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二級公路路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計分析

2021-01-28 11:02
山東交通科技 2020年6期
關鍵詞:荷載水泥路面

柳 毅

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,全國公路通車里程不斷增加,水泥路面在較低等級公路、鄉(xiāng)村道路中仍占據(jù)較大比重,不過也存在設計時考慮不貼合實際、對未來預測不準,施工質(zhì)量控制差,運營過程中車輛超載嚴重及后期養(yǎng)護不及時等問題。若前期設計不合理必將導致水泥混凝土在施工、運營過程中在短時間內(nèi)產(chǎn)生各種病害,故在設計時應嚴控設計質(zhì)量,提升公路建設的品質(zhì)和水平。

近年來隨著經(jīng)濟、旅游及其他行業(yè)的快速發(fā)展,居民對公路的需求和要求日益增加,依托某縣內(nèi)某二級公路的項目建設,對路面結(jié)構(gòu)進行設計與分析。水泥路面具有施工工序、施工速度快、路面強度高、溫度穩(wěn)定性好、無車轍、施工能耗低、總體造價低、水泥與集料易獲取等優(yōu)點,在國內(nèi)較為廣泛的應用[1-2],考慮總投資、材料來源等因素本項目采用水泥混凝土路面。

1 項目概況及分析

依照二級公路標準進行設計,設計速度為40 km/h,路基寬8.5 m。依據(jù)我國現(xiàn)有水泥路面設計規(guī)范中相關規(guī)定,以水泥混凝土的彎拉強度大于行車與溫度綜合作用產(chǎn)生的疲勞應力作為設計標準,并將最大軸載與溫度的綜合作用不產(chǎn)生極限斷裂作為路面結(jié)構(gòu)的驗算標準[3-4],即路面結(jié)構(gòu)滿足:

式中:σpr—荷載疲勞應力,MPa;σp,max—最大荷載疲勞應力,MPa;σtr—溫度疲勞應力值,MPa;σt,max—最大溫度疲勞應力值,MPa。

經(jīng)對項目周邊水文、地質(zhì)等資料的搜集及對現(xiàn)有相關公路的調(diào)查,該地區(qū)為公路自然區(qū)劃Ⅳ區(qū),地下水位距路床頂?shù)木嚯x為1.5 m,以低液限黏土為準,周邊石料以石灰?guī)r為主。項目最大軸重為180 kN,初期軸載作用次數(shù)為135次,在設計基準期20 a內(nèi),年平均增長率為5%,可得設計基準期內(nèi)Ne為89.61萬次,屬于中等交通。

2 路面參數(shù)及路面結(jié)構(gòu)的擬定

2.1 路面參數(shù)的選取

項目目標可靠度為85%,依據(jù)當?shù)仄渌椖肯嚓P資料,變異水平可取中級,可靠度系數(shù)取1.10;路床回彈模量在考慮濕度影響后,回彈模量為56 MPa;混凝土彎拉強度標準值為4.5 MPa,石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)為 7.0×10-6℃。

2.2 路面結(jié)構(gòu)的擬定

初步擬定的路面結(jié)構(gòu)為:0.2 cm水泥混凝土+(2×0.2 cm)水泥穩(wěn)定碎石+路基(回彈模量為56 MPa),混凝土的彎拉模量為29 GPa、泊松比為0.15,基層水穩(wěn)回彈模量為2 000 MPa。

車道平面尺寸為5 m×4.25 m,并采用設傳力桿的縮縫和帶拉桿的縱縫形式。

2.3 路面結(jié)構(gòu)驗算

2.3.1 荷載疲勞應力計算

采用分離式雙層板計算模型,通過計算得到地基Et=271.998 MPa;由上、下層板的厚度、泊松比和模量,可得上層板彎曲剛度Dc=19.78 MN·m,下層板彎曲剛度Db=1.74 MN·m,總相對剛度半徑rg=0.519 m。求得在標準軸載、最大軸載作用下產(chǎn)生的荷載應力值σps=1.65 MPa、σpm=2.868 MPa。

根據(jù)路肩類型、累計作用次數(shù)、公路等級,kr、kf、kc分別取0.87、1.29、1.05。將以上數(shù)據(jù)代入公式:

求得荷載疲勞應力σpr=1.94 MPa和最大荷載疲勞應力σp,max=2.62 MPa。

2.3.2 溫度疲勞應力的計算

根據(jù)項目所在區(qū)域,最大溫度梯度取90℃/m,at、bt、ct分別為0.843、1.323和0.058,并基于上、下層板的厚度、模量、彎曲剛度、面板尺寸等參數(shù),求得面層和基層之間豎向剛度kn=5 753.97 MPa、層間接觸狀況參數(shù)rβ=0.129 m、溫度翹曲應力參數(shù)CL=1.064,進而求得溫度應力系數(shù)BL=0.777 1。

將以上數(shù)據(jù)代入公式:

求得最大溫度應力值σt,max=1.388 MPa。

根據(jù)at、bt、ct求得溫度疲勞應力系數(shù)kt=0.389,代入公式,求得溫度疲勞應力值σtr=0.54 MPa。

2.3.3 極限狀態(tài)核算

將計算得到的荷載疲勞應力、最大荷載疲勞應力、溫度疲勞應力、最大溫度梯度疲勞應力等值代入公式(1)、公式(2),所得核算結(jié)果:

核算結(jié)果滿足規(guī)范要求[3-4],并依據(jù)要求在面層板增加6 mm磨耗層,且按10 mm取整,水泥混凝土板的厚度為0.21 m。

3 水泥路面優(yōu)化設計分析

3.1 公路等級的選取

公路等級的不同在設計中對路面施工時的可靠性、路面的彎拉強度等參數(shù)有直接影響。我國現(xiàn)有規(guī)范中公路分為五個等級,設計時需結(jié)合前期可研、初設等調(diào)查資料中交通需求情況、服務地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展狀況、人口密度等相關因素確定,本項目在綜合該待建公路以上各種因素后將其確定為二級公路。

3.2 路面材料選用及施工

3.2.1 基層材料

基層作為路面結(jié)構(gòu)中的主要承重層,基層材料對路面在設計基準期內(nèi)正常且穩(wěn)定地使用起著關鍵的作用,基層材料選擇不當,易在較短時間內(nèi)產(chǎn)生損害,影響路面結(jié)構(gòu)的正常使用。根據(jù)其他現(xiàn)有路面調(diào)查分析,特別是在較低等級的公路和施工質(zhì)量較差等情況,抗沖刷能力較差的基層,通車一段時間后,在較多雨水和受其他地下水影響下,經(jīng)車輛反復碾壓極易造成板底脫空進而產(chǎn)生唧泥、板塊斷裂等病害[5],嚴重影響行車感受和安全。

根據(jù)我國多年工程實踐經(jīng)驗,水泥穩(wěn)定碎石基層具有強度高、抗凍性好、抗沖刷能力強等優(yōu)點而在重、中交通等級公路中廣泛使用,在特重和極重交通等級情況下,應根據(jù)情況合理選用瀝青混凝土、碾壓混凝土和貧混凝土等作為基層材料,保證公路路面結(jié)構(gòu)的正常使用。

3.2.2 面層材料

我國四季溫度差別較大,在水泥混凝土設計時,必須設置橫向脹縫、縮縫,并根據(jù)面板寬度情況設置縱縫,防止或減緩混凝土面板在溫度變化較大情況下產(chǎn)生裂縫,進而產(chǎn)生斷板現(xiàn)場。為保證路面結(jié)構(gòu)具有較長的使用壽命,一般在設計、施工過程中在橫縫位置處設置滿足功能需求的拉桿和在縱縫位置設置傳力桿等。

3.2.3 路面結(jié)構(gòu)組合

在設計時,路基填料應根據(jù)公路等級選取合適的材料,避免為將路床達到更高強度的要求而舍棄項目周邊現(xiàn)有材料使路面結(jié)構(gòu)強度冗余、項目投資不合理;若現(xiàn)有材料難以滿足材料強度或其他要求時,應合理摻加外加材料或更替填料,如根據(jù)地勘報告,現(xiàn)有土質(zhì)強度達不到相應規(guī)范對路床的強度要求時,可在一定深度范圍內(nèi)摻入3%~6%的水泥或經(jīng)施工方法、經(jīng)濟因素等對比選用其他處理方法。

應對擬定路面結(jié)構(gòu)進行設計分析,即要避免路面結(jié)構(gòu)驗算不滿足規(guī)范,又要避免路面結(jié)構(gòu)強度冗余過多。擬定路面結(jié)構(gòu)前,應充分調(diào)查擬建項目現(xiàn)有情況,合理選擇最大軸重、交通量、基層和面層的材料類型,初步擬定不同類型、不同厚度的路面結(jié)構(gòu),并通過與其他類似項目的對比分析,最終確定更符合項目要求的類型,保證路面安全、舒適、耐久的使用,且避免項目總投資不合理的浪費。

3.2.4 路面設計目標及質(zhì)量保障措施

為保證公路項目在設計基準期內(nèi)能滿足項目服務區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展、人們對公路的日益增長的需求和出行安全,應在項目實施過程中充分考慮公路的可靠性與安全性分析[6]。而公路等級直接影響水泥混凝土路面安全等級,故路面結(jié)構(gòu)設計的目標應結(jié)合公路的(安全)等級進行綜合控制和管理,在嚴格控制以上各個因素的前提下,進行施工技術優(yōu)化、施工質(zhì)量高效管理和控制可使項目在設計、施工過程中安全水平得到有效的保證,從而保證水泥混凝土在設計基準期內(nèi)路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生結(jié)構(gòu)性損害,減少運營后期養(yǎng)護成本、增加路面結(jié)構(gòu)使用周期。

在路面結(jié)構(gòu)設計、驗算過程中,根據(jù)確定的可靠性指標、周邊類似項目確定合理、精確可靠更為與實際貼合的設計參數(shù),提供工程的整體設計質(zhì)量。在擬定路面結(jié)構(gòu)不滿足規(guī)范要求時,可通過調(diào)整各個層位材料類型和厚度等方面進行改善,隨前期工程總成本較大,但運營過程中對路面的養(yǎng)護費用、養(yǎng)護周期相對較少,從而達到后期養(yǎng)護時間和次數(shù)減少的目的。

3.2.5 交通量的確定

設計車道在標準軸載作用下累計作用次數(shù)是水泥路面交通荷載等級劃分的標準[1,3],而累計作用次數(shù)與現(xiàn)有交通量調(diào)查、年平均增長率有直接的關系。年平均增長率與服務區(qū)域的設計經(jīng)濟發(fā)展、旅游、工業(yè)等因素確定,交通量一般通過兩種方式確定:(1)對于新建公路,通過對現(xiàn)有其他公路及其他交通運輸方式的資料收集,對本項目交通轉(zhuǎn)移流入量進行預測,其確定具有一定的主觀性,故在項目建議書、可研階段應充分調(diào)查和研判。(2)對于舊路改造(拓寬、加鋪及改線),應對舊路的交通進行調(diào)查,確定初始年時(雙向)年平均交通量、車輛類型分布情況,包含大型客車、貨車等的交通量,不含2軸4輪及其以下的車輛(客車、貨車),并對平均日交通量進行軸載換算,從而確定累計作用次數(shù)和交通荷載等級。

3.2.6 其他問題及對策

(1)縱向接縫在變寬段時要求設置螺紋鋼筋的拉桿,縱縫位置寬度應大于1 m;施工時鋪筑路面的寬度大于4.5 m時,必須設置縱向縮縫;在路基可能產(chǎn)生不均勻沉降處、混凝土板為銳角或不規(guī)則形狀時,應對面板內(nèi)進行布設鋼筋,避免產(chǎn)生沉降差異和板角斷裂等情況。(2)混凝土路面結(jié)構(gòu)存在縱縫、橫縫等原因,使得路面結(jié)構(gòu)易滲入雨水或其他地表水,為避免其形成高孔隙水壓力及對路面結(jié)構(gòu)的其他損害,可設置瀝青下封層,并可增大路面橫坡、設置碎石路肩排水層等措施。(3)路面設計時,應充分考慮施工條件及其優(yōu)化措施,合理提高施工時機械化水平、并結(jié)合最新科研成果中檢測手段(如無損檢測),保證施工質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

通過對某二級公路路面結(jié)構(gòu)設計與分析,擬定出滿足規(guī)范和現(xiàn)狀需求的路面結(jié)構(gòu),并對路面結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計分析。結(jié)果表明:(1)在路面結(jié)構(gòu)設計、計算過程中,各參數(shù)的來源應嚴謹、可靠,避免由于參數(shù)選取錯誤導致的結(jié)構(gòu)不滿足要求或者冗余過大的情況。(2)為保證路面結(jié)構(gòu)的正常使用,應合理設置排水設施、混凝土內(nèi)布設鋼筋及其他措施等。(3)在確定擬建公路的適用目的條件下,結(jié)合周邊類似項目經(jīng)驗,優(yōu)化設計方案,進一步提高設計質(zhì)量,為路面質(zhì)量奠定基礎。

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