湛河堤頂道路水泥混凝土路面設計

摘 要：湛河位于河南省平頂山市內，堤頂道路主要為河道管理、景觀養護和市民休閑觀光提供便捷交通，兼顧沿線村鎮交通，文章介紹了依據新規范進行水泥混凝土路面設計情況，為今后設計堤頂同類路面提供有益參考。

關鍵詞：堤頂；水泥混凝土路面；高液限；設計

1 概述

湛河位于河南省平頂山市，屬于沙河水系，干流全長38.9km。本次設計的堤頂道路位于市區內湛河兩岸，該河段處于低山丘陵之間的帶狀洼地，地形相對平緩，地層巖性主要以沖擊形成的粉質粘土和沼澤沉積、湖泊沉積的粘土、粉質粘土。堤頂道路主要為河道管理、景觀養護和市民休閑觀光提供便捷交通，兼顧沿線村鎮交通，按照四級公路標準設計，路面為雙車道6.0m寬，土路肩結合景觀綠化，寬1.0m。

交通運輸部發布了JTG D40-2011《公路水泥混凝土路面設計規范》，規范對水泥混凝土路面設計的安全等級做著適當提高，并相應把路面結構的目標可靠度和目標可靠指標進行了調整。在路面結構設計時增加了以最重軸載和最大溫度梯度綜合作用下能夠不產生極限斷裂的情況作為驗算之標準。建立力學模型時，對于基層為無機結合料的路面結構，將基層和面層組合在一起，按分離式雙層板進行結構分析。依據修訂后的規范，對湛河堤頂道路水泥混凝土路面進行計算分析設計，為今后同類工程設計提供有益參考。

2 工程設計

2.1 交通荷載分析

本工程為四級公路，設計安全等級為三級，設計基準期10年，交通增長率采用5%，目標可靠度70%，目標可靠指標0.52。根據現場調查和鄰近工程類比，該道路設計初年交通量見表1。

按下式對各級軸載作用次數Ni換算為設計軸載的作用次數Ns。

式中：Pi-第i級軸載重（KN）；Ps-設計軸載重（KN），取100；n-各種軸型的軸載級位數；Ni-i級軸載的作用系數；Ns-設計軸載的作用系數。

計算得，Ns=352.2

設計基準期內設計車道所承受的設計軸載累計作用次數，按下式計算：

根據表2和表3判斷，本堤頂道路屬中等交通荷載等級，水泥混凝土的彎拉強度標準值為4.5MPa。

2.2 荷載應力分析

根據道路級別、交通荷載等級和變異水平等級，初擬普通混凝土面層厚度0.25m，水泥穩定碎石基層0.3m，級配礫石墊層厚0.15m。行車道水泥混凝土面層板平面尺寸取4.0m×3.0m，縱縫為設傳力桿平縫，橫縫為不設傳力桿的假縫。

水泥混凝土路面結構分析采用彈性地基板理論，水泥穩定類基層與混凝土面層按分離式雙層板模型進行結構分析。粒料類底基層和墊層與路基一起視作多層彈性地基，以地基頂面當量回彈模量表征。

式中：E0-路床頂綜合回彈模量（MPa），本工程為高液限粉質粘土，取25；α-與粒料層總厚度hx有關的回歸系數；Ex-粒料層的當量回彈模量（MPa）；hx-粒料層的總厚度（m）；n-粒料層的層數，本工程為1；Ei、hi-第i結構層的回彈模量（MPa）與厚度（m），墊層回彈模量取250MPa，厚度0.15m。

計算得：Et=58.17MPa

混凝土面層板的彎曲剛度Dc、水泥穩定基層的彎曲剛度Db、路面結構總相對剛度半徑rg按照下式計算：

式中：hc、Ec、vc-混凝土面層板的厚度（m）、彎拉彈性模量（MPa）和泊松比，取值分別為0.25、29000、0.15；hb、Eb、vb-水泥穩定碎石基層的厚度（m）、彎拉彈性模量（MPa）和泊松比，取值分別為0.30、2000、0.2；

計算得，Dc=38.630，Db=4.688，rg=1.097

標準軸載在臨界荷位處產生的荷載應力σp和極限荷載在臨界荷位處產生的荷載應力σpm按下式計算：

式中：Ps-標準軸載（MPa），取100；Pm-極限荷載（MPa），取180；

計算得，σps=1.667，σpm=2.896。

設計軸載在面層板臨界荷位處產生的荷載疲勞應力σpr按下式計算：

式中：kr-考慮接縫傳荷能力的應力折減系數，取1.0；kf-考慮設計基準期內荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數；kc-考慮計算理論與實際差異以及動載等因素影響的綜合系數，取1.0；λ-材料疲勞指數，普通混凝土取0.057。

計算得，σpr=3.65

最重軸載在面層板臨界荷位處產生的最大荷載應力σp，max按下式計算：

2.3 溫度應力分析

上層板的溫度翹曲應力系數CL按下式計算：

式中：L-面層板的橫縫間距（m），取4.0。

計算得，CL=0.5765

面層最大溫度應力σt，max按下式計算：

式中：αc-混凝土的線膨脹系數，取11×10-6/℃；Tg-最大溫度梯度標準值，取85℃/m。

計算得，σt，max=0.684

面層溫度疲勞應力σtr按下式計算：

式中：at、bt、ct-回歸系數，根據公路自然區劃，分別取0.828、1.323、0.041；fr-混凝土面層彎拉強度，4.5MPa；

計算得，σtr=0.124

2.4 結構極限狀態校核

根據道路安全等級和變異水平，可靠度系數γr取1.07，按下式校核路面結構極限狀態：

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

擬定的由計算厚度0.25m的普通混凝土面層和厚度0.3m的水泥穩定碎石基層組成的路面結構滿足要求，可以承受設計基準期內荷載應力和溫度應力的綜合疲勞作用，以及最重軸載在最大溫度梯度時的一次作用。

3 結束語

通過堤頂道路水泥混凝土路面結構計算分析，確定了滿足要求的路面結構，同時對設計和運行管理給出以下建議：

（1）對于高液限粘土堤頂路基，地下水位高，回彈模量低，即使交通量小，路面結構設計也要謹慎，需采用較大的路面厚度。

（2）混凝土路面有最大承重軸載，超過這個軸載，路面就可能斷裂，所以混凝土路面應設限軸重標志。

（3）各級軸載換算成標準軸載是16次方，非常敏感，所以在養護管理時，盡量使用軸重小于100KN的車輛，以延長道路路面使用壽命。

作者簡介：宋雙杰（1982-），男，河南省禹州人，工程師，從事水利水電工程設計工作。