水泥混凝土路面下路基工作区深度确定方法的探讨.pdf

s一 一 水 泥 混凝 土路 面下路 基 工 作 区深 度 确定 方法 的探 讨 胡洪龙 ( 同济大 学 道 路与 交通 工程教 育部 重点实 验室 ， 上海2 0 1 8 0 4 ) 摘要 ： 通 过讨论 原路 基 丁作 区深度 确定 方法 的局 限性及 应用 于水 泥混凝 土路 面 时 的不合 理 之处 ， 提 以荷 载作 用 于 水 泥混 凝土 面板 不 同荷位 时 的路 基应 力 比( 板角 、 板边 时 的路 基应 力与 板 中时 的 比值 ) 作 为水 泥混 凝 土路 面 下路 基 丁作 区深 度 的 控制指 标 。采用 有 限元方 法 ， 讨论 了路 基应 力扩 散特 征和 作 区深度 ， 给 H 了路 基深度 0 8 m处 的应 力 比取值 范 同 。结 果 表 明 ： 不 同轴型 ( 单轴 、 双轴 和三轴 ) 及不 同公路 等 级的路 基工 作 区深 度 变化 在 0 6 5 1 5 5 m之 间 ， 原 0 8 y n的 路 基 T作 区 深度 已不 能完 全满 足现 在路 面结构 和轴 荷条 件下 的情 况 。在综合 考虑 轴荷 、 路 面结 构 和公路 等级 基础 上 ， 推 荐 丁路 基 丁作 区 深 度值 。 关键词 ： 道路 _T程 ；水泥混凝土路面 ； 路基 ； 控 制指标 ；路基T作区深度 0 引 言 路基 工作 区深 度的取 值各 国不尽 相 同 。前 苏 联规 定 路基 工作 区深 度 以下 土 壤 的 含水 量 应 接 近 于液 限 。 高 等级 路 面 ， 取 i 2 r n ； 次 高 级 及 过 渡 式 路 面 时 ， 取 0 6 m l 】 j 。 日本将 路 基顶 面 以下 I m 的 范 围视为 路基 l丁作 区 ， 并规 定 应 对其 进 行 充 分 压 实l 2 。法 国的 路 面 设计 法 吸取 了 AAS HTO 道 路试 验 成 果 ， 规 定 以 路 基 土 上部 I r n的含 水量 作 为 路基 分 级 的标 准 ， 必 要 时要 对 路 基 表 面 以 下 I m 的 土 层 进 行 必 要 的 改 善 和 处 理 。 在 我 国 ， 公 路 路 基 设 计 规 范 一 直 采 用 0 8 m 作 为路 基 工作 区 深 度 ， 并 将 之 称 为 路 床 。然 而 业 内 对 这 一 深度 的 由来 并 不 十 分 清 楚 ， 只 知 道 是 根 据 2 0 世 纪 8 O年代 的 车辆 组 成 、 路 面 结 构 组 合 情 况 经 计算 分 析 得 到 的 。如 今 车 辆 组 成 和 路 面 结 构 与 8 0年 代 有 很 大 不 同 ， 一 方 面 ， 表 现 为 货 车 比例 增 加 、 轴 荷 加 大 、 轴 数增 多 ； 另一 方 面 ， 水 泥 混 凝 土 路 面 结 构 组 合 、 材料 强 度 和 厚 度 等 都 有 了 较 大 变 化 。同 时 ， 越 来 越 多 的研 究 人 员 对 原 有 确 定 方 法 的 合 理 性 提 出 了 质 疑 。在这 种 情 况 下 ， 仍 使 用 原 有 确 定 方 法 ， 采 用 0 8 m作为路基 工作 区深 度缺 乏足够 的依 据 。鉴于 此 ， 有 必 要 对 现 在 路 面 结 构 和 轴 荷 水 平 下 的 水 泥 混 凝 土路 面路 基 工 作 区 深 度 做 深 入 的 分 析 和 研 究 ， 为 收 稿 日期 ： 2 O 一 1 1 2 4 基金项 目： 交通部西部交通建设科技项 目( 2 0 0 7 3 1 8 2 2 3 0 1 4 ) 1 6 上冯么魄 N 。 1 2 0 1 2 可靠 设 计水 泥 混凝 土 路 面结 构 奠 定 基础 。 1 路面结构 模型 及参 数 、 荷 载 图式和计 算 方法 1 I路面 结构模 型 水 泥 混凝土路 面 结构 由多层 构成 ， 通 常包 括 面层 、 基层 、 底基 层 、 垫 层 和路基 等 ， 为简化 起见 ， 将 底 基 层 和 垫层 合并 为一层 ， 路 面结 构 三 维 力学 模 型 示 意 图 见 冈 1 。图 中 ， L、 B分 别 表 示 板 长 和板 宽 ； B L 表示 基层 和底 基 层 的横 、 纵 向超 宽 量 ； B 表 示路 基 相 对 基 层 横 向超 宽量 。面层 、 基 层 和 底 基 层 厚 度 分别 为 h ，h 和 h ， 路基 深度 用 H 表示 。 L ( a ) 平面图 t 透视图 图 1 路 面 结 构 一路 基 三 维 模 型 模 型采 用如 下假设 ： ( I ) 各 层材料 是均 匀 的 、 各 向同性 和线 弹性 的 ； ( 2 ) 面 层与 基层层 间完全 连续 或光 滑 ； ( 3 ) 基 层 与 底 基 层 、 底 基 层 与路 基 表 面 均 为 完 全 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 连 续 。 1 2荷载 图式 2 0世纪 8 O年代我 国道路上 的轴型构成 主要为单 轴 双轮 和少 量 的双 轴 双 轮 。如 今 ， 道 路 上 的轴 型 构 成 L j q r 一1 8 0 一 a 】 单轴 一 双轮组 涵盖单轴双轮、 双轴双轮 和三轴双轮。不 同车辆荷载 图式 见 图 2 。单 轴 双 轮 、 双 轴 双 轮 和 三轴 双 轮荷 重 P 分别取 1 0 0 k N、 1 8 0 k N和 2 2 0 k N。其接地轮印和压 力 根 据表 1 取 值 。 j 1 r _ L - 1 | | _ 1 8 0 _ - l 一一 表 1 车辆 荷载 接地轮印和接地压 力 b ) 双轴 一 双轮组 图 2荷载 图式 ( 单位 ： c m) 轴重 P k N 2 0 4 0 5 O 6 O 8 0 1 O O 1 2 O 接地压力 p MP a 0 4 0 0 0 5 2 0 0 5 7 3 0 6 3 0 0 7 4 0 0 8 5 5 0 9 5 0 单 轮轮宽 W c m 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 2 4 2 4 单轮印高 H c m 1 1 3 1 7 6 1 9 8 2 1 7 2 2 5 2 4 4 2 6 2 1 3 路 面 结构 参数 及计 算方 法 参考 1 9 9 4年 水 泥混 凝 土 路 面 设 计 规 范 分 别 选 取二级公路和一级公路的一种典 型路 面结构形式 ， 以 下简称 旧路面结构 ； 参考 2 0 1 1年版 水泥混凝 土路面 设计规范 分别选取二级公路、 一级公路和高速公路中 的一 种典 型 路 面 结构 形 式 ， 以下 简称 新 路 面 结 构 。路 面结 构参 数分 别见 表 2 表 4 。 表 2二 级 公 路 旧路 面 厚度 模量 新路面 厚度 模量 泊松 泊 松比 结构 MP a 结构 MP a 比 面层 0 2 2 2 8 0 0 0 0 1 5 面层 0 2 5 2 9 0 0 0 0 1 5 灰 碎 级 配 碎 0 1 5 5 0 0 0 2 5 0 2 0 3 0 0 0 3 5 石 基 层 石 基 层 级 配碎石 0 1 8 1 5 0 0 3 5 底基层 | f 底 基 层 路基 2 0 、 5 0 、 8 0 0 4 0 路基 2 0 、 5 0 、 8 0 0 4 0 表 3一 级 公 路 旧路 面 厚度 模量 新路 面 厚度 模量 泊松 泊松 比 结构 M P a 结构 m MP a 比 面层 0 2 4 3 O 0 O O 0 1 5 面层 0 2 7 3 1 0 0 0 0 1 5 水 泥稳定 水 泥稳定 0 2 0 4 O 0 0 2 5 0 2 0 2 0 0 0 0 2 0 砂砾基层 砂砾基层 级 配碎石 级配砾石 0 2 0 1 5 O 0 3 5 0 1 8 2 5 O 0 3 5 底基 层 底基层 路基 2 0 、 5 0 、 8 0 0 4 0 路 基 2 0 、 5 0 、 8 O 0 4 O 3 4 r | 1 I _ _ _ l 一1 80 J _ I I l I _ _ _ l 一 _ I l | c ) 三轴一 双轮组 表 4高速公路 新路面结构 厚度 m 模量 MP a 泊松 比 面 层 0 3 1 3 1 0 0 0 0 1 5 贫混凝土基层 0 1 8 2 7 0 0 0 0 1 5 级配碎石底基层 0 2 0 2 5 O 0 3 5 路基 2 0 、 5 0 、 8 0 0 4 0 本 文针 对 以上 5类 路 面 结 构 进 行 分 析 ， 对 旧 路 面 结构仅作用单轴双轮荷载 ， 新路面结构分别作用 单轴 双轮、 双轴双轮 和三轴双轮荷载。路面结构分析 应用 有 限元 法 ， 板平 面尺 寸 取 为 5 1 T I 4 m， 水 泥 混 凝 土 板 面 层 、 基 层 、 底 基 层 和 路 基 均 用 s o l i d 4 5单 元 ( 三 维 模 型 ) 模拟 。层 间连 接用 接触 单 元 t a r g e l 7 0和 c o n t a l 7 4 来 模拟 。基 层横 向超 宽 B 。 。 取 3 1 T I ， 路基 相对 基层 横 向 加宽 B 取为 4 m， 纵 向加宽 L 。 取为 6 m， 路基高度 H 取为 8 IT I 。路基竖向采用不等尺寸划分为 1 4层， 上密 下疏 。路面结构 3维模型中路 基尺寸为 ： 1 8 1 T I 1 7 m 8 1 T I 2 原路基工作区深度确定方法的局限性及改进方法 按 照现 行 教 材 ， 路 基 工 作 区 深 度 Z 的 计 算 公 式 为 ： z 一 ( 1 ) 式 中 ： Z 为 路 基 工 作 区深 度 ， m； 为 系 数 ， 取 忌一5 1 0 ； P为一侧轮重荷载， k N； 为土的容重 ， k N m。 。 式( 1 ) 是由车轮荷 载引起 的垂直应力 与路 基土 自重引起 的垂直 应力 0 B 相 比得 到 的 。该 公式 一方 面 简 单地考虑了车轮荷载 P和土的容重 y对路基工作 区 深 度 的影 响 ； 另 一方 面 ， 附加应 力 。 与 自重应力 的 比 N o 1 2 0 1 2上汤 缘 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m s一 G s 值 在 0 1 0 2之 间 的界定标 准也 很模糊 。实际 上 ， 即 使车轮荷载 P和土的容重 y不变， 不同路面结构及荷 位 时 的路基 工作 区深度 仍 有 可 能 不 同 ； 而 附加 应 力 与 自重应力 的 比值分 别 取 0 1和 0 2时 ， 得 到 的路 基工 作 区深 度值 差距 也很 大 。 仅对 于水 泥混 凝 土路 面而 言 ， 典 型 的荷 载 位 置 有 板 中 、 板边 中点 和板 角 。研 究表 明 ， 荷 位对 路基 顶 面应 力水 平有 很大 的影 响 。荷 载作 用在水 泥混 凝 土不 同荷 位 时 ， 板 角荷 位 路基 压 应力 值 最 大 ， 板 边 次 之 ， 板 中最 小 。随着 路 基 竖 向 深 度 的 增 加 ， 这 种 差 异 逐 渐 变 小 。 显然 ， 荷 载作 用在水 泥混 凝土板 不 同荷位 时 ， 由计 算公 式 直接 得 出的路 基 工作 区深 度 值有 很 大 的不 同 ， 这 就 造 成对 同一水 泥混 凝土 路面结 构 和荷载 水平 路基 工 作 区深度 却不 同 的 不合 理 现 象 。 因此 ， 对 于水 泥 混 凝 土 路 面 ， 有必要 对路 基工 作 区深度 的确定 方法 进行改 进 。 本文考 虑不 同荷 位 对 路 基 应力 的影 响 ， 使 用 不 同 荷位 时 的路 基 应 力 比作 为 路 基 T 作 区深 度 的 控 制 指 标。定义不同荷位时的路基应力 比值 ， ( z ) 如下： )一 ( 2 ) 式 中 ： C 、 e ， 分别 表示 板 角 、 板边 ； i 表示 板 中 ； m 、 z ， 分别 代表 新路 面结 构 和 旧路 面 结构 ； ”为 轴数 ， 可取 1、 2、 3； ( ) 表示 轴 荷 载作 用 在 水 泥混 凝 土 面板 J 荷位 处 时路基 深度 为 时 的应 力 。 3 旧路面 下路基 工作 区深 度控制 指标值 采 用应 力 比 ， ( z ) 控制 指 标 ， 标 准 轴 载作 用 于 旧 路 面结 构 时 ， 路 基 工 作 区 深度 0 8 IT I 处 控 制 指 标 ( 0 8 ) 值见 表 5 。 表 5 标准轴载作 用下控 制指标值 层问连续 层 光滑 层 间 状 态 1( O 8 ) ( o 8 ) ( o 8 ) ( o - 8 ) 二级公路 1 1 9 1 3 1 1 7 5 1 8 7 1 2 1 1 2 9 1 6 7 1 7 7 一 级 公 路 1 2 O 1 3 2 1 7 8 1 8 9 1 2 1 1 2 9 1 6 8 1 7 8 由 表 5可 以 看 出 ， 公 路 等 级 对 2 Me ( 0 8 ) 和 ( 0 8 ) 的影响 均较小 ， 可 以忽 略 。不 同层 间 状态 时 ， ( 0 8 ) 的变化 较小 ； 而 ( 0 8 ) 的变化 较 大 ， 层 间 连续 时 ， n ( 0 8 ) 在 1 7 5 1 8 9之 间 ， 层 间 光 滑 时 ， ( o 8 ) 在 1 6 7 1 7 8之 间 。后文 只考虑 层 间状态 对 路 基工作区深度的影响 ， 并近似地将式( 3 ) 作为 旧路面结 构 路基 工作 区深 度 的控 制 指标 。 1 8 上汤么魄 1 2 0 1 2 层间 连续 ： ( 0 8 ) 1 8 9 层 间光 滑 ： ( 0 8 ) 1 7 8 1 1 9 ( 0 8 ) 1 3 2， 1 7 5 ( 3 1) 1 2 1 1 ( 0 8 ) 1 2 9 ， 1 6 7 ( 3 2) 4 当前 路基 工作 区深度 推荐值 研究 结果 表 明 ， 单 轴 双 轮 荷 载作 用 于 新 的路 面 结 构时 ， 路 基 深 度 0 8 m 处 的 应 力 比 ( 0 8 ) 和 ( 0 8 ) 分别 在 0 9 7 1 6 5 和 1 3 6 2 3 6之 间 ； 多 轴荷 载时 ， ； 2 ( 0 8 ) 、 ， 2 ( 0 8 ) 、 ， 。 ( 0 8 ) 和 ， 。 ( 0 8 ) 分 男 1 在 1 4 1 2 3 9 、 1 9 8 3 4 3 、 1 4 1 2 5 6和 1 9 8 3 6 6 之 间。 由此 可 见 ， 由于 车辆 荷 载 的 多轴 化及 路 面 结构 的变 化 ， 应 力 比 ( O 8 ) 和 ： 。 ( 0 8 ) 较 ( 0 8 ) 均有 较大 的增加 。 计算 路基 工作 区 深 度 时 ， 假 设 新 的路 面 结 构 在 新 的路基工 作 区深度 Z 处 的 ( Z ) 值 与 旧 的路 面结 构 在 原路基 工 作 区深 度 Z 。 ( 0 8 m) 处 的 ( Z 。 ) 值 相 等 ， 则 新 的路 基 工 作 区深 度 Z 可 近 似 的 由下 式 计 算 得 到 ： 。 m a x ( 急 ， 急 m ax ， ) 为 ， 的最 大值 。 按上述 方法 ， 计 算 得 到 的路 基 工 作 区深 度 范 围 见 表 6 。 表 6路 基 工 作 区 深 度 推 荐 值 ( 最 小 单 位 ： 0 0 5 m) 轴型 单轴 一双轮组 双轴 一双轮组 三轴一双轮组 层 间连 续 0 7 0 1 0 0 1 O 0 1 4 5 1 0 0 1 5 5 层 间光 滑 0 6 5 1 O 0 0 9 5 1 4 5 0 9 5 1 5 5 最大值 1 O 0 1 4 5 1 5 5 由表 6可 以看 出 ， 单 轴 双 轮荷 载 的路 基 工作 区深 度在 0 6 5 1 O 0 m 之 间 ， 双轴 和 三轴荷 载 的路基 T作 区深 度分别 在 0 9 5 1 4 5 m 和 0 9 5 1 5 5 I n之 问 。 综合 以上 因素 ， 最 终推 荐 1 5 5 r l l 作 为新 的路 基 工作 区 深度 。实际应用 中， 可根据轴重 、 多轴荷载所 占比例等 情况适当取值 。 5 结语 综上 所述 ， 结论 如下 ： ( 1 ) 由计算 公式 直接 得 到路 基 工 作 区深 度 缺 乏 足 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 够 的工程 意 义 。对 于 水 泥 混凝 土路 面 ， 应 考虑 不 同荷 位 引起 的路基 应力 的差异 。引 入不 同荷 位 时路 基应 力 比 ， ( z ) 作 为路 基工 作 区深度 的控 制指 标 。 ( 2 ) 公 路 等级 对 ( 0 8 ) 和 ( O 8 ) 的影 响较 小 ， 可 以忽略 ； 层 间状 态对 ( 0 8 ) 的影 响较 小 ， 而 对 ( O 8 ) 的影 响较 大 。不 同公 路 等 级 和 层 问 状 态 时 ， ( 0 8 ) 在 1 1 9 1 3 2之 间 ； 层 间 连 续 和 层 间光 滑 时 ， ( 0 8 ) 分别 在 1 7 5 1 8 9和 1 6 7 1 7 8之 间 。 ( 3 ) 使用应力 比控制指标得 到的不 同等级公路 的 路 基工 作 区深 度 差 异并 不 明显 。不 同 轴 型荷 载 ( 单 轴 双 轮 、 双轴 双轮 和三 轴双 轮 ) 和层 间条 件 ( 连续 和 光 滑 ) 下 路 基 工 作 区 深 度 分 别 在 0 6 5 1 0 0 m、 0 9 5 1 4 5 r n 和 0 9 5 1 5 5 m 之 间 。实 际应 用 中 ， 应 根 据 道 路车 辆组 成情 况适 当取值 。 sG一s 参 考文 献 ： 1 巴布可夫 道路 工程手册F M 杨祖东等译北京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 1 9 6 3 E 2 3岸 田正一 道路工学 M 东北林学院道桥 系译 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 1 9 8 4 E 3 3山下 弘美 世界 主要 国家沥青 路 面结构 设计 法 M 顾时 光 译 1 9 8 1 4 J T J D 1 3 1 9 9 5 公路 路基设 计 规范 E s 3 北京 ： 人 民交 通 出 版 社 ， 1 9 9 6 E 5 3 J T G D3 0 2 0 0 4公路路基设计 规范 s 北京 ： 人 民交通 出 版 社 ， 2 0 0 4 6 田波 ， 姚祖 康 ， 赵 队家 ， 等承受 特重 车辆作 用 的水泥 混凝 土路面应力分析 J 中国公 路学 报 ， 2 0 0 0 ， 1 3 ( 2 ) ： 1 6 - 1 9 E 7 邓学钧路基路面工程 M 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 5 ( 上 接 第 1 5页 ) 距 离对外 交 通 ； 内部 则构 建 以快速 路 、 主 干路组 成 的 方 格 网骨 架 路 网 ， 如 西 中环 快速 路 、 塘 汉 快 速 路 、 中央 大 道 以及 新 港 四号 路 、 泰 达 大街 、 第 九 大 街 等 ， 组 织 城 市 交通 ， 加 强对 外 辐射 。 4 3 海 河 中游 地 区 海河 中游作 为增 长 的第 三极 ， 未 来应 当有 完 整 的 综合设施 ， 不应 当与中心城 区和滨海新 区成片发展 。 骨架路网利用城市高快速路形成弹性开放的道路主骨 架 ， 高速环由蓟汕联络高速、 京津高速 、 唐津高速、 津晋 高速 围合而成 ， 同时利用 天津大道、 津滨快速、 津汉快 速 以及机 场 快速 、 汉 港 快 速 路 等 自然 形 成 的 方格 网 构 建 区域环 路 ， 避免 对 两城 区 的向心 压力 过 大 。 5 结语 本 文从 现状 和 规 划 骨 架 路 网 出 发 ， 基 于 空 间 战 略 对 路 网 的新 要 求 ， 着 眼 应 对 未 来 潜 在 发 展 空 间塑 造 的需 要 ， 在 深 入 分 析 城 市 布 局 、 交 通 特 点 的 基 础 上 ， 综合 国内外大城市骨架路 网建设 经验 ， 研 究提 出 了天 津 中心 城 市 骨 架 路 网 方 案 ， 对 支 撑 天 津 城 市 主 体 结 构 由“ 主 副 中 心 ” 向 “ 双 城 ” 转 变 、 实 现 以 骨 干 交 通 走 廊 引 导 城 市 发 展 的 总 体 目标 提 供 了 有 力 技 术 支撑 。 参 考 文献 ： 1 裴玉龙 ， 杨佩 昆 ， 杨 涛 公 路 网规 划 M 北京 ： 人 民交通 出 版 社 ， 2 0 0 4 E 2 3王 炜 交 通 规 划 理 论 与 方 法 M 南 京 ： 东 南 大学 出 版 社 ， 1 9 9 7 3 董小林 公路建 设项 目社会 环境评 价E M 北 京 ： 人 民交 通 出 版 社 ， 2 0 0 0 1 2 0 1 2上 姥 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m