水泥混凝土路面的損壞模式和設(shè)計(jì)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(qiáng)度時(shí)會(huì)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(shí)，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(qiáng)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(cuò)臺(tái)

錯(cuò)臺(tái)是指接縫兩側(cè)出現(xiàn)的豎向相對(duì)位移。

原因：當(dāng)脹縫下部填縫板與上部縫槽未能對(duì)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(cuò)位而形成錯(cuò)臺(tái)。

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(shí)，縱縫處也會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。錯(cuò)臺(tái)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)，或者縫隙內(nèi)落入硬物所致。

   

二、設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)以防止面層板斷裂為主要設(shè)計(jì)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(cuò)臺(tái)為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)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(jì)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(jì)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(xiàng)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(jì)，薄板全厚度范圍內(nèi)的所有各點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的反力q(x,y)僅同該點(diǎn)的撓度W(x,y)成正比，而同其他鄰點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的沉陷僅決定于作用于該點(diǎn)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(shí)以外部分均產(chǎn)生變形，其頂面上任一點(diǎn)的撓度不僅同該點(diǎn)的壓力有關(guān)，也同其他各點(diǎn)的壓力有關(guān)，可以用如下計(jì)算公式表示：

q(x，y) ＝ fW(x，y)

我國(guó)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(jì)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(jì)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(diǎn)如下：

(1)可以按板塊的實(shí)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(duì)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(jiǎn)單的荷載組合情況。因此，可以求得符合實(shí)際荷載情況的應(yīng)力分析，

(3)可以計(jì)及板的實(shí)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(gè)板面上的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，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(jiǎn)化計(jì)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(gè)軸載作用位置作為臨界荷位。《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過幾種典型路面結(jié)構(gòu)的荷載和強(qiáng)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(shí)，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(jì)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(jì)

 

一、結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)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(jiān)固、密實(shí)、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(duì)面層板的不均勻支撐，會(huì)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(duì)土基的要求首先要保證足夠的穩(wěn)定性和強(qiáng)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(qiáng)度等；同時(shí)應(yīng)平整，有一定的路拱橫坡度。

(2)基層

對(duì)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(huì)產(chǎn)生唧泥、板底脫空和錯(cuò)臺(tái)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(jí)的基層類型

交通等級(jí) 基層類型

特重交通 貧混凝土、碾壓混凝土或?yàn)r青混凝土基層

重交通 水泥穩(wěn)定粒料或?yàn)r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(jí)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(cuò)臺(tái)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(jí)和基層的抗沖刷能力，提出了各交通等級(jí)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(shí)（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>