超宽刚性或半刚性基层水泥混凝土路面结构设计.pdf

GONGLU JIAOTONG KEJI YINGYONG JISHU BAN 基金项目: 交通部西部交通科技项目 ( 2002 318 82235) 。 作者简介: 周玉民 ( 1969- ) , 男 , 湖北黄石人 , 博士生 , 研究方向为路面工程。 世界各国的重载水泥混凝土路面大多采用承 载力 高、耐冲刷的刚性或半刚性材料作基层。刚性或半刚性 基层上水泥混凝土路面结构设计时 , 路面结构的荷载应 力和温度应力计算是以弹性地基上单层板或同平面尺寸 双层板模型为基础的 , 例如: 我国现行 《公路水泥混凝 土路面设计规范》( JTG D40- 2002)[1]、美国州公路和运输 官员协会( AASHTO) [2]、波特兰水泥协会( PCA) [3]水泥混 凝土路面设计方法等。但事实上, 刚性或半刚性基层平 面尺寸往往大于面层板的尺寸 , 即基层是超宽的。不考 虑基层超宽对路面结构的影响, 会使水泥混凝土路面结 构的应力计算结果误差增大或失真 , 从而难于正确选择 基层材料和确定其厚度。因此, 弄清刚性或半刚性基层 超宽对路面结构荷载应力和温度应力的影响规律 , 建立 相应的水泥混凝土路面结构设计方法 , 成为亟待解决的 重要课题。 1 结构荷位临界位置、基层破坏特征与结构 设计准则 刚性或半刚性基层上水泥混凝土路面结构荷位临界 位置用字母 i 表征。面层板的结构荷位临界点 ( σpr+σtr 的最大点) 位于纵边中部的板底。基层不设纵缝, 面层 结构荷位临界点位于行车道靠路肩侧的纵边中部板底 ; 基层设纵缝, 结构荷位临界点有可能移至行车道与超车 道之间的纵边中部板底 , 如图 1 所示的 A 或 B 点, i=1。 具体情况视基层超宽量和纵缝拉杆传荷效率大小而定。 图 1 结构荷位临界点示意图 刚性或半刚性基层的情况较为复杂, 其结构荷位临 界点的位置与基层超宽 , 以及基层预设 缩缝等条件有 关。 ( 1) 基层设置与面层板对应的纵、横缝时 , 结构荷 位临界点位于行车道板纵边中部下方的基层板底 ( 图 1 中的 A 点或 B 点) 。在绝大多数情况下 , 结构荷位临界 点为 A 点 , A 点的主应力方向随着基层超宽量的增大 , 应力主方向平行纵缝 , i=2a; 横向超宽超过某一数值 , 应力主方向转变为垂直纵缝, i=2b。 ( 2) 基层不设纵缝, 横缝与面层板相同时, 结构荷 位临界点仍位于行车道板纵边中部下方的基层板底( 见图 1 中的 A 点或 B 点) , 但应力主方向垂直于纵缝, i=2b。 ( 3) 基层不设纵、横缝时, 结构荷位临界点在面层 板靠路肩侧横缝下方的基层底部( 见图 1 中的 C 点) , 应 力主方向与面层板横缝垂直, i=2c。 超宽刚性或半刚性基层水泥混凝土路面结构设计 周玉民 1 , 谈至明 1 , 刘伯莹 2 ( 1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 , 上海 200092; 2.中国路桥工程有限责任公司 , 北京 100011) 摘 要 : 文章考虑基层超宽 , 采用 Winkler 地基不等平面尺寸双层板模型 , 讨论了刚性或半刚性基层水泥混凝土 路面的结构荷位临界点及其破坏特征 , 建立了控制面层和基层疲劳断裂的水泥混凝土路面结构设计准则 ; 给出了 刚性或半刚性基层水泥混凝土路面面层和基层结构荷位临界点处的荷载疲劳应力和温度疲劳应力计算式 , 讨论了 面层和基层的轴载换算 ; 最后 , 研究了刚性或半刚性基层水泥混凝土路面典型结构 , 给出了不同公路等级、交通 量情况下面层和基层最小厚度建议值 , 可用于重载水泥混凝土路面设计。 关键词: 水泥混凝土铺面 ; 重载交通 ; 荷载应力; 温度应力; 典型结构 中国分类号 : U416.216 文献标识码: B 本期专题·技术 24 GONGLU JIAOTONG KEJI YINGYONG JISHU BAN 公路交通科技 应用技术版 刚性或半刚性基层材料作基层, 横向超宽超过一定 量时, 纵缝下基层 A 点或B 点处的主应力方向由平行于 纵缝转为垂直纵缝; 而横缝外侧基层 C 点的主应力方向 始终垂直于横缝。若主应力超过材料的弯拉强度 , 基层 A 点或 B 点处将出现平行纵缝的裂缝 , C 点处出现平行 横缝的裂缝。若雨水沿裂缝向下渗透, 容易引起基层 A 点、B 点或 C 点下方唧泥, 进而产生扩展性的脱空 , 导 致面层和基层局部荷载应力显著增大, 引发断板破坏。 因此, 刚性或半刚性基层上水泥混凝土路面的结构 设计除了控制水泥混凝土面层不出现结构断裂外 , 尚需 增补控制水泥混凝土基层不出现结构断裂的指标。即控 制行车荷载作用下产生的路面结构层 ( 面、基层) 荷载 疲劳应力和环境条件 ( 温度梯度) 作