《路面施工技术》案例2水泥稳定粒料基层上混凝土面板厚度计算

《路面施工技术》案例2水泥稳定粒料基层上混凝土面板厚度计算

案例2水泥稳定粒料基层上混凝土面板厚度计算1•设计资料湖北咸宁新建一条二级公路，路线总长为10km,设计车速为60km/h，路基填料为低液限黏土，路床顶而距地下水位1.41-no沿线有水泥及碎石供应。拟采用普通水泥混凝土路面,考虑排水与施工方便，将硬路肩铺装成与行车道相同的路面结构层,采用小型机具施工。经交通调查分析得知，设计轴载为100kN,最重轴载为150kN,设计车道使用初期标准轴载日作用次数M=1324次，交通量年增长率&=5%。2•设计步骤1）水泥混凝土面板平面尺寸的确定（1）路基的宽度。根据《公路工程技术标准》（JTGB01—2003）中的3.0.2、3.0.5、3.0.11条规定，拟定路基宽度为10m,行车道2x3.5m+硬路肩2x0.75m+土路肩2x0.75m。（2）水泥混凝土面板的尺寸。①水泥混凝土面板的宽度。《公路水泥混凝土路面设计规范》5.1.2条规定：纵向接缝的间距（即板宽）宜在3.0〜4.5m范围内选用。本项目硬路肩与行车道的路面结构相同，水泥混凝土路面的总宽度为行车道+硬路肩，即8.5m宽。在路中心线上设置纵向施工缝，纵缝为设拉杆平缝，面板的宽度为4.25②水泥混凝土面板的长度。横向接缝的间距（即板长）大小影响板内温度应力、接缝缝隙宽度和接缝传荷能力，板块宜尽可能接近正方形，以改善其受力状况。《公路水泥混凝土路血设计规范》5.1.3条规定：普通水泥混凝土面层的横向接缝问距宜为4〜6m,血层板的长宽比不宜超过1.35,平面面积不宜大于25m2o面板的宽度为4.25m,取面板的长度为5m,能满足《公路水泥混凝土路面设计规范》5.1.3条的规定。2）交通荷载分析（1）设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数Ne的计算。查表1・16可得，二级公路的设计基准期戶20年，安全等级为二级；查表1・17得出临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数，取百0.62。按式（1・12）计算得到设计基准期内设计车道标准荷载累计作用次数“_365他［（1+gJ-1］〃_1324x［（l+5%）20-1］x365x0.62'V“——g「5%=9907261（次）（2）确定交通等级。查表得出，交通等级为重交通。3）水泥混凝土路面结构组合设计（1）路基。查表1・19可得，低液限黏土回弹模量为80MPa；查表1・20可得，湿度调整系数为0.7。路床顶综合冋弹模量£o=8OxO.7=56MPa,取Eo=6OMPa,满足《公路水泥混凝土路面设计规范》“中等或重交通荷载等级时不得低于60MPa”的规定。（2）垫层。本线不用设垫层。（3）基层。①交通荷载等级为重交通，查表1・21可知，基层选用水泥稳定碎石。②查表1-23,拟定水泥稳定碎石基层的厚度为180mm，,③本项目釆用小型机具施工，基层每侧比面层宽300mirio④查表1・24可得，水泥稳定碎石基层的回弹模量Eb=2000MPa,泊松比取0.20。（4）底基层。①根据《公路水泥混凝土路面设计规范》4.4.3条的规定，本线设级配碎石底基层。②查表1・23可得，级配碎石底基层厚200mm,铺至路基同宽。③查表1・24可得，级配碎石底基层的回弹模量£）=250MPa,泊松比取0.35。（5）普通水泥混凝土面层。①初拟普通水泥混凝土面层的厚度。本线为重交通、二级公路，查表1・26可知，初拟n普通水泥混凝土而层的厚度为220mmo①查表1-27,取水泥混凝土弯拉强度标准值/；=5.0MPaon①查表1-28,取普通水泥混凝土面板的回弹模MEC=31000MPa,泊松比取0.15。4）水泥混凝土面层板厚度的计算（1）按式（1J3）〜式（1・16）计算板底地基综合回弹模量，见案例表12。案例表12板底地基综合回弹模量伍级配碎石底基层回弹模磺级配碎石底基层厚度A,/m路基冋弹模竝£（＞/MPa2500.260比250见式(1-14)0.2见式（1・16）a0.442见式（IJ5）Et112.7见式(1-13)（2）混凝上面层板的弯曲刚度2、半刚性基层板弯曲刚度凤、路面结构总相对刚度半径々的确定，见案例表13。案例表13弯曲刚度2、D＞、相对刚度半径G的确定混凝土面板计算厚度hjm混凝土弹性模虽Ec/MPa水泥混凝土泊松比K-0.22310000」5混凝上面板弯曲刚度228.14见式＜1-17)0」820000.2半刚性基层板弯曲刚度D,1.013见式(1-18)路面结构总相对刚度半径仪0.771见式（1・19）注：若案例表16不满足结构极限状态校核要求，则增加混凝上血板计算厚度九。（3）荷载应力的计算，见案例表14。案例表14荷载应力的计算半刚性基层板弯曲刚度Db混凝土面板弯曲刚度2路面结构总相对刚度半径rg混凝土面板厚hjm标准轴載pan极限轴載/VkN1.01328.140.7710.22100150临界荷位处标准轴載荷戟应力ap^MPa1.85见式(1-20)临界荷位处极限轴载荷载应力apm/MPa2.71见式(1-21)应力折减系数0.87看式（1-22）中的规定综合系数Kc1.05表1-29疲劳应力系数Kf2.5见式（1・23）标准轴载累计作用次数汕/次9907261前面己计算得出而层荷载疲劳应力（JpAIPa4.22见式(1-22)面层最大荷载应力竹咖/MPa2.48式(1-24)（4）温度应力的计算，见案例表15o案例表15温度应力的计算混凝土面板卑hjm混凝上弹性模量£c/MPa水泥稳定碎石基层厚度Ai/m水泥稳定碎石基层弹性模最Eb®IPa混凝土面板弯曲刚度2半刚性基层板弯曲刚度氏路而结构总相对刚度半径4水泥混凝土面板长度L/m0.22310000.18200028.141.0130.7715kn5149.5式(1-25)yp0.117式(1-26)yC0.23式(1-27)nt2.162式(1-28)混凝土血层板温度翘曲应力系数G0.944式(1-29)综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数0.616式(1-30)混凝土线膨胀系数兔/（10°•C"）最大温度梯度标准值T^/CC-m1）回归系数e回归系数人回归系数G水泥混凝土弯拉强度标准值AVMPa查表1-30査表1-31査表1-32査表1-32查衣1-32查表1-277890.8411.3230.0585血层最大温度应力久nm/MPa131式(1-31)温度疲劳应力系数60.324式(1-33)面层温度疲劳应力^tr/MPa0.42式(1-32)（5）极限状态校核，见案例表16。案例表16极限状态校核可靠度系数〃1」3查表1-33而层荷载疲劳应力＜7p/MPa4.22已计算，见案例表14面层温度疲劳应力s』MPa0.42已计算,见案例表15面层域大荷载应力ap,max/MPa2.48已计算，见案例表14面层最大温度应力Smax/MPa131已计算，见案例表15水泥混凝土弯拉强度标准值//MPa5查表1-27Xr(仃p*r)5.2不满足式（1-34）的要求Xr("p.nm+S.max)43满足式（1-35）的要求（6）增加混凝土血板计算厚度九，重复笫（2）〜（5）步，直至满足结构极限状态的校核要求。因案例表16不满足结构极限状态的校核要求，故将案例表13屮混凝土面板的计算厚度九增加，电子表格程序可白动完成案例表14〜案例表16的计算，并在设计者手动增加hc直至满足结构极限状态校核要求的前提下（本案例从0.220m—直增加至0.228m）,程序会按规范要求，将计算厚度加6mm磨损厚度，然后按10mm向上収整确定混凝土面层的设计厚度。具体计算过程见案例表17〜案例表20。案例表17弯曲刚度2、Dh、相对刚度半径$的确定混凝土面板计算厚度hjm混凝土弹性模量Ec/MPa水泥混凝土泊松比以0.228310000」5混凝土面板弯曲刚度231.323见式＜!-17)水泥稳定碎石基层厚度枷水泥稳定碎石基层弹性模量仇/MPa水泥稳定碎石泊松比人0.1820000.2半刚性基层板弯曲刚度D,1.013见式(1-18)路面结构总相对刚度半径心0.798见式(1-19)案例表18荷载应力的计算半刚性棊层板弯曲刚度氏混凝土面板弯曲刚度2路血结构总相对刚度半径rg混凝土面板厚hjm标准轴载极限轴载PnAN1.01331.3230.7980.228100150n临界荷位处标准轴载荷载应力"pJMPa1.77式(1-20)临界荷位处极限轴载荷载应力apm/MPa2.59式(1-21)应力折减系数K「0.87看式(1・22)中的规定综合系数心1.05表1-29疲劳应力系数Kf2.5式(1-23)标准轴载累计作用次数N/次9907261前面已计算得岀面层荷载疲劳应力叶/MPa4.04式(1-22)面层最大荷戦应力"p.max/MP。2.37式(1-24)案例表19温度应力的计算混凝土面板厚hjm混凝土艸性模水泥稳定碎右慕层厚度水泥稳定碎石基层弹性模疑仇/MPa混凝土面板弯曲刚度L半刚性基层板弯曲刚度Db路面结构总相对刚度半径4水泥混凝土面板长度L/m0.228310000」8200031.3231.0130.79855135.9式(1-25)700.118式(1-26)0.219式(1-27)t2.089式(1-28)混凝土面层板温度翘曲应力系数Cl0.918式(1-29)综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数Bl0.574式(1-30)混凝土线膨胀系数(10"・CJ授大温度梯度标准值77(C-m4)回归系数仏回归系数5回归系数q水泥混凝土弯拉强度标准值/；/MPa查表1-30査表1-31查表1-32查表1-32査表1-32査表1-277890.8411.3230.0585血层圾大温度应力%maxRlPa1.26式(1-31)温度疲劳应力系数乙0.309式(1-33)面层温度疲劳应力兀/MPd0.39式(1-32)案例表20极限状态校核可靠度系数升1」3查表1-33面层荷戦疲劳应力知、NPa4.04已计算，见案例表18面层温度疲劳应力s/MPa0.39已计算，见案例表19面层最大荷载应力“pmMMPa2.37已计算，见案例表18面层最大温度应力＜Tt.nm/MPa1.26已计算，见案例表19水泥混凝七弯拉强度标准值//MPd5查表1-27Zr(Qpr+兀)5.0满足式(1-34)的耍求Xi(^p.max^^ijnax)4」满足式(1-35)的要求泯凝上面层设计厚度/mm240计算厚度加6mm磨损厚度，然后按10mm向上取整n水泥混凝土面板计算厚度加6mm磨损厚度，然后按10mm向上取整，最后得到路面结构的设计结果如下。普通混凝土而层：厚240mm,£c=31000MPao水泥稳定碎石基层：厚180mm,耳=2000MPa。级配碎石底基层：厚200mm,Ei=250MPa。新建路基：Eo=6OMPa。