适用于倒装基层水泥混凝土路面的结构层厚度设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于倒装基层水泥混凝土路面的结构层厚度设计方法，包括以下步骤：计算板底地基综合当量回弹模量；计算倒装基层的等效弯曲刚度和等效厚度；利用等效弯曲刚度和等效厚度的计算结果并按弹性地基双层板模型计算荷载应力、荷载疲劳应力、层间接触状况参数、竖向接触刚度、最大温度应力和温度疲劳应力等；进行结构极限状态校核，以不产生极限断裂作为验算标准，确定拟定的倒装基层水泥混凝土路面的结构层厚度是否满足要求。本发明能有效避免倒装基层水泥混凝土路面因结构层厚度设计不合理而产生不必要的浪费和出现早期损坏严重的问题，有良好的社会与经济效益。
【专利说明】
适用于倒装基层水泥混凝±路面的结构层厚度设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于道路工程技术领域，设及一种适用于倒装基层水泥混凝±路面的结构 层厚度设计方法。
【背景技术】
[0002] 在我国水泥混凝±路面结构的应用过程中，交通荷载等级为极重或特重的情况较 为常见，根据现行《公路水泥混凝±路面设计规范JTGD40-2011KW下简称规范），交通荷载 等级为极重或特重时基层类型只能为贫混凝±、娠压混凝±、渐青混凝±，规范还要求应在 贫混凝±或娠压混凝±基层与水泥混凝±面层之间铺设层厚不宜小于0.04m的渐青混凝± 夹层。渐青混凝±既然能够与贫混凝±、娠压混凝±-样可W作为极重或特重交通的基层 材料，在贫混凝±或娠压混凝±基层与水泥混凝±面层之间铺设渐青混凝±时为什么又只 看作夹层材料，且计算荷载应力时忽略它的作用呢，显然有些矛盾。如果说渐青混凝±铺设 在贫混凝±或娠压混凝±基层与水泥混凝±面层之间时厚度较小，计算时荷载应力时忽略 它的作用可W理解，那么渐青混凝上厚度较大时呢，实际工程应用中，常用的渐青混凝上一 般为4013、4(：-20、4(：-25，对应的适宜厚度分别为0.04111、0.06111、0.08111，或铺筑两层时厚度 为运几种适宜厚度的组合，也就是说除了规范所述0.04m的渐青混凝±夹层，渐青混凝±层 的厚度一般不小于0.06m，而渐青混凝±本身有一定的承载能力，且造价相对较高，如设置 了 0.06m仍然只作夹层处理而不考虑它的承载能力，显然不够科学也与实际情况不符，还会 造成很大的浪费，所W，渐青混凝±层厚度为0.04m时按夹层处理，大于等于0.06m时应该按 结构层来处理。实际上考虑到渐青混凝±有优良的抗冲刷能力和释放混凝±板溫度应力的 作用，作为基层材料铺设在贫混凝±或娠压混凝±基层与水泥混凝±面层之间是可W考虑 的，运样就形成了柔性上基层与刚性下基层组成的倒装基层结构。
[0003] 根据现行规范，交通荷载等级为重时基层类型可采用密级配渐青稳定碎石，密级 配渐青稳定碎石的适宜厚度一般不小于0.08m，密级配渐青稳定碎石也有良好的抗冲刷能 力和释放混凝±板溫度应力的作用，如承载力不够，可考虑在密级配渐青稳定碎石基层下 设置水泥稳定碎石，运样就形成了柔性上基层与半刚性下基层组成的倒装基层结构。
[0004] 现行规范中无柔性上基层与刚性或半刚性下基层组成的倒装基层水泥混凝±路 面的结构层厚度设计方法，整个路面结构选择何种力学模型W及倒装基层采用何种力学模 型进行处理困扰着道路工作者，尤其是渐青混凝±上基层厚度大于等于0.06m时倒装基层 的力学模型，可供参考的只有复合板模型，但复合板模型主要是针对上基层与下基层材料 性质相近且均可按薄板来处理的情况，如上基层和下基层均为刚性材料或均为无机结合料 稳定类材料。对于柔性上基层与刚性或半刚性下基层组成的倒装基层，刚性下基层一般采 用贫混凝±或娠压混凝±，还需计算倒装基层的荷载疲劳应力，计算中需要用到倒装基层 的厚度。因刚性下基层的弹性模量是柔性上基层的几十倍，倒装基层按复合板处理后，厚度 如由上基层和下基层直接相加，则过于保守且不够科学；如直接取刚性下基层的厚度再按 名义应力进换算，换算后荷载应力仍然偏大。对柔性上基层与半刚性下基层组成的倒装基 层结构，也存在上述类似问题，且在计算溫度应力时需用到竖向接触刚度，而竖向接触刚度 的计算需用到倒装基层的厚度，因上下基层的材料性质相差较大，如柔性上基层的厚度和 半刚性下基层的厚度直接相加，显然不够科学合理。
[0005] 所W，有必要研发一种适用于倒装基层水泥混凝±路面的结构层厚度设计方法， 有效解决现行规范中无柔性上基层与刚性或半刚性下基层组成的倒装基层水泥混凝±路 面结构层厚度设计方法的问题，W及在参照其他方法进行设计时不够科学合理且过于保守 而造成不必要浪费的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是研发一种倒装基层水泥混凝±路面的结构层厚度 设计方法，可解决现行规范中无柔性上基层与刚性或半刚性下基层组成的倒装基层水泥混 凝±路面结构层厚度设计方法的问题，W及有效解决在参照其他方法进行设计时不够科学 合理且过于保守的问题。
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种适用于倒装基层水泥混凝±路面的 结构层厚度设计方法，其技术方案实施步骤如下：
[0008] (1)计算板底地基综合当量回弹模量Et
[0009] 根据路基±的回弹模量及路床顶距地下水位的距离确定路床顶综合回弹模量Eo, 再根据粒料层的弹性模量Ea和厚度ha确定板底地基综合当量回弹模量Eb,计算板底地基综 合当量回弹模量Et:
[0010]
[0011] a = 0.86+0.261n(ha)
[0012] (2)计算倒装基层的等效弯曲刚度和等效厚度
[0013] 根据渐青混凝±或密级配渐青稳定碎石上基层的弹性模量Ei及厚度hi化 0.06m)、刚性或半刚性下基层的弹性模量E2及厚度h2，按加权平方和的方法计算倒装基层的 当量回弹模量Ex:
[0014]
[0015] 把倒装基层作为整体考虑，倒装基层的等效弯曲刚度Dx为：
[0016] Dx=Di+D2
[0017] 其中：Di、化分别为渐青混凝±或密级配渐青稳定碎石上基层和刚性或半刚性下基 层的弯I
[001 引
[0019]
[0020] 式中：Vx倒装基层的泊松比，近似取为刚性或半刚性下基层的泊松比V2，hx为倒装
[0021] 基层的等效厚度，可得：
[0022]
[0023]
[0024] (3)计算荷载应力
[002引根据水泥混凝±面层板的弹性模量Ec、厚度he、泊松比V。，计算面层板的弯曲刚度 Dc:
[0026]
[0027] Ij度半径
[002引
[0029] 按弹性地基双层板模型计算标准轴载lOOkN、最重轴载Pm(根据调查得出）在临界 荷位处的荷载应力Ops、曰pm:
[0030]
[0031]
[0032] 当倒装基层为渐青混凝±上基层与刚性下基层组成时，需计算倒装基层在临界荷 位处的荷载应力曰bps:
[0033]
[0034] (4)其他计算与设计内容
[0035] 按弹性地基双层板模型，计算面层板的荷载疲劳应力、最重轴载Pm产生的最大荷 载应力，当倒装基层为渐青混凝±上基层与刚性下基层组成时，还需计算倒装基层的荷载 疲劳应力，W及面层板的最大溫度应力和溫度疲劳应力，计算过程中层间接触状况参数re 计算如下，
[0036]
[0037]式中：kn为竖向接触刚度，当倒装基层为渐青混凝±上基层与刚性下基层组成时， kn取3000MPa/m;当倒装基层为密级配渐青稳定碎石上基层和半刚性下基层组成时：
[00；3 引
[0039] 根据可靠度系数和面层板的荷载疲劳应力、溫度疲劳应力、最大荷载应力、最大溫 度应力的计算结果，当倒装基层为渐青混凝±上基层与刚性下基层组成时，还需根据倒装 基层的荷载疲劳应力，进行结构极限状态校核，W不产生极限断裂作为验算标准，确定拟定 的倒装基层水泥混凝±路面的结构层厚度是否满足要求，如不满足要求则重复上述过程， 直至结构极限状态校核通过。
[0040] 本发明的有益效果如下：
[0041] 本发明提供一种适用于倒装基层水泥混凝±路面的结构层厚度设计方法，可解决 现行规范中无柔性上基层与刚性或半刚性下基层组成的倒装基层水泥混凝±路面结构层 厚度设计方法的问题，是对现行规范的有益补充，W及有效解决在参照其他方法进行设计 时不够科学合理且过于保守的问题。在现行规范的设计方法中，对于倒装基层的处理可供 参考的只有复合板模型，但复合板模型主要是针对基层与底基层材料性质相近且均可按薄 板来处理的情况，如上基层和下基层均为刚性材料或均为无机结合料稳定类材料。对于柔 性上基层与刚性或半刚性下基层组成的倒装基层，刚性下基层一般采用贫混凝±或娠压混 凝±，还需计算倒装基层的荷载疲劳应力，计算中需要用到倒装基层的厚度。因刚性下基层 的弹性模量是柔性上基层的几十倍，而倒装基层按复合板处理后，厚度如由上基层和下基 层直接相加，则过于保守且不够科学;如直接取刚性基层的厚度再按名义应力进换算，换算 后荷载应力仍然偏大。本发明分柔性上基层与刚性下基层和柔性上基层与半刚性下基层两 种情况，解决了倒装基层水泥混凝上路面结构层厚度设计中存在的问题，能有效避免倒装 基层水泥混凝±路面因结构层厚度设计不合理而产生不必要的浪费和出现早期损坏严重 的问题，有良好的社会与经济效益。
[0042] 2016年的《政府工作报告冲提出，我国在"十立五"期间将加强基础设施建设，"十 =五"期间新建和改建高速公路通车里程约3万公里，本发明设及的路面结构层厚度设计方 法的应用前景广阔，潜在的社会与经济效益显著。
【具体实施方式】
[0043] 为了更好地理解本发明，W下将结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，所 描述的实施例仅用W说明本发明的技术方案，并不用W限制本发明。
[0044] 实施例1
[0045] 某高速公路水泥混凝±路面建设基准期为=十年的目标可靠度为95%，安全等级 为一级。拟定路面结构形式为:普通混凝上面层(弹性模量E。、厚度h。、泊松比V。，弯拉强度标 准值为fr)+渐青混凝上上基层(弹性模量El、厚度hi, hi>0.06m、泊松比Vi)+娠压混凝±下基 层(弹性模量E2、厚度h2、泊松比V2,弯拉强度标准值为frl)+级配碎石粒料层(弹性模量Ea、厚 度ha)。
[0046] 根据路基±的回弹模量及路床顶距地下水位的距离确定路床顶综合回弹模量Eo, 再根据粒料层的弹性模量Ea和厚度ha确定板底地基综合当量回弹模量Eb,计算板底地基综 合当量回弹模量Et:
[0047]
[004引 Q = O.86+0.261n(ha)
[0049]根据渐青混凝±上基层的弹性模量Ei及厚度hi、娠压混凝±下基层的弹性模量E2 及厚度h2,按加权平方和的方法计算倒装基层的当量回弹模量Ex:
[(K)加]
[0051 ]倒装基层的等效弯曲刚度Dx为：
[0化2] Dx=Di+D2
[0053]其中：化、化分别为渐青混凝±上基层和娠压混凝±下基层的弯曲刚度，
[0化4]再由：
，倒装基层的泊松比Vx,近似取为娠压混凝±基层的泊松比 V2,可得：
[0化5]
[0化6]
[0057]根据水泥混凝±面层板的弹性模量E。、厚度h。、泊松比V。，计算面层板的弯曲刚度 Dc:
[0化引
[0059] 則度半径
[0060]
[0061] 按弹性地基双层板模型计算标准轴载lOOkN、最重轴载Pm(根据调查得出）在临界 荷位处的荷载应力Ops、曰pm:
[0062]
f \
[0063]
[0064] Obps:
[00 化]
[0066] 按弹性地基双层板力学模型，计算面层板的荷载疲劳应力(V、最重轴载Pm产生的 最大何载应力Op,max、倒装基层何载疲巧应力Obpr ,面层板的最大溫度应力Ot,max和溫度疲巧 应力Otr,计算过程中层间接触状况参数re计算如下：
[0067]
[006引式中：kn为竖向接触刚度，取3000MPa/m。
[0069] 根据面层板的荷载疲劳应力(V、溫度疲劳应力Otr、最大荷载应力Op,max、最大溫度 应力Ot,max的计算结果，W及倒装基层荷载疲劳应力Obpr的计算结果和可靠度系数丫。进行 结构极限状态校核，W不产生极限断裂作为验算标准：丫丫（〇pr+〇tr)《fr、丫丫（〇p,max+〇t,max) > y Y X Obpr^frlo
[0070] 确定拟定的倒装基层水泥混凝±路面的结构层厚度是否满足要求，如不满足要求 则重复上述过程，直至结构极限状态校核通过。
[0071] 实施例2
[0072] 某高速公路水泥混凝±路面建设基准期为=十年的目标可靠度为95%，安全等级 为一级。拟定路面结构形式为:普通混凝上面层(弹性模量E。、厚度h。、泊松比V。，弯拉强度标 准值为fr)+密级配渐青稳定碎石上基层(弹性模量El、厚度hi、泊松比Vl)+水泥稳定碎石下 基层(弹性模量E2、厚度h2、泊松比V2)+级配碎石粒料层(弹性模量Ea、厚度ha)。
[0073] 根据路基±的回弹模量及路床顶距地下水位的距离确定路床顶综合回弹模量Eo， 再根据粒料层的弹性模量Ea和厚度ha确定板底地基综合当量回弹模量Eb,计算板底地基综 合当量回弹模量Et:
[0074]
[0075]
[0076] 根据密级配渐青稳定碎石上基层的弹性模量Ei及厚度hi、水泥稳定碎石下基层的 弹性模量E2及厚度h2,按加权平方和的方法计算倒装基层的当量回弹模量Ex:
[0077]
[0078] 倒装基层的等效弯曲刚度Dx为：
[0079] Dx=Di+D2
[0080] 其中：Di、化分别为密级配渐青稳定碎石上基层和水泥稳定碎石下基层的弯曲刚 度：
[0081] 再由：
倒装基层的泊松比Vx,近似取为水泥稳定碎石基层的泊松 比V2,可得：
[0082]
[0083]
[0084] 根据水泥混凝±面层板的弹性模量E。、厚度h。、泊松比V。，计算面层板的弯曲刚度 Dc:
[0085]
[0086] 叫度半径
[0087]
[008引巧巧巧地基诚后恢候型计算标准轴载lOOkN、最重轴载Pm(根据调查得出）在临界 荷位处的荷载应力Ops、曰pm:
[0089]
[0090]
[0091] 按弹性地基双层板力学模型，计算面层板的荷载疲劳应力(V、最重轴载Pm产生的 最大何载应力〇P,max、面层板的最大溫度应力〇t,max和溫度疲巧应力Otr ,计算过程中层间接触 状况参数re计算如下：
[0092]
[0093] C如下公式进行计算：
[0094]
[00M]根据面层板的荷载疲劳应力(V、溫度疲劳应力Otr、最大荷载应力Op,max、最大溫度 应力〇t,max的计算结果，W及可靠度系数丫 r，进行结构极限状态校核，W不产生极限断裂作 为验算标准：y Y(曰pr+曰tr)^fr、y Y( 〇p,max+〇t,max)《fr。
[0096]确定拟定的倒装基层水泥混凝±路面的结构层厚度是否满足要求，如不满足要求 则重复上述过程，直至结构极限状态校核通过。
【主权项】
1. 一种适用于倒装基层水泥混凝土路面的结构层厚度设计方法，其特征在于，包括以 下步骤： (1) 计算板底地基综合当量回弹模量Et (2) 计算倒装基层的等效弯曲刚度和等效厚度 根据沥青混凝土或密级配沥青稳定碎石上基层的弹性模量Ei及厚度hi(hiX). 06m)、刚 性或半刚性下基层的弹性模量E2及厚度h2,按加权平方和的方法计算倒装基层的当量回弹 樟量R Y:(3) 计算荷载应力 根据水泥混凝土面层板的弹性模量Ec、厚度hc、泊松比V。，计算面层板的弯曲刚度Dc: 计算路面结构总相对刚度4按弹性地基双层板模型计算标准轴载100kN、最重轴载?"(根据调查得出）在临界荷位处 的荷载应力Ops、Opm:当倒装基层为沥青混凝土上基层与刚性下基层组成时，需计算倒装基层在临界荷位处 的荷载应力Obps:(4)其他计算与设计内容 按弹性地基双层板模型，计算面层板的荷载疲劳应力、最重轴载Pm产生的最大荷载应 力，当倒装基层为沥青混凝土上基层与刚性下基层组成时，还需计算倒装基层的荷载疲劳 应力，以及面层板的最大温度应力和温度疲劳应力，计算过程中层间接触状况参数re计算 如下：式中：kn为竖向接触刚度，当倒装基层为沥青混凝土上基层与刚性下基层组成时，1^取 3000MPa/m;当倒装基层为密级配沥青稳定碎石上基层和半刚性下基层组成时：根据可靠度系数和面层板的荷载疲劳应力、温度疲劳应力、最大荷载应力、最大温度应 力的计算结果，当倒装基层为沥青混凝土上基层与刚性下基层组成时，还需根据倒装基层 的荷载疲劳应力，进行结构极限状态校核，以不产生极限断裂作为验算标准，确定拟定的倒 装基层水泥混凝土路面的结构层厚度是否满足要求，如不满足要求则重复上述过程，直至 结构极限状态校核通过。
【文档编号】E01C21/00GK106012735SQ201610364695
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】李盛, 曹前, 刘朝晖, 杨帆
【申请人】长沙理工大学