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1试验材料的确定
半刚性基层所用集料与结合料取自沿线料场,沥青选用重交通90#石油沥青,上面层采用SBS改性沥青,技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTJF40-2004)相关规定。
2路面材料抗压回弹模量的确定
(1)半刚性材料的抗压回弹模量按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTJ057-94)中规定的项目顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量。
(2)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)中规定的方法测定沥青混合料的抗压回弹模量,测定20℃、15℃的抗压回弹模量,各种材料的试验结果与设计参数见下表:
半刚性材料及其他材料抗压回弹模量测定与参数取值
材料名称
抗压模量(MPa)
Ep
方差
Ep-2σ
Ep+2σ
σ
Ep代
水泥稳定碎石
3188
782
1624
4752
水泥石灰砂砾土
1591
250
1091
2091
水泥稳定砂砾
2617
234
2148
3086
级配碎石
400
级配沙砾
沥青材料抗压回弹模量测定与参数取值
20℃抗压模量(MPa)
15℃抗压回弹模量(MPa)
Epa
细粒式沥青混凝土
1991
201
1589
2680
344
1992
3368
中粒式沥青混凝土
1425
105
1215
2175
187
1801
2549
粗粒式沥青混凝土
978
55
868
1320
60
1200
1440
密级配沥青碎石
1248
116
1016
1715
156
1403
2027
3路面材料劈裂强度测定
根据设计配合比,选取工程用各种原材料,测定规定温度和龄期的材料劈裂强度。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》与《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的方法进行测定,结果见下表:
二灰稳定
砂砾
劈裂强度(MPa)
1.2
1.0
0.8
0.6
0.5
0.4
路面材料劈裂强度
路面厚度设计(Hpds软件计算)
(1)方案一路面结构厚度计算
公路等级:
一级公路
新建路面的层数:
5
标准轴载:
BZZ-100
路面设计弯沉值:
23.8(0.01mm)
路面设计层层位:
设计层最小厚度:
150(mm)
层位
结构层材料名称
厚度(mm)
20℃平均抗压模量(MPa)
标准差(MPa)
15℃平均抗压模量(MPa)
容许应力(MPa)
1
40
0.42
2
80
0.32
3
120
0.26
4
300
0.25
5
?
0.14
6
新建路基
按设计弯沉值计算设计层厚度:
LD=23.8(0.01mm)
H(5)=150mmLS=1.4(0.01mm)
由于设计层厚度H(5)=Hmin时LS<
=LD,
故弯沉计算已满足要求.
H(5)=150mm(仅考虑弯沉)
按容许拉应力计算设计层厚度:
H(5)=150mm(第1层底面拉应力计算满足要求)
H(5)=150mm(第2层底面拉应力计算满足要求)
H(5)=150mm(第3层底面拉应力计算满足要求)
H(5)=150mm(第4层底面拉应力计算满足要求)
H(5)=150mm(第5层底面拉应力计算满足要求)
路面设计层厚度:
H(5)=150mm(仅考虑弯沉)
H(5)=150mm(同时考虑弯沉和拉应力)
验算路面防冻厚度:
路面最小防冻厚度600mm
验算结果表明,路面总厚度满足防冻要求.
通过对设计层厚度取整,最后得到路面结构设计结果如下:
----------------------------------------
细粒式沥青混凝土40mm
中粒式沥青混凝土80mm
粗粒式沥青混凝土120mm
水泥稳定碎石300mm
水泥石灰砂砾土150mm
新建路基
计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值:
第1层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.2(0.01mm)
第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.3(0.01mm)
第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.5(0.01mm)
第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.9(0.01mm)
第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=7.9(0.01mm)
路基顶面交工验收弯沉值LS=145.6(0.01mm)
计算新建路面各结构层底面最大拉应力:
(未考虑综合影响系数)
第1层底面最大拉应力σ
(1)=-0.151(MPa)
第2层底面最大拉应力σ
(2)=-0.013(MPa)
第3层底面最大拉应力σ(3)=-0.064(MPa)
第4层底面最大拉应力σ(4)=0.121(MPa)
第5层底面最大拉应力σ(5)=0.111(MPa)
(2)方案二路面结构厚度计算
公路等级:
0.36
0.3
150
0.18
0.24
级配砂砾
200
计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值:
第1层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.3(0.01mm)
第2层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.5(0.01mm)
第3层路面顶面交工验收弯沉值LS=1.8(0.01mm)
第4层路面顶面交工验收弯沉值LS=2.8(0.01mm)
第5层路面顶面交工验收弯沉值LS=10.3(0.01mm)
第1层底面最大拉应力σ
(1)=-0.188(MPa)
第2层底面最大拉应力σ
(2)=-0.019(MPa)
第3层底面最大拉应力σ(3)=-0.046(MPa)
第4层底面最大拉应力σ(4)=0.217(MPa)
最小防冻600mm,满足要求
二、水泥混凝土路面设计方案
水泥混凝土路面方案一
1.交通分析
表1可靠度设计标准
公路技术等级
高速公路
一级公路
二级公路
三、四级公路
安全等级
一级
二级
三级
四级
设计基准期(a)
30
20
目标可靠度(%)
95
90
85
目标可靠指标
1.64
1.28
1.04
0.84
变异水平等级
低
低~中
中
中~高
表2车辆轮迹横向分布系数
公路等级
纵缝边缘处
高速公路、一级公路、收费站
0.17~0.22
二级及二级以下公路
行车道宽>
7m
0.34~O.39
行车道宽≤7m
O.54~0.62
由上表1,一级公路的设计基准期为30年,安全等级为二级。
由上表2,临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数取O.20。
计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数为
属重交通等级。
2.初拟路面结构
表3水泥混凝土面层厚度的参考范围
交通等级
特重
重
高速
面层厚度(mm)
≥260
≥250
≥240
270~240
260~230
250~220
中等
轻
三、四级
高
240~210
230~200
220~200
≤230
≤220
由表1,安全等级二级的变异水平等级为中级。
根据一级公路、重交通等级和中级变异水平等级,查表3,初拟普通混凝土面层厚度为O.25m。
基层选用水泥稳定粒料(水泥用量5%),厚0.20m。
垫层为O.18m低剂量无机结合料稳定土。
普通混凝土板的平面尺寸为宽4.5m,长5.0m。
纵缝为设拉杆平缝,横缝为设传力杆的假缝。
3.路面材料参数确定
表4中湿路基路床顶面回弹模量经验参考值范围(MPa)
土组
公路自然区划
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
土质砂
26~42
40~50
39~50
35~60
50~60
粘质土
25~45
30~40
30~45
粉质土
22~46
32~54
30~50
27~43
查表4,路基回弹模量取40MPa。
查表5,低剂量无机结合料稳定土垫层回弹模量取700MPa,水泥稳定粒料基层回弹模量取1500MPa。
表5垫层和基层材料回弹模量经验参考值范围
材料类型
回弹模量(胁)
回弹模量(m)
中、粗砂
80~100
石灰粉煤灰稳定粒料
1300~1700
天然砂砾
150~200
水泥稳定粒料
未筛分碎石
180~220
沥青碎石(粗粒式,20℃)
600~800
级配碎砾石(垫层)
200~250
沥青混凝土(粗粒式,20℃)
800~1200
级配碎砾石(基层)
250~350
沥青混凝土(中粒式,20℃)
1000~1400
石灰土
200~700
多孔隙水泥碎石(水泥剂量9.5%~11%)
石灰粉煤灰土
600~900
多孔隙沥青碎石(20℃,沥
青含量2.5%~3.5%)
计算基层顶面当量回弹模量如下:
普通混凝土面层的相对刚度半径计算为
4.荷载疲劳应力
标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力计算为
因纵缝为设拉杆平缝,接缝传荷能力的应力折减系数kr=O.87。
考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数
。
根据公路等级,由下表,考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数kc=1.25。
综合系数kc
kc
1.30
1.25
1.20
1.10
荷载疲劳应力计算为
5.温度疲劳应力
最大温度梯度标准值Tg
Ⅱ、Ⅴ
Ⅳ、Ⅵ
Ⅶ
最大温度梯度(℃/m)
88~83
90~95
86~92
93~98
由上表,Ⅱ区最大温度梯度取83(℃/m)。
板长5m,
=5/0.677=7.56,由书本483页图16-14可查普通混凝土板厚h=0.25m,Bx=O.82。
最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力计算为
温度疲劳应力系数kt,计算为(查书包484表16-29可得Ⅱ区回归系数a=0828,b=0.041,c=1.323)
计算温度疲劳应力为
查表1,一级公路的安全等级为二级,相应于二级安全等级的变异水平等级为中级,目标可靠度为90%。
再据查得的目标可靠度和变异水平等级,查书本484表16-22,确定可靠度系数
=1.15。
因而,所选普通混凝土面层厚度(O.25m)可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。
水泥混凝土路面方案二
1.交通分析
2.初拟路面结构
由表1知,相应于安全等级二级的变异水平等级为中级。
根据一级公路重交通等级和低变异水平等级,查表3,初拟普通混凝土面层厚度为O.24m,碾压混凝土基层O.15m,底基层选用水泥稳定粒料(水泥用量5%),厚O.18m,垫层为O.15m低剂量无机结合料稳定土。
水泥混凝土上面层板的平面尺寸长为5.0m、宽从中央分隔带至路肩依次为4.5m、4.5m;
碾压混凝土不设纵缝,横缝设假缝,间距(板长)4m。
3.路面材料参数确定
按书本480页表16-23和表16-25,取普通混凝土面层的弯拉强度标准值为5.0MPa,相应弯拉弹性模量标准值为31GPa;
碾压混凝土弯拉强度标准值为4.0MPa,相应弯拉弹性模量标准值为27GPa。
查表4,路基土回弹模量取40MPa。
普通混凝土面层与碾压混凝土基层组成分离式复合式面层。
此时ku=O,hx=O。
复合式混凝土面层的截面总刚度,计算为
复合式混凝土面层的相对刚度半径,计算为
标准轴载在普通混凝土面层临界荷位处产生的荷载应力计算为
普通混凝土面层,因纵缝为设拉杆平缝,接缝传荷能力的应力折减系数
=O.87;
碾压混凝土基层不设纵缝,不考虑接缝传荷能力的应力折减系数
水泥混凝土面层,考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数
;
碾压混凝土基层,考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数
根据公路等级,考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数后
=1.25。
普通混凝土面层的荷载疲劳应力计算为
碾压混凝土基层的荷载疲劳应力计算为
可查Ⅱ区最大温度梯度取83(℃/m)。
普通混凝土面层板长4m,
,由书本483页图16-14可由普通混凝土面层h01=O.22m,查得Bx=0.69,Cx=1.03。
最大温度梯度时普通混凝土上面层的温度翘曲应力计算为
普通混凝土面层的温度疲劳应力系数
,计算为
分离式复合式路面中碾压混凝土基层的温度翘曲应力可忽略不计。
查表1,一级公路的安全等级为二级,目标可靠度为90%,相应的变异水平等级为中。
再据此查书本480页表16-22,确定可靠度系数
普通混凝土面层
碾压混凝土基层
因而,拟定的由厚度0.22m的普通混凝土上面层和厚度O.12m的碾压混凝土基层组成的分离式复合式路面,可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用。
三、沥青路面方案与水泥混凝土路面方案技术经济比选
1沥青路面方案比选:
经过工程概算分析,两种路面结构的总造价分别为:
方案一路面每米造价5025.89元,方案二路面每米造价4474.781元。
结合经济等情况采用方案二沥青路面更加合理。
2水泥混凝土路面方案比选:
方案一路面每米造价2180.35元,方案二路面每米造价2572.82元。
考虑到路面长期使用性能,结合当地实际情况采用方案二路面。
3沥青路面方案与水泥混凝土路面方案比选:
沥青路面方案二和水泥混凝土路面方案二二者各有各的有点,在经济方面水泥混凝土路面占有效明显的优势,在技术指标方面,沥青路面优势比水泥混凝土路面要大一点,使用水泥混凝土路面方案二可能会更好些。
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