轻交通农村公路水泥混凝土路面结构研究

《轻交通农村公路水泥混凝土路面结构研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

膨，fYIll[,1i11,,['i|5IIi／112III：16]IIIIl5IlU3lII[I《分类N：U416．216该季夫海硕士学位论文轻交通农村公路水泥混凝土路面结构研究文静导师姓名职称支喜兰教授申请学位级别工学硕士学科专业名称道路与铁道工程沧文提交日螂08年05月20日论文答辩日期08年06削04E1学位授予单位长安大学替辩委员会主席学位论立订阅人郁传超教授罗浦良教授级高工毛雪松刚教授 AbstractWiththedevelopmentofroadenterpriseandtheconcernoftheCentralCommitteefortheagriculture，countrysideandfarmers，therearemoreandmoreattentiontotheruralhighwayconstruction，especiallytothepoorareas，studyingontheeconomicandpracticalcementconcretepavementreasonablestructureoflighttrafficoftheruralhianwayhasimportantsignificance．Thispapershowstheruralhighwaycompositioncharacteristicsofthetrafficvolumebased011theruralhighwaytrafficsurvey,andanalysestheaxleloadconversionoftheruralhighwaytrafficvolume．Thenitshowsthecommonstructureandmaterialthroughsurveyingthepresentsituationoftheruralhianwaycementconcretepavement，andliststhereferencemodulusofresilienceofthecommonmaterial，calculatesandanalysesthemechanicsofsurfaceplatethicknessofdifferentClimaticZoningforHighwayandpavementwidthoftheruralhianwaycementconcretepavementinthecaseofdifderenttrafficvolumeandpavementstructureaccordingtothe’’SpecificationsofCementConcretePavementDesignforHighway'’andcalculatestheloadstressunderprimaryoverloadingbyusingfiniteelementmethod．Alsothepaperrecommendstypicalstructureoftheruralhianwaycementconcretepavement，andanalysestheeconomicbenefitandsocialbenefitofthetypicalstructure，thenputsforwardthereasonabilityoftypicalstructureinthispaper．Thestudyinthispaperprovidesareferenceforthecementconcretepavementdesignforlighttrafficoftheruralhianway．Keyword：ruralhighway,lighttraffic，cementconcretepavement，typicalstructureII 论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：丈酋7。略年，月；臼Et论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。(保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者躲之香埘年，胁日导师签名：磊彬扩年多月z日 长安大学硕十学位论文1．1研究的目的、意义第一章绪论随着我国经济建设的快速发展，公路建设取得同新月异的进步。截至2007年底，我国公路总里程达到357．3)j-公里，其中高速公路5．36万公里。农村公路建设取得了历史性的突破，但是一些偏远、落后地区公路仍发展缓慢，路面大都采用砂石路面，甚至是无路面的土路。因而路面的承载能力低，使用性能差，晴天扬尘，雨天泥泞，这种情况严重制约了当地经济的发展和人民生活的改善。为了全面建设小康社会，尽快提高农村公路使用质量和服务水平，加快农村公路路面的修建和改善，成为公路建设面临的紧迫任务。党中央、国务院历来高度重视“三农”工作。2006年，我国全面启动了农村公路建设“十一五”规划，农村公路建设进入了快速发展轨道。到2006年年底，我国农村公路总里程已达302．6万公里。其中县道50．6万公里，乡道98．8万公里，村道153．2万公里。98．27％的乡镇、86．4％的行政村实现了通公路。80．63％的乡镇、60．39％的行政村通了有沥青、水泥路面的公路。通达能力好，服务水平高，资金投入少，是现在农村公路建设的客观要求，水泥混凝土路面型式的优点较适合这种客观要求。农村公路采用水泥混凝土路面的好处是能较好的适应农村的环境，便于施工，减少养护，使用寿命较长。同时随着沥青价格的持续攀升，水泥混凝土路面在农村公路建设中的经济效益也逐渐突显。因此，水泥混凝土路面在农村公路建设中得到了广泛的应用。但是，随着我国全面建设小康社会的深入，当前农村公路水泥混凝土路面建设中仍存在着不容忽视的问题：修建技术标准不完善。农村公路存在机动车交通量小、非机动车交通功能较强的特点，因此农村公路水泥混凝土路面结构设计应该与高等级公路有所不同。目前，我国《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40—2002)并未对农村公路水泥混凝土路面结构设计进行技术标准的界定，许多项目仅仅凭借经验进行修建，使得项目欠缺规划设计，建设标准与规模控制不够合理。特别是对于轻交通量的农村公路，如果仍按照高等级公路技术标准修建，势必会造成资源的浪费。因此对于轻交通量农村公路，其水泥混凝土路面结构组合设计有待进一步的研究。本课题的研究目的在于结合农村公路水泥混凝土路面的修建现状，较完整的提出适 第二章农村公路交通量现状及组成分析合轻交通量农村公路发展需求的水泥混凝土路面的路面结构组合及满足路面使用性能的水泥混凝土面板的合理厚度。本课题的研究，能够为我国轻交通量农村公路水泥混凝土路面的结构组合设计提供理论支持，并且也为降低农村公路的建设成本提供依据。同时本课题的研究能够更加科学的指导轻交通量农村公路水泥混凝土路面的建设，特别是对于贫困地区，建设经济、实用的水泥混凝土路面具有重要的指导意义。1．2国内外研究现状国外农村公路为分清各级政府部门的职责，加强公路有效管理，世界各国都按照一定的原则对公路网进行分级管理。不同国家的分级标准也各不相同，一般来说国外公路网中和我国农村公路大致对应的部分一般称为县乡公路、地方公路、乡村公路或者叫低交通量公路。美国的道路是按照功能进行分类分级的，美国国内所有道路分为两类：乡村道路、城市道路。美国道路的技术标准既规定了乡村道路的技术指标也规定了城市道路的技术指标，乡村道路技术标准的研究与城市道路一样已相当完备。对于乡村道路的刚性路面结构设计，给出了刚性路面设计目录，目录中推荐出了针对不同轴载等级和不同路基土质量等级所对应的最小混凝土板厚值，用以指导乡村公路刚性路面的结构设计。为了更好地建设农村公路，使其规范化，国内对农村公路建设标准进行了一些研究，为农村公路建设提供了依据。交通部公路司于2004年7月出台了《农村公路建设指导意见》附《农村公路建设暂行技术要求》文件：包括总则、控制要素、路线、路基路面、桥涵、隧道、交通工程及沿线设施、村镇道路，·为农村公路建设提供了依据。交通部专家委员会编写了《县乡公路水泥混凝土路面设计与施工》，提出了农村公路水泥混凝土路面典型结构设计的方法，同时给出了农村公路水泥混凝土路面的推荐结构，为农村公路水泥混凝土路面结构设计提供了依据。还有其他一些省(市)也根据自身的情况制订了一些农村公路建设标准。如甘肃省制订的《甘肃省农村公路工程技术标准》，吉林省出台的《吉林省乡村公路工程技术标准》，青海省交通厅出台的《青海省农村公路工程技术标准》(试行)，其余的如《山西长治市村村通水泥路(油路)技术质量操作手册》、《山东德州市关于统一全市农村公路改造工程技术标准的通知》等都是结合当地的情况所制订的，对当地的农村公路建设起了指导性作用。近年来，关于农村公路水泥混凝土路面的研究课题，各地区根据不同的要求从公路等级、技术标准、路面结构、筑路材料、施工技术及养护管理等方面进行了广泛深入的2 长安大学硕士学位论文研究，取得了宝贵的经验。长安大学王丽娟进行了“西部公路路面结构研究”【4】，根据对西部地区县乡公路的结构调查分析，结合县乡公路等级划分及面层类型选择原则，给出了西部县乡水泥混凝土路面典型结构；长安大学赵桂娟进行了“低交通量道路技术标准与路面结构研究"【5】，从典型结构设计的原则、方法着手，对农村公路水泥混凝土路面典型结构开展研究；东南大学卞凤兰进行了“江苏省农村公路工程技术标准的研究’’【6l，按照常用路面结构组合原则，结合江苏省的实际情况，给出了农村公路水泥混凝土路面的典型结构：为配合新农村建设个别省市又进行了《农村公路低造价路面材料及典型路面结构技术》等课题的研究，为农村公路典型路面设计提供了指导性建议；针对西部地区农村比较落后的状况，辽宁省交通厅公路管理局与长安大学开展了《西部地区农村公路建设关键技术研究》的课题【7】，通过对各地农村公路常采用的结构型式进行调研，推荐出农村公路水泥混凝土路面的典型路面结构，为农村公路水泥混凝土路面结构设计提供了参考。综上所述，以上研究在一定程度上推动了我国农村公路水泥混凝土路面结构设计的发展，为农村公路设计提供了依据，对农村公路建设起到了指导性的作用。但是这些研究以及制定的技术标准对农村公路水泥混凝土路面的结构组合设计采用典型结构设计的方法，多是参照了相关规范或是总结实践经验所给出的，并未从理论角度进行分析，同时，由于全国地理环境、经济的差异，使得各地农村现状差距很大，特别是对于一些交通量很小，经济贫困的地区，如仍采用推荐的典型结构，会造成资源的浪费，并且也会给当地带来更大的经济负担。因此比较系统的对农村公路，尤其是交通量较小地区的·水泥混凝土路面结构设计进行研究，同时推荐出适合农村公路建设、经济实用的水泥混凝土路面结构和厚度，可以为农村公路水泥混凝土路面设计提供理论依据，也可以为其结构组合设计和材料选择提供参考，对于我国建设经济、实用的农村公路具有长远的意义。1．3研究内容及方法本课题的研究立足于建设经济、适用的农村公路。从理论分析着手，结合农村公路水泥混凝土路面现状以及使用情况，计算在不同的交通量、路面材料参数等情况下满足路面使用性能要求的合理路面厚度，为轻交通量农村公路水泥混凝土路面设计提供依据。同时根据我国农村公路的现状，推荐出适合农村公路建设、经济实用的水泥混凝土路面结构和厚度。由于我国东部和西部的社会、经济条件相差较大，对于东部经济条件3U 第_二章农村公路交通量现状及组成分析好、农村公路交通量大的地区，有能力并且有必要将县道按照二级路甚至更高等级公路标准修建的农村公路，不在本课题的研究范围之中。本课题主要针对东西部经济条件差、交通量小的通乡(镇)、通行政村的农村公路进行研究。在贫困地区，建设经济、实用的农村公路，对当地的经济发展有着举足轻重的作用。本课题研究的具体内容如下：1)农村公路交通量组成分析。通过对农村公路的交通量进行调查，并搜集相关的资料，分析农村公路交通量的组成。2)农村公路水泥混凝土路面结构层及所用材料调查分析。收集目前我国农村公路路面常见结构及结构层材料的使用情况等相关资料。分析农村公路各结构层所使用的材料及其参数，提出适合农村公路使用的材料，并确定其各项参数。3)水泥混凝土面板厚度的理论计算与分析。针对农村公路的特点，对于各种交通量和路面结构层厚度以及结构层材料参数的组合，计算出满足路面使用性能的路面板的合理厚度。同时，推荐出适合农村公路建设的水泥混凝土路面的典型结构。4)效益评价。对推荐的水泥混凝土典型结构所带来的经济效益和社会效益进行分析。4 长安大学硕士学位论文第二章农村公路交通量现状及组成分析2．1农村公路交通量调查路面受车辆荷载和外界环境的直接作用，路面上的车辆类型、车辆数目不同导致的累计当量轴次不同，那么对路面的作用就会有差别。交通量、交通组成等各项交通信息直接影响到路面的等级设计、结构设计。2．1．1交通量调查的目的公路上的交通荷载主要是指汽车，汽车又分为客车和货车两大类。其中，客车、货车又划分为不同的车型。我国路面设计中，将不同车类和轴型的各级轴载作用次数，按路面损坏等效的原则换算为标准轴载的当量作用次数。我国水泥混凝土路面设计以100KN的单轴双轮组荷载作为标准轴载。由于行驶中汽车的轴重称量比较难以实现，所以目前水泥混凝土路面轴载换算多采用交通量调查数据。交通量调查中将公路上混合行驶的各种交通车辆按照车辆外形尺寸分为1l大类，将各类车型选用一种代表车型，再换算为标准轴载作用次数。由于轴重较轻的车辆对水泥混凝土路面的破坏很小，因此小于和等于40KN(单轴)和80KN(双轴)的轴载，可略去不计。这11类交通车辆中对水泥混凝土路面结构强度和性能影响较大的主要是中型载货汽车、大型载货汽车、大型客车、载货汽车拖挂车、大中型拖拉机等五大类。因此在轴载换算中，分别选取五种代表车型，将交通量调查数据换算为标准轴载作用次数。2．1．2农村公路交通量和交通组成东西部由于社会、经济的差异，交通量的组成也有很大的不同。收集了东西部三、四级公路的交通量组成资料，见表2．1～2．4。表2．1东部三级公路的交通量及其组成情况(单位：辆／日)小型中型货大型小型大型拖挂汽大中小型非机动车省份总计货车盔货车客车车拖拉机折算合计广东119l9698671083319992705l4849浙江20212673447321398871775325011062山东1137694343232733l146576555609江苏15782389452199251019243032349382福建2826260513793075861336256111405 第二章农村公路交通量现状及组成分析表2．1东部三级公路的交通量及其组成情况(单位：辆／日)(续)小型中型货人型小型大型拖挂汽大中小型非机动车省份总计货车奄货车客车盔拖拉机折算合计平均值1751186669823386026443811298409各种车犁所占百分比(％)20．8220．198．3027．807．167．664．531．53100表2．2西部三级公路的交通量及其组成情况(单位：辆／日)小型中型货人型小型大型拖挂汽大中小型非机动车省份总计货车车货车客车奎拖拉机折算合计陕西298378415564137733081562329四』II49048932552730832921632426重庆74566732091842419393573489内蒙古177183143343331072202811487青海551171128026186222492广西6075474081206331845112653959贵州3523142986591444140811992甘肃2863832613001551023331842004云南7419725921083220914553154469新疆62909825459334088724宁夏21526724238376252170371“2平均值366401292574174742151772273各种车型所占百分比(％)16．1017．6412．8525．257．663．269．467．79‘100表2．3东部四级公路的交通量及其组成情况(单位：辆／日)小型中型货大型小型大型拖挂汽大中小型非机动车省份总计货车车货车客车车拖拉机折算合计浙江1365369810473636137081268418912801广‘东203615868051179470852211066488平均值1701264292624089204494531489644各种车型所占百分比(％)17．6327．399．6024．969．544．654．701．531006 长安大学硕士学位论文表2．4西部四级公路的交通量及其组成情况(单位：辆／日)小型中型大型小型大型拖挂大中小型非机动车省份总计货车客车汽车拖拉机折算合计四川437496267762208571442762647重庆31046289274110337451330云南409497298878155332031762649贵州30227526140012418140791599广西36947533498l3371182651052984甘肃15328490141474l1503301236新疆169447425l2209青海4182161125O67平均值25032517643612335·1181271590各种车型所15．7220．4411．0727．427．742．207．427．99100占百分比(％)注：表中数据由《国家干线公路交通量手册》(2000年)统计所得。由统计结果可以看出：①东部三、四级公路的交通量远远大于西部地区相同等级公路的交通量。东部地区三、四级公路交通量最小值为4849辆／日，最大值高达12801辆／日，西部三、四级公路交通量最小值为67辆／日，最大值为4469辆／日。②东西部三、四级公路交通量组成中，除了东部三级公路的中型货车数量最多，其余的公路均是小型客车数量最多。小型客车数量基本都占到了交通总量的1／4，中型货车数量基本都占到了交通总量的1／5，小型货车的数量也较多，东部地区非机动车数量最少，而西部地区拖挂汽车数量最少。东部地区拖拉机、非机动车所占比例均低于西部地区相同等级公路的拖拉机、非机动车所占的比例。2．1．3农村公路交通量组成特点由农村公路交通量调查资料显示：交通组成中，小型客车及小型货车的数量占到了交通总量的40％多，即轻轴重的车辆所占比例较大。本文对于内蒙古某地区农村公路交通量调查结果见表2．5。7 oo咖{圈oat'q-。■昏寸t"qn权a|n口寸—、卜NIno●一n-n，-_--_t"qdⅡ●_心n骥料辗00on●。■∞lnn寸-一t"q_。_口N避In与昼∞，__-‘_●_寸葛∞趔-一t"qNt"q●‘_N耀神∞oNt"q斗<●一N●一’-_寸o寸摊00InaNa00t"q小’婚●-_小●‘_∞—、ln-=：’寸n●一小n-_趟--_t"-no卜o∞no辊v．m4-_In怨00n—、●。■00a寸a卜斗f8时应用精度较高，但是如果Ex／Eo<8时，随着模量比降低，误差越来越大；且当Ex／Eo<4时，出现当量回弹模量小于土基模量的反常现象或者当量模量出现负值。文献中以弯沉等效的原则，回归了基层顶面当量回弹模量的计算式，见公式(4．10)～(4．12)。Et=Ah。BE。(导)m(4．10)A=[0．18+0．82(警)。·76，一1c4．··，23 第四章农村公路水泥混凝十路面厚度研究B=I_1．2l(警)-0‘55(4．12)EO为了验证公式的精度和可靠性，文献【15】中分别列出了双层结构和三层结构的大量计算结果，并分别与弹性层状理论解做了比较，公式换算结果基本上都接近于弹性层状理论解的结果，具有很高的精度。因此，本课题中对于基层顶面当量回弹模量值，采用文献㈣中建议的当量回弹模量换算公式计算得到。2)温度疲劳应力温度疲劳应力为：Otr-ktonll(4．13)式中：O广临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)；o。广最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)，k广考虑温度应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，温度疲劳应力系数可按式(4．14)计算确定。kt--土[a(睾)c_b】(4．14)oU'nh式中：a、b和c——回归系数，按所在地区的公路自然区划查表4．2确定；￡——水泥混凝土弯拉强度。表4．2回归系数a、b和c公路自然区划系数IIIIIⅣVⅥV1la0．8280．855O．8410．87l0．8370．834b0．041、0．0410．0580．0710．0380．052C1．3231．3551．3231．2871．3821．270最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为：(3"un：．acEchTgB；(4．154)=·xJZ式中：o。广最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力(MPa)；仅。——混凝土的线膨胀系数(1／℃)，通常可取为1×10’5／℃；Tg-最大温度梯度；24 长安大学硕上学位论文B。——综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数。在普通水泥混凝土路面板厚设计的过程中，一些参数是查图求得的。虽然新的设计规范(JTGD40-2002)作了一些改进，但在计算温度应力时综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数Bx还是需要查图得到，这会带来较大的人为因素的影响，造成设计结果的不准确；同时也不便于计算机程序化的实现，提高设计的效率。文献《改进的水泥混凝土路面温度应力系数经验公式表达》[16】一文提出含有13个常量的改进的温度应力系数Bx经验公式。分析表明，基于查图数据，对应99％的保证率，使用公式引起的温度疲劳应力的误差不超过水泥混凝土弯拉强度的1％。公式对温度应力系数的解析描述，不但克服了查图的缺点，也为进一步的研究工作准备了条件。因此，本课题引用该水泥混凝土路面温度应力系数经验公式，见公式(4．16)。Bx=(alInh+a2){[[k,+k2(L／r--k3)-k-k4(ks--k2)ln[L-k-eXp邕2埘一(bleb2h)]2)(clec2“)+(dllnh+d：)‘4舶’K4式中：Bx为温度应力系数；L为水泥混凝土板长．h为板厚(以m计)；k，=1．0890；k2=O．3646,k3=4．5621；k4=0．8118；k5=一0．0090；al=一0．6305：a2=一0．1752；bI=0．2246；b2=1．5087(1／111)；c。=O．4596；C2=1．0851(1／111)；d,=-0．0932；d2=0．0144，共13个常量。有了式(4．16)，对于任意己矢Ii／r、h，可以很方便地求得温度应力系数Bx。3)综合应力计算得综合应力为：Yr(0pr+0订)(4．17)式中：op广一标准轴载Ps在临界荷位处产生的荷载疲劳应力(MPa)；0n一临界荷位处的温度疲劳应力(MPa)；Yr——可靠度系数。如综合应力小于水泥混凝土弯拉强度标准值，则此路面结构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。在计算过程中，由于计算量繁重，在此将计算过程进行了简化。由于土基模量、基层模量、基层厚度、垫层模量、垫层厚度都将折算为基层顶面当量回弹模量参与计算，在计算中，根据农村公路常见路面结构组合型式计算出基层顶面当量回弹模量的范围，见表4．3，由于计算数据较多，在此仅列出了土基模量分别为最小和最大的各种结构组25 第四章农村公路水泥混凝土路面厚度研究厶口。表4．3基层项面当量回弹模量计算值土基模量基层模量基层厚度垫层模罱垫层厚度基层顶面当量同弹(MPa)(m)(MPa)(m)模量(MPa)35O无基层2000．266．34035350O．15200O．2100．894353500．202000．2111．923353500．252000．2122．615357000．152000．2118．737357000．20200O．2135．964357000．252000．2152．850359000．152000．2126．088359000．20200O．2145．69635900O．25200O．2171．3343511000．152000．2137．5173511000．202000．2160．1173511000．25200O．2183．031351300O．15200O．2143．9663513000．202000．2168．741351300O．25200O．2192．893351500O．15200O．2149．4623515000．202000．2175．6633515000．25200O．2201．4903517000．152000．2154．257351700O．20200O．2181．7803517000．25200O．2209．165800无基层200O．2119．630803500．152000．2155．267803500．20200O．2167．94l803500．252000．2180．083807000．15200O．2183．992807000．202000．2208．14380700O．252000．2231．41626 长安大学硕一}：学位论文表4．3基层顶面当量回弹模量计算值·(续)土基模量基层模量基层厚度垫层模量．垫层厚度基层顶面当量回弹(MPa)(m)(Ⅳ【Pa)(m)模量(MPa)809000．152000．2196．70580900O．202000．2225．42980900’一O．25200O．2253．258801100O．152000．2207．657，。，．-801100o．20200．O．2240．194●8011000．257．，，．200O．2271．909801300∥，·D．15^200O．2217．285801300妒0．202000．2253．1278013000．25200O．2288．2758015000．152000．2225．885801500O．20200O．2264．673801500O．252000．2302．9218017000．15200’O．2233．667801700O．20200O．2275．132801700O．25200O．2316．226由计算结果可见：基层顶面当量回弹模量最小值为66．340MPa，最大值为316．226’‘嚣MPa。由于基层顶面当量回弹模量随着土基模量的增大而增大，因此土基模量为50MPa和65MPa时，基层顶面当量回弹模量计算值也应在这个范围内。在水泥混凝土面板厚度的计算中，将基层顶面当量回弹模量的取值范围定为60MPa-'--'320MPa，再将其分为27级，从60MPa弁始，4每增力H'aoMPa分为一级。直接采用基层顶面当量回弹模量和标准轴载累计作用次数来确定能够采用的合理板厚。4．2．2计算结果分析在计算过程中，水泥混凝土面板的宽度不同使得一些参数不同，因而对板厚的计算结果会有一定的影响。在分析过程中，．分别按照不同的板宽进行分析。由于不同的公路自然区划所对应的水泥混凝土面层最大温度梯度标准值不同，进而对板厚的计算也会有影响，因此，对于板宽相同的情况，按不同的自然区划进行计算。将不同板宽、不同自然区划、不同交通量、不同结构组合的板厚计算结果列于附表中。由计算结果可见：不同的水泥混凝土板宽、不同的公路自然区划使得水泥混凝土面板厚度也不同。27 第四章农村公路水淀混稚±路面犀度研究1)不同的板宽对板厚的影响由于数据繁多，在此以自然区划为II区，交通量(标准轴载累计作用次数)分别为100次、1000次、10000次为例，分析不同的板宽对板厚的影响，见图4143，罔中基层项面当量回弹模量的单位均为UPa，板厚的单位均为m。6090120150180210240270300基层顶面当萱回弹模量圉4．1交通量为100次时不同板宽对板厚的影响圈40变通量为1000次时不同扳宽对扳厚的影响i。跏。 长安大学颂士学位论文围4．3交通量为10000欢时不同板宽对板厚的影响由图4I-43可以看出．不同的板宽对于水泥混凝土板厚的影响不是非常的显著，对于其他条件均相同的情形，板宽越小，板的综合应力越小，板的厚度也相应越薄。由大量的计算结果得出：在其他影响因素相同的条件下，水泥混凝土拉宽为35m时的板厚与板宽为325m时的板厚基本一致，极个别情况F前者比后者多lcm：板宽为35m时的板厚与3Om时的板厚相比较，在基励更而当量回弹模量较小(!OOMPa左右)时．前者比后者多Icm～2cm，在摹层顶面当量回弹模量较大的时候，两者的值趋于一致。21不同的公路白彝!l区划对板厚的影响在此，以水泥混凝土板宽为35m，交通量(标准轴载累计作J{j次数)分别为100次、1000次、10000次为例，分析不同的公路自然区划对板厚的影响，见图44-47，图中基层顶面当量回弹模量的单位均为MPa，板厚的单位均为m。篙l_：二二__二严蔼迸O．2}『!；≤i三副吼卜一黑毋∞磊_二掣I篡E二二二!竺!!兰≮矗磅癌国e学l 第日章农村公路水％混凝十路面厚度研究__024023022扳021目020019018图4．8变通量为1000次时不同公路自然区划对板厚的髟响』ll匹Ⅳ区V区．-VIKⅧ区酋’。b(13@癣缔e@毋国·bB080100I20140160180200220240260280300320基层项面当量回弹模量圈4．6交通盘为10000次时不同公路自然区划对板厚的影响不问的公路自然隧划由于气候差异等因素，对板厚的确定也有一定的影响。对计算结果分析表明：在其他影响斟素相同的条件下，不同的公路自然区划中，II区、Ⅳ区、V区、Ⅵ区的水泥混凝土板厚值人致相等，『|1『IIl区、vⅡ区的水泥混凝土板厚值基本相同，JII区、Ⅶ区的板厚值比II区、lv区、V区、Ⅵ区的板厚值多出1Gill。对板厚影响较大的因素主要还是标准轴载累计作用次数以及基层顶面当量回弹模量。而基层项荷当量回弹模量与基层厚度、基层模黾、垫层厚度、垫层模量以及土基模量有关。对于常见农村公路水泥混凝土结构中不设鼍基层或基层材料强度较低的结构组合．其基层顶面当量回弹模量值也较小，必须通过增加面板厚度的方法弥补强度的不足：同时，唧泥是导致混凝土面板损坏的重要原因，对于不设置基层或基层强度较低的结构 长安大学硕上学位论文组合，在轮载作用下，极易产生唧泥，并使面板边缘部分逐渐形成脱空区。随着轮载重复作用次数的增加，脱空区逐渐增大，最终使板出现断裂。因此，对于农村公路水泥混凝土路面结构设计中，不建议直接在调平层上铺筑水泥混凝土面层。3)重载作用下的水泥混凝土面板一次性破坏验算由对农村公路水泥混凝土路面合理板厚的计算结果可知：当标准轴载累计作用次数较小，基层项面当量回弹模量较大时，水泥混凝土面板厚度可以相应减薄。但是，对于减薄了的面层，如果有一辆重载车辆通过，其荷载是否会使水泥混凝土面板一次性破坏是个未知数。因此，有必要对重载作用一次下水泥混凝土面板的板内综合应力进行计算。由于仅考虑重载作用一次情况下的综合应力，因此对于荷载应力和温度应力的计算都不考虑疲劳作用，依据板内荷载应力和温度翘曲应力之和是否小于混凝土的弯拉强度作为验算标准。由第二章对江苏农村公路交通量组成分析研究表明：江苏农村公路交通量中，车辆最大轴重为120KN。考虑到农村公路交通量中多为轻型车辆，在此认为农村公路交通量中最大轴重即为120KN。为了使计算结果具有更广泛的指导性，在此分别取轴重为110KN、120KN，计算在重载作用下板的综合应力。由于不同的公路自然区划使得板厚度减薄的程度不同，当公路自然区划为II区、Ⅳ区、V区、Ⅵ区时，面板厚度可以减薄到0．15m，当公路自然区划为III区、Ⅶ区时，面板厚度可以减薄到0．16m。因此，在计算过程中，按公路自然区划分为两大类进行考虑。第一类为II区、Ⅳ区、V区、Ⅵ区，对于第一类条件下的路面结构综合应力的计算，采用II区、Ⅳ区、V区、Ⅵ区中最不利的情形即公路自然区划为Ⅳ区、Ⅵ区进行计算，此时最大温度梯度取为924C／m：第二类为III区、Ⅶ区，对于第二类条件下的路面结构综合应力的计算，选取III区、Ⅶ区中最不利的情形即公路自然区划为Ⅶ区进行计算，此时最大温度梯度取为98。C／m。①荷载应力荷载应力的计算依据《公路水泥混凝土路面设计规范》中给出的荷载应力计算公式进行，计算式见式(4．18)：式中：P——轴重(KN)；op=AtmPnh一2(4．18)31 第plj章农村公路水泥混凝土路面厚度研究r——混凝土板的相对刚度半径(m)；’h——混凝土板厚度(m)；A、m、n——与轴型有关的回归系数，见表4．4。表4．4荷载应力公式回归系数轴犁Amn单轴一单轮0．001800．4900．881单轴．双轮组0．001190．5970．905双轴．双轮组0．005990．5850．893三轴．双轮组0．003950．4930．892该公式是对轴载作用于四边自由矩形板纵向边缘中部产生的荷载应力，采用有限元法计算分析回归得到的，公式对轴载的适用范围为单轴小于等于240KN，双轴小于等于480KN。同时公式是依据常见的路面结构参数范围内回归的【3引，对于本文研究的水泥混凝土路面结构是完全适用的。对于不同的两大类公路自然区划、不同板厚的水泥混凝土路面结构，均选取最薄弱的结构进行计算，同时，考虑到常见轴型多为单轴．双轮组，在此荷载应力公式的回归系数按单轴一双轮组取用，各结构层材料参数及荷载应力计算结果见表4．5：表4．5重载作用下水泥混凝土面板荷载应力＼结构轴重面层厚度基层厚度基层模量土基模量荷载应力区划＼(KN)(m)(MPa)0．150．201300802．090110O．16O．151000801．996第一类0．17O．15300801．947(II区、Ⅳ区、V区、Ⅵ区)O．15O．201300802．2611200．160．151000802．1600．170．15300802．1060．160．201300801．909第二类1100．17O．15900801．844(III区、VII区)0．16O．201300802．066120O．170．15900801．996附注：垫层厚度均为0．20m，模鼍均为200MPa。 长安大学硕上学位论文②温度翘曲应力温度翘曲应力的计算依据《公路水泥混凝土路面设计规范》进行，计算式见本章公式(4．15)，计算结果见表4．6。表4．6温度翘曲应力计算结果表＼＼结构面层厚度基层厚度基层模量土基模量最大温度梯温度翘曲应区划＼(m)(MPa)度(℃／m)力(MPa)第一类O．150．20130080921．734(II区、Ⅳ区、O．16O．15100080921．794V区、Ⅵ区)0．17O．153008092l。846第二类0．16O．20130080981．895(M区、Ⅶ区)O．17O．1590080981．953附注：垫层厚度均为0．20m，模量均为200MPa。③综合应力重载作用一次时板内综合应力计算结果见表4．7。表4．7水泥混凝土板综合应力计算结果轴重面层厚度荷载应力温度翘曲应力综合应力区划。(KN)(m)(MPa)O．152．0901．7343．824110O．161．9961．7943．790第一类0．171．9471．8463．793(II区、Ⅳ区、V区、Ⅵ区)0．152．2611．7343．9951200．162．1601．7943．9540．172．1061．8463．9520．161．9091．8953．804第二类1lO0．171．8441．9533．797(III区、Ⅶ区)O．162．0661．8953．9611200．171．9961．9533．949由计算结果可以看出，对于不同公路自然区划、不同厚度的水泥混凝土板在重载作用一次时，其综合应力均小于其弯拉强度(4．OMPa)，因此面板不会产生一次性破坏。在计算过程中，均选取的最不利情况进行计算，因此对于本文所研究的水泥混凝土路面结构均不会在重载作用一次时发生一次性破坏。33 第pq章农村公路水泥混凝十路面厚度研究4．3农村公路水泥混凝土路面典型结构通过以上的计算分析，得出了不同板宽和不同自然区划下，适用于不同交通量的合理水泥混凝土路面面板厚度。在此，列出轻交通农村公路水泥混凝土路面的典型结构，为农村公路水泥混凝土路面设计提供参考。由第二节对计算结果的分析表明：板宽的不同对水泥混凝土面板厚度的影响较小，因此，推荐典型结构时仅推荐了板宽为3．5m时的结构；同时，在公路自然区划中，对水泥混凝土板厚的影响效果很相近的区划，可以将其合并为一类。因此，将II区～Ⅶ区共六个公路自然区划分为两大类：II区、Ⅳ区、V区、Ⅵ区为第一类，III区、Ⅶ区为第二类。为了设计参考时方便查找，按照两大类不同的公路自然区划推荐典型结构。4．3．1第一类典型结构将第一类推荐典型结构(公路自然区划为II区、Ⅳ区、V区、Ⅵ区)列于表4．8中。 刊学烬会博删话辎-t4藿耄辎-H羹嚣鬈辎登学蓁鋈萋墓民Ii命曩赠嚣H