水泥混凝土路面结构应力分析

水泥砼路面裂缝的类型成因及防治措施霍尚龙（巢湖路桥）［摘要］本文论述了水泥砼路面早期裂缝形成的原因和防治措施。

关键词：水泥砼路面裂缝成因防治措施一、概述水泥混凝土路面是一种刚度大、扩散荷载能力强、稳定性好的路面结构，是高等级、重交通公路路面的重要类型之一，在良好的养护条件下，它的使用年限比其它路面长，也比较容易养护，但一旦开始破坏，破损会迅速发展，严重影响车辆通行，给养护、修复都带来极大的困难。

水泥混凝土路面中所含水分的改变、化学反应、温度变化等因素，都能引起混凝土体积变形，当体积变形过大时，混凝土由于约束而产生较大的拉应力，使混凝土产生裂缝。

研究水泥混凝土路面裂缝产生的原因及防治措施，对正确指导施工和养生，防止水泥混凝土路面初期裂缝的产生，提高水泥混凝土路面的质量，有着重要的意义。

二、裂缝的类型和成因（一）表面裂缝混凝土板面的表面裂缝主要是由混凝土混和料的早期过快失水干缩和碳化收缩引起的。

混凝土混和料是一种多相不均匀材料，由于构成混合料的各种固体颗粒大小。

密度不同，混合料会发生不均匀分层离析，使粗骨料从混合料中分出，即重颗粒下沉，水分向上泌出，形成表层泌水，使得水泥混凝土路面表层含水量增加，当混合料表面水的蒸发比泌水速度快时，水的蒸发面就会深人到混合料表面之内，水面形成凹面。

由于表面凹面较凸面所受压力大，固体颗粒间产生毛细管张力，促使颗粒凝聚，当混凝土表面尚未充分硬化，不能抵抗这一张力时，混凝土表面就会发生裂缝。

这种塑性裂缝发生的时间，大致与泌水消失时间相应，在混凝土浇筑后数小时，混凝土表面普遍出现细微的龟裂。

混凝土的碳化收缩也会引起混凝土表面龟裂。

当混凝土的水泥用量较低，水灰比较大时，空气中的CO2易渗透到混凝土内，与其中的碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水。

碳化引起的收缩仅限于水泥混凝土路面的表层，只产生混凝土的表面裂缝。

混凝土的碳化收缩速度比失水干缩速度慢得多，因而由碳化带来的表面裂缝对混凝土强度的危害并不大，有时碳化甚至能增加混凝土的强度。

导致水泥混凝土路面产生裂缝的原因1、路基、基层的影响：（1）基层平整度差，导致混凝土面层厚度不匀，离散性大，在行车荷载及温度翘曲应力作用下，使得路面应力集中。

当应力超过极限强度时，就会在厚度薄弱处产生裂缝。

（2）地基强度不均匀，路基填料混杂或压实不好，产生不均匀沉降，导致混凝土板产生裂缝。

（3）路基软弱，未压实，或路面基层强度不足，沉降量过大，混凝土板受弯产生裂缝。

（4）半填半挖路段，填挖交接处未按要求进行处理或处理不好，或填方部分未压实，导致填方部分沉降或滑移而造成裂缝。

（5）老路拓宽，新填土部分施工方法不当，与劳碌结合不好，导致混凝土板产生裂缝。

2、混凝土振捣影响：振捣质量的影响。

应保证振捣器在每一位置振捣的持续时间，以拌合物停止下沉，不再冒气泡并泛出水泥砂浆为准，并不宜过振。

振捣不足，易使混凝土中出现气孔、蜂窝，在行车荷载及自然因素作用下产生应力集中而导致裂缝；振捣过量，则粗骨料下沉，混凝土离析，影响其强度。

3、养护的影响；混凝土的养护对其早期强度增长和防止收缩裂缝极为重要。

混凝土浇筑成型后，逐渐开始凝结硬化。

当空气中相对湿度较小时，混凝土中水分就会不断地被蒸发掉，造成混凝土由表到里逐渐失水，同时水还会阻滞混凝土的继续硬化甚至停止硬化。

如果养护不及时，就会造成顶面失水快，收缩迅速；板底失水慢，收缩缓慢。

翘曲后则可能是板产生裂缝。

因此一定要加强混凝土的早期养护，在表面手浆后尽快予以覆盖和洒水养护。

同时必须保证养护的时间，实际养护天数根据混凝土强度增长情况而定，一般宜为14天~21天。

4、横向缩缝质量的影响；设置横向缩缝是为了减小收缩应力和翘曲应力，缩缝主要采用假缝的形式，一般用锯缝机进行切割。

切缝的作用是使内应力在切缝处产生应力集中，从而使裂缝在切缝处产生。

切缝施工是混凝土施工中的一个重要环节，如不加强控制，极易引发裂缝。

（1）切割时间。

当混凝土达到设计强度的25%~30%时，应采用切缝机进行切割。

水泥混凝土路面表面裂缝产生的原因及处理措施水泥混凝土路面是一种刚度大、扩散荷摘载能力强、稳定性强的路面结构。

但由于在施工中水泥混凝土的原材料及配合比的控制未达到设计标准，施工工艺不规范.使得水泥混凝土路面道板出现了早期损坏,导致路面出现裂缝与断板，这就降低了路面使用性能，不能确保水泥混凝土路面的正常使用年限，不能发挥道路建设的投资效益。

因此，需要对路面出现的裂缝与断板进行认真观测、分析、确定裂缝原因，制定切实可行的修补方案。

一、裂缝分类与产生的原因水泥混凝土道面的裂缝，可分为表面裂缝和贯穿板全厚度的裂缝(简称贯穿裂缝)。

(一）、表面裂缝水泥混凝土道面表面裂缝主要是由混凝土混合料的早期过快失水干缩和碳化收缩引起的.混凝土混合料是一种多相不均匀材料.由于构成混合料的各种固体颗粒大小、密度不同，混合料不可避免地会发生分层离析。

1、泌水裂缝在路面水泥混凝土道面施工中混合料发生分层离析大多是由于粗骨料在混合料中下沉，水分向上迁移,从而形成表层泌水。

泌水的结果，使水泥混凝土道面表面含水量增加，经蒸发后混凝土表面形成凹面，此时混合料颗粒间产生较强的表面张力。

当混凝土表面尚未充分硬化，不能抵御这一张力时，混凝土表面则发生裂缝。

在混凝土浇筑后数小时,混凝土表面将出现大面积细微的龟裂。

2、碳化裂缝当混凝土的水泥用量较低、水灰比较大时，空气中的二氧化碳易渗透到混凝土中,混凝土的碳化反应在空气相对湿度为30％—50%时最为激烈，此时混凝土的碳化收缩将引起混凝土表面龟裂。

根治这类病害的方法是：在混凝土路面的混合料铺筑、振捣后，立即采用真空吸水工艺，此方法可以将混凝土中富裕的水分和空气一并吸出.这样既提高了混凝土强度又可控制混凝土表面的网裂病害。

（二)、贯穿裂缝水泥混凝土路面贯穿裂缝为贯穿板全厚度的横向裂缝、纵向裂缝、交叉裂缝和板交裂缝.1、横向裂缝垂直与行车方向的不规则裂缝称为横向裂缝,导致水泥混凝土路面出现横向裂缝的原因较多，其主要原因有以下三方面。

农村公路水泥混凝土路面结构计算与分析农村公路的水泥混凝土路面结构设计和分析是确保农村公路的承载能力和耐久性的重要环节。

在进行路面结构计算和分析时，需考虑交通量、车辆类型、气候条件、地质条件等多个因素，并根据实际情况进行合理的设计。

下面将详细介绍水泥混凝土路面结构的计算和分析方法。

水泥混凝土路面结构通常由多层结构组成，包括基层、底基层、底面层和面层。

基层一般采用黏土、砂土等材料，底基层采用砾石或砂石料，底面层采用碎石。

在进行计算和分析时，首先需确定路面的可承受车辆荷载。

根据农村公路的交通量和车辆类型，可以确定设计车辆荷载。

常用的设计车辆荷载有ESAL（等效单轴集中荷载）和EAL（等效轴重）。

ESAL是以标准轴重为基础，根据交通量和车辆类型计算得到的等效单轴集中荷载。

EAL是以标准轴重为基础，根据轴数和轴距计算得到的等效轴重。

然后需要进行路面结构的厚度计算。

根据设计车辆荷载和材料特性，可以通过结构设计方法计算出每个结构层的厚度。

常用的计算方法有SN （结构系数）法和美国AASHTO法。

SN法根据路面结构层的材料特性、路面结构层数和设计车辆荷载，结合结构层之间的相互作用，计算出每个结构层的最佳厚度。

AASHTO法根据路面结构层的材料强度、设计车辆荷载和自然环境等条件，以最小化经济投资和最大化使用寿命为目标，确定每个结构层的厚度。

完成厚度计算后，还需进行路面结构的应力分析。

应力分析是评估路面结构的承载能力和稳定性的关键步骤。

通过应力分析，可以确定各个结构层的应力情况，以及各层之间的剪应力和压应力。

常用的应力分析方法有计算机模拟分析和试验方法。

计算机模拟分析是通过建立数学模型和应力分析软件，模拟车辆荷载对路面结构的作用，计算出各个结构层的应力情况。

试验方法是在实际路面上进行荷载试验，通过检测路面应变情况，计算出路面结构的应力分布。

最后，还需考虑路面结构的耐久性和防水性能。

水泥混凝土路面结构在使用过程中，会受到车辆荷载、温度变化和水分侵害等影响，因此需要进行耐久性和防水性能的评估。

水泥混凝土路面路基的应力水平摘要：公路是重要的交通运输基础设施，水泥混凝土路面是较为高级的公路类型，最初出现于欧洲，在我国也得到了较为广泛的应用，由于目前我国部分地区交通运输方面的压力总体增大，水泥混凝土公路路面出现了一些问题，为求深入了解原因和探寻对策，了解水泥混凝土路面路基的应力水平十分必要。

关键词：水泥混凝土路面；路基应力水平；问题前言：水泥混凝土路面也被称为混凝土路面，是指以水泥混凝土为主要材料做面层的路面。

由于其刚度强于沥青、砂砾等常见路面，也被称为刚性路面，在我国，水泥混凝土路面十分常见，了解其一些基本内容，包括路面路基应力水平等，有利于解决路基方面的问题，使其得到更好的应用。

1、探究水泥混凝土路面路基应力水平的必要性随着我国经济不断发展，公路工程建设非常频繁，2016年末全国公路总里程已经超过450万公里，这既是时代发展的结果，也是社会建设的客观需求，水泥混凝土路面的刚度较强、结合度高，其荷载能力和荷载扩散能力均是较好的，通常情况下，传到路基顶面的荷载应力也不大，但需要注意的是，部分路段交通繁忙，公路运输压力大，且超载现象时有发生，当路面局部范围的承重能力不足以承载路面所受压力时，会造成路面轻微塌陷、裂缝等问题，轻微的塌陷和裂缝又会严重影响路面的整体结合度、刚度和荷载扩散能力，在之后的运输工作中被进一步扩大，造成路面严重受损，甚至引发事故[1]。

2、通过三维有限元模型进行实验2.1材料模型通常来说，水泥混凝土路面建设所需材料包括水泥混凝土、级配粒料、稳定类材料等，这是由于水泥混凝土路面一般是多层结构体系。

考虑到所有材料均具备类似的力学特征，也即影响路面应力水平的弹性性质，实验中各结构层材料均采用线弹性模型。

2.2荷载模型荷载模型是指用于实验的压力模型，本文主要以卡车为例进行实验，通常来说，车辆有单轴单轮型，单轴双轮型、双轮双轴型和三轴双轮型这四种主要类型，载重卡车双轮中心轮距的变化通常不会超过25-34cm的范围，轮距通常在165-186cm范围之间，轴距则一般为112-140cm，考虑到我国路面结构厚度设计的标准轴载为单轴双轮100kN，单轴单轮的荷载形式不在实验范围内[2]。

路面设计说明4.1、主要技术指标车行道：双车道面层类型：水泥混凝土路面自然区划：本路段经过地区属中华人民共和国自然区划V2区设计标准轴载：双轮组单轴IOOkN横坡：时单向坡4.2、路面结构设计水泥险路面面层：水泥混凝土路面，厚度20cm。

调平层：级配碎石调平层，厚度4cm底基层：手摆片石，厚度16CIDO水泥混凝土路面设计基准期10年，设计基准期内车道所承受的标准轴载BZZ-IOO,累计作用次数为950932次，为中交通等级，基层顶面当量回弹模量146. 2MPa,变异水平等级为中级，可靠度系数为L 06。

基层顶面竣工验收弯沉值LS= 100.0 （0. Olnun）土基顶面竣工验收弯沉值LS= 310.0 （0. Olmm）水泥混凝土设计抗弯（折）拉强度为4. 5Mpa （抗压强度不小于30Mpa）,混凝土弯拉模量29GPa.水泥稳定粒料回弹模量为1500 MPa,新建路基30 Mpa o4.3、水泥混凝土面层组成设计设计以荷载应力和温度应力产生综合疲劳损坏作为设计标准，以纵缝边缘中部作为临界荷位，综合疲劳应力不高于水泥混凝土板的弯拉强度作为控制指标，对路面厚度进行了计算。

中湿段的路面总厚度不小于水泥混凝土路面的防冻最小厚度。

单车道路面混凝土基本板块尺寸为4.5mX4.5m （长X宽）。

水泥混凝土板厚均为20厘米，设计弯拉强度不小于4. 5MPa,路面面层弯拉弹性模量为Ec=29GPa,要求使用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥和道路硅酸盐水泥，水泥标号为42.5号，所用石料必须满足有关规范对石料强度指标的技术要求，砂的细度模数宜在2. 0-3. 5之间。

路面的抗滑以构造深度不低于0.6mm,混凝土水灰比不大于0. 46,掺用的外加剂应经配合比试验应符合要求后方可使用。

假缝上部的槽口用切缝机进行切割。

构造物横穿公路时，构造物顶面至板底距离小于120Cm时，其顶面及两侧各6m 范围内的混凝土面板采用钢筋网补强。

水泥混凝土路面温度应力的计算与分析近年来，随着城市化进程的加速和交通运输的不断发展，水泥混凝土路面的应用范围越来越广泛。

在使用过程中，路面温度的变化不仅会影响路面的性能和寿命，还会导致路面产生应力，进而影响路面的稳定性和安全性。

因此，对水泥混凝土路面温度应力进行计算和分析具有重要意义。

一、水泥混凝土路面温度应力的影响因素水泥混凝土路面温度应力的大小受到多个因素的影响，主要包括以下几个方面：1.路面厚度：路面厚度是影响路面温度应力的重要因素，厚度越大，路面承受的应力就越小。

2.水泥混凝土的强度：水泥混凝土的强度直接影响路面的承载能力，强度越高，路面承受的应力就越大。

3.路面温度：路面温度是影响路面温度应力的主要因素，温度升高会导致路面产生膨胀应力，降温会导致路面产生收缩应力。

4.材料的热物性质：材料的热物性质是影响路面温度应力的重要因素，包括热导率、热容和热膨胀系数等。

二、水泥混凝土路面温度应力的计算方法水泥混凝土路面温度应力的计算方法主要包括两种：经验公式法和有限元法。

1.经验公式法经验公式法是通过经验公式计算出路面的热应变和温度应力，其计算公式为：ε = αΔTσ = Eε其中，ε为路面的热应变，α为路面的热膨胀系数，ΔT为路面的温度变化量；σ为路面的温度应力，E为路面的弹性模量。

2.有限元法有限元法是通过建立数学模型，采用数值计算方法对路面温度应力进行计算。

该方法可以考虑路面的复杂结构和材料特性，计算结果更为精确。

其计算过程主要包括以下几个步骤：（1）建立数学模型：根据路面的实际情况，建立数学模型，包括路面的几何形状和材料特性等。

（2）划分网格：将路面划分成有限个小单元，每个小单元称为单元网格。

（3）确定边界条件：确定路面的边界条件，包括路面的温度边界和约束边界等。

（4）求解方程：根据路面的初始温度和边界条件，求解热传导方程和力学方程，得到路面的温度分布和应力分布。

（5）分析结果：根据计算结果，分析路面的温度应力分布情况，评估路面的稳定性和安全性。

附录B 混凝土板应力分析及厚度计算B.1 力学模型B.1.1 按基层与面层类型和组合的不同，路面结构分析分别采用下述力学模型：1 弹性地基单层板模型——在旧沥青路面、粒料基层或基岩上铺筑水泥混凝土面层，面层视为单层板，面层以下部分按弹性地基处理。

2 弹性地基双层板模型——在无机结合料类基层、沥青类基层、旧混凝土路面（作为基层）上铺筑水泥混凝土面层，面层和基层视为双层板，当底基层为刚性或半刚性材料时则并入基层板，为粒料时则归入弹性地基。

3 复合板模型——由两种不同性能材料通过层间粘结组成的面层或基层，如果仅有面层则视为单层板，如果有面层和基层则视为双层板，面层或基层以下部分按弹性地基处理。

B.1.2 混凝土面层板的临界荷位位于纵缝边缘中部。

基层板的临界荷位与面层板的相同。

B.2 路面结构的荷载应力B.2.1 设计轴载在临界荷位处产生的路面结构荷载疲劳应力应按式（B.2.1）确定。

..i pr r f c i ps k k k σσ= (B.2.1)式中：σi.pr ——设计轴载在面层板临界荷位处产生的面层板(i=c )、基层板(i=b )荷载疲劳应力（MPa ）；σi.ps ——设计轴载在四边自由板临界荷位处产生的面层板(i=c )、基层板(i=b )荷载应力(MPa)，按B.2.2条确定；k r ——考虑接缝传荷、基层超宽和荷载内移等效应的应力折减系数，混凝土路肩时，k r =0.85~0.90（路肩面层与路面面层等厚时取低值，减薄时取高值），柔性路肩或土路肩时，k r = 0.95；若路肩侧有永久性的防撞隔离带可保证轮迹距纵缝0.20m 以上时，k r =0.80。

k f ——考虑设计使用期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按B.2.4条确定；k c ——考虑计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数，按公路等级查表B.2.1确定。

表B.2.1 综合系数k c公路等级 高速公路一级公路 二级公路 三、四级公路 c k1.10 1.05 1.00 0.95B.2.2 设计轴载在四边自由板临界荷位处产生的面层板和基层板的荷载应力σc.p s 、σb.p s 可按式(B.2.2-1)计算。

水泥混凝土路面温度应力的计算与分析水泥混凝土路面的温度应力是路面施工和使用过程中需要考虑的一个重要问题，它对路面的稳定性和耐久性有着直接的影响。

在本篇文章中，我将详细介绍水泥混凝土路面温度应力的计算与分析方法，并分享我的观点和理解。

一、温度应力的原因与表现水泥混凝土路面温度应力主要由两个原因引起：温度变化和限制条件。

当路面受到温度变化的作用时，水泥混凝土路面会产生热胀冷缩效应，从而产生内部的温度应力。

路面的几何限制条件（如交通荷载、边界约束等）也会导致温度应力的产生。

这些温度应力在路面表面的表现形式是裂缝和变形。

由于水泥混凝土的有限的抗拉强度，温度引起的应力超过其抗拉强度时，路面就会产生裂缝。

由于温度应力的作用，路面可能会出现变形现象，如变形、凸起等。

二、温度应力的计算与分析方法下面我将介绍两种常用的水泥混凝土路面温度应力的计算与分析方法。

1. 数值模拟方法数值模拟方法是目前常用的一种计算水泥混凝土路面温度应力的方法。

它基于有限元原理，通过将路面划分为小的单元，对每个单元进行温度场和应力场的计算，最后通过求解大量单元的方程组得到整体的温度应力分布。

数值模拟方法的优点在于能够考虑复杂的边界条件和材料性能，并且计算结果准确可靠。

然而，该方法需要较为复杂的数值计算技术，对计算机硬件和软件要求较高，而且计算过程较为繁琐。

2. 经验公式方法经验公式方法是另一种计算水泥混凝土路面温度应力的方法。

该方法基于已有的实测数据和经验公式，通过简化计算过程，得到大致的温度应力估计值。

这种方法的优点是简单易行，不需要复杂的计算过程和专业的数值模拟技术。

然而，由于经验公式方法忽略了一些影响因素和细节，因此计算结果可能不够精确。

该方法更适用于一般性的工程设计和初步评估。

三、个人观点与理解在我看来，水泥混凝土路面温度应力的计算与分析是确保路面稳定性和耐久性的重要环节。

准确地计算和分析温度应力，不仅可以指导工程设计和施工过程，还可以为路面维护和养护提供依据。

重载交通水泥混凝土路面结构设计发表时间：2017-08-09T14:55:51.170Z 来源：《基层建设》2016年26期作者：舒广志[导读] 摘要: 重载交通现象是世界范围内普遍存在的问题,已成为影响路面使用性能和缩短路面使用寿命的重要因素之一。

中铁（石家庄）设计研究院有限公司摘要: 重载交通现象是世界范围内普遍存在的问题,已成为影响路面使用性能和缩短路面使用寿命的重要因素之一。

在重载交通下路面如何实现长寿命是路面结构研究的一种发展方向。

基于此，本文提出了一种适用于重载交通下混凝土道路结构，介绍重载路面结构的构造以及对其进行有限元分析，并通过实际应用表明，其效果良好。

关键词:重载路面；有限元；计算；设计引言随着社会经济的发展及汽车工业技术的提高，交通量快速增长，车辆轴载也在不断增加。

超、重载交通对道路路面的正常使用具有很大影响，是道路路面使用初期产生严重破坏的主要原因，也影响着交通安全和道路使用者交通出行环境。

因此，在重载交通下，一方面要持续加强交通管理、严控超载运输，同时有必要深入研究合适的路面结构设计，以适应重载交通运输要求。

1 重载路面结构的构造本文提出的道路重载交通路面结构，主要构造为:自上而下包括面层(30cm)、基层(45cm)、垫层(25cm)和路床。

(1)面层。

由多块混凝土现浇的行车道板组成，每块行车道板在道路纵向上的长度为4～6m，在道路横向的上宽度为4～5m。

分别在道路纵向、横向上的行车道板间设纵缝、横缝。

图1 道路立面及平面(单位:cm)行车道板划分为行驶区域(承受行驶车辆车轮压力的区域)和禁行区域(不允许行驶车辆车轮驶入的区域)。

在行驶区域下方增设抗弯钢筋和架立钢筋及箍筋；禁行区域按照常规进行配筋(见图2之N16、N17钢筋布置示意)。

图2 面层设计(单位:cm)行驶区域主要的配筋方案为:①抗弯钢筋(N10)。

抗弯钢筋布置于行驶区域轮载作用下的受拉区。

其横向间距12.5cm，钢筋直径根据受力计算选取，一般取值范围为16～25mm。