水泥混凝土路面半刚性基层的适宜厚度.pdf

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 ， 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 ) 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 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 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 ； ( 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 3 0 8 0 2 8 8 1 2 6 5 8 0 2 2 m 温度疲劳应力 1 0 2 3 1 0 0 9 0 9 9 2 0 9 7 4 0 9 5 7 O f o r 4 3 8 7 4 2 5 2 4 0 7 2 3 8 5 5 3 6 l 5 荷载疲劳应力 t：r 3 1 8 3 3 0 8 2 2 9 4 4 2 7 7 3 2 5 7 8 0 2 3 IT I 温度疲劳应 ：句 0 9 7 3 0 9 6 3 0 9 5 0 0 9 3 7 0 9 2 3 d 竹T d r 4 1 5 6 4 04 5 3 8 9 4 3 7 1 0 3 5 01 荷载疲劳应力 3 0 1 8 2 9 3 3 2 8 1 6 2 6 6 8 2 4 9 8 O 2 4 m 温 度疲 劳 应 力 0 9 1 2 0 9 0 8 0 9 0 0 0 8 9 1 0 8 8 2 d rd 3 9 3 O 3 84 1 3 7 1 6 3 5 5 9 3 3 8 O 2 半刚 性基层 的适 宜厚 度 水泥 混凝 土路 面半 刚性 基层 的适 宜厚度 应综 合 考 虑基 层 的 功能 、 结 构 层适 宜 压 实厚 度 、 工 程造 价 、 施 工 难 易程度 等多方 面 因素确 定 。 从基层 的功 能角度分析 ， 与半 刚性基层 沥青路 面不 同， 半 刚性基 层并不是水泥混凝 土路 面结构 的主要 承重 层 ， 其 主要功 能首 先是 为 面层 提供 平 整而 稳定 的支承 ， 增强面层板的整体性和接缝传荷能力 ， 其次才是与面层 一 起承受行 车荷 载 的反 复作用 。半 刚性 基 层 的首要 要 求是具有 良好 的抗冲刷能力 。基层 刚度和厚 度 的增 加 ， 虽然可 以减小 面层板 的荷载 应力 ， 但也 会增加 面层板 的 温度翘 曲变形 和 翘 曲应力 ， 对路 面 结构 造成 不 利应 力 。 因此 ， 水泥混凝 土路 面半刚性基层厚 度不宜过厚 。 规范 规 定 ： 无机 结 合 料稳 定 粒 料 类 基 层 的适 宜 压实厚 度 为 0 1 5 0 2 m， 如 超 过上 述适 宜 压实 厚度 ， 应分两 层摊 铺压 实 ； 因此 ， 一层 式半 刚性 基层 的厚 度 一 般为 0 1 5 O 2 O m， 两 层式半 刚 性基 层 的厚 度一 般 为 0 3 0 0 4 O m 。 水 泥混凝 土路 面结 构设计 应 以面层板 在 设计 基 准 期 内， 在行车荷载和温度梯度综合作用下 ， 不产生疲劳 断裂作 为设 计标 准 ， 其极 限状 态表 达式 为 ： 7 ( + ) f ( 1 ) 式 中 ： y r 为可靠 度系数 ； 为面层 板在 临界荷 位处 产生 的行 车荷 载疲 劳 应 力 ( MP a ) ； 为 面 层板 在 临 界 荷位 处 产生 的温度梯 度 疲 劳应 力 ( MP a ) ； f r 为 水泥 混 凝 土 弯拉 强度标 准值 ( MP a ) 。 针对 上述 4种不 同工况 ， 当采 用不 同面层 厚 度 ， 所 需要 的半 刚 性 基 层 厚 度 计 算 如 表 4所 示 。 由表 4可 见 ， 当面层 板厚 度增 加 0 0 1 m， 所 需 要 的半 刚 性 基层 厚度 减少 0 O 7 0 1 4 m。0 0 1 m 水 泥混凝 土面 层板 的单价约为 6 元 m。 ， 而 0 O 1 m水泥稳定碎石基层的 单价 约为 4 5元 m 。显 然 ， 为 减 小 荷 载 疲 劳 应 力 和 温度 疲劳应 力 的综 合 作 用 ， 使 其 小 于 或 等于 面 层板 的 弯拉强度标准值 -厂 ， ， 增加面层厚度是较增加基层厚度 更 为经济 的选择 。 无机结 合料稳 定粒 料类 半刚性 基层 的适 宜压 实厚 度 为 0 1 5 0 2 0 m。显然 ， 一 层式 基层 较两 层式 基层 施工 工序少 ， 施工 更 为简便 ， 工期更 为节 省 。由表 4所 见 ， 较 之半 刚性基 层 厚 度 为 0 3 0 0 4 0 m， 当 半 刚性 基层 厚度取 0 2 0 1T I 时 ， 面层 厚度 仅增加 0 0 2 m。 综上所述 ， 水泥混凝 土路面半刚性基层宜采用一 层式 的结构 ， 其适 宜厚 度建议 不大 于 0 2 0 m。 N o 4 2 0 1 3上踢 么姥 2 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m G s 表 4半 刚 性 基 层 厚 度 ， 况 1 况 一 一7 ( +口 ) 5 0 MP a T 况 二 ( 口 +口 ) 5 0 MP a 面层厚度 n l 0 2 8 0 2 9 0 3 0 0 2 6 0 2 7 0 2 8 基 层 厚 度 m 0 3 8 0 2 4 0 2 0 0 3 9 0 3 2 0 2 O 荷载疲劳应力 口 MP a 3 3 1 9 3 4 6 5 3 3 5 5 3 1 8 9 3 2 6 9 3 3 1 4 温度疲 劳应力 MP a 0 6 3 8 0 5 0 7 0 4 0 1 0 7 7 7 0 6 9 8 0 5 7 9 ( + ) MPa 4 9 8 6 5 0 0 5 4 7 3 3 4 9 9 7 4 9 9 8 4 9 0 5 1 二 况 T 况 三 ( + ) 5 0 MP a T 况 四 ( d 自 + ) 4 5 MPa 面层 厚 度 0 2 4 0 2 5 0 2 6 O 2 2 0 2 3 0 2 4 基 层厚 度 0 3 4 0 2 7 0 2 O 0 3 4 0 3 0 0 2 0 荷载疲劳应力 O - 3 2 6 6 3 3 2 l 3 2 7 6 2 9 2 3 2 9 4 4 3 0 1 8 温 度疲 劳应 力 0 9 0 2 0 8 4 2 0 7 5 5 0 9 7 7 0 9 5 0 0 9 1 2 y r ( 直 r + a t， ) 5 0 0 2 4 9 9 6 4 8 3 7 4 4 85 4 4 7 8 4 5 2 O 当水泥 混凝 土 路 面采 用 半 刚性 基 层 ， 而 路基 土 的 刚度较 小 ， 基层 与土基 之间 的刚度相 差过 大时 ， 半 刚性 基层 可能 因拉应 力 过 大而 开 裂 ， 应 在基 层 和 路 基之 间 设置粒 料类 的底 基层作 为过 渡结构 。 对于 交通轴 载较 大的特 重交通 等级 或极 重交 通等 级 的道路 ， 宜选择 刚度 较大 ， 抗 冲刷 性能更 好 的 刚性基 层 ， 如贫 混凝土 、 碾压 混凝 土等 。 对 于 中等 交通 或 轻交 通 等 级 的道 路 ， 水 泥 混 凝 土 面层 板 已足 以承受 行 车 荷 载 和温 度 梯度 的反 复 作用 ， 可 直接采 用粒 料类 的基层 。 3 结语 通 过计算 分析 不 同道路等 级 、 交 通轴载 、 水 泥混 凝 土 面层厚 度和半 刚性 基层厚 度 条件下 的水 泥混 凝 土路 面 结构荷 载疲 劳 应力 和 温 度疲 劳应 力 ， 并 综 合 考 虑基 层 的功 能 、 结 构层适 宜压 实厚度 工程 造价 和施 工 难易 程 度等 多方 面 因素 ， 建 议水 泥 混凝 土路 面 半 刚 性 基层 宜采用 一层 式结 构 ， 厚 度 不 宜 超过 0 2 0 1T I ， 供 设计 人 员参 考 。 参考 文献 ： 1 姚祖康公路设计手册 ： 路面 M 2版 北京 ： 人 民交通 出 版 社 ， l 9 9 8 2 J T G D4 o 一2 0 1 1公路水泥混凝土路面设计规范E s 3 北京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 2 O 1 1 上海公路 投稿须知 1 文稿 必 须 包括 中英 文 题 名 、 中 英 文 作 者 姓 名 、 中 文 作 者 单 位 名 、 中文单位所在城 市名及邮政编码 ； 必须 包括 中英文摘要 、 中英 文关键词( 3 5个) 。英 文内容 单独放在 正文末尾 。中 文题 名 一 般 不 超 过 2 O个 汉 字 。论 文 摘要 尽 量 写成 报 道 性 摘 要 ， 即 应 包括 研 究 目的 、 方 法 和 过 程 、 结 果 和 结 论 ( 中 文 一 般 不 少 于 2 0 0字 ) ， 采 用 第 三 人 称 写 法 ， 不 要 使 用 “ 本 文 ” 、 “ 作 者” 等作为主语 。英 文摘要应与 中文摘要文意一致。 中文 关 键 词 选词 要 规 范 。 2 正文篇 幅一般在 6 0 0 0字 以内， 文 中有关量 与单位 必须符合 国家标准和国际标 准。正文章 节编 号采 用三 级标题 顸格排 序 。 一级 标 题 形 如 l ， 2 ， 3 ， 排 序 ； 二 级 标 题 形 如 1 1 ， 1 2， 1 3， 排 序 ； 三 级 标 题 形 如 1 1 1 ， 1 1 2， 1 1 3 ， 排 序 ； 引 言 为 0 。 3 量的名称 、 量的单位名称 及单位符 号一律按 中华人 民共 和 国法定计量单位 规 定 ； 专 业名词 术语 ， 各种 物 理量 及参 数 2 6 上 堍 N 。 4 2 0 1 3 等 ， 应 使 用 现 行 有 效 的 国 家标 准 ， 行 业 标 准 和 规 范 规 程 。 4 参考文献应是 国 内外正式公 开发表 的并且在 文 中确切 引 用 的专著 、 期刊 、 论 文集、 学位 论 文、 报 告 、 报 纸 文章 、 国家 ( 国 际) 标准等 ， 请按 文中引用的先后顺序编号 。 5 来稿文责 由作者( 第一作者)自负， 对刊 用稿件 ， 本刊 有权作 文字性修改和删 节， 如不 同意 ， 请事 先声 明； 另请 作者 自觉遵 守职 业 道 德 ， 请 勿 一 稿 多投 ； 本 刊 审稿 周 期 一 般 为 2 3个 月 ， 如 3个 月后 ， 未接 本 刊 通 知 ， 作 者 有 权 将 来 稿 另行 处 理 ， 凡 未刊 用的 稿 件 ， 一 律 不退 ， 请 作 者 自行 留底 。 6 本 刊 已许 可 本 刊 合 作 单位 以数 字化 方 式 复制 、 j r - 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