水泥混凝土路面半刚性基层的适宜厚度.pdf
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1、 水 泥混凝 土路 面半 刚性基层 的适宜厚度 秦健 上海 市政 工程设 计研 究总 院 ( 集 团) 有 限公 司 上 海 2 0 0 0 9 2 摘要 : 半刚性基层是水泥混凝土路面常用的基层类 型。通过计算不 同道路等级 、 累计 当量轴 次、 水泥 混凝 土面层和半 刚性 基层厚 度条件下水泥混凝 土路 面的行 车荷载疲劳应力和温度梯度疲 劳应力 , 分析其变 化规律 , 提 出了水 泥混凝 土路面半 刚性基层 的适宜 厚度 , 供工程设计人员参考 。 关键词 : 水 泥混凝土路面 ; 半 刚性基层 ;厚度 0 引言 水 泥混凝 土路 面结构 的 主要 承重 层是 水泥 混凝 土 面层
2、 , 基 层 的主要作 用则 表现在 以下 四方 面 j : 防止 唧泥、 错 台和断裂病害的出现 ; 改善接缝的传荷能力 及 其耐 久性 ; 缓 解 土 基不 均 匀 变形 对 混 凝 土 面层 的 不 利影 响 ; 为面层 施工 提供稳 定 的工作 面 。 水 泥混凝 土路 面 基层 一 般 可 分 为 刚性 基 层 、 半 刚 性 基层 和柔性 基层 3类 : 刚性基 层包 括贫混 凝 土 、 碾 压 混凝土 等 ; 半 刚性 基层包 括水 泥稳定 碎石 、 石灰 粉煤 灰 稳 定碎 石 等 ; 柔性 基 层 包 括 沥青 结 合 料 类 ( 沥 青 混 凝 土 、 沥青 稳定 碎石 等
3、 ) 和粒 料 类 ( 级 配 碎石 、 级 配砾 石 、 未筛分 碎石 等 ) 。 半 刚性 基层 , 特 别是 水 泥 稳定 碎 石 具 有 良好 的耐 冲刷 能力 和较大 的 刚度 , 是 水 泥 混凝 土路 面 应 用最 广 泛 的基层类 型 。 本文试图通过计算不 同道路等级、 累计 当量轴次、 水泥混 凝 土面层 和半 刚性 基层 厚度 条件下 水 泥混凝 土 路面 的行 车荷载 疲 劳应 力 和 温 度梯 度 疲 劳 应力 , 分 析 其变化 规律 , 提 出半 刚性 基层 适宜 厚度 的建议 。 1 水 泥 混凝土路 面应 力分 析 规范 按 照水 泥混凝 土路 面设计 车道
4、临 界荷 位在 设计基 准期 内所 承受 的累计 当量轴 次将交 通荷 载 分为 极重 、 特重 、 重 、 中等 和轻 5 个 等级 , 如表 1 所示 。 半 刚性 基层 一般用 于重交 通交 通荷 载等 级 的水泥 混凝 土路 面 , 也 可用 于 特 重 和 中等 交 通荷 载 的水 泥混 凝土 路面 。 水泥 混凝 土路 面结 构 在 运 营过 程 中, 面 层 板 主要 收 稿 E 1 期 : 2 0 1 3 - 0 8 2 3 受 到行 车荷 载 和 温度 梯 度 的 综 合 作 用 。选 择 4种 工 况 , 分别计 算水 泥 混 凝 土路 面 行 车 荷载 疲 劳应 力 和
5、温 度 梯度疲 劳 应力 。各 工 况 设计 参 数 如 表 2所 示 , 不 同 工 况下水 泥混 凝土路 面行 车荷 载疲 劳应力 和温 度梯 度 疲 劳应力 计算 结果 汇总 如表 3所示 。 对 于采用 半 刚性 基 层 的水 泥 混凝 土路 面 , 面层 板 荷 载疲 劳 应 力 和 温 度 疲 劳 应 力 的 变 化 规 律 可 归 纳 如 下 : ( 1 ) 水泥 混凝土 面层 板 的荷 载 疲 劳 应力 和 温 度 疲 劳应力 均随 面层板 厚度 的增加 而减小 ; ( 2 ) 水泥 混凝 土面层 板 的荷 载 疲 劳 应力 随半 刚 性 基 层厚 度 的增加而 减小 ; (
6、3 ) 当水 泥混凝 土 面层厚 度较厚 ( 0 2 5 m) 时 , 面 层 板 的温度 疲 劳应 力 随半 刚性 基 层 厚 度 的 增 加 而 增 大, 但其增大的幅度小于荷载疲劳应力减小的幅度; ( 4 ) 当水 泥混凝 土 面层厚 度较薄 ( d0 2 5 m) 时 , 面 层 板 的 温 度 疲 劳 应 力 随 半 刚 性 基 层 厚 度 的 增 加 l I ji 减 小 ; ( 5 ) 无论 水泥 混凝 土板厚 度如何 , 水泥 混凝 土 面层 板 荷 载疲劳 应力 和温度 疲劳应 力 的综 合作 用均 随半 刚 性 基层 厚度 的增加 而减 小 。 可见 , 增 加水 泥混 凝
7、 土 面层 板 的厚 度 和半 刚性 基 层 的厚 度均 可 以减 小荷 载疲 劳应力 和温度 疲劳 应力 的 综 合作 用 。 表 1交通荷载分级 交通荷载分级 极重 特重 重 中等 轻 设计 基准期 内设 计 车道 承受设 计 轴载 1 1 0 0 1 1 0 2 O O 0 1 0 0 1 O O 3 3 ( 1 0 0 k N) 累计 作用 2 0 0 0 次数 N ( 1 0 ) N 。 4 2 0 1 3上 么姥 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m s一 G s 表 2各 工 况 设 计 参 数 设 计 参 数 工 况 一 工 况 二 工 况 三
8、 T 况 四 道路等级 高速公路 高速公路 一级公路 二级公路 公路 自然 区划 最大温度梯度 8 6 m 可靠度系数 1 2 6 1 2 6 1 2 0 1 1 5 设计轴载( 1 0 0 k N) 累计作用次数 9 0 1 0 7 1 5 1 0 7 5 0 1 0 6 6 0 1 O 交通荷载分级 特重 重 重 中等 厚 度 h 0 2 8 0 3 O m 0 2 6 0 2 8 m 0 2 4 0 2 6 m 0 2 2 0 2 4 r ll 弯拉 弹性模量 E 3 1 GP a 3 1 GP a 3 l GP a 2 9 GP a 水 泥 混 泊 松 比 0 1 5 0 1 5 0
9、1 5 0 1 5 凝 土 面层 弯拉强度标准值 _厂 r 5 0 MP a 5 0 MP a 5 0 MP a 4 5 MP a 线膨胀 系数 n 1 1 1 O 6 l 1 1 0 6 1 1 1 0 6 1 1 1 0 6 厚度 h 0 2 0 0 4 0 m 0 2 0 0 4 0 I n 0 2 0 0 4 0 r f l 0 2 0 0 4 0 I n 水 泥稳 定 弯拉 弹性模量 E 2 0 0 0 MP 2 0 0 0 MP a 2 0 0 0 MP a 2 0 0 0 MP a 碎 石 基 层 泊松比 0 2 O 0 2 0 0 2 0 0 2 0 级配碎石 厚度 h l 0
10、 1 8 r ll 0 1 8 m O 1 8 m 0 1 8 13 2 底基层 回弹模量 3 O 0 MP a 3 0 0 MP a 3 0 0 MP a 3 0 0 MP a 路床顶面综合 回弹模量 Eo 8 O MP a 8 O MP a 8 0 MP a 8 O MP a 表 3 各 工况 应 力 计 算 结 果 MPa 面层厚度 基层厚度 0 2 0 m 0 2 5 m 0 3 0 m 0 3 5 m 0 4 0 m T况一( 特重交通高速公路 , Ne =9 0 1 0 ) 荷载疲劳应力 3 6 7 0 3 6 0 7 3 5 1 8 3 4 0 l 3 2 5 9 0 2 8 m
11、 温 度 疲 劳应 力 0 5 7 9 0 5 9 7 0 6 1 4 0 6 2 9 0 6 4 3 d 。 r 十 d 4 2 4 9 4 2 0 4 4 1 32 4 03 0 3 9 0 2 荷载疲劳应力 3 5 0 7 3 4 5 2 3 3 7 5 3 2 7 3 3 1 4 8 0 2 9 r n 温度疲劳应力 0 4 8 9 0 5 1 1 0 5 3 2 0 5 5 2 0 5 7 2 O T ff t r 3 9 9 6 3 9 6 3 3 9 07 3 8 2 5 3 7 2 0 荷载疲劳应力 3 3 5 5 3 3 0 8 3 2 4 1 3 1 5 2 3 0 4 1
12、 0 3 0 m 温度疲劳应力 0 4 0 1 0 4 2 6 0 4 5 1 0 4 7 5 0 4 9 9 d b r _ 广0 3 7 5 6 3 7 3 4 3 6 9 2 3 6 2 7 3 5 4 0 工况二( 重交通高速公路 , Ne =1 5 1 0 ) 荷载疲劳应力 3 6 4 6 3 5 6 9 3 4 6 0 3 3 2 1 3 1 5 4 0 2 6 m 温度疲劳应力 0 7 5 5 0 7 6 4 0 7 7 0 0 7 7 5 0 7 7 8 o _ 3r 7 4 4 0 1 4 3 3 3 4 2 3 0 4 0 9 6 3 9 3 2 荷载疲 劳应力 3 4 7
13、 3 3 4 0 7 3 3 1 4 3 1 9 3 3 0 4 6 0 2 7 H 温度疲劳应 力 O 6 6 8 0 6 8 2 0 6 9 3 0 7 0 3 0 7 1 2 d n r 1 0 4 1 4 1 4 0 8 9 4 0 0 7 3 8 9 6 3 7 5 8 荷载疲 劳应 力 3 3 1 4 3 2 5 7 3 1 7 6 3 O 7 1 2 9 4 3 0 2 8 m 温度疲劳应力 O - 0 5 7 9 0 5 9 7 0 6 1 4 0 6 2 9 0 6 4 3 O O 3 8 9 3 3 8 5 4 3 7 9 O 3 7 O O 3 5 8 6 2 4 上 赡
14、 N 。 4 2 0 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m s 一一s 续表 T况 三( 重交通一级公路 , Ne -5 0 1 0 。 ) 荷载疲劳应力 3 6 2 7 3 5 3 1 3 3 9 8 3 2 3 0 3 0 3 3 O 2 4 m 温 度疲 劳应 力 0 9 1 4 0 9 1 2 0 9 0 7 0 9 0 0 0 8 9 3 。 j r o lr 4 5 4 1 4 4 4 3 4 3 O 5 4 1 3 O 3 9 2 6 荷 载 疲 劳 应 力 3 4 4 4 3 3 6 3 3 2 4 9 3 1 0 4 2 9 3 3 0 2
15、5 m 温度疲 劳应力 0 8 3 8 0 8 4 1 0 8 4 2 0 8 4 1 0 8 3 9 T 4 28 2 4 2 0 4 4 0 9 1 3 9 4 5 3 7 7 2 荷载疲劳应力 3 2 7 6 3 2 0 6 3 1 0 9 2 9 8 4 2 8 3 4 0 2 6 m 温 度疲 劳应 力 0 7 5 5 0 7 6 4 0 7 7 0 0 7 7 5 0 7 7 8 r+ 4 03 1 3 9 7 0 3 8 7 9 3 7 5 9 3 6 1 2 丁况 四( 中 等交 通 二 级 公 路 , Ne =6 0 1 0 ) 荷载疲劳应力 3 3 6 4 3 2 4 3
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