水泥混凝土路面設計問題及對策分析

文/張繼元 遼寧鐵嶺 112000

1、水泥混凝土路面結構可靠性設計

1.1 確定型設計方法

我國目前針對公路混凝土路面的設計規范中，對路面板疲勞開裂損壞的控制作為設計水泥混凝土路面厚度的標準。混凝土板溫度疲勞應力與荷載疲勞應力的和要不大于混凝土路面設計抗彎拉強度。本次的設計標準是溫度應力和荷載應力形成的綜合疲勞損壞，所以將形成最大綜合疲勞損壞的路面板位置當成臨界荷位。首先是荷載應力計算，標準荷載在臨界荷位上形成的荷載疲勞是以下4個數值的乘積，即接縫傳荷能力基礎上的應力折減系數、路面疲勞損壞受動載和超載因素的綜合影響系數、荷載應力累計疲勞作用在設計使用年限內的疲勞應力系數，以及標準荷載在臨界荷位形成的沒考慮接縫轉荷能力下的荷載應力。其次是溫度應力計算，因為板邊緣中點受到溫度梯度作用所形成的溫度疲勞應力，是由混凝土板在最大溫度梯度時的溫度應力以及溫度應力累計疲勞作用下的疲勞應力系數。

1.2 概率基礎

1.2.1 可靠度定義

結構可靠性通過結構可靠度來進行概率度量，所謂可靠度標準工程定義，即是規定時間和條件下，結構完成預定功能的概率。聯系路面結構特點，可靠度定義可以這樣認為：規定設計使用時間內并在規定環境交通條件下，能夠滿足預定水平要求的路面使用性能的概率。

1.2.2 概率方法

荷載、幾何參數、材料性能以及計算公式精確性等因素都會對結構可靠度產生一定的影響。這些因素存在著隨機性的特點，可以將其作為基本變量，其結構功能可以通過功能函數表示即Z=g(X1,X2,…,Xn)，其中X是基本變量，如果Z大于零，則表明結構位處可靠狀態；如果Z等于零，則表明結構位處極限狀態；如果Z小于零，則表明結構位處失效狀態。即極限狀態方程表達式位Z=g(X1,X2,…,Xn)=0；結構可靠狀態、失效狀態以及極限狀態的概率可以用P1、P2、P3表示。因為Xn是連續型變量，所以我們可以姑且這么認為：功能函數z=g(X1,X2,…,Xn)的分布函數是連續函數。這種條件下，可以用概率論知識得知：P3=0，P2+P3=1。

1.3 可靠性設計方法

1.3.1 設計參數和它的變異系數

因為，受到結構與材料構成存在的不均質性以及質量控制水平和施工技術等因素的影響。路面結構各設計參數會在一定范圍內波動。按照變異系數分布實際，可以把各項設計參數變異水平分成高、中、低3個等級，在不同公路等級、質量控制水平以及施工技術等級分別應用。因為路面結構本身的特點，路面設計相關的所有參數都存在一定程度的變換性。這些變換性參數中最為顯著或最起決定作用的主要有以下內容：混凝土彎拉彈性模量、混凝土彎拉強度、板長、板厚、基層頂面當量回彈模量、底面和頂面最大溫度梯度、在使用初期設計車道中的標準軸載作用次數（分別是Ec、σin、L、h、E1、J、N0）。在對它們變異性進行研究過程中,假設它們是互相獨立的。

通過大規模的調查工作，獲得不同水泥混凝土路面中的相關設計參數信息，在進行多次室內外試驗之后，應用隨機理論來建立統計數據庫，從而獲得這些參數的變異水平。

1.3.2 路面結構理論可靠度及其系數

所謂路面結構理論可靠度，它是按照規范所給的圖表和計算式，只考慮受到設計參數變異性影響獲知的路面結構可靠性。結構理論可靠度可以通過降次積分法和干涉理論來計算。就分布規律而言，所有設計參數變異性對于理論可靠度具有統一的影響。任何一個參數變異系數增大，理論可靠度會隨之下降，可以引入理論可靠系數來考慮這種影響。

2、公路水泥混凝土路面設計對策

2.1 路面結構層組合設計

水泥混凝土路面板要求具有較高的彎拉強度、表面平整度、抗滑、耐磨。基層（底基層）和墊層有粒料類（碎石、砂礫）、穩定類和貧水泥類三個類，分別具有不同的剛度、抗沖刷能力和透水性。

2.1.1 面層。水泥混凝土面層板應具有足夠的強度、耐久性、表面抗滑、耐磨、平整等良好的路用性能，一般采用設接縫、不設配筋的普通混凝土路面板。混凝土面層板厚設計應按照設計標準要求，確定滿足設計年限內使用要求所需的混凝土面層厚度。根據混凝土面層板內產生的荷載應力和溫度應力做出面板的平面尺寸設計，確定接縫的位置和接縫的結構，并采用有效措施提高接縫的傳荷能力。

2.1.2 基層（底基層）。基層（底基層）應具有足夠的抗沖刷能力和一定的剛度。基層的寬度應比混凝土面層每側至少寬出300mm（采用小型機具施工時）或500mm（軌模式攤鋪機施工時）或650mm（滑模式攤鋪機施工時）。路肩可采用水泥混凝土面層或其它面層，其基（墊）層結構應滿足行車道路面結構和排水的要求。一般公路的混凝土路面應設置路緣石或加固路肩，路肩加固可采用水泥混凝土或者其他材料。

2.2 接縫設計

2.2.1 縱向接縫。縱向接縫的布設應根據路面寬度和施工鋪筑寬度確定。當鋪筑寬度小于路面寬度時，一般應設置縱向施工縫，縱向施工縫采用平縫；一次鋪筑寬度大于4.5m時，應設置縱向縮縫，縱向縮縫采用假縫形式。縱向接縫的拉桿應采用螺紋鋼筋，設置在板厚的中央，并應對拉桿中部100mm范圍內做防銹處理。等縱向縮縫采用假縫形式，鋸切的槽口深度應大于施工縫的槽口深度。采用粒料基層時，槽口深度應為板厚的1/3；采用半剛性基層時，槽口深度為板厚的2/5。縱縫應與路線中線平行。在路面等寬的路段內或路面變寬路段的加寬部分，縱縫的間距和形式應保持一致。路面變寬段的加寬部分與等寬部分之間，以縱向施工縫隔開。加寬板在變寬段起終點處的寬度不應小于1m。拉桿應采用螺紋鋼筋，設在板后中央，并應對拉桿中部100mm范圍內進行防銹處理。拉桿的直徑、長度和間距。施工布設時，拉桿間距應按橫向接縫的實際位置予以調整，最外側的拉桿距橫向接縫的距離不得小于100mm。

2.2.2 橫向接縫。每日施工結束或因臨時原因中斷施工時，必須設置橫向施工縫，其位置應盡可能選在縮縫或脹縫處。橫向縮縫可等間距或變間距布置，采用假縫形式。鋸切槽口深度為面層厚度的1/5～1/4，寬度為3～8mm，槽內填塞填縫料。高速公路的橫向縮縫槽口宜增設深20mm、寬6～10mm的淺槽口。在鄰近橋梁或其他固定構造物處或其他道路相交處應設置橫向脹縫。設置的脹縫條數，視膨脹量大小而定。低溫澆筑混凝土面層或選用膨脹性高的集料時，宜酌情確定是否設置脹縫。脹縫寬20mm，縫內設置填縫板和可滑動的傳力桿。

結語：

公路交通的質量關乎國計民生，要想衡量一個國家的現代化水平，公路交通是重要內容。公路水泥混凝土路面結構設計過去常采用經驗法和力學經驗法來分析評估，難以取得實際效果。而通過應用可靠度理論法，則能有效地促進我國路面結構設計的完善，提高我國公路質量。

[1]資建民,朱飛,江滔.水泥混凝土路面結構可靠性設計方法[J].公路運輸文摘,2002（12）：12-14.