CN114737428B - 一种地基-路堤-路面一体化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地基‑路堤‑路面一体化设计方法，包括S1：拟定地基处理方案、路堤结构及路面结构相关设计参数；S2：计算路堤顶面不均匀沉降，获得路堤顶面不均匀沉降曲线方程；S3：计算不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力和不均匀沉降下路拱横坡变坡率；S4：进行路面结构应力验算；S5：进行路拱横坡变坡率验算；S6：若S4和S5同时满足要求，则拟定的设计方案成功，否则重复S1‑S6。本方法不仅考虑了考虑地基不均匀沉降通过路堤向上传递的规律，还考虑了路堤顶面不均匀沉降会导致路面结构变形产生附加应力的情况，实现了地基处理、路堤设计、路面设计有机结合，充分保证了路面结构性和功能性要求，更加适用于实际工程设计，实用性较强，且计算简便。
Description
技术领域
本发明属于公路工程技术领域，具体涉及一种地基-路堤-路面一体化设计方法。
背景技术
对于公路工程而言，由于地基、路堤和路面结构层所处位置不同，其受力变形特性具有显著差异，各结构层的受力变形特性会直接或间接相互影响其结构性能服役状况。一方面，路堤与路面共同承受车辆荷载的作用，车辆荷载通过路面和路堤依次向下传递至地基上，且应力扩散随着深度增加而逐渐减小；而地基的沉降变形是通过路堤结构依次向上传递至路面上，过大的沉降变形显然会影响路面上车辆的行驶安全。另一方面，地基的不均匀沉降会在路面结构内部产生附加应力，不均匀沉降值越大，其产生的附加应力值也越大，当地基的不均匀沉降值超过某一限值时，即过大的附加应力和荷载应力叠加超过路面材料的强度，路面结构将发生破坏，从而影响公路的正常使用。
但是，目前国内外许多学者在研究地基沉降变形对路面结构影响时，常常忽略了路堤作为中间结构的重要作用，无法合理解释路堤是如何将地基变形传到路面结构层上。此外，现行的公路路基路面设计方法将路堤和路面分开进行设计，即路面设计时假定路面结构层是无限大的弹性半空间体，该半空间体与路堤的结构形式无关，主要考虑了行车荷载的影响，没有考虑地基以及路堤不均匀沉降给路面结构层带来的附加应力；而路堤设计时仅考虑地基沉降和地基路堤的稳定性，并未考虑路面的结构形式。这种设计方法导致了理论与实际的偏差，使得路面结构不能适应路基的变形，造成部分实体工程中路面早期损坏严重，从而极大地降低了路基路面的耐久性和服役寿命，给工程建设造成极大的潜在危害。
因此，目前亟需要一种技术方案，从公路地基、路堤与路面协同变形实际情况出发，同时考虑地基不均匀沉降通过路堤向上传递的规律及车辆荷载作用，以解决现有公路路基与路面设计方法不完善、设计计算与实际工程结合不紧密的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种地基-路堤-路面一体化设计方法，使地基处理、路堤设计、路面设计有机结合，充分保证路面结构性和功能性要求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种地基-路堤-路面一体化设计方法，包括如下步骤：
S1：根据拟建公路的工程背景，拟定地基处理方案、路堤结构及路面结构相关设计参数；
S2：考虑地基不均匀沉降通过路堤向上传递的规律，计算路堤顶面不均匀沉降，获得路堤顶面不均匀沉降曲线方程；
S3：考虑路堤顶面不均匀沉降会导致路面结构变形产生附加应力，计算不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力，同时计算不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率；
S4：进行路面结构应力验算，判断不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力是否满足路面结构性要求；
S5：进行路拱横坡变坡率验算，判断不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率是否满足路面功能性要求；
S6：若S4和S5同时满足，则拟定的设计方案成功；否则重复S1-S6，重新拟定设计方案，直至重新拟定的设计方案能够同时满足路面的结构性要求和功能性要求。
本发明的一种地基-路堤-路面一体化设计方法，从公路地基、路堤与路面协同变形实际情况出发，通过同时考虑地基不均匀沉降通过路堤向上传递的规律以及路堤顶面不均匀沉降会导致路面结构变形产生附加应力的情况，使获取的路面结构应力结合了不均匀沉降和行车荷载的双重作用，使设计计算与工程实际结合更加紧密，从而实现了地基处理、路堤设计、路面设计的有机结合，，不仅提高了公路工程设计质量，而且保证了路基路面使用寿命和服役性能，该方法实用性较强，设计过程逻辑性较好且计算简便，推广前景广阔。
作为本发明的优选方案，S1中，拟定的相关设计参数包括路堤填料类型、路堤结构尺寸、路面类型、路面结构组合以及各结构层的厚度和材料参数。
作为本发明的优选方案，S1还包括根据工程实际需要，计算分析路堤结构的沉降量，并验算分析路堤结构的稳定性，路堤结构的工后沉降量及稳定性应满足公路路基设计要求。根据工程实际情况，对高路堤、陡坡路堤、软土地基路堤等易发生沉降的路堤结构进行沉降计算和稳定验算分析。
作为本发明的优选方案，S2包括：S2.1：采用分层总和法求解获得路中心处地基沉降量sj；S2.2：采用数值分析方法计算获得路中心处路堤沉降量与地基沉降量的比值r；S2.3：获得路中心处路堤顶面的沉降量δj＝rsj。
作为本发明的优选方案，S2中，路堤顶面不均匀沉降曲线方程为：
式中：
s(x)是路堤顶面横断面上各点的不均匀沉降量，单位为m；
x是路堤顶面横断面上各点距路堤中心的距离，单位为m；
δj是路中心处路堤顶面的沉降量，单位为m；
L是路堤宽度的一半，单位为m。
作为本发明的优选方案，S3中，不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力由不均匀沉降作用下路面结构应力与行车荷载作用下路面结构应力叠加获得。
作为本发明的优选方案，S3中，不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率Δi的计算式为：
式中：
sj是路中心处地基沉降量，单位为m；
si是与路肩对应处地基沉降量，单位为m；
r是路中心处路堤沉降量与地基沉降量的比值；
L是路堤宽度的一半，单位为m。
作为本发明的优选方案，S4中，将不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构拉应力σS与路面结构层材料容许拉应力σ0进行比较，当σS≤σ0时，则拟定的设计方案满足路面结构性要求。
作为本发明的优选方案，S5中，当不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率Δi≤0.5％时，则拟定的设计方案满足路面功能性要求。
作为本发明的优选方案，还包括S7：在拟定设计方案成功的基础上，对多个设计方案进行技术经济比较，最终选定技术可行、经济合理的设计方案。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种地基-路堤-路面一体化设计方法，不仅考虑了考虑地基不均匀沉降通过路堤向上传递的规律，还考虑了路堤顶面不均匀沉降会导致路面结构变形产生附加应力的情况，使地基处理、路堤设计、路面设计有机结合，充分保证了路面结构性和功能性要求，避免了以往设计中的“两张皮”现象，更加适用于实际工程设计；
2、本发明获取的路面结构应力同时考虑了不均匀沉降和行车荷载的双重作用，使设计计算与工程实际结合更加紧密，提高了设计质量，保证了路基路面使用寿命和服役性能，实用性较强；
3、本发明从地基处理的沉降计算，路堤设计的沉降传递，路面设计的结构应力等方面系统考虑了地基-路堤-路面一体化设计应进行的计算过程和应采用的计算方法，设计过程逻辑性较好且计算简便，在保证设计方案结果满足工程实际应用的情况下，缩短了设计时间，推广前景广阔。
附图说明
图1是实施例1的一种地基-路堤-路面一体化设计方法的流程示意图；
图2是路堤顶面不均匀沉降计算简图；
图3是实施例2中地基-路堤-路面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种地基-路堤-路面一体化设计方法，包括如下步骤：
S1：根据拟建公路的工程背景，拟定地基处理方案、路堤结构及路面结构相关设计参数。
具体的，拟定的相关设计参数至少包括路堤填料类型、路堤结构尺寸、路面类型、路面结构组合以及各结构层的厚度和材料参数；其中，拟定的路堤填料类型包括土质路堤、填石路堤、土石路堤以及轻质材料路堤中的任意一种；拟定的路堤结构尺寸至少包括高度、宽度、边坡坡率；拟定的路面类型包括沥青路面、水泥混凝土路面中的任意一种，根据拟定的相关参数建立结构模型。
优选的，S1还包括根据工程实际需要，计算分析路堤结构的沉降量，并验算分析路堤结构的稳定性，路堤结构的工后沉降量及稳定性应满足公路路基设计要求。
具体的，对于高路堤、陡坡路堤、软土地基路堤等易发生沉降的路堤结构需要进行工后沉降量计算和稳定性验算分析，确保路堤的工后沉降量及稳定性满足公路路基设计要求，其工后沉降量计算和稳定性验算分析方法参考相关公路路基设计规范，在此不再赘述。
S2：考虑地基不均匀沉降通过路堤向上传递的规律，计算路堤顶面不均匀沉降，获得路堤顶面不均匀沉降曲线方程。
具体的，采用分层总和法求解获得路中心处地基沉降量sj；在已知路中心处地基沉降量sj的条件下，采用数值分析方法计算获得路中心处路堤沉降量与地基沉降量的比值r，从而得到路中心处路堤顶面的沉降量δj＝rsj。
具体的，如图2所示，采用二次多项式方程s(x)＝ax2+bx+c拟合路堤顶面沉降曲线，其中a、b、c为待定系数，令x＝0，s(0)＝δj，c＝δj；对方程s(x)＝ax2+bx+c一阶求导，s′(0)＝2ax+b＝0，则推导出b＝0；令x＝L，s(L)＝aL2+δj＝0，则推导出得到路堤顶面不均匀沉降曲线方程为：
式中：
s(x)是路堤顶面横断面上各点的不均匀沉降量，单位为m；
x是路堤顶面横断面上各点距路堤中心的距离，单位为m；
δj是路中心处路堤顶面的沉降量，单位为m；
L是路堤宽度的一半，单位为m。
S3：考虑路堤顶面不均匀沉降会导致路面结构变形产生附加应力，计算不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力，同时计算不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率。
具体的，将路堤顶面不均匀沉降曲线方程代入根据S1拟定的相关设计参数建立的结构模型中，可计算出不均匀沉降作用下路面结构应力，再与行车载荷作用下路面结构应力叠加，即可获得不均匀沉降及行车载荷共同作用下路面结构应力。
具体的，不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率Δi的计算式为：
式中：
sj是路中心处地基沉降量，单位为m；
si是与路肩对应处地基沉降量，单位为m；
r是路中心处路堤沉降量与地基沉降量的比值；
L是路堤宽度的一半，单位为m。
S4：进行路面结构应力验算，判断不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力是否满足路面结构性要求。
具体的，将不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构拉应力σS与路面结构层材料容许拉应力σ0进行比较，当σS≤σ0时，则拟定的设计方案满足路面结构性要求。
S6：进行路拱横坡变坡率验算，判断不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率是否满足路面功能性要求。
具体的，若不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率Δi≤0.5％，则拟定的设计方案满足路面功能性要求。
S6：若S4和S5同时满足，则拟定的设计方案成功；否则重复S1-S6，重新拟定设计方案，直至重新拟定的设计方案能够同时满足路面的结构性要求和功能性要求。
在一些实施例中，还包括S7，根据实际情况，进行设计方案的多次拟定，在获得多个成功的拟定设计方案后，对多个设计方案进行技术经济比较，最终选定技术可行、经济合理的设计方案。
实施例2
如图3所示，本实施例依托某高速公路工程，以某断面处地基-土质路堤-沥青混凝土路面为研究对象，对一种地基-路堤-路面一体化设计方法进行说明，包括如下步骤：
S1：通过工程地质勘察、室内试验及工程经验，拟定地基处理方案、路堤结构及路面结构相关设计参数，其中地基、路堤及路面结构设计参数详见表1所示，并根据相关设计参数建立结构模型。
表1地基、路堤及路面结构设计参数
表1备注：d为厚度或高度；γ为重度；E为变形模量；μ为泊松比；c为粘聚力；为内摩擦角；B为路堤宽度；k为地基土渗透系数；sj为路中心处地基沉降量；si为与路肩对应处地基沉降量；r为路中心处路堤沉降量与地基沉降量的比值。
结合表1计算断面路堤高度6m，根据公路路基设计相关要求计算分析路堤结构的沉降量，并验算分析路堤结构的稳定性，路堤结构的工后沉降及稳定性满足相关要求。
S2：考虑地基不均匀沉降通过路堤向上传递的规律，通过表1获知断面路中心处地基沉降量为sj＝45.45mm，采用数值分析方法计算获得该断面路中心处路堤沉降量与地基沉降量的比值r＝0.22，从而得到路堤顶面的沉降量为δj＝rsj＝10mm，最后得到路堤顶面不均匀沉降曲线方程为
式中：s(x)是路堤顶面横断面上各点的不均匀沉降量，单位为m；x是路堤顶面横断面上各点距路堤中心的距离，单位为m；δj是路中心处路堤顶面的沉降量，单位为m；L是路堤宽度的一半，单位为m。
S3：考虑路堤顶面不均匀沉降会导致路面结构变形产生附加应力，将S3得到的路堤顶面不均匀沉降曲线方程s(x)＝0.01-0.000059x2代入结构模型中进行计算，计算出不均匀沉降作用下路面结构应力(计算结果见表2)，再与行车荷载作用下的路面结构应力(计算结果见表3)叠加，便可计算出不均匀沉降和行车荷载共同作用下路面结构应力(计算结果见表4)，同时计算获得不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率
式中：sj是路中心处地基沉降量，单位为m；si是与路肩对应处地基沉降量，单位为m；r是路中心处路基沉降量与地基沉降量的比值；L是路堤宽度的一半，单位为m。
表2不均匀沉降作用下路面结构层层底应力计算结果
表3标准轴载作用下路面结构层应力计算结果
| 层号 | 结构层名称 | 厚度(cm) | 路面结构层层底应力(MPa) |
| 上面层 | 细粒式沥青混凝土 | 4 | -0.171 |
| 中面层 | 中粒式沥青混凝土 | 6 | -0.011 |
| 下面层 | 粗粒式沥青混凝土 | 8 | -0.031 |
| 基层 | 水泥稳定碎石 | 34 | 0.048 |
| 底基层 | 水泥稳定碎石 | 18 | 0.083 |
表4不均匀沉降和车辆荷载作用下路面结构层层底应力计算结果
备注：表2、表3、表4中应力正值表示受拉应力，负值表示受压应力。
S4：进行路面结构应力验算，考虑得到的不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力为拉应力，将不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构拉应力σS与路面结构层材料容许拉应力σ0(计算结果见表5)进行比较，发现σS≤σ0，则判断拟定的设计方案满足路面结构性要求。
表5路面结构层材料容许拉应力计算结果
| 层位 | 结构层材料名称 | 厚度(cm) | 容许拉应力(MPa) |
| 上面层 | 细粒式沥青混凝土 | 4 | 0.390 |
| 中面层 | 中粒式沥青混凝土 | 6 | 0.280 |
| 下面层 | 粗粒式沥青混凝土 | 8 | 0.200 |
| 基层 | 水泥稳定碎石 | 34 | 0.270 |
| 底基层 | 水泥稳定碎石 | 18 | 0.270 |
S5：进行路拱横坡变坡率验算，由于不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率Δi＝0.01％≤0.5％，则判断拟定的设计方案满足路面功能性要求。
S6：由于S4和S5能够同时满足，则拟定的设计方案成功，可以选定上述方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种地基-路堤-路面一体化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据拟建公路的工程背景，拟定地基处理方案、路堤结构及路面结构相关设计参数；
S2：考虑地基不均匀沉降通过路堤向上传递的规律，计算路堤顶面不均匀沉降，获得路堤顶面不均匀沉降曲线方程；
S2包括：
S2.1：采用分层总和法求解获得路中心处地基沉降量sj；
S2.2：采用数值分析方法计算获得路中心处路堤沉降量与地基沉降量的比值r；
S2.3：获得路中心处路堤顶面的沉降量δj＝rsj；
路堤顶面不均匀沉降曲线方程为：
式中：
s(x)是路堤顶面横断面上各点的不均匀沉降量，单位为m；
x是路堤顶面横断面上各点距路堤中心的距离，单位为m；
δj是路中心处路堤顶面的沉降量，单位为m；
L是路堤宽度的一半，单位为m；
S3：考虑路堤顶面不均匀沉降会导致路面结构变形产生附加应力，计算不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力，同时计算不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率；
不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率Δi的计算式为：
式中：
sj是路中心处地基沉降量，单位为m；
si是与路肩对应处地基沉降量，单位为m；
r是路中心处路堤沉降量与地基沉降量的比值；
L是路堤宽度的一半，单位为m；
S4：进行路面结构应力验算，判断不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力是否满足路面结构性要求；
S5：进行路拱横坡变坡率验算，判断不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率是否满足路面功能性要求；
S6：若S4和S5同时满足，则拟定的设计方案成功；否则重复S1-S6，重新拟定设计方案，直至重新拟定的设计方案能够同时满足路面的结构性要求和功能性要求。
2.如权利要求1所述的一种地基-路堤-路面一体化设计方法，其特征在于，S1中，拟定的相关设计参数包括路堤填料类型、路堤结构尺寸、路面类型、路面结构组合以及各结构层的厚度和材料参数。
3.如权利要求1所述的一种地基-路堤-路面一体化设计方法，其特征在于，S1还包括根据工程实际需要，计算分析路堤结构的沉降量，并验算分析路堤结构的稳定性，路堤结构的工后沉降量及稳定性应满足公路路基设计要求。
4.如权利要求1所述的一种地基-路堤-路面一体化设计方法，其特征在于，S3中，不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构应力由不均匀沉降作用下路面结构应力与行车荷载作用下路面结构应力叠加获得。
5.如权利要求1所述的一种地基-路堤-路面一体化设计方法，其特征在于，S4中，将不均匀沉降及行车荷载共同作用下路面结构拉应力σS与路面结构层材料容许拉应力σ0进行比较，当σS≤σ0时，则拟定的设计方案满足路面结构性要求。
6.如权利要求5所述的一种地基-路堤-路面一体化设计方法，其特征在于，S5中，当不均匀沉降作用下路拱横坡变坡率Δi≤0.5％时，则拟定的设计方案满足路面功能性要求。
7.如权利要求1所述的一种地基-路堤-路面一体化设计方法，其特征在于，还包括S7：在拟定设计方案成功的基础上，对多个设计方案进行技术经济比较，最终选定技术可行、经济合理的设计方案。
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| CN202210384572.9A Active CN114737428B (zh) | 2022-04-13 | 2022-04-13 | 一种地基-路堤-路面一体化设计方法 |
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Citations (8)
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-
2022
- 2022-04-13 CN CN202210384572.9A patent/CN114737428B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114737428A (zh) | 2022-07-12 |
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