矽磚

[拼音]：gangxing lumian sheji

[英文]：rigid pavement design

即水泥混凝土路面設計，路面設計的分支之一，包括結構設計和材料組成設計。結構設計系根據交通荷載的使用要求，當地的自然環境（溫度、溼度、土質和水文）條件和路面本身的工作特性，確定：

（1）路基的處理方案；

（2）墊層和基層等結構層次的選擇和組合；

（3）混凝土面層的厚度；

（4）板的平面尺寸，接縫的佈置和構造；

（5）配筋。材料組成設計則是根據混凝土面層的工作環境和耐疲勞、耐磨、耐凍等使用要求，選擇混合料的組成材料並設計配合比。

簡史

混凝土面層板厚度的計算公式，最早是由美國C.奧爾德根據1920～1921年在貝茨試驗路上的研究結果提出。1925年，美國H.M.S.韋斯特加德採用溫克勒地基假設，從理論上推匯出混凝土面層板在板中部、板邊緣中部和板角隅三種輪載位置情況下的撓度和應力計算公式。這些公式經過阿林頓試驗路的驗證和修正後，得到廣泛應用，目前，仍被大部分國家用作計算荷載應力和確定板厚的依據。1938年美國A.H.A.霍格、1939年蘇聯Ο.Я.舍赫捷爾，採用半無限地基上板的模式，分別匯出計算無限大板撓度和應力的公式，它們為蘇聯和中國等國家所採用。70年代起，美國和中國等一些國家採用有限元法分析矩形面層板的撓度和應力，並編制出實用的計算機程式。

決定混凝土面層板平面尺寸的溫度翹曲應力計算公式，也是由韋斯特加德在1927年提出的，並一直沿用至今。

設計方法

混凝土路面結構設計的方法門類繁多，但基本上可分為經驗法和理論法兩大類。

經驗法

以修建足尺試驗路並對其使用效果進行長期觀測為基礎，通過迴歸分析建立路面結構、荷載（軸載大小和軸數）和路面使用效能（或疲勞損壞狀況）之間的統計關係；利用這個關係制訂出設計曲線，據此，按設計使用年限內預計通過的軸載數和路面體系的結構效能，可確定面層結構所需的厚度。典型的經驗設計方法有美國各州公路工作者協會(AASHO)的暫行方法等。

AASHO暫行方法系根據 1956年在加拿大渥太華附近修建，並於1958～1960年進行系統觀測的試驗路測定結果制訂而成。試驗路採用一種“現時耐用性指數”（縮稱 PSI，見路面質量評定）的指標表徵路面的使用效能，它是路面縱向平整度、裂縫長度和修補面積的函式。根據測定結果，建立起路面結構和麵層厚度、軸載大小和重複次數同PSI之間的迴歸關係式，以及不同軸載達到相同 PSI時的軸載等效換算關係式。此方法規定路面的設計使用年限為20年，屆期以80千牛（18千磅）的單軸標準軸載下路面的 PSI達到2.5（幹線道路）或2.0（非幹線道路）為臨界標準。各級軸載的設計交通量，按軸載換算公式換算成標準軸載，並按使用年限推算出總作用次數，由此總作用次數和所選定的路面結構，查諾模圖可確定混凝土面層所需的厚度。

經驗法的適用範圍受到試驗路的自然、荷載和路面結構等條件的限制；同時，迴歸統計關係的建立也既費時又耗資巨大。

理論法

也稱解析法。以結構分析為基礎，應用力學方法分析路面結構在荷載作用下產生的應力和位移，按應力不超過材料所能提供的疲勞強度確定路面所需的結構強度和尺寸。美國波特蘭水泥協會 (PCA)法，蘇聯法、日本法、中國法等，都屬這類設計方法。

中國法以混凝土的疲勞開裂作為設計的臨界狀態，規定路面的設計使用年限為20～40年。通過交通調查得到軸載譜，轉換成標準軸載(例如100千牛)的作用次數後即可預估出使用年限內標準軸載的累計作用次數。採用半無限地基上板的力學模式，以橫縫邊緣中部或板中部作為最不利的荷載位置。標準軸載在該處產生應力，由按照有限元法計算結果繪製的應力計算圖（見圖）查取。而後根據混凝土的抗彎拉強度和疲勞方程，確定面層所需的厚度。

理論法目前存在的主要不足是在應力分析（如溫度和溼度引起的應力等）、設計引數（如軸載譜等）和混凝土的疲勞規律等方面尚有許多不確定性，設計方法尚有待進一步完善。