CN114016342A - 一种路基路面平衡设计方法与结构 - Google Patents

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    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Abstract

本发明提供一种路基路面平衡设计方法与结构，属于交通工程技术领域，该设计方法的步骤是：步骤一：根据沥青路面设计规范，划分路基分类类型，确定土基各层综合回弹模量要求；步骤二：分层计算路基综合回弹模量，判断是否满足设计要求；步骤三：首先根据交通荷载等级计算累计当量轴载次数，确定路面结构组合，拟定方案；步骤四：各结构力学响应计算，确定相应允许值指标；步骤五：路面结构验算；步骤六：进行全寿命周期内效益分析，确定最佳路基路面平衡设计结构；步骤七：设计方法完成。本发明基于路基综合回弹模量设计方法，将路基设计计算结果直接应用于路面结构设计中，实现了路基路面结构耐久性的目标，最大化的节约资源，经济效益更显著。

Description

一种路基路面平衡设计方法与结构
技术领域
本发明涉及交通工程技术领域，具体地说是一种路基路面平衡设计方法与结构。
背景技术
一般的，路基是路面的基础，承受着路面传递的车辆荷载及路面上部结构自重。研究表明：若土基不稳定、不坚实、不耐久，即使采用厚路面结构，在行车荷载作用下，路面也会很快产生损伤，并逐渐演化为破坏。实际工程中，无论是水泥混凝土路面还是沥青路面，路面过大的损坏大部分是由于路基的稳定性较差，在荷载作用下产生过大的永久变形导致的。因此，路基的刚度与稳定性是保证路面耐久的前提，当在道路修建过程中，路基的回弹模量是表征路基抗变形能力和路面结构设计的重要力学参数，对路面结构的强度、刚度、稳定性、使用性能和寿命起着决定性作用，其取值直接影响着路面结构层的设计厚度和施工质量。
发明内容
本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种路基路面平衡设计方法与结构。
本发明的技术方案是按以下方式实现的，本发明的一种平衡设计的路基路面，该路基路面的层间结构从下至上包括土基层(8)、压实素土层(7)、4％水泥土层(6)、6％水泥土层(5)、水泥稳定碎石基层(4)、第三沥青层(3)、第二沥青层(2)、第一沥青层(1)；
在土基层(8)上铺设有压实素土层(7)，在压实素土层(7)上铺设有4％水泥土层(6)，在4％水泥土层(6)上铺设有6％水泥土层(5)，在6％水泥土层(5)上铺设有水泥稳定碎石基层(4)，在水泥稳定碎石基层(4)上铺设有第三沥青层(3)，在第三沥青层(3)上铺设有第二沥青层(2)，在第二沥青层(2)上铺设有第一沥青层(1)，即构成完整的路基路面。
该路基路面中：
压实素土层(7)厚度为40cm，回弹模量为60MPa，泊松比为0.4；
4％水泥土层(6)为水泥的质量占全部土干质量的4％的水泥土，厚度为50cm，回弹模量为88Mpa，泊松比为0.4；
6％水泥土层(5)为水泥的质量占全部土干质量的6％的水泥土，分上下两层铺设，每层30cm，整层厚度为60cm，回弹模量为100Mpa，泊松比为0.4；
水泥稳定碎石基层(4)分三层铺设，每层厚度为18cm～20cm；
第三沥青层(3)采用AC-25或SUP-25沥青混合料，分两层铺设，每层厚度为7cm～9cm，整层厚度为15cm，设计孔隙率为4.5％～5.5％，泊松比0.25；
第二沥青层(2)采用AC-20或SUP-20沥青混合料，整层厚度为4cm～6cm，设计孔隙率为3.5％～4.5％，泊松比0.25；
第一沥青层(1)采用SMA-13或AC-13沥青混合料，整层厚度为3cm～5cm，孔隙率为3％～4％，泊松比0.25。
该路基路面是通过以下施工步骤获得：
步骤1.对原路基土基层(8)进行清除、开挖、整平、压实，保证地基的平整、均匀；
步骤2.在土基层(8)上铺设40cm的优质素土，整平、压实，构成压实素土层(7)，该层的回弹模量为60Mpa，泊松比为0.4；
步骤3.在压实素土层(7)的基础上，铺设水泥质量占全部土干质量4％的水泥土路基层，构成4％水泥土层(6)，该层厚度为50cm，该层回弹模量为88Mpa，泊松比为0.4；
步骤4.进一步的，在4％水泥土层(6)上铺设水泥质量占全部土干质量6％的水泥土路基，构成6％水泥土层(5)，该层厚度为60cm，分两层施工：30cm+30cm，其整层的回弹模量为100Mpa，泊松比为0.4；
步骤5.待4％水泥土层(6)、6％水泥土层(5)的水泥土养生完成后，铺设水泥稳定碎石基层(4)，该层分三层施工：18cm+18cm+18cm，整层厚度为54cm；
步骤6.在水泥稳定碎石基层(4)之上铺设AC-25沥青层构成第三沥青层(3)，第三沥青层(3)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为15cm，分两层施工：8cm+7cm，设计孔隙率为4.75％，模量为8000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤7.进一步的，在第三沥青层(3)之上铺设AC-20沥青层构成第二沥青层(2)，第二沥青层(2)采用PG82-22等级改性沥青，厚度为6cm，设计孔隙率为4％，模量为13000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤8.最后，在第二沥青层(2)之上铺设SMA-13沥青层构成第一沥青层(1)，第一沥青层(1)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为3cm～5cm，设计孔隙率为3～4％，模量为7500Mpa～9500Mpa，泊松比0.25；
最终获得该路基路面。
该路基路面的结构疲劳模型为：
Nf＝129756e0.169ha+0.0263hCTB+0.011hs,R2＝0.995
式中：
Nf--沥青层疲劳寿命(次)；
ha--沥青层厚度(cm)；
hCTB--半刚性基层厚度(cm)；
hs--改善土厚度(cm)。
一种平衡设计的路基路面的设计方法，该设计方法的步骤是：
步骤一：根据沥青路面设计规范，划分路基分类类型，确定土基各层综合回弹模量要求；进行步骤二；
步骤二：分层计算路基综合回弹模量，判断是否满足设计要求；进行步骤三；
步骤三：首先根据交通荷载等级计算累计当量轴载次数，确定路面结构组合，初步拟定路面结构方案；进行步骤四；
步骤四：各结构力学响应计算，确定相应允许值指标；进行步骤五；
步骤五：路面结构验算；
a.土基顶部压应变；
b.基层层底拉应力；
c.沥青层层底拉应变；
d.永久变形；
e.疲劳寿命；
判断是否满足要求，
如果满足要求，则进行步骤六；
如果不满足要求，则对气象、水文等自然环境调查，回到步骤三并向下进行，直到满足要求，则进行步骤六；
步骤六：进行全寿命周期内效益分析，确定最佳路基路面平衡设计结构；
步骤七：设计方法完成。
该设计方法设计完成后的施工步骤是：
步骤1.对原路基土基层(8)进行清除、开挖、整平、压实，保证地基的平整、均匀；
步骤2.在土基层(8)上铺设40cm的优质素土，整平、压实，构成压实素土层(7)，该层的回弹模量为60Mpa，泊松比为0.4；
步骤3.在压实素土层(7)的基础上，铺设水泥质量占全部土干质量4％的水泥土路基层，构成4％水泥土层(6)，该层厚度为50cm，该层回弹模量为88Mpa，泊松比为0.4；
步骤4.进一步的，在4％水泥土层(6)上铺设水泥质量占全部土干质量6％的水泥土路基，构成6％水泥土层(5)，该层厚度为60cm，分两层施工：30cm+30cm，其整层的回弹模量为100Mpa，泊松比为0.4；
步骤5.待4％水泥土层(6)、6％水泥土层(5)的水泥土养生完成后，铺设水泥稳定碎石基层(4)，该层分三层施工：18cm+18cm+18cm，整层厚度为54cm；
步骤6.在水泥稳定碎石基层(4)之上铺设AC-25沥青层构成第三沥青层(3)，第三沥青层(3)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为15cm，分两层施工：8cm+7cm，设计孔隙率为4.75％，模量为8000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤7.进一步的，在第三沥青层(3)之上铺设AC-20沥青层构成第二沥青层(2)，第二沥青层(2)采用PG82-22等级改性沥青，厚度为6cm，设计孔隙率为4％，模量为13000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤8.最后，在第二沥青层(2)之上铺设SMA-13沥青层构成第一沥青层(1)，第一沥青层(1)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为3cm～5cm，设计孔隙率为3～4％，模量为7500Mpa～9500Mpa，泊松比0.25；
最终获得该路基路面。
所述的一种平衡设计的路基路面，在沥青路面结构施工中的应用。
所述的一种平衡设计的路基路面的设计方法在沥青路面结构施工中的应用。
本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明的一种路基路面平衡设计方法与结构，其特点是在土基中掺加水泥，经拌合、压实及养护后得到水泥稳定土基层，使其具有一定的强度和耐水性。为了增加路基路面的强度，提高路基路面的承载力。本发明采用结构设计和材料设计相结合的方法，设置水泥稳定土基层，减薄整个路面结构的厚度，使相同厚度下极大提升沥青路面疲劳寿命。该方法不仅使路面结构整体更加平整、舒适、耐久、抗疲劳，还可以减少原材料的使用，使全寿命周期费用最低，充分体现了环保、节约的新理念。
本发明为了提高路面结构的整体强度，设置水泥土基层，增加基层强度，相同厚度下极大提升了沥青路面疲劳寿命，使路面结构更加耐久、抗疲劳，同时还减少石材的使用，使全寿命周期费用最低，充分体现了环保、节约的新理念。
本发明与传统的路面结构相比，本发明路基路面具有更大的刚度和强度，使路面整体结构更加稳定、耐久。
采用水泥土路基分层施工的方法，顺应地基的沉降规律，使路基强度进一步增强，确保路基路面结构的协调联动关系。
该方法从总体上节省了施工工期和工程造价，减少石材的使用，使全寿命周期费用最低，体现了节约资源、环保的新理念，使经济效益更加显著。
在土基中掺加水泥，经拌合、压实及养护后得到水泥稳定土，增加了基层强度，提高了路基的承载力，从而增强了路基路面结构的整体性能，使相同厚度下的沥青路面结构更加耐久。
本发明不仅补强了路面结构的刚度需求，还可以保证补强后路面结构的稳定性，使路面结构更加耐久、抗疲劳。从总体上节省了施工工期和工程造价，使全寿命周期费用最低，体现了节约资源、环保的理念，具有显著的经济效益。
本发明基于路基综合回弹模量设计方法，将路基设计计算结果直接应用于路面结构设计中，不仅实现了路基路面结构耐久性的目标，还最大化的节约资源，使全寿命周期费用最低，经济效益更显著。
本发明的一种路基路面平衡设计方法与结构设计合理、路面结构简单、安全可靠、易于维护，具有很好的推广使用价值。
附图说明
附图1是本发明的设计方法流程示意图；
附图2是本发明平衡设计的路基路面结构图。
附图中的标记分别表示：
1、第一沥青层，
2、第二沥青层，
3、第三沥青层，
4、水泥稳定碎石基层，
5、6％水泥土，
6、4％水泥土，
7、压实素土层，
8、土基层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种路基路面平衡设计方法与结构作以下详细说明。
如附图所示，本发明的一种路基路面平衡设计方法与结构，该设计方法的步骤是：
步骤一：根据沥青路面设计规范，划分路基分类类型，确定土基各层综合回弹模量要求；进行步骤二；
步骤二：分层计算路基综合回弹模量，判断是否满足设计要求；进行步骤三；
步骤三：首先根据交通荷载等级计算累计当量轴载次数，确定路面结构组合，初步拟定路面结构方案；进行步骤四；
步骤四：各结构力学响应计算，确定相应允许值指标；进行步骤五；
步骤五：路面结构验算；
a.土基顶部压应变；
b.基层层底拉应力；
c.沥青层层底拉应变；
d.永久变形；
e.疲劳寿命；
判断是否满足要求，
如果满足要求，则进行步骤六；
如果不满足要求，则对气象、水文等自然环境调查，回到步骤三并向下进行，直到满足要求，则进行步骤六；
步骤六：进行全寿命周期内效益分析，确定最佳路基路面平衡设计结构；
步骤七：设计方法完成。
该设计方法设计完成后的施工方案是：
对原路基土基层(8)进行开挖、整平、压实处理，保证地基表面平整、坡度均匀，在整平、压实处理后的地基从下到上依次铺设40cm压实素土层(7)+50cm的4％水泥土层(6)+60cm的6％水泥土层(5)(分两层施工，30cm+30cm)+54cm的水泥稳定碎石基层(4)(分三层施工，18cm+18cm+18cm)+15cmAC-25的第三沥青层(3)+6cm的AC-20的第二沥青层(2)+4cm的SMA-13的第一沥青层(1)。
该路基路面是通过以下施工步骤获得：
步骤1.对原路基土基层(8)进行清除、开挖、整平、压实，保证地基的平整、均匀；
步骤2.在土基层(8)上铺设40cm的优质素土，整平、压实，构成压实素土层(7)，该层的回弹模量为60Mpa，泊松比为0.4；
步骤3.在压实素土层(7)的基础上，铺设水泥质量占全部土干质量4％的水泥土路基层，构成4％水泥土层(6)，该层厚度为50cm，该层回弹模量为88Mpa，泊松比为0.4；
步骤4.进一步的，在4％水泥土层(6)上铺设水泥质量占全部土干质量6％的水泥土路基，构成6％水泥土层(5)，该层厚度为60cm，分两层施工：30cm+30cm，其整层的回弹模量为100Mpa，泊松比为0.4；
步骤5.待4％水泥土层(6)、6％水泥土层(5)的水泥土养生完成后，铺设水泥稳定碎石基层(4)，该层分三层施工：18cm+18cm+18cm，整层厚度为54cm；
步骤6.在水泥稳定碎石基层(4)之上铺设AC-25沥青层构成第三沥青层(3)，第三沥青层(3)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为15cm，分两层施工：8cm+7cm，设计孔隙率为4.75％，模量为8000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤7.进一步的，在第三沥青层(3)之上铺设AC-20沥青层构成第二沥青层(2)，第二沥青层(2)采用PG82-22等级改性沥青，厚度为6cm，设计孔隙率为4％，模量为13000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤8.最后，在第二沥青层(2)之上铺设SMA-13沥青层构成第一沥青层(1)，第一沥青层(1)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为3cm～5cm，设计孔隙率为3～4％，模量为7500Mpa～9500Mpa，泊松比0.25；
最终获得该路基路面。
该路基路面的结构疲劳模型为：
Nf＝129756e0.169ha+0.0263hCTB+0.011hs,R2＝0.995
式中：
Nf--沥青层疲劳寿命(次)；
ha--沥青层厚度(cm)；
hCTB--半刚性基层厚度(cm)；
hs--改善土厚度(cm)。
本发明一种路基路面平衡设计方法与结构，所述的水泥是以碳酸钙为主要成分的白色粉末状物质，为了提高路基的强度，采用分层施工的方法，分别在路基层用土中掺加水泥，其占比分别为路基土干质量的6％和4％。水泥与土充分拌合后，使基层具有一定的强度和耐水性。
本发明为了提高路面结构的整体强度，设置水泥稳定土基层，增加基层强度，相同厚度下极大提升了沥青路面的疲劳寿命，使路面结构更加耐久、抗疲劳，同时还减少石材的使用，使全寿命周期费用最低，体现了环保、节约的新理念。
表1
Figure BDA0003276961980000081
以图2路基路面结构为例，采用分层实验方法，对各层的力学性能进行实验对比分析，如表1。

Claims (9)

1.一种平衡设计的路基路面，其特征在于该路基路面的层间结构从下至上包括土基层(8)、压实素土层(7)、4％水泥土层(6)、6％水泥土层(5)、水泥稳定碎石基层(4)、第三沥青层(3)、第二沥青层(2)、第一沥青层(1)；
在土基层(8)上铺设有压实素土层(7)，在压实素土层(7)上铺设有4％水泥土层(6)，在4％水泥土层(6)上铺设有6％水泥土层(5)，在6％水泥土层(5)上铺设有水泥稳定碎石基层(4)，在水泥稳定碎石基层(4)上铺设有第三沥青层(3)，在第三沥青层(3)上铺设有第二沥青层(2)，在第二沥青层(2)上铺设有第一沥青层(1)，即构成完整的路基路面。
2.根据权利要求1所述的一种平衡设计的路基路面，其特征在于：该路基路面中：
压实素土层(7)厚度为40cm，回弹模量为60MPa，泊松比为0.4；
4％水泥土层(6)为水泥的质量占全部土干质量的4％的水泥土，厚度为50cm，回弹模量为88Mpa，泊松比为0.4；
6％水泥土层(5)为水泥的质量占全部土干质量的6％的水泥土，分上下两层铺设，每层30cm，整层厚度为60cm，回弹模量为100Mpa，泊松比为0.4；
水泥稳定碎石基层(4)分三层铺设，每层厚度为18cm～20cm；
第三沥青层(3)采用AC-25或SUP-25沥青混合料，分两层铺设，每层厚度为7cm～9cm，整层厚度为15cm，设计孔隙率为4.5％～5.5％，泊松比0.25；
第二沥青层(2)采用AC-20或SUP-20沥青混合料，整层厚度为4cm～6cm，设计孔隙率为3.5％～4.5％，泊松比0.25；
第一沥青层(1)采用SMA-13或AC-13沥青混合料，整层厚度为3cm～5cm，孔隙率为3％～4％，泊松比0.25。
3.根据权利要求1所述的一种平衡设计的路基路面，其特征在于：该路基路面是通过以下施工步骤获得：
步骤1.对原路基土基层(8)进行清除、开挖、整平、压实，保证地基的平整、均匀；
步骤2.在土基层(8)上铺设40cm的优质素土，整平、压实，构成压实素土层(7)，该层的回弹模量为60Mpa，泊松比为0.4；
步骤3.在压实素土层(7)的基础上，铺设水泥质量占全部土干质量4％的水泥土路基层，构成4％水泥土层(6)，该层厚度为50cm，该层回弹模量为88Mpa，泊松比为0.4；
步骤4.进一步的，在4％水泥土层(6)上铺设水泥质量占全部土干质量6％的水泥土路基，构成6％水泥土层(5)，该层厚度为60cm，分两层施工：30cm+30cm，其整层的回弹模量为100Mpa，泊松比为0.4；
步骤5.待4％水泥土层(6)、6％水泥土层(5)的水泥土养生完成后，铺设水泥稳定碎石基层(4)，该层分三层施工：18cm+18cm+18cm，整层厚度为54cm；
步骤6.在水泥稳定碎石基层(4)之上铺设AC-25沥青层构成第三沥青层(3)，第三沥青层(3)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为15cm，分两层施工：8cm+7cm，设计孔隙率为4.75％，模量为8000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤7.进一步的，在第三沥青层(3)之上铺设AC-20沥青层构成第二沥青层(2)，第二沥青层(2)采用PG82-22等级改性沥青，厚度为6cm，设计孔隙率为4％，模量为13000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤8.最后，在第二沥青层(2)之上铺设SMA-13沥青层构成第一沥青层(1)，第一沥青层(1)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为3cm～5cm，设计孔隙率为3～4％，模量为7500Mpa～9500Mpa，泊松比0.25；
最终获得该路基路面。
4.根据权利要求1所述的一种平衡设计的路基路面，其特征在于：该路基路面的结构疲劳模型为：
Nf＝129756e0.169ha+0.0263hCTB+0.011hs,R2＝0.995
式中：
Nf--沥青层疲劳寿命(次)；
ha--沥青层厚度(cm)；
hCTB--半刚性基层厚度(cm)；
hs--改善土厚度(cm)。
5.一种平衡设计的路基路面的设计方法，其特征在于：该设计方法的步骤是：
步骤一：根据沥青路面设计规范，划分路基分类类型，确定土基各层综合回弹模量要求；进行步骤二；
步骤二：分层计算路基综合回弹模量，判断是否满足设计要求；进行步骤三；
步骤三：首先根据交通荷载等级计算累计当量轴载次数，确定路面结构组合，初步拟定路面结构方案；进行步骤四；
步骤四：各结构力学响应计算，确定相应允许值指标；进行步骤五；
步骤五：路面结构验算；
a.土基顶部压应变；
b.基层层底拉应力；
c.沥青层层底拉应变；
d.永久变形；
e.疲劳寿命；
判断是否满足要求，
如果满足要求，则进行步骤六；
如果不满足要求，则对气象、水文等自然环境调查，回到步骤三并向下进行，直到满足要求，则进行步骤六；
步骤六：进行全寿命周期内效益分析，确定最佳路基路面平衡设计结构；
步骤七：设计方法完成。
6.根据权利要求1所述的一种平衡设计的路基路面的设计方法，其特征在于：该设计方法设计完成后的施工步骤是：
步骤1.对原路基土基层(8)进行清除、开挖、整平、压实，保证地基的平整、均匀；
步骤2.在土基层(8)上铺设40cm的优质素土，整平、压实，构成压实素土层(7)，该层的回弹模量为60Mpa，泊松比为0.4；
步骤3.在压实素土层(7)的基础上，铺设水泥质量占全部土干质量4％的水泥土路基层，构成4％水泥土层(6)，该层厚度为50cm，该层回弹模量为88Mpa，泊松比为0.4；
步骤4.进一步的，在4％水泥土层(6)上铺设水泥质量占全部土干质量6％的水泥土路基，构成6％水泥土层(5)，该层厚度为60cm，分两层施工：30cm+30cm，其整层的回弹模量为100Mpa，泊松比为0.4；
步骤5.待4％水泥土层(6)、6％水泥土层(5)的水泥土养生完成后，铺设水泥稳定碎石基层(4)，该层分三层施工：18cm+18cm+18cm，整层厚度为54cm；
步骤6.在水泥稳定碎石基层(4)之上铺设AC-25沥青层构成第三沥青层(3)，第三沥青层(3)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为15cm，分两层施工：8cm+7cm，设计孔隙率为4.75％，模量为8000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤7.进一步的，在第三沥青层(3)之上铺设AC-20沥青层构成第二沥青层(2)，第二沥青层(2)采用PG82-22等级改性沥青，厚度为6cm，设计孔隙率为4％，模量为13000Mpa～10000Mpa，泊松比0.25；
步骤8.最后，在第二沥青层(2)之上铺设SMA-13沥青层构成第一沥青层(1)，第一沥青层(1)采用PG76-22等级改性沥青，厚度为3cm～5cm，设计孔隙率为3～4％，模量为7500Mpa～9500Mpa，泊松比0.25；
最终获得该路基路面。
7.根据权利要求5或6所述的一种平衡设计的路基路面的设计方法，其特征在于：该路基路面的结构疲劳模型为：
Nf＝129756e0.169ha+0.0263hCTB+0.011hs,R2＝0.995
式中：
Nf--沥青层疲劳寿命(次)；
ha--沥青层厚度(cm)；
hCTB--半刚性基层厚度(cm)；
hs--改善土厚度(cm)。
8.如权利要求1～4任一所述的一种平衡设计的路基路面在沥青路面结构施工中的应用。
9.如权利要求5、6或7所述的一种平衡设计的路基路面的设计方法在沥青路面结构施工中的应用。
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