適用于倒裝基層水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于倒裝基層水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法，包括以下步驟：計算板底地基綜合當(dāng)量回彈模量；計算倒裝基層的等效彎曲剛度和等效厚度；利用等效彎曲剛度和等效厚度的計算結(jié)果并按彈性地基雙層板模型計算荷載應(yīng)力、荷載疲勞應(yīng)力、層間接觸狀況參數(shù)、豎向接觸剛度、最大溫度應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力等；進行結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核，以不產(chǎn)生極限斷裂作為驗算標(biāo)準(zhǔn)，確定擬定的倒裝基層水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)層厚度是否滿足要求。本發(fā)明能有效避免倒裝基層水泥混凝土路面因結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計不合理而產(chǎn)生不必要的浪費和出現(xiàn)早期損壞嚴重的問題，有良好的社會與經(jīng)濟效益。
【專利說明】
適用于倒裝基層水泥混凝±路面的結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于道路工程技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種適用于倒裝基層水泥混凝±路面的結(jié)構(gòu) 層厚度設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在我國水泥混凝±路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用過程中，交通荷載等級為極重或特重的情況較 為常見，根據(jù)現(xiàn)行《公路水泥混凝±路面設(shè)計規(guī)范JTGD40-2011KW下簡稱規(guī)范），交通荷載 等級為極重或特重時基層類型只能為貧混凝±、娠壓混凝±、漸青混凝±，規(guī)范還要求應(yīng)在 貧混凝±或娠壓混凝±基層與水泥混凝±面層之間鋪設(shè)層厚不宜小于0.04m的漸青混凝± 夾層。漸青混凝±既然能夠與貧混凝±、娠壓混凝±-樣可W作為極重或特重交通的基層 材料，在貧混凝±或娠壓混凝±基層與水泥混凝±面層之間鋪設(shè)漸青混凝±時為什么又只 看作夾層材料，且計算荷載應(yīng)力時忽略它的作用呢，顯然有些矛盾。如果說漸青混凝±鋪設(shè) 在貧混凝±或娠壓混凝±基層與水泥混凝±面層之間時厚度較小，計算時荷載應(yīng)力時忽略 它的作用可W理解，那么漸青混凝上厚度較大時呢，實際工程應(yīng)用中，常用的漸青混凝上一 般為4013、4(：-20、4(：-25，對應(yīng)的適宜厚度分別為0.04111、0.06111、0.08111，或鋪筑兩層時厚度 為運幾種適宜厚度的組合，也就是說除了規(guī)范所述0.04m的漸青混凝±夾層，漸青混凝±層 的厚度一般不小于0.06m，而漸青混凝±本身有一定的承載能力，且造價相對較高，如設(shè)置 了 0.06m仍然只作夾層處理而不考慮它的承載能力，顯然不夠科學(xué)也與實際情況不符，還會 造成很大的浪費，所W，漸青混凝±層厚度為0.04m時按夾層處理，大于等于0.06m時應(yīng)該按 結(jié)構(gòu)層來處理。實際上考慮到漸青混凝±有優(yōu)良的抗沖刷能力和釋放混凝±板溫度應(yīng)力的 作用，作為基層材料鋪設(shè)在貧混凝±或娠壓混凝±基層與水泥混凝±面層之間是可W考慮 的，運樣就形成了柔性上基層與剛性下基層組成的倒裝基層結(jié)構(gòu)。
[0003] 根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，交通荷載等級為重時基層類型可采用密級配漸青穩(wěn)定碎石，密級 配漸青穩(wěn)定碎石的適宜厚度一般不小于0.08m，密級配漸青穩(wěn)定碎石也有良好的抗沖刷能 力和釋放混凝±板溫度應(yīng)力的作用，如承載力不夠，可考慮在密級配漸青穩(wěn)定碎石基層下 設(shè)置水泥穩(wěn)定碎石，運樣就形成了柔性上基層與半剛性下基層組成的倒裝基層結(jié)構(gòu)。
[0004] 現(xiàn)行規(guī)范中無柔性上基層與剛性或半剛性下基層組成的倒裝基層水泥混凝±路 面的結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法，整個路面結(jié)構(gòu)選擇何種力學(xué)模型W及倒裝基層采用何種力學(xué)模 型進行處理困擾著道路工作者，尤其是漸青混凝±上基層厚度大于等于0.06m時倒裝基層 的力學(xué)模型，可供參考的只有復(fù)合板模型，但復(fù)合板模型主要是針對上基層與下基層材料 性質(zhì)相近且均可按薄板來處理的情況，如上基層和下基層均為剛性材料或均為無機結(jié)合料 穩(wěn)定類材料。對于柔性上基層與剛性或半剛性下基層組成的倒裝基層，剛性下基層一般采 用貧混凝±或娠壓混凝±，還需計算倒裝基層的荷載疲勞應(yīng)力，計算中需要用到倒裝基層 的厚度。因剛性下基層的彈性模量是柔性上基層的幾十倍，倒裝基層按復(fù)合板處理后，厚度 如由上基層和下基層直接相加，則過于保守且不夠科學(xué)；如直接取剛性下基層的厚度再按 名義應(yīng)力進換算，換算后荷載應(yīng)力仍然偏大。對柔性上基層與半剛性下基層組成的倒裝基 層結(jié)構(gòu)，也存在上述類似問題，且在計算溫度應(yīng)力時需用到豎向接觸剛度，而豎向接觸剛度 的計算需用到倒裝基層的厚度，因上下基層的材料性質(zhì)相差較大，如柔性上基層的厚度和 半剛性下基層的厚度直接相加，顯然不夠科學(xué)合理。
[0005] 所W，有必要研發(fā)一種適用于倒裝基層水泥混凝±路面的結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法， 有效解決現(xiàn)行規(guī)范中無柔性上基層與剛性或半剛性下基層組成的倒裝基層水泥混凝±路 面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法的問題，W及在參照其他方法進行設(shè)計時不夠科學(xué)合理且過于保守 而造成不必要浪費的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是研發(fā)一種倒裝基層水泥混凝±路面的結(jié)構(gòu)層厚度 設(shè)計方法，可解決現(xiàn)行規(guī)范中無柔性上基層與剛性或半剛性下基層組成的倒裝基層水泥混 凝±路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法的問題，W及有效解決在參照其他方法進行設(shè)計時不夠科學(xué) 合理且過于保守的問題。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的一種適用于倒裝基層水泥混凝±路面的 結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法，其技術(shù)方案實施步驟如下：
[0008] (1)計算板底地基綜合當(dāng)量回彈模量Et
[0009] 根據(jù)路基±的回彈模量及路床頂距地下水位的距離確定路床頂綜合回彈模量Eo, 再根據(jù)粒料層的彈性模量Ea和厚度ha確定板底地基綜合當(dāng)量回彈模量Eb,計算板底地基綜 合當(dāng)量回彈模量Et:
[0010]
[0011] a = 0.86+0.261n(ha)
[0012] (2)計算倒裝基層的等效彎曲剛度和等效厚度
[0013] 根據(jù)漸青混凝±或密級配漸青穩(wěn)定碎石上基層的彈性模量Ei及厚度hi化 0.06m)、剛性或半剛性下基層的彈性模量E2及厚度h2，按加權(quán)平方和的方法計算倒裝基層的 當(dāng)量回彈模量Ex:
[0014]
[0015] 把倒裝基層作為整體考慮，倒裝基層的等效彎曲剛度Dx為：
[0016] Dx=Di+D2
[0017] 其中：Di、化分別為漸青混凝±或密級配漸青穩(wěn)定碎石上基層和剛性或半剛性下基 層的彎I
[001 引
[0019]
[0020] 式中：Vx倒裝基層的泊松比，近似取為剛性或半剛性下基層的泊松比V2，hx為倒裝
[0021] 基層的等效厚度，可得：
[0022]
[0023]
[0024] (3)計算荷載應(yīng)力
[002引根據(jù)水泥混凝±面層板的彈性模量Ec、厚度he、泊松比V。，計算面層板的彎曲剛度 Dc:
[0026]
[0027] Ij度半徑
[002引
[0029] 按彈性地基雙層板模型計算標(biāo)準(zhǔn)軸載lOOkN、最重軸載Pm(根據(jù)調(diào)查得出）在臨界 荷位處的荷載應(yīng)力Ops、曰pm:
[0030]
[0031]
[0032] 當(dāng)?shù)寡b基層為漸青混凝±上基層與剛性下基層組成時，需計算倒裝基層在臨界荷 位處的荷載應(yīng)力曰bps:
[0033]
[0034] (4)其他計算與設(shè)計內(nèi)容
[0035] 按彈性地基雙層板模型，計算面層板的荷載疲勞應(yīng)力、最重軸載Pm產(chǎn)生的最大荷 載應(yīng)力，當(dāng)?shù)寡b基層為漸青混凝±上基層與剛性下基層組成時，還需計算倒裝基層的荷載 疲勞應(yīng)力，W及面層板的最大溫度應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力，計算過程中層間接觸狀況參數(shù)re 計算如下，
[0036]
[0037]式中：kn為豎向接觸剛度，當(dāng)?shù)寡b基層為漸青混凝±上基層與剛性下基層組成時， kn取3000MPa/m;當(dāng)?shù)寡b基層為密級配漸青穩(wěn)定碎石上基層和半剛性下基層組成時：
[00；3 引
[0039] 根據(jù)可靠度系數(shù)和面層板的荷載疲勞應(yīng)力、溫度疲勞應(yīng)力、最大荷載應(yīng)力、最大溫 度應(yīng)力的計算結(jié)果，當(dāng)?shù)寡b基層為漸青混凝±上基層與剛性下基層組成時，還需根據(jù)倒裝 基層的荷載疲勞應(yīng)力，進行結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核，W不產(chǎn)生極限斷裂作為驗算標(biāo)準(zhǔn)，確定擬定 的倒裝基層水泥混凝±路面的結(jié)構(gòu)層厚度是否滿足要求，如不滿足要求則重復(fù)上述過程， 直至結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核通過。
[0040] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0041] 本發(fā)明提供一種適用于倒裝基層水泥混凝±路面的結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法，可解決 現(xiàn)行規(guī)范中無柔性上基層與剛性或半剛性下基層組成的倒裝基層水泥混凝±路面結(jié)構(gòu)層 厚度設(shè)計方法的問題，是對現(xiàn)行規(guī)范的有益補充，W及有效解決在參照其他方法進行設(shè)計 時不夠科學(xué)合理且過于保守的問題。在現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計方法中，對于倒裝基層的處理可供 參考的只有復(fù)合板模型，但復(fù)合板模型主要是針對基層與底基層材料性質(zhì)相近且均可按薄 板來處理的情況，如上基層和下基層均為剛性材料或均為無機結(jié)合料穩(wěn)定類材料。對于柔 性上基層與剛性或半剛性下基層組成的倒裝基層，剛性下基層一般采用貧混凝±或娠壓混 凝±，還需計算倒裝基層的荷載疲勞應(yīng)力，計算中需要用到倒裝基層的厚度。因剛性下基層 的彈性模量是柔性上基層的幾十倍，而倒裝基層按復(fù)合板處理后，厚度如由上基層和下基 層直接相加，則過于保守且不夠科學(xué);如直接取剛性基層的厚度再按名義應(yīng)力進換算，換算 后荷載應(yīng)力仍然偏大。本發(fā)明分柔性上基層與剛性下基層和柔性上基層與半剛性下基層兩 種情況，解決了倒裝基層水泥混凝上路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計中存在的問題，能有效避免倒裝 基層水泥混凝±路面因結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計不合理而產(chǎn)生不必要的浪費和出現(xiàn)早期損壞嚴重 的問題，有良好的社會與經(jīng)濟效益。
[0042] 2016年的《政府工作報告沖提出，我國在"十立五"期間將加強基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，"十 =五"期間新建和改建高速公路通車里程約3萬公里，本發(fā)明設(shè)及的路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方 法的應(yīng)用前景廣闊，潛在的社會與經(jīng)濟效益顯著。
【具體實施方式】
[0043] 為了更好地理解本發(fā)明，W下將結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，所 描述的實施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案，并不用W限制本發(fā)明。
[0044] 實施例1
[0045] 某高速公路水泥混凝±路面建設(shè)基準(zhǔn)期為=十年的目標(biāo)可靠度為95%，安全等級 為一級。擬定路面結(jié)構(gòu)形式為:普通混凝上面層(彈性模量E。、厚度h。、泊松比V。，彎拉強度標(biāo) 準(zhǔn)值為fr)+漸青混凝上上基層(彈性模量El、厚度hi, hi>0.06m、泊松比Vi)+娠壓混凝±下基 層(彈性模量E2、厚度h2、泊松比V2,彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為frl)+級配碎石粒料層(彈性模量Ea、厚 度ha)。
[0046] 根據(jù)路基±的回彈模量及路床頂距地下水位的距離確定路床頂綜合回彈模量Eo, 再根據(jù)粒料層的彈性模量Ea和厚度ha確定板底地基綜合當(dāng)量回彈模量Eb,計算板底地基綜 合當(dāng)量回彈模量Et:
[0047]
[004引 Q = O.86+0.261n(ha)
[0049]根據(jù)漸青混凝±上基層的彈性模量Ei及厚度hi、娠壓混凝±下基層的彈性模量E2 及厚度h2,按加權(quán)平方和的方法計算倒裝基層的當(dāng)量回彈模量Ex:
[(K)加]
[0051 ]倒裝基層的等效彎曲剛度Dx為：
[0化2] Dx=Di+D2
[0053]其中：化、化分別為漸青混凝±上基層和娠壓混凝±下基層的彎曲剛度，
[0化4]再由：
，倒裝基層的泊松比Vx,近似取為娠壓混凝±基層的泊松比 V2,可得：
[0化5]
[0化6]
[0057]根據(jù)水泥混凝±面層板的彈性模量E。、厚度h。、泊松比V。，計算面層板的彎曲剛度 Dc:
[0化引
[0059] 則度半徑
[0060]
[0061] 按彈性地基雙層板模型計算標(biāo)準(zhǔn)軸載lOOkN、最重軸載Pm(根據(jù)調(diào)查得出）在臨界 荷位處的荷載應(yīng)力Ops、曰pm:
[0062]
f \
[0063]
[0064] Obps:
[00 化]
[0066] 按彈性地基雙層板力學(xué)模型，計算面層板的荷載疲勞應(yīng)力(V、最重軸載Pm產(chǎn)生的 最大何載應(yīng)力Op,max、倒裝基層何載疲巧應(yīng)力Obpr ,面層板的最大溫度應(yīng)力Ot,max和溫度疲巧 應(yīng)力Otr,計算過程中層間接觸狀況參數(shù)re計算如下：
[0067]
[006引式中：kn為豎向接觸剛度，取3000MPa/m。
[0069] 根據(jù)面層板的荷載疲勞應(yīng)力(V、溫度疲勞應(yīng)力Otr、最大荷載應(yīng)力Op,max、最大溫度 應(yīng)力Ot,max的計算結(jié)果，W及倒裝基層荷載疲勞應(yīng)力Obpr的計算結(jié)果和可靠度系數(shù)丫。進行 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核，W不產(chǎn)生極限斷裂作為驗算標(biāo)準(zhǔn)：丫丫（〇pr+〇tr)《fr、丫丫（〇p,max+〇t,max) > y Y X Obpr^frlo
[0070] 確定擬定的倒裝基層水泥混凝±路面的結(jié)構(gòu)層厚度是否滿足要求，如不滿足要求 則重復(fù)上述過程，直至結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核通過。
[0071] 實施例2
[0072] 某高速公路水泥混凝±路面建設(shè)基準(zhǔn)期為=十年的目標(biāo)可靠度為95%，安全等級 為一級。擬定路面結(jié)構(gòu)形式為:普通混凝上面層(彈性模量E。、厚度h。、泊松比V。，彎拉強度標(biāo) 準(zhǔn)值為fr)+密級配漸青穩(wěn)定碎石上基層(彈性模量El、厚度hi、泊松比Vl)+水泥穩(wěn)定碎石下 基層(彈性模量E2、厚度h2、泊松比V2)+級配碎石粒料層(彈性模量Ea、厚度ha)。
[0073] 根據(jù)路基±的回彈模量及路床頂距地下水位的距離確定路床頂綜合回彈模量Eo， 再根據(jù)粒料層的彈性模量Ea和厚度ha確定板底地基綜合當(dāng)量回彈模量Eb,計算板底地基綜 合當(dāng)量回彈模量Et:
[0074]
[0075]
[0076] 根據(jù)密級配漸青穩(wěn)定碎石上基層的彈性模量Ei及厚度hi、水泥穩(wěn)定碎石下基層的 彈性模量E2及厚度h2,按加權(quán)平方和的方法計算倒裝基層的當(dāng)量回彈模量Ex:
[0077]
[0078] 倒裝基層的等效彎曲剛度Dx為：
[0079] Dx=Di+D2
[0080] 其中：Di、化分別為密級配漸青穩(wěn)定碎石上基層和水泥穩(wěn)定碎石下基層的彎曲剛 度：
[0081] 再由：
倒裝基層的泊松比Vx,近似取為水泥穩(wěn)定碎石基層的泊松 比V2,可得：
[0082]
[0083]
[0084] 根據(jù)水泥混凝±面層板的彈性模量E。、厚度h。、泊松比V。，計算面層板的彎曲剛度 Dc:
[0085]
[0086] 叫度半徑
[0087]
[008引巧巧巧地基誠后恢候型計算標(biāo)準(zhǔn)軸載lOOkN、最重軸載Pm(根據(jù)調(diào)查得出）在臨界 荷位處的荷載應(yīng)力Ops、曰pm:
[0089]
[0090]
[0091] 按彈性地基雙層板力學(xué)模型，計算面層板的荷載疲勞應(yīng)力(V、最重軸載Pm產(chǎn)生的 最大何載應(yīng)力〇P,max、面層板的最大溫度應(yīng)力〇t,max和溫度疲巧應(yīng)力Otr ,計算過程中層間接觸 狀況參數(shù)re計算如下：
[0092]
[0093] C如下公式進行計算：
[0094]
[00M]根據(jù)面層板的荷載疲勞應(yīng)力(V、溫度疲勞應(yīng)力Otr、最大荷載應(yīng)力Op,max、最大溫度 應(yīng)力〇t,max的計算結(jié)果，W及可靠度系數(shù)丫 r，進行結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核，W不產(chǎn)生極限斷裂作 為驗算標(biāo)準(zhǔn)：y Y(曰pr+曰tr)^fr、y Y( 〇p,max+〇t,max)《fr。
[0096]確定擬定的倒裝基層水泥混凝±路面的結(jié)構(gòu)層厚度是否滿足要求，如不滿足要求 則重復(fù)上述過程，直至結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核通過。
【主權(quán)項】
1. 一種適用于倒裝基層水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計方法，其特征在于，包括以 下步驟： (1) 計算板底地基綜合當(dāng)量回彈模量Et (2) 計算倒裝基層的等效彎曲剛度和等效厚度 根據(jù)瀝青混凝土或密級配瀝青穩(wěn)定碎石上基層的彈性模量Ei及厚度hi(hiX). 06m)、剛 性或半剛性下基層的彈性模量E2及厚度h2,按加權(quán)平方和的方法計算倒裝基層的當(dāng)量回彈 樟量R Y:(3) 計算荷載應(yīng)力 根據(jù)水泥混凝土面層板的彈性模量Ec、厚度hc、泊松比V。，計算面層板的彎曲剛度Dc: 計算路面結(jié)構(gòu)總相對剛度4按彈性地基雙層板模型計算標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN、最重軸載?"(根據(jù)調(diào)查得出）在臨界荷位處 的荷載應(yīng)力Ops、Opm:當(dāng)?shù)寡b基層為瀝青混凝土上基層與剛性下基層組成時，需計算倒裝基層在臨界荷位處 的荷載應(yīng)力Obps:(4)其他計算與設(shè)計內(nèi)容 按彈性地基雙層板模型，計算面層板的荷載疲勞應(yīng)力、最重軸載Pm產(chǎn)生的最大荷載應(yīng) 力，當(dāng)?shù)寡b基層為瀝青混凝土上基層與剛性下基層組成時，還需計算倒裝基層的荷載疲勞 應(yīng)力，以及面層板的最大溫度應(yīng)力和溫度疲勞應(yīng)力，計算過程中層間接觸狀況參數(shù)re計算 如下：式中：kn為豎向接觸剛度，當(dāng)?shù)寡b基層為瀝青混凝土上基層與剛性下基層組成時，1^取 3000MPa/m;當(dāng)?shù)寡b基層為密級配瀝青穩(wěn)定碎石上基層和半剛性下基層組成時：根據(jù)可靠度系數(shù)和面層板的荷載疲勞應(yīng)力、溫度疲勞應(yīng)力、最大荷載應(yīng)力、最大溫度應(yīng) 力的計算結(jié)果，當(dāng)?shù)寡b基層為瀝青混凝土上基層與剛性下基層組成時，還需根據(jù)倒裝基層 的荷載疲勞應(yīng)力，進行結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核，以不產(chǎn)生極限斷裂作為驗算標(biāo)準(zhǔn)，確定擬定的倒 裝基層水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)層厚度是否滿足要求，如不滿足要求則重復(fù)上述過程，直至 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核通過。
【文檔編號】E01C21/00GK106012735SQ201610364695
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月27日
【發(fā)明人】李盛, 曹前, 劉朝暉, 楊帆
【申請人】長沙理工大學(xué)