原有设计方法相等可接受性和经济合理性。
3.水泥混凝土路面再生利用设计
3.1 水泥混凝土路面典型结构设计参数
路面的面层选择取决于公路等级、交通量和投资资金等。路面典型结构设计参数主要有：设计交通量、各结构层材料的参数、旧水泥路面处理方式和处理后的回弹模量等。这些参数与当地的自然环境状况、路面的破坏和处理情况、材料来源等都有很大的关系，合理的确定这些参数对路面的再生技术来说有很大的帮助，根据设计参数来确定设计方案的合理性。
交通量等级的划分以及车辆荷载的作用是影响路面使用寿命的关键因素，路面典型结构设计中必须采用交通量和轴载方面的观测数据，预测设计使用期内交通增长，荷载的大小等外界因素，更好的为路面的耐久性提供保障。
旧水泥路面处理后回弹模量的不同是设计考虑的一个重要问题，回弹模量要通过现场实测得到， 不能简单的按照设计资料进行计算。得到老路面的回弹模量后和新设计路面进行对比分析。因为路面破坏后基层材料性能也发生很大的改变，不同改造工艺下旧水泥路面的回弹模量也不尽相同这就需要具体工作时现场测定，不能一味的参照以往的实践经验。
3.2 水泥混凝土路面典型结构组合设计
水泥混凝土的加铺层的结构和厚度要和公路等级、气候、水文、修建材料、交通量组成以及旧水泥路面处理方式相适应。为了施工管理方便，路面结构层次尽量不要太多，材料变化不要太频繁。旧水泥路面的典型结构组合要充分考虑改造资金和施工工艺水平确定，材料选择上在满足实际交通的情况下主要选择廉价的、来源广泛以及施工工艺简单的材料。
4 水泥混凝土路面结构组合设计
高液限粘土及含有机质细粒土不能做高一级道路路床填料或二级和二级以下道路上路床填料；高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于3%低液限粘土不能做高一级道路上路床填料。必须采用做填料时应掺加石灰或水泥等进行土质改善。对于基层材料选择时特重交通适宜贫混凝士、碾压混凝土或沥青混凝土时，计算应按复合式路面分析，强度以试验为准，对水泥混凝土面层下基层要求是抗冲刷能力大于冲刷基层表面，在渗入水和荷载共同作用下会产生淤泥、板底脱空和错台等病害导致行车不舒适，并加速和加剧板破裂。混凝土面层下采用贫混凝土基层是为了增加基层抗冲刷能力，高强度贫混凝土不能使面层厚度降低而增加混凝土面层温度翘曲应力，产生影响到面层收缩裂缝。新规范取消基层顶面综合模量规定值要求。对于面层板来说大部分混凝土路面横向缩缝均未设传力杆。不设传力杆主要原因是施工不便。接缝是混凝土路面最薄弱处，除了基层不耐冲刷外，接缝传荷能力差也是一个重要原因。无传力杆接缝由于板边挠度大而容易迅速产生板块断裂。接缝无传力杆旧混凝土面层在考虑设置沥青加铺层时会使接缝传荷能力差易产生反射裂缝而必须增加加铺层厚度。为了改善混凝土路面行驶质量，保证混凝土路面使用寿命，在使用后期铺设加铺层。新规定了在承受特重和重交通普通混凝土面层横向缩缝内必须设置传力杆。新规范强调在邻近桥梁或其他固定构造物处设置胀缝，取消了变坡点、小半径曲线设胀缝限制，使行车更顺畅。
5 基层设计
水泥混凝士面层下设置基层，能为面层提供均匀而稳定支承，防止唧泥，错台，冻胀等病害发生，保证路面整体性，延长路面使用寿命。基层所用材料宜按照道路交通等级进行选取，为了避免浪费，基层厚度不必过大，以满足形成结构层，方便施工或排水要求为度。以特重交通等级公路为例可以采用基层类型有贫混凝土，碾压混凝土、沥青混凝土。贫混凝土和碾压混凝土基层厚度范围为12～20cm，沥青混凝土基层厚度范围为4～6cm，取值时按设计轴载数多少和路床强弱程度在上述范围内进行选择。垫层材料强度要求不一定高，但水稳性能与隔热性能要好，选材多以就地取材为原则，防冻垫层和排水垫层一般采用颗粒材料，如砂砾，中粗砂等，半刚性垫层可采用低剂量无机结合料稳定粒料或土，垫层宽度应与路基同宽，最小厚度为15cm。
路肩铺面适宜采用水泥混凝土面层或沥青面层。选用水泥混凝土面层时厚度采用与行车道面层等厚，基层也宜与行车道基层相同，选用沥青面层时选用密实型沥青混合料，基层选用无机结合料稳定粒料或级配粒料。路面铺筑应与行车道结构相适应且应兼顾排水要求。
6 结 语
通过加强基层强度来提高水泥混凝土路面结构强度做法是不经济。但不能忽视基层设计，基层设计应重视抗冲刷能力，水流对基层冲刷是导致水泥混凝土路面破坏主要因素。所以，在具体设计过程中必须要对水泥路面结构做出正确选择和各计算参数正确应用， 进行有效的方法控制， 利用计算软件多方验证， 提出合理可行的方案成果， 发挥水泥路面的长寿命优势，减少不必要投入和降低经济投资， 达到安全、节约的目的， 更好地为公路建设事业作出贡献。

-全文完-