湛河堤顶道路水泥混凝土路面设计

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摘 要：湛河位于河南省平顶山市内，堤顶道路主要为河道管理、景观养护和市民休闲观光提供便捷交通，兼顾沿线村镇交通，文章介绍了依据新规范进行水泥混凝土路面设计情况，为今后设计堤顶同类路面提供有益参考。

关键词：堤顶；水泥混凝土路面；高液限；设计

1 概述

湛河位于河南省平顶山市，属于沙河水系，干流全长38.9km。本次设计的堤顶道路位于市区内湛河两岸，该河段处于低山丘陵之间的带状洼地，地形相对平缓，地层岩性主要以冲击形成的粉质粘土和沼泽沉积、湖泊沉积的粘土、粉质粘土。堤顶道路主要为河道管理、景观养护和市民休闲观光提供便捷交通，兼顾沿线村镇交通，按照四级公路标准设计，路面为双车道6.0m宽，土路肩结合景观绿化，宽1.0m。

交通运输部了JTG D40-2011《公路水泥混凝土路面设计规范》，规范对水泥混凝土路面设计的安全等级做着适当提高，并相应把路面结构的目标可靠度和目标可靠指标进行了调整。在路面结构设计时增加了以最重轴载和最大温度梯度综合作用下能够不产生极限断裂的情况作为验算之标准。建立力学模型时，对于基层为无机结合料的路面结构，将基层和面层组合在一起，按分离式双层板进行结构分析。依据修订后的规范，对湛河堤顶道路水泥混凝土路面进行计算分析设计，为今后同类工程设计提供有益参考。

2 工程设计

2.1 交通荷载分析

本工程为四级公路，设计安全等级为三级，设计基准期10年，交通增长率采用5%，目标可靠度70%，目标可靠指标0.52。根据现场调查和邻近工程类比，该道路设计初年交通量见表1。

按下式对各级轴载作用次数Ni换算为设计轴载的作用次数Ns。

式中：Pi-第i级轴载重（KN）；Ps-设计轴载重（KN），取100；n-各种轴型的轴载级位数；Ni-i级轴载的作用系数；Ns-设计轴载的作用系数。

计算得，Ns=352.2

设计基准期内设计车道所承受的设计轴载累计作用次数，按下式计算：

根据表2和表3判断，本堤顶道路属中等交通荷载等级，水泥混凝土的弯拉强度标准值为4.5MPa。

2.2 荷载应力分析

根据道路级别、交通荷载等级和变异水平等级，初拟普通混凝土面层厚度0.25m，水泥稳定碎石基层0.3m，级配砾石垫层厚0.15m。行车道水泥混凝土面层板平面尺寸取4.0m×3.0m，纵缝为设传力杆平缝，横缝为不设传力杆的假缝。

水泥混凝土路面结构分析采用弹性地基板理论，水泥稳定类基层与混凝土面层按分离式双层板模型进行结构分析。粒料类底基层和垫层与路基一起视作多层弹性地基，以地基顶面当量回弹模量表征。

式中：E0-路床顶综合回弹模量（MPa），本工程为高液限粉质粘土，取25；α-与粒料层总厚度hx有关的回归系数；Ex-粒料层的当量回弹模量（MPa）；hx-粒料层的总厚度（m）；n-粒料层的层数，本工程为1；Ei、hi-第i结构层的回弹模量（MPa）与厚度（m），垫层回弹模量取250MPa，厚度0.15m。

计算得：Et=58.17MPa

混凝土面层板的弯曲刚度Dc、水泥稳定基层的弯曲刚度Db、路面结构总相对刚度半径rg按照下式计算：

式中：hc、Ec、vc-混凝土面层板的厚度（m）、弯拉弹性模量（MPa）和泊松比，取值分别为0.25、29000、0.15；hb、Eb、vb-水泥稳定碎石基层的厚度（m）、弯拉弹性模量（MPa）和泊松比，取值分别为0.30、2000、0.2；

计算得，Dc=38.630，Db=4.688，rg=1.097

标准轴载在临界荷位处产生的荷载应力σp和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力σpm按下式计算：

式中：Ps-标准轴载（MPa），取100；Pm-极限荷载（MPa），取180；

计算得，σps=1.667，σpm=2.896。

设计轴载在面层板临界荷位处产生的荷载疲劳应力σpr按下式计算：

式中：kr-考虑接缝传荷能力的应力折减系数，取1.0；kf-考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数；kc-考虑计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数，取1.0；λ-材料疲劳指数，普通混凝土取0.057。

计算得，σpr=3.65

最重轴载在面层板临界荷位处产生的最大荷载应力σp，max按下式计算：

2.3 温度应力分析

上层板的温度翘曲应力系数CL按下式计算：

式中：L-面层板的横缝间距（m），取4.0。

计算得，CL=0.5765

面层最大温度应力σt，max按下式计算：

式中：αc-混凝土的线膨胀系数，取11×10-6/℃；Tg-最大温度梯度标准值，取85℃/m。

计算得，σt，max=0.684

面层温度疲劳应力σtr按下式计算：

式中：at、bt、ct-回归系数，根据公路自然区划，分别取0.828、1.323、0.041；fr-混凝土面层弯拉强度，4.5MPa；

计算得，σtr=0.124

2.4 结构极限状态校核

根据道路安全等级和变异水平，可靠度系数γr取1.07，按下式校核路面结构极限状态：

γr（σpr+σtr）=1.07×（3.65+0.124）=4.04≤4.5

γr（σp，max+σt，max）=1.07×（2.90+0.684）=3.83≤4.5

拟定的由计算厚度0.25m的普通混凝土面层和厚度0.3m的水泥稳定碎石基层组成的路面结构满足要求，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，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。

3 结束语

通过堤顶道路水泥混凝土路面结构计算分析，确定了满足要求的路面结构，同时对设计和运行管理给出以下建议：

（1）对于高液限粘土堤顶路基，地下水位高，回弹模量低，即使交通量小，路面结构设计也要谨慎，需采用较大的路面厚度。

（2）混凝土路面有最大承重轴载，超过这个轴载，路面就可能断裂，所以混凝土路面应设限轴重标志。

（3）各级轴载换算成标准轴载是16次方，非常敏感，所以在养护管理时，尽量使用轴重小于100KN的车辆，以延长道路路面使用寿命。

作者简介：宋双杰（1982-），男，河南省禹州人，工程师，从事水利水电工程设计工作。