水泥混凝土路面的損壞模式和設(shè)計標(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)度時會出現(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，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．錯臺

錯臺是指接縫兩側(cè)出現(xiàn)的豎向相對位移。

原因：當(dāng)脹縫下部填縫板與上部縫槽未能對齊，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)上下錯位而形成錯臺。

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，縱縫處也會產(chǎn)生錯臺現(xiàn)象。錯臺降低了行車的平穩(wěn)性和舒適性。

 

4.拱起

混凝土路面在熱脹受阻時，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，或者縫隙內(nèi)落入硬物所致。

   

二、設(shè)計標(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)計應(yīng)以防止面層板斷裂為主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。從保證汽車行駛性能的角度，應(yīng)以接縫兩側(cè)的錯臺為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。

我國規(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，薄板全厚度范圍內(nèi)的所有各點都有相同的位移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)地基上任一點的反力q(x,y)僅同該點的撓度W(x,y)成正比，而同其他鄰點無關(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)為地基頂面某一點的沉陷僅決定于作用于該點的壓力，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)及影響所及時以外部分均產(chǎn)生變形，其頂面上任一點的撓度不僅同該點的壓力有關(guān)，也同其他各點的壓力有關(guān)，可以用如下計算公式表示：

q(x，y) ＝ fW(x，y)

我國現(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)點如下：

(1)可以按板塊的實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，并且能解算簡單的荷載組合情況。因此，可以求得符合實際荷載情況的應(yīng)力分析，

(3)可以計及板的實際邊界條件，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)果是整個板面上的位移場和應(yīng)力場，從而可以更全面地分析板的受荷情況。

 

2.臨界荷位的確定

為簡化計算工作，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軸載作用位置作為臨界荷位?！豆匪嗷炷谅访嬖O(shè)計規(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，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

 

一、結(jié)構(gòu)組合設(shè)計原則

 

1. 土基和基層

(1)土基

土基是混凝土路面的基礎(chǔ)。沒有堅固、密實、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)致對面層板的不均勻支撐，會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；同時應(yīng)平整，有一定的路拱橫坡度。

(2)基層

對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，會產(chǎn)生唧泥、板底脫空和錯臺等病害，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 適宜各交通等級的基層類型

交通等級 基層類型

特重交通 貧混凝土、碾壓混凝土或瀝青混凝土基層

重交通 水泥穩(wěn)定粒料或瀝青穩(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臺出現(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，按交通等級和基層的抗沖刷能力，提出了各交通等級宜選用的基層類型（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（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>