一种混合式基层水泥混凝土路面的结构层厚度设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种混合式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；分刚性基层与半刚性底基层和刚性基层与柔性底基层两种情况，计算混合式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，确定拟定的结构层厚度是否满足要求。本发明能有效避免混合式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】
一种混合式基层水泥混凝土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，涉及一种混合式基层水泥混凝土路面的结构层厚 度设计方法。
【背景技术】
[0002] 我国早期以修筑水泥混凝土路面为主，目前在对路面结构承载力要求较高时，水 泥混凝土路面仍然是可供选择的主要结构形式，在国外水泥混凝土路面也因使用寿命长而 被广泛应用。水泥混凝土路面的修筑与应用可减少对石油资源的依赖，充分利用我国相对 丰富的水泥与粉煤灰材料，带动地方经济发展。对于高等级公路，沥青路面的设计年限为15 年，水泥混凝土路面的设计年限为30年，且水泥混凝土路面的投资成本相对较低，所以修筑 水泥混凝土路面将产生显著的社会与经济效益。
[0003] 在我国水泥混凝土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《公路水泥混凝土路面设计规范JTG D40_2011》（以下简称规范），交通荷 载等级为极重或特重时基层类型只能为贫混凝土、碾压混凝土、沥青混凝土，考虑到沥青混 凝土作基层成本高、承载能力有限，一般选择贫混凝土、碾压混凝土作为基层材料，并设水 泥稳定碎石或石灰-粉煤灰稳定碎石底基层，贫混凝土、碾压混凝土刚度较大为刚性材料， 水泥稳定碎石或石灰-粉煤灰稳定碎石为半刚性材料，整个基层结构为刚性和半刚性材料 组成的混合式基层。所在地区如地下水位较高、降水丰富，考虑到水泥稳定碎石或石灰-粉 煤灰稳定碎石的抗冲刷性和水稳定性相对较差，底基层也可采用密级配沥青稳定碎石，整 个基层结构为刚性和柔性材料组成的混合式基层。
[0004] 现行规范中并无刚性基层与半刚性底基层或与柔性底基层组成的混合式基层水 泥混凝土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以及混合式基层采 用何种力学模型进行处理困扰着道路工作者，尤其是混合式基层的力学模型，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，如基层和底基层均为刚性材料或均为无机结合料稳定类材料。对于刚性基层与 半刚性底基层或与柔性底基层组成的混合式基层，刚性基层一般采用贫混凝土或碾压混凝 土，还需计算混合式基层的荷载疲劳应力，计算中需要用到混合式基层的厚度。因刚性基层 的弹性模量是半刚性底基层或柔性底基层的几十倍，混合式基层按复合板处理后，厚度如 由基层和底基层直接相加，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;在计算面层板荷载应力时同样存在类似问题，如混合 式基层按复合板来处理，混合式基层的弯曲刚度由刚性基层的弯曲刚度和半刚性底基层的 弯曲刚度直接相加，同样由于刚性基层的弯曲刚度是半刚性底基层的十几倍，这种简单的 直接相加，使混合式基层的弯曲刚度基本由刚性基层主导，计算结果同样偏保守。所以，有 必要研发一种混合式基层水泥混凝土路面的结构层厚度设计方法，有效解决现行规范中无 刚性基层与半刚性底基层或与柔性底基层组成的混合式基层水泥混凝土路面结构层厚度 设计方法的问题，以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】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是研发一种混合式基层水泥混凝土路面的结构层厚 度设计方法，可解决现行规范中无刚性基层与半刚性底基层或与柔性底基层组成的混合式 基层水泥混凝土路面结构层厚度设计方法的问题，以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。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种混合式基层水泥混凝土路面的结构 层厚度设计方法，其技术方案实施步骤如下：
[0007] (1)计算板底地基综合当量回弹模量Et
[0008] 根据路基土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h a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:
[0009] \ υ
y
[0010] a = 0.86+0.261n(ha)
[0011] (2)计算混合式基层的等效弯曲刚度和等效厚度
[0012] 根据刚性基层的弹性模量El及厚度hl、半刚性底基层或柔性底基层的弹性模量E2 及厚度h2,按加权平方和的方法计算混合式基层的当量回弹模量Ex:
[0013]
[0014] 当混合式基层由刚性基层和半刚性底基层组成时，混合式基层截面承担的弯矩由 上层刚性基层板的弯矩、下层半刚性底基层板的弯矩，以及上层刚性基层板、下层半刚性底 基层板轴向力产生的弯矩三部分组成，三部分对应的弯曲刚度分别为Di、D 2、D3，基于薄板假 设，混合式基层的等效弯曲刚度Dx为：
[0015] Dx=Di+D2+D3
[0016] 其中：
[0017]式中：e为板截面相对抗压刚度，vA上层刚性基层板的泊松比，^为下层半刚性底
t 基层板的泊松比 ，上为层间结合系数，一般层间为结合状态，10X1。
[0018] 由以上表达式可以得出：
[0021]式中：hx为混合式基层的等效厚度，vx为混合式基层的泊松比，可近似取为刚性基
[0019]
[0020] 层板的泊松比V1，混合式基层的等效厚度hx为：
[0022]
[0023] 当混合式基层由刚性基层和柔性底基层组成时，由于柔性底基层不再具备薄板特 征，按复合材料把混合式基层作为整体考虑，混合式基层的等效弯曲刚度D x为：
[0024] Dx=Di+D2
[0025] 其中：Di、D2分别为刚性基层和柔性底基层的弯曲刚度，
[0027] 再由
混合式基层的泊松比vx，近似取为刚性基层板的泊松比 Vl， hx为混合式基层的等效厚度，可得：
[0028]
[0029]混合式基层的等效厚度hx为：
[0030]
[0031] (3)计算荷载应力
[0032]根据水泥混凝土面层板的弹性模量Ec、厚度hc、泊松比Vc，计算面层板的弯曲刚度 Dc ：
[0033]
[0034] 计算路面结构总相对刚度半径rg:
[0035]
[0036] 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 荷位处的荷载应力〇ps、〇pm:
[0037]
[0038] V <- ./
[0039]计算混合式基层在临界荷位处的荷载应力〇bps:
[0040]
[0041] (4)其他计算与设计内容
[0042] 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、基层荷载疲劳应力，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：
[0043]
[0044] 式中：kn为竖向接触刚度，有沥青混凝土夹层时取值为3000MPa/m，无沥青混凝土 夹层时：
[0045]
[0046]根据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，以及混合式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，确定拟定的混合式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。
[0047]本发明的有益效果如下： 本发明提供一种混合式基层水泥混凝土路面的结构层厚度设计方法，可解决现行规范 中无刚性基层与半刚性底基层或与柔性底基层组成的混合式基层水泥混凝土路面结构层 厚度设计方法的问题，是对现行规范的有益补充，以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，对于混合式基层的处理可 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，如基层和底基层均为刚性材料或均为无机结合料稳定类材料。对于刚 性基层与半刚性底基层或与柔性底基层组成的混合式基层，刚性基层一般采用贫混凝土或 碾压混凝土，还需计算混合式基层的荷载疲劳应力，计算中需要用到混合式基层的厚度。因 刚性基层的弹性模量是半刚性底基层或柔性底基层的几十倍，而混合式基层按复合板处理 后，厚度如由基层和底基层直接相加，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;在计算面层板荷载应力时同样存在类似问 题，如混合式基层按复合板来处理，混合式基层的弯曲刚度由刚性基层的弯曲刚度和半刚 性底基层的弯曲刚度直接相加，同样由于刚性基层的弯曲刚度是半刚性底基层的十几倍， 这种简单的直接相加，使混合式基层的弯曲刚度基本由刚性基层主导，计算结果同样偏保 守。本发明分刚性基层与半刚性底基层和刚性基层与柔性底基层两种情况，确定了混合式 基层等效弯曲刚度和等效厚度的计算方法，解决了混合式基层水泥混凝土路面结构层厚度 设计中存在的问题，能有效避免混合式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。
[0048] 2016年的《政府工作报告》中提出，我国在"十三五"期间将加强基础设施建设，"十 三五"期间新建和改建高速公路通车里程约3万公里，本发明涉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】
[0049] 为了更好地理解本发明，以下将结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，所 描述的实施例仅用以说明本发明的技术方案，并不用以限制本发明。
[0050] 实施例1
[0051] 某高速公路水泥混凝土路面建设基准期为三十年的目标可靠度为95%，安全等级 为一级。拟定路面结构形式为:普通混凝土面层(弹性模量E。、厚度h。、泊松比 Vc，弯拉强度标 准值为fr)+4cm沥青混凝土夹层+碾压混凝土基层(弹性模量Ei、厚度lu、泊松比 V1，弯拉强度 标准值为fn)+水泥稳定碎石底基层(弹性模量Ε2、厚度h2、泊松比ν 2)+级配碎石粒料层(弹性 模量Ea、厚度ha)。
[0052] 根据路基土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h a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:
[0053]
[0054] a = 〇.86+0.261n(ha)
[0055] 根据碾压混凝土基层的弹性模量Ei及厚度lu、水泥稳定碎石底基层的弹性模量E2 及厚度h2,按加权平方和的方法计算混合式基层的当量回弹模量Ex:
[0056] "?
' ^'2
[0057] 混合式基层截面承担的弯矩由上层碾压混凝土基层板的弯矩、下层水泥稳定碎石 底基层板的弯矩，以及上层碾压混凝土基层板、下层水泥稳定碎石底基层板轴向力产生的 弯矩三部分组成，三部分对应的弯曲刚度分别为〇 1、〇2、〇3，基于薄板假设，混合式基层的等 效弯曲刚度Dx为：
[0058] Dx=Di+D2+D3
[0059]
^ 1， 丄"v r 2. / 1
[0060] 式中：e为板截面相对抗压刚度：
[0061 ]由以上表达式可以得出：
[0062]
[0063]
^ ' χ J[0064] 式中：hx为混合式基层的等效厚度，vx为混合式基层的泊松比，可近似取为碾压混 凝土基层板的泊松比 V1，可得：
[0065]
[0066] 根据水泥混凝土面层板的弹性模量Ε。、厚度h。、泊松比ν。，计算面层板的弯曲刚度 Dc ：
[0067]
[0068] 计算路面结构总相对刚度半径rg:
[0069]
[0070] 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 荷位处的荷载应力〇ps、〇pm:
\ - C[0073]计算混合式基层在临界荷位处的荷载应力〇bps:
[0071]
[0072]
[0074]
[0075] 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 取大何载应力σΡ,max、混合式基层何载疲5?应力〇bpr，面层板的取大温度应力〇t,max和温度疲 劳应力〇 tr，计算过程中层间接触状况参数计算如下：
[0076]
[0077] 式中：kA竖向接触刚度，取3000MPa/m。
[0078] 根据面层板的荷载疲劳应力〇pr、温度疲劳应力〇tr、最大荷载应力〇p, max、最大温度 应力〇t,max的计算结果，以及混合式基层荷载疲劳应力 〇bpr的计算结果和可靠度系数γ r，进 行结构极限状态校核，以不产生极限断裂作为验算标准：yY(〇pr+〇 tr)彡fr、γγ(σΡ,ΜΧ+ 〇t,max) ^fr ν Y γ X Obpr^frl 〇
[0079] 确定拟定的混合式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。
[0080] 实施例2
[0081]某高速公路水泥混凝土路面建设基准期为三十年的目标可靠度为95%，安全等级 为一级。拟定路面结构形式为:普通混凝土面层(弹性模量E。、厚度h。、泊松比Vc，弯拉强度标 准值为f r)+4cm沥青混凝土夹层+碾压混凝土基层(弹性模量Ei、厚度lu、泊松比V1，弯拉强度 标准值为fn)+密级配沥青稳定碎石底基层(弹性模量Ε 2、厚度h2、泊松比ν2)+级配碎石粒料 层(弹性模量Ea、厚度h a)。
[0082] 根据路基土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h a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:
[0083]
[0084] a = 〇.86+0.261n(ha)
[0085] 根据碾压混凝土基层的弹性模量Ei及厚度lu、密级配沥青稳定碎石底基层的弹性 模量E2及厚度h2,按加权平方和的方法计算混合式基层的当量回弹模量E x:
[0086]
[0087] 混合式基层的等效弯曲刚度Dx为：
[0088] Dx=Di+D2
[0089] 其中分别为碾压混凝土基层和密级配沥青稳定碎石底基层的弯曲刚度，
[0090]再由
?合式基层的泊松比vx，近似取为碾压混凝土基层的泊松 比VI，可得：
[0091]
[0092]
[0093]根据水泥混凝土面层板的弹性模量Ec、厚度hc、泊松比Vc，计算面层板的弯曲刚度 Dc ：
[0094]
计算路面结构总相对刚度半径rg:
[0095]
[0096] 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 荷位处的荷载应力〇ps、〇pm:
v 一 t. /[00"]计算混合式基层在临界荷位处的荷载应力〇bps:
[0097]
[0098]
[0100]
[0101] 按弹性地基双层板力学模型，计算面层板的荷载疲劳应力〇Pr、最重轴载Pm产生的 取大何载应力σΡ,max、混合式基层何载疲5?应力〇bpr，面层板的取大温度应力〇t,max和温度疲 劳应力〇 tr，计算过程中层间接触状况参数计算如下：
[0102]
[0103] 式中：kA竖向接触刚度，取3000MPa/m。
[0104] 根据面层板的荷载疲劳应力〇pr、温度疲劳应力〇tr、最大荷载应力〇P, max、最大温度 应力〇t,max的计算结果，以及混合式基层荷载疲劳应力 〇bpr的计算结果和可靠度系数γ r，进 行结构极限状态校核，以不产生极限断裂作为验算标准：yY(〇pr+〇 tr)彡fr、γγ(σΡ,ΜΧ+ 〇t,max) ^fr ν Y γ X Obpr^frl 〇
[0105] 确定拟定的混合式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。
【主权项】
1. 一种混合式基层水泥混凝±路面的结构层厚度设计方法，其特征在于，包括W下步 骤： (1) 计算板底地基综合当量回弹模量Et (2) 计算混合式基层的等效弯曲刚度和等效厚度 根据刚性基层的弹性模量El及厚度hi、半刚性底基层或柔性底基层的弹性模量E2及厚 度h2,按加权平方和的方法计算混合式基层的当量回弹模量Ex:当混合式基层由刚性基层和半刚性底基层组成时，混合式基层的等效弯曲刚度Dx为：混合式基层的等效厚度hx为：当混合式基层由刚性基层和柔性底基层组成时，混合式基层的等效弯曲刚度Dx为：混合式基层的等效厚度hx为：(3) 计算荷载应力 根据水泥混凝±面层板的弹性模量Ec、厚度he、泊松比Vc，计算面层板的弯曲刚度Dc:计算路面结构总相对刚度半径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 的荷载应力〇ps、〇pm:计算混合式基层在临界荷位处的荷载应力曰bps :(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、基层荷载疲劳应力，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：式中：kn为竖向接触刚度，有渐青混凝±夹层时取值为3000MPa/m，无渐青混凝±夹层 时：根据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，W及混合式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，确定拟定的混合式基层水泥混凝±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。
【文档编号】G06F17/50GK105975720SQ201610361912
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】李盛, 杨帆, 刘朝晖, 曹前
【申请人】长沙理工大学