CN109033714B - 一种控制路基路面协调变形的设计方法 - Google Patents

一种控制路基路面协调变形的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种控制路基路面协调变形的设计方法,以接地压强和弯沉值作为控制技术指标,该方法包括:A、以项目地行车的最大荷载作为设计荷载,确定在设计荷载轴载条件下、轮胎作用路基的最大允许弯沉值;B、在所述设计荷载轴载条件下,控制路面各层材料的最小允许弯沉值大于相同条件下路基的最大允许弯沉值。本发明首次由路基承载,路面仅作为功能层用于应对环境条件和安全保障,使路面永远附合在路基上工作,在轮胎的作用下,路面随路基下沉或回弹。

Description

一种控制路基路面协调变形的设计方法
技术领域
本发明属于公路结构设计领域,具体涉及一种控制路基路面协调变形的设计方法。
背景技术
现有技术条件下,公路的设计全部依照“多层连续弹性体系”理论,依照模量计算进行设计。以此理论和方法设计建设的公路,有目共睹的是桥头跳车严重,公路变形、开裂,下雨过后冒白浆,出坑槽,公路的水损坏时有发生,水泥路面断板严重,绝大多数的公路三五年之后就进入常修期、大中修期,每年依靠维修维持通车。产生上述问题归根到底是路基和路面的问题,现有技术中关于公路工程路基、路面设计理论是:多层连续弹性体系设计理论,其设计方法上采用的抗压弹性模量累积判断,公路结构组成后的各层弹性模量累积值达到一个标准值为合格,否则增加结构层,进一步累积抗压弹性模量值,直至满足。其假设的条件是:公路在平面上是无限的(没有裂缝),在竖向上是连续的,各层间无滑移;实际上这些都是做不到的,公路在平面上到处是裂缝,根本解决不了。上述问题导致公路的建设成本越来越高,路面越来越厚,维修费用也越来越大,多数收费公路收不回投资,制约着国民经济的健康发展。
而另一方面,全国统一的荷载标准按照轮胎接地压强0.7MPa设计,实际上现在公路上跑的重载车轮接地压强高达1.1MPa,很多公路根本不能适应运输车辆荷载和经济运量的需求,不得不限载查车、超载罚款,这也是造成运输成本居高不下的主要原因之一。
现实社会发展和经济民生急需有一种能满足社会车辆荷载要求,并且损坏少、维修少、建设成本低、寿命长的公路出现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种控制路基路面协调变形的设计方法,其突破现有抗压弹性模量累积的设计理念,让路基承载、路面作为功能性结构,路面始终附合在路基上同步、同幅、同向变形。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种控制路基路面协调变形的设计方法,以接地压强和弯沉值作为控制技术指标,该方法包括:A、以项目地行车的最大荷载作为设计荷载,确定在设计荷载的轴载条件下、轮胎作用路基的最大允许弯沉值;B、在所述设计荷载轴载条件下,控制路面各层材料的最小允许弯沉值大于相同条件下路基的最大允许弯沉值。
该变形协调方法的核心是:路基的刚性大于路面的刚性,路面在轮胎的作用下能适度弯曲,产生竖向位移。它们之间的关系就如同在一张厚水泥砼板上铺了一层橡胶板,这里的厚水泥砼板相当于路基,橡胶板则是路面,橡胶板的最小允许挠度大于水泥砼板的最大允许挠度;当对橡胶板施压,板的中心连续向下位移,达到一定的下沉量后,水泥砼板会折断,而橡胶板则不会断裂;如果此时的水泥砼板仅仅是折断,此后落在下承层上,由下承层承载,则此时的橡胶板仍完好,也就是:不会因路基的强度不足下沉、变形,而造成路面的破坏,路面永远附合在路基上工作。
该设计方法一是需要控制路基的变形,即路基顶面在设计荷载的轴载条件下,轮胎作用路基允许路基在一定长度内(现有弯沉仪所测为半径3.6m的范围长度)的中心最大位移值(竖向上垂直位移)。二是需要控制路面的变形,在所述设计荷载轴载条件下,轮胎作用路面,构成路面各层本身所具备的最小允许位移值大于路基同样长度下的位移值。这样路面永远附和在路基上工作,路面不会因负温下路面脆硬而出现脱空被压断,也不会因为路基强度不足而下沉、变形;路面的底面也就不再产生拉应力,路面实际上只有抗压需求,没有层底拉应力出现。当路面只要求抗压指标时,材料及组合能很好满足,也能大幅减薄。
实现构成路面各层本身所具备的最小允许位移值,大于与路基同样长度下的位移值。首先要求构成路面各层的结构材料本身所具备的最小允许位移值,大于与路基同样长度下的位移值。结构材料本身所具备位移的允许幅度实际上在测量试验时采用的技术指标叫做“标准小梁挠度值”,也就是路面的各层结构材料的位移量,该位移量需要通过试验验证大于设计路面的最大弯沉值(位移量),这种条件下路面就永远不会有损伤,比如,假设设计路面的最大允许弯沉值为50(0.01mm),那么路面所有层包括表面层、中面层、底面层的材料试验,在半径3.6m范围内的允许最小位移幅度大于50(0.01mm),一般应大于1倍为100(0.01mm)。各层的实际所测允许位移值可能是200(0.01mm),也可能是300(0.01mm),也就是在项目地最不利环境条件下,沥青路面各结构层的允许挠度都大于轮胎作用路面施压时,设计控制的最大挠度(弯沉值)轮胎作用路面,路面不会损伤。
具体计算时,先建立一个3.6m弯沉值与标准小梁(45cm正方形)的挠度值(位移值)关系图或表,比如当路基设计弯沉值为200(0.01mm)时,所对应的路面面层材料标准小梁的挠度最小允许100(0.01mm);当路基设计弯沉值在80(0.01mm)时,路面面层材料标准小梁的最小允许挠度可能仅控制在30(0.01mm),这里的100(0.01mm)和30(0.01mm)对应的是路基最大200(0.01mm)和80(0.01mm)对的2倍。再根据所建立的标准小梁挠度值与实体工程中实测的路基弯沉值,或是设计最大弯沉值之间的关系,在已知设计路基弯沉值的条件下,就可以计算出路面各层材料的最小允许位移值(挠度值)。一般控制在大于路基设计最大允许弯沉值的一倍。计算所得的路面各层材料挠度值(位移值)作为选定值,并以此作为技术指标控制。如果是在负温(0℃以下地区)试验采集路面材料最小允许挠度值(位移值)时,应在最低温度下采集路面各材料的挠度值(位移值)。
进一步的,步骤A所述路面设计荷载按照轮胎接地压强≥1.00MPa计,路基设计弯沉值≤200(0.01mm)。
优选的,高速公路路基设计弯沉值为80—100(0.01mm)。
进一步的,步骤A中路基的处理在常规工艺中增加以下两个步骤:
①在地表标高处,或是清表处理后,或是软基处理完成后,采用接地压强为不小于1.05MPa、接地面积大于2 m2的共振夯满夯处理加固一遍;
②在路基达到路槽标高后,采用接地压强不小于1.05MPa、接地面积大于2 m2的共振夯满夯作用一遍。
对于路基来讲,采用共振夯实机对路基进行处理加固。具体为采用道路设计的“荷载标准”、“轮胎接地压强”,把共振夯的接地压强调至“公路设计接地压强标准”(不小于1.05MPa),并采用接地面积大于2 m2的共振夯,在路基顶面梅花状作业两遍,作业点不能重复;两遍完成后,路基达到了满夯,再作路基垫层和对路基垫层进行满夯,就完成了强路基、刚性路基的施工,此上为路面。
进一步的,步骤B中路面各层材料的最小允许弯沉值是相同条件下路基的最大允许弯沉值的1.1~3倍。
进一步的,步骤B中路面结构层至少包括改性沥青碎石层和富油封水层。
进一步的,改性沥青碎石层的孔隙率不小于25%。
进一步的,所述富油封水层的混合料中改性沥青含量大于10%。
进一步的,所述富油封水层的压实厚度为8-15mm。
进一步的,所述富油封水层的混合料中最大骨料的粒径小于2.36mm。
本设计方法的路面很薄,一般仅有一层基层以及1-3层路面面层。基层一般为二灰(粉煤灰和生石灰)无机结合料结构,韧性良好,竖向位移性能好。路面面层一般由三层组成,最下层:改性沥青碎石,往上为富油封水层,表面层为常规的排水沥青路面。富油封水层为密实层,用于防止路面的水下渗至路基。设计改性沥青碎石层这一层结构很重要,改性沥青碎石层是是骨架结构,孔隙率优选35%以上,是利用“当裂缝遇到空洞时,裂缝的应力自然消失”的原理,避免路基或路面基层产生的低温收缩裂缝上延、穿透、拉裂富油封水层。由于沥青碎石的厚度使结构中的空洞在竖向上交错相互弥补,竖向上的总厚度上,裂缝总会遇到空洞而被阻断,使裂缝不能穿透改性沥青碎石层继续向上裂。
改性沥青碎石层中粘接胶体即改性沥青的技术性能较关键。改性沥青的技术指标要满足:极端高温值下胶体不软化,保持其足够的粘拉强度;极端低温值下改性沥青不脆不裂,保持其足够的韧性。沥青混合料中颗粒碎石之间使用改性沥青胶体粘连在一起的,高温下抗拉保持路面的强度,低温下如果下承层(基层)变形,颗粒之间的胶体随着发生变形也就不脆不裂了,在轮胎的作用下永远附合在下承层上工作。当然,混合料的配方中,在-5℃以下地区的粉体材料也要求采用抗低温材料(石棉粉)。在施工中作材料配合比和材料性能试验时,以当地极端高、低温值下采集试验数据,满足设计技术指标要求,就实现了“路面永远附合在路基上工作”的目标。
采用上述技术方案产生的有益效果在于:(1)本发明首次提出了路基与路面协调变形设计控制方法,其由路基承载,路面仅作为功能层用于应对环境条件和安全保障,使路面永远附合在路基上工作,在轮胎的作用下,路面随路基下沉或回弹;(2)本发明突破了现有标准的规定,首次提出了公路设计荷载标准以项目地实际能达到的荷载标准进行设计,将现有固定荷载指标变成了可变荷载指标,能够彻底解决路基受损、导致路面破坏的恶性问题;(3)上述技术方案中提出了路面结构层中至少有一层富油封水层防止路面的水下渗至路基,还要有一层改性沥青碎石层吸收下承层裂缝的结构设计,防止路基的裂缝传递至路面表层;(4)对组成公路的路基和路面进行了功能性分工,两者协同作用,既能够保证路基的稳定性,还能够实现路面的功能性、减薄路面的厚度,大幅降低建造公路的成本以及维护和维修的成本;(5)本发明首次提出了路面材料弯沉值技术指标的控制。
具体实施方式
本发明控制路基路面协调变形的设计方法,以接地压强和弯沉值作为控制技术指标,该方法包括:A、以项目地行车的最大荷载作为设计荷载,确定在设计荷载的轴载条件下、轮胎作用路基的最大允许弯沉值;B、在所述设计荷载轴载条件下,控制路面各层材料的最小允许弯沉值大于相同条件下路基的最大允许弯沉值。
现行的设计指标统一规定轮胎接地压强为0.7MPa,不可调,高速公路、一级公路、二级公路都是一个标准;而实际上现在公路上跑的重载车轮胎接地压强高达1.1MPa,大部分不小于0.9MPa,本实施例中设计荷载以项目地近10年来通行车辆的最大荷载计算,比如设计荷载可以按照轮胎接地压强1.05MPa、1.1MPa或1.2MPa计算。
弯沉值是用弯沉仪测出来的。路基、路面基层或路面在半径为3.6m、标准后轴10T单轴双轮组压在所测点上静止后,再将轮胎拖离所测点的回弹值,计量单位为(0.01mm);如果测的是路基,则是路基的回弹值;如果是路面,则为路面回弹值;这个回弹值就称作弯沉值。
本实施例中,设计荷载以轮胎的接地压强来衡量,轮胎的接地压强与荷载成正比,同样接地面积压强越大,说明荷载越大,它们之间有明确的比例关系,可计算。设计时,用接地压强代表荷载,应当采用某一时期内预计行驶在公路上最大重载车的轮胎接地压强。
基于上述方法,对公路进行设计的步骤如下:
第一步,要调查项目地10年一遇极端高温值和极端低温值,目的是为采购的工程材料确定控制指标和结构层设计,比如确定改性沥青的指标、抗冻层厚度设计(结构层厚度+垫层厚度要大于或等于冻土厚度,如果不足,用碎石或砾石或炮渣石补足)以及确定轮胎接地压强。设计轮胎接地压强的依据是:日常统计的最大轴载的轮胎接地压强与地方交通主管部门以文字形式共同确定的标准。轮胎接地压强一般为1.1—1.2MPa,还需加上动载、偏载、起步、刹车、不利季节系数总和大约30%。
第二步,(公路)选线、现场测量、勘探与设计,所有工序和内容与现行规范完全一致,包括路基处理和路基填筑的工艺与措施。在这其中增加两道设计:第一道是在地表标高处,或是清表处理后,或是软基处理完成后,采用接地压强为1.1MPa或1.2MPa(所设计的路面接地压强)、接地面积大于2 m2的共振夯满夯处理加固一遍;第二道是在路基达到路槽标高后,采用接地压强1.1MPa或1.2MPa(所设计的路面接地压强)、接地面积大于2 m2
的共振夯满夯作用一遍或叫加固处理一遍。这里有如下目的:
①地表标高先用共振夯处理加固一遍,是使路基的基底瞬间达到一个稳定状态。
②采用接地压强1.1MPa或1.2MPa是用路面上的技术指标(荷载标准),首先在路基处理上要达到(设计荷载)的标准。在设计文件中指定共振夯接地压强,依据的就是确定的路面轮胎接地压强,以此保障路基密度、强度、刚度,满足荷载要求。这一设计方法的目的是实现“强基”稳定,由路基承载,路面为功能性结构。
③在路基的顶面再用接地压强为1.1MPa或1.2MPa(所设计的路面接地压强)、接地面积大于2 m2的共振夯满夯作用一遍,使填土路基也达到“强基”的标准。
④设计中指定共振夯的接地面积大于2 m2是因为接地面积与密实深度和稳定性有关。一般情况下,密实深度是接地面积的7倍至8倍,2 m2的密实有效深度可达16m左右,目的是使路基在一定深度或高度内达到密实稳定。因此,在路基的设计上增加了两道共振夯作业的工艺和技术,实现路基完成即可达到永久稳定的状态。
第三步,设计路基垫层。整平路槽,找出路拱,施工路基垫层,一般厚度为15cm—18cm,灰土、二灰土、无机结合料即可;目的:一是为下一道工序提供工作面;二是平衡路基受力,解决路基极小范围内承载力不均匀的问题。进行路基弯沉值测控,给出允许最大弯沉值指标。
第四步,设计路面基层,一般有一层即可,设计为二灰土或二灰碎石,先在实验室进行挠度实验和计算,需满足其最小允许弯沉值是相同条件下路基的最大允许弯沉值的1.1~3倍。其余与现行技术相同,目的同第三步。
第五步,设计路面面层,各层需要依据项目地极端低温值和极端高温值设计。先在实验室进行各层材料的挠度实验,进行挠度计算,路面各层材料的最小允许弯沉值是相同条件下路基的最大允许弯沉值的1.1~3倍。路面面层一般由三层组成,第一层:改性沥青碎石,根据极端低温值通过试验确定设计厚度。设计时通过负温试验,采集不同配合比混合料抗裂缝的能力,使在项目地最低温度下的裂缝宽度拉不断改性沥青碎石厚度,选择最优配合比确定设计厚度。正温度地区,这一层的厚度2cm—4cm即可;再往上,为富油封水层,改性沥青含量大于10%,最大骨料粒径小于2.36mm,极端低温下不脆不裂,极端高温下不软化、不流淌,压实厚度一般为8-15mm。表面层为常规的排水沥青路面,一般为4cm厚。
在路面设计中,要强调改性沥青技术指标,根据项目地极端温度给出软化点和脆点的温度控制指标及是否采用石棉粉材料,以此达到控制沥青路面各结构层的柔性。混合料中改性沥青的脆点必须在项目地极端低温值下;比如,某项目地的10年一遇极端低温值是-30℃,那么改性沥青的脆点必须控制在-35℃,这样在-30℃环境下改性沥青胶体不脆不裂,粘接碎石颗粒的沥青混合料胶体不脆不裂,且仍有韧性;各结构层在-30℃环境下就同样有了位移大的韧性板体而不脆不裂。当然,粉体也采用抗低温材料,路面各结构材料的性能在极端低温下仍具有柔性结构特性。沥青或粉体材料本身所具备竖向位移的允许幅度,大于其设计路面的最大位移量。
(2)路面还可以采用碾压弹性水泥砼路面(即:超低模量水泥砼路面),其材料中的乳化改性沥青技术指标同样给出最低温度脆点和要求,以达到极端低温下的路面成柔性,不脆。之上为抗磨层。
第六步,要给出各控制点的最大允许弯沉值,路槽、路基顶面、路面基层和路面表面层。该弯沉值为公路铺设施工时的控制指标,此时从路基到路面表面,逐级加厚,刚度进一步增大,弯沉值逐渐缩小。一般路槽的最大允许弯沉值:高速路和一级路为100(0.01mm),二、三级路为150(0.01mm);路基顶面:高速路和一级路为80(0.01mm),二、三级路为120(0.01mm);路面基层:高速路和一级路为50(0.01mm),二、三级路为100(0.01mm);路面表面层:高速路和一级路为30(0.01mm),二、三级路为80(0.01mm)。施工时依此控制,以实现“强基薄面”的目的。
第七步,审查路面厚度是否满足抗冻深度要求,如果路面总深+垫层厚度,不能满足冻土深度要求,在路基垫层之下用连续级配碎石或天然砂砾(最大粒径4cm)代替一定厚度的路基土,使这一层的厚度+路面厚度+路基垫层大于冻土深度。
通过以上设计,在现行路基设计规范的基础上,在地表和路槽两个位置增加了共振夯作业,达到了“强基”和瞬间稳定的目的,增加了路基基层和减薄了路面厚度,减少了半刚性基层厚度和层数,改进了路面组合,强调了路面中必须有一层富油封水层,也强调了路面材料中的改性沥青高低温度控制指标和粉体材料性质,还强调了弯沉控制指标,用以控制路基和全部道路结构的整体强度,从而实现由路基承载,路面仅作为功能层,应对环境条件和安全保障,使路面永远附合在路基上工作,在轮胎的作用下,路面随路基下沉或回弹,即路基与路面协调变形。

Claims (8)

1.一种控制路基路面协调变形的设计方法,以接地压强和弯沉值作为控制技术指标,其特征在于,该方法包括:A、以项目地行车的最大荷载作为设计荷载,确定在设计荷载的轴载条件下、轮胎作用路基的最大允许弯沉值;B、在所述设计荷载轴载条件下,控制路面各层材料的最小允许弯沉值大于相同条件下路基的最大允许弯沉值;
步骤A中路基的处理在常规工艺中增加以下两个步骤:
①在地表标高处,或是清表处理后,或是软基处理完成后,采用接地压强为不小于1.05MPa、接地面积大于2 m2的共振夯满夯处理加固一遍;
②在路基达到路槽标高后,采用接地压强不小于1.05MPa、接地面积大于2 m2的共振夯满夯作用一遍;
步骤B中路面各层材料的最小允许弯沉值是相同条件下路基的最大允许弯沉值的1.1~3倍。
2.根据权利要求1所述的控制路基路面协调变形的设计方法,其特征在于步骤A所述路面设计荷载按照轮胎接地压强≥1.00MPa计,路基设计弯沉值≤200(0.01mm)。
3.根据权利要求2所述的控制路基路面协调变形的设计方法,其特征在于高速公路路基设计弯沉值为80—100(0.01mm)。
4.根据权利要求1所述的控制路基路面协调变形的设计方法,其特征在于步骤B中路面结构层至少包括改性沥青碎石层和富油封水层。
5.根据权利要求4所述的控制路基路面协调变形的设计方法,其特征在于改性沥青碎石层的孔隙率不小于25%。
6.根据权利要求4所述的控制路基路面协调变形的设计方法,其特征在于所述富油封水层的混合料中改性沥青含量大于10%。
7.根据权利要求4所述的控制路基路面协调变形的设计方法,其特征在于
所述富油封水层的压实厚度为8-15mm。
8.根据权利要求4所述的控制路基路面协调变形的设计方法,其特征在于所述富油封水层的混合料中最大骨料的粒径小于2.36mm。
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