涵洞、通道上的水泥混凝土路面结构设计与施工.pdf

第 2 8卷 第 2期 2 Ol 1年 6月 建 筑科 学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo I 28 NO 2 J u n e 2 0 1 1 文章编号 ： l 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 9 5 0 5 0 涵 洞、 通道上 的水 泥混凝 土路面 结构设计与施工 夏永旭， 王秉 纲， 匪 匾 ( 长安 大学 公路学 院， 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要： 根据 已有文献中的研究结果， 参考各 国的经验 ， 给 出了涵洞、 通道上的水泥混凝土路 面的 3种 典型结构形式和对应配筋计算公式， 并给 出了一个简单的算例 ； 结合 3种典型结构形式， 给 出了涵 洞、 通道上水泥混凝土路面的施工注意事项。所得 的研 究成果可为涵洞、 通道上的水泥混凝土路面 设计提 供技 术指 导 。 关键词 ： 涵 洞 ； 通 道 ； 水泥 混凝 土路 面 ； 结构设计 ； 施 工 中图分 类号 ： U4 1 6 2 1 6 文献标 志码 ： A S t r u c t u r a l De s i g n a n d Co n s t r u c t i o n o f Ce me n t Co nc r e t e Pa v e me n t o v e r Cu l v e r t o r Un d e r pa s s X I A Y o n g X U ， WAN G B i n g g a n g ，I HU C h a n g - s h u n l ( Sc ho ol o f Hi ghwa y，Cha n g a n Uni ve r s i t y，Xi a n 71 0 06 4Sha a nx i Chi n a) Ab s t r a c t ：Ac c or d i ng t o t he r e s e a r c h r e s ul t s of e xi s t i n g r e f e r e n c e a nd r e f e r r i n g t o t h e do me s t i c a nd f or e i gn e xp e r i e n c e s ，t hr e e t y pi c a l s t r uc t ur e s a n d c o r r e s p on di n g r e i nf or c e me nt c a l c ul a t i o n f or mul a e o f t h e c e me n t c o nc r e t e pa v e m e n t ov e r c u l v e r t o r u nd e r pa s s a n d a s i mpl e e x a m p l e we r e gi v e n At l a s t ，c o m b i n i ng t he t h r e e t yp i c al s t r u c t u r e s，s ome i s s u e s f o r a t t e nt i on i n c o ns t r u c t i o n a b ou t t h e c e m e n t c o nc r e t e pa v e me n t o ve r c u l v e r t or u nde r pa s s we r e gi v e n The o bt a i n e d a c hi e v e m e n t c a n b e u s e d a s t h e gu i de f or d e s i g n o f t h e s t r u c t u r e o v e r c ul v e r t o r un de r pa s s Ke y wor d s ：c ul v e r t ；u nd e r pa s s；c e m e nt c o nc r e t e p a v e me nt ；s t r u c t u r a l d e s i g n；c o ns t r u c t i on 引 仁 随着 中 国公 路 建设 等级 的提 高 ， 涵 洞 、 通 道 等过 路构造物所占的比重越来越大， 仅就数量而言， 高等 级公路每公里所含涵洞和通道 已达 5 座之多 。对于 这些构造物 ， 其主体工程的设计和施工 ， 均有相应的 规 范或标 准 可遵 循 。但 对 于构 造 物 上 的路 面结 构 ， 目前 尚无 完 善 的设 计 与施工 技术 规程 可 以利用 。由 于缺 乏科 学 的依据 ， 工程 技 术 人 员 只 能凭 以往 的经 验 和 自己对 问题 的 认识 程度进 行 主观 设计 。许 多路 面建 成通 车不 久 ， 已在 涵洞 、 通道处 出现不 同程度 的 沉 陷 、 裂 缝 、 错 台 、 断 板 等病 害 。从 笔 者 现场 调 查 的 结 果来 看 ， 病害 的程 度是 通道 高于涵 洞 ， 病 害 的范 围 是 沥青 路 面大 于水 泥路 面 。这 些病 害严重 地影 响 了 交 通运 营 和安全 ， 同时 也 给 养护 维 修 带 来 了很 大 的 不便 。 关 于 沥青 混 凝 土路 面 ， 美 国怀俄 明大 学 在研 究 涵洞上方路面的沉陷原 因时l 1 j ， 曾对 l 6 0个涵洞作 了野外检测， 并对其中 1 5个涵洞现场钻芯取样 ， 进 行室 内测 试 ， 最后 认 为 造 成 涵 洞 上 方路 面不 均 匀 沉 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 l l 8 作者简介 ： 夏永旭( 1 9 5 4 一 ) ， 男 ， 陕西武功人 ， 教授 ， 博士研究生导师 ， 工学博士， E ma i l ： y o n g x u x i a 1 2 6 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 6 建筑科 学与工程 学报 2 0 1 1 q - 陷的原 因是 ： 涵洞两侧及上方回填土压实不够 ； 涵洞上方填土高度过小 ； 回填土具有高塑性、 可压 缩 性 。处 理办 法有 2种 ： 一 是 在 填 土 中加 入 土 工格 栅 等土工 材 料 ； 二 是 用 流 动性 低 的低 剂 量 水 泥稳 定 材料进行 回填。 在 中 国 ， 关 于涵洞 、 通道 上 的水 泥混凝 土路 面 结 构 设计 ， 曾做 过 一 些 初 步 的 研 究 ， 并 参 考 日本 的 做 法 ， 提 出 了一 定 的设 计 要 求l_ 2 。中 国不 同省 份 在 一 些高等级公路建设 的工程实践 中， 均对涵洞 、 通道附 近的路面设计与施工提出了不 同的措施和要求 ， 如 济青高速公路在除管涵以外 ， 对所有构造物 的台背 换填透水性好 的砂性土 l3 ； 沪宁高速公路结合工期 和地质的实际情况 ， 采用整体式和分 体式 2种施工 方式l 4 ， 对此 山西 太旧高速公路 也有不 同的做 法。 这些措施都不 同程度地降低 了涵 同、 通道等过路构 造物上路面的开裂和差异沉降。笔者曾采用有限元 数 值 模拟 方法 和室 内试 验方 法 ， 对涵 洞 、 通 道 附近沥 青混凝土路面和水泥混凝土路面的结构力学特性进 行 了全 面 系 统 的 研 究 ， 得 出 了 一 些 重 要 的 设 计 建 议 。本文中笔者拟在文献 5 研究的基础上 ， 参考 各国的相关做法 ， 提出了一套涵洞 、 通道上的水泥混 凝 土路 面设 计 与施工 方 法 。 1 现有规范存在 的问题 1 1 日本规 范 日本的 水泥混凝土路面设计施工纲要 根据 构造物与路面结构 的相对位置 ， 分为 3种情况对其 进行设计 ： ( 1 ) 当构造 物嵌 入水 泥 混凝 土板 内时 ， 在构 造物 两侧 设置 承托 ， 并 设 1 3块搭板 。对 于 已有 的构造 物 ， 无 法 在其 上设 置 承 托 时 ， 需 将 回填 土 充 分 压实 ， 然后铺设钢筋 昆凝土板。但是 ， 如果预计两侧沉降 量较大 ， 则在紧靠构造物两侧铺 筑水泥稳定类基层 或 混凝 土基 层 ， 然 后 铺 筑 钢筋 昆凝 土 板 。如 果 预 计 两侧沉降量较小 ， 在构造物两侧设胀缝 ， 铺设钢筋混 凝 土板 。 ( 2 ) 当构造 物嵌 入基 层 内时 ， 包 括 构造物 在 内前 后均采用钢筋混凝土板 ， 但需要在构造物边缘处设 置接缝 ； 当构造物上基层厚度小 于 0 1 m 时 ， 则取 与面板相同标号 的混凝土铺筑。 ( 3 ) 当构造 物在 路基 内时 ， 采 用双 层钢 筋混 凝土 板 。如果构造物在路基 以下 ， 与一般的普通混凝 土 板 一样 ， 且 与接 缝位 置无 关 。 在不得 已情 况下 ， 涵 管位 于基 层 内时 ， 涵管上 的 混凝 土板 用 钢 筋 加 强 。但 当 涵 管 直 径 小 于 1 0 m 时 ， 按照构造物嵌入基层时的情况处理 。 可 以看 到 ， 日本 的主 要做 法 是 在 板 中布 置 钢筋 网和预 先切 缝或 留胀 缝 ， 并且 规 定 加 筋 板 的 长 度 为 6 0 m。但是 3种情 况 的区分 ， 除 了第 1种情况 比较 明确外 ， 其余 2种情况均不明确 ， 如当构造物嵌入基 层 内时 ， 板厚 、 配 筋方 案 以及板 底到 构造 物顶 面 的距 离有什么要求均未做说明。 1 2 中国规 范 中国的 公 路 水 泥混 凝 土 路 面 设 计 规 范 ( J T J D4 0 -2 0 0 2 ) 参考 日本的做法， 要求 当构造物上的填 土高度 H0 8 m时 ， 在顶面两侧各 6 0 m 范围内 的混 凝土 采用 钢筋 网补 强 ； 当 H O 3 m 或构 造 物 嵌入基层时 ， 采用双层钢筋 网补强 ； 当 0 3 mH 0 8 m 时 ， 采用 单层 钢筋 网补 强 ， 其 中构 造物 两侧 加 筋板 的长度和填土高度 的划分 ， 是基于文献 7 关于 构造物上水泥混凝 土路面板的研究 。非常遗憾 的 是 ， 文献 7 中采用 Wi n k l e r地基上的简支板、 滑支 板和固定板 的研究模型过于简单和理想化 ， 特别是 将构造物的存在作用仅等效 为弹簧系数 K 、 K 的 表示 ， 而不计基层变形的影响， 存在明显的缺陷。另 外， 依靠最初给定的地基模量 E 和重度 7 ， ( i =0 ， 1 ) 来计 算 K 、 K ， 显 然无法 模 拟 构 造物 两 侧 基 层 的压 实度 和土 基 的软化 ， 这 些 都 将 肯 定 造 成 计算 结 果 和 工程实际的较大偏差。 2 涵洞、 通道上的水泥混凝土路面设计 2 1指导 思想 根据文献 5 中的研究可知： ( 1 ) 当构造 物上 的填 土高 度 H I 2 r n时 ， 构 造 物 对水 泥 昆凝土 路 面 板 的力 学 特 性 影 响 已 经很 小 。 由此可知 ， 对于填土高度 H 1 2 m 的情 况 ， 必须另 外设 计 。 ( 2 ) 由于涵洞 、 通道等构造物的存在 ， 提高了路 基的整体刚度 ， 使得水 泥混凝土路面板的挠度始终 小于无构造物时 的普通水泥混凝 土路面板。因此 ， 在涵洞、 通道上的水泥 昆 凝土路面设计时 ， 不将板的 挠度作为控制指标 。 ( 3 ) 水泥混凝土路面板 的力学特性呈现出明显 的各 向异性 ， 受压 能力 远大 于受 拉 。然而 ， 由于构 造 物 的存 在 ， 特 别是 当水 泥 混凝 土路 面 板 相 对 于 构 造 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 夏 永旭 ， 等 ： 涵洞 、 通道 上 的水泥 混凝 土路 面结 构设计 与施 工 9 7 物完全侧置 ， 或构造物两侧路基无法压实时， 将在混 凝 土路 面板 内出现较 大 的拉 应 力 。 ， 因此 ， 构 造物 上 水泥 混凝 土路 面板设 计 的主要 目的是减 小或 克服 板 内 的拉应力 。 ( 4 ) 影响水泥混凝土路面结构力学特性 的因素 ， 有填土高度、 荷载位置 、 板的厚度 、 弹性模量 、 板与构 造物的相对位置 以及地基模量等 。在这些 因素中， 构造 物上 的填 土高度 ， 由于受 道路 线型 的限 制 ， 不 可 能有 较大 的改 变 ； 行 车荷 载 的位 置 ， 由于 其 随意性 又 不可控制 ， 所以， 只能从提 高板 的抗弯、 抗拉强度和 构造物两侧的路基压实度人手。 2 2 路面 结构 2 2 1 典 型结 构 根据文献 5 中的研究结果 ， 考虑到工程的实际 情况和 目前的施工水平 ， 建议涵洞、 通道上水泥混凝 土路 面设 计 的 典 型 结 构 如 图 1所 示 ， 其 中 ， E 、 E 、 E。 、 E E 、 E】 。 为模量 ， z 为侧板长度 ， h 、 h 。为基层 厚度 。 ， ， I I 叫 ( a ) 0 4m日 1 2n l ， ， E 一 2 一 一 I 口 土 ( b 0 0 m O4 m ， ， I 叫1 叫 ( c ) 一 O 0 m 图 l 构造物上水泥混凝土路面典型 结构 Fi g 1 Typ i c al S t r u c t u r e s of Ce me nt Con c r e t e Pa v e m e nt o v e r Co ns t r u c t i o n 从受力特性和施工 2个方面考虑， 构造物两侧 板长度 z 一般不小于 4 0 m， 而构造物两侧的预 留 宽度 和 回填材 料类 型见 表 1 。 表 1 构造物两侧路基典 型结构 Ta b 1 Ty pi c a l Ro a d be d S t r u c t u r e s f o r Bo t h S i d e s o f Co n s t r u c t i o n 高速 、 一级公路 二级及二级 填土高度 以下公路 整体式 分体式 整体式 分体式 与 构 造 物 等 两 侧 底 部 宽 尺寸开槽 ， 侧 墙 1 O m， 1：1坡 与填 土 紧贴 ， 墙 度至 上 口， 梯形 O 4 m 体 与 土 体 之 间 或 台 阶 型 范 围 同 同 H 1 2 171 的缝 隙 用 砂 浆 内用 天 然 砂 砾 填充 ， 并用 抹 子 或灰土 填筑 ， 压 或钢钎捣实 实度不小于 9 O 侧 墙 外 加 两 侧 底 部 宽 1 O m 开 槽 ， 侧 2 0 m， 1：1坡 墙修筑 后 ， 两侧 度至 上 口， 梯 形 0 0 m 各1 O I T I 范 围 内 或 台 阶 型 范 围 同 同 H0 4 lq l 采用 天 然 砂 砾 内用 天 然 砂 砾 或底 基 层 材 料 或 底 基 层 材 料 回填 ， 压 实度 不 回填 ， 压实 度 不 小 于 9 O 小 于 9 O 开 槽 及 回 填 填 筑 范 围 同 范 围同 ， 采 用 ， 采用 基 层和 基 层 或 底 基 层 底 基 层 材 料 回 h 2 材料回填两侧及 填 ， 两侧 压 实度 H0 0 1 3 5 m 成 立 。 已知 I级钢 筋 R 一2 4 0 0 MP a ， 则 由式 ( 1 ) 得 Ag 一 6 1 87 5 1 0 m 代入限制条件式( 5 ) 中得 ， Fi g一 0 35 4 ff 一 0 1 5 ， ， L 这 样 ， 得 到水 泥混 凝土 路 面 板 的配 筋 为 O1 0的 工级光 圆钢 筋 ， 上 、 下 两层 对 称 配 筋 ， 钢 筋 的 间 距 为 0 1 2 5 1 T I ， 板 上 、 下两面的钢筋保 护层厚 度 为 0 0 2 5 i n 。 3 施工注意事项 3 1 路 基 ( 1 ) 涵洞 、 通道 上 水 泥 混 凝 土路 面基 层 的 材 料 、 施工工艺完全符合现有的 公路水泥 昆 凝土路面设 计规范 ( J T J D4 0 -2 0 0 2 ) 和 公路路面基层施工技 术规范 ( J T J 0 3 4 -2 0 0 0 ) 要求。基层要有足够的刚 度和稳定性 ， 且断面正确， 表面平整。 ( 2 ) 基 层 材 料 无 论 是 选 用 贫 混 凝 土 、 二 灰 稳 定 类 、 水泥 稳定 类 ， 或 因 地制 宜 选 用 当地 替代 材 料 ， 都 必 须满 足设 计 中提 出的模 量要 求 。 3 2 路 面 ( 1 ) 当构造物的顶面深入到基层且无任何填充 物时 ， 水泥混凝土路 面板 的施工完全等同于钢筋混 凝土桥面板的铺装。 ( 2 ) 当构造物上方有填土 ， 或无填土但基层存在 时 ， 水泥? 昆凝土路面板 的施工和普通混凝 土路 面板 完全一样 ， 只需要注意施工中勿使构造物损坏。 ( 3 ) 上述 2种情况 ， 均需要满 足下述要求 ： 水 泥混凝土路面板的厚度不小于普通混凝土路面板的 设计厚度 ； 水泥 昆凝土路 面板 内的配筋率必须得 到保证 ， 钢筋绑扎符合有关规范要求 ； 水泥混凝土 路面板相对于构造物对称放置 ； 水泥7 昆凝土路面 板和构造物两侧路面板靠拉杆连接 ， 板中不锯缝。 4 结语 涵 洞 、 通 道 上 的水 泥 混 凝 土路 面 结 构设 计 与 施 工 ， 是一个在不断探索的内容 。本 文中提 出的这套 设 计 与施工 方法 ， 是 在 已有 的 理论 研 究 与工 程 实 践 的基础 上形 成 的 ， 但 还需 要进 一步 的实 际工 程检 验 。 希 望 经过一 段 工程 实 践 和 不 断完 善 后 ， 能够 弥 补 现 有水泥混凝土路面结构设计与施工技术 的不足 。 参考文献 ： Re f e r e n c e s ： 1 I UND VA I J F， T UR NE R J P Mi t i g a t i o n o f R o a d wa y S e t t l e me n t Ab ov e Bu r i e d Cu l v er t s a nd Pi p e r s r R Ch e y e n n e ： W y o r n i n g De p a r t me n t o f Tr a n s p o r t a T 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 夏永 旭 ， 等 ： 涵 洞 、 通道上 的 水泥混 凝 土路 面结 构设计 与施 工 9 9 t i on， 1 99 7 2 J TJ D 4 0 -2 0 0 2 ， 公路水 泥混凝 土路面设计规范 s 3 4 5 6 7 8 9 J TJ D4 0 - 2 0 0 2 ，Sp e c i f i c a t i o n s o f Ce me n t Co n c r e t e P a v e me n t D e s i g n f o r Hi g h w a y S 高速 公 路丛 书 编 委 会 高速 公 路 路 基 设 计 与 施 工 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 7 Edi t or i al Co mmi t t e e o f Ex pr e s s wa y S e r i e s Ro a dbe d De s i g n a n d C o n s t r u c t i o n o f E x p r e s s w a y M B e i j i n g ： Chi na Commun i c a t i o ns Pr es s， l 9 97 江苏 宁沪 高速公路 股份有限公司 ， 江苏省高速公路 建 设指挥部 沪宁高速 公路 江苏段 建设 论文集 M 北 京 ： 人民交通出版社 ， 1 9 9 7 J i a n g s u Ex p r e s s wa y Co mp a n y I i mi t e d， Ex p r e s s wa y C o n s t r u c t i o n He a d q u a r t e r s i n J i a n g s u Pr o v i n c e Th e Sy mpo s i u m of H u ni ng Expr e s s wa y Co ns t r u c t i on i n J i a n g s u P r o v i n c e M B e i j i n g ： C h i n a C o m mu n i c a t i o n s Pr es s， l 9 97 夏永旭 涵洞、 通道上路面结构研究 D 西安 ： 西安 公路 交通 大学 ， 1 9 9 9 XI A Yo ng xu St u dy on Pav e me nt St r u c t ur e ov e r t he C u l v e r t o r Un d e r p a s s D Xi a n ： X i a n Hi g h w a y Un i v e r s i t y， 1 99 9 日本道路协会 水泥 混凝 土路 面设计施 工 纲要 M 杨盈 余 ， 杨 春 华 ， 译 北 京 ： 中 国建 筑 工 业 出 版 社 ， 1 9 88 J a p a n 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9 郑木莲 ， 陈拴发 ， 王秉纲 水 泥混凝土路面多孔混凝土 基层的接缝间距 J 中国公路 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 4 ) ： 2 5 3 n 1 O 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 ZHENG M u l i a nCH EN Shu a n f a，W ANG Bi ng g a n g J o i n t S p a c e f o r P o r o u s C o n c r e t e Ba s e o f Ce me n t C o n c r e t e P a v e me n t J C h i n a J o u r n a l o f Hi g h wa y a n d Tr a n s po r t ， 20 07， 2 0( 4)： 25 30 郑木莲 ， 王松 根 ， 陈拴发 ， 等 耐久性 沥青路 面混 凝土 基层荷载应力 的数值 计算 J 中 国公 路学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 1( 2)： 28 33 ZH ENG M u l i a n，W ANG Son g g e n，CH EN Shu a n f a。 e t a 1 Lo a d St r e s s Nu m e r i e a l Ca l c ul a t i o n f o r Co n c r e t e B a s e o f D u r a b l e As p h a l t P a v e me n t J C h i n a J o u r n a l o f Hi g h wa y a n d Tr a n s p o r t ， 2 0 0 8 ， 2 1( 2 )： 2 8 33 胡 昌斌 ， 阙 云 冲击碾 压动荷 载下水泥 混凝 土路 面 结构的力学行为 J 交通运输工 程学报 ， 2 0 0 8 ， 8 ( 4 ) ： 4 0 4 6 HU Ch a n g b i n，QUE Yu n Me c h a n i c a l Be h a v i o r s o f Ce me nt Co nc r e t e Pav e me n t St r u c t ur e Und er I m p a c t R o l l i n g L o a d J J o u r n a l o f T r a f 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