湛河堤頂?shù)缆匪嗷炷谅访嬖O(shè)計(jì)

摘 要：湛河位于河南省平頂山市內(nèi)，堤頂?shù)缆分饕獮楹拥拦芾怼⒕坝^養(yǎng)護(hù)和市民休閑觀光提供便捷交通，兼顧沿線村鎮(zhèn)交通，文章介紹了依據(jù)新規(guī)范進(jìn)行水泥混凝土路面設(shè)計(jì)情況，為今后設(shè)計(jì)堤頂同類路面提供有益參考。

關(guān)鍵詞：堤頂；水泥混凝土路面；高液限；設(shè)計(jì)

1 概述

湛河位于河南省平頂山市，屬于沙河水系，干流全長(zhǎng)38.9km。本次設(shè)計(jì)的堤頂?shù)缆肺挥谑袇^(qū)內(nèi)湛河兩岸，該河段處于低山丘陵之間的帶狀洼地，地形相對(duì)平緩，地層巖性主要以沖擊形成的粉質(zhì)粘土和沼澤沉積、湖泊沉積的粘土、粉質(zhì)粘土。堤頂?shù)缆分饕獮楹拥拦芾怼⒕坝^養(yǎng)護(hù)和市民休閑觀光提供便捷交通，兼顧沿線村鎮(zhèn)交通，按照四級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路面為雙車道6.0m寬，土路肩結(jié)合景觀綠化，寬1.0m。

交通運(yùn)輸部發(fā)布了JTG D40-2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，規(guī)范對(duì)水泥混凝土路面設(shè)計(jì)的安全等級(jí)做著適當(dāng)提高，并相應(yīng)把路面結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度和目標(biāo)可靠指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)增加了以最重軸載和最大溫度梯度綜合作用下能夠不產(chǎn)生極限斷裂的情況作為驗(yàn)算之標(biāo)準(zhǔn)。建立力學(xué)模型時(shí)，對(duì)于基層為無(wú)機(jī)結(jié)合料的路面結(jié)構(gòu)，將基層和面層組合在一起，按分離式雙層板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。依據(jù)修訂后的規(guī)范，對(duì)湛河堤頂?shù)缆匪嗷炷谅访孢M(jìn)行計(jì)算分析設(shè)計(jì)，為今后同類工程設(shè)計(jì)提供有益參考。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 交通荷載分析

本工程為四級(jí)公路，設(shè)計(jì)安全等級(jí)為三級(jí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期10年，交通增長(zhǎng)率采用5%，目標(biāo)可靠度70%，目標(biāo)可靠指標(biāo)0.52。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鄰近工程類比，該道路設(shè)計(jì)初年交通量見(jiàn)表1。

按下式對(duì)各級(jí)軸載作用次數(shù)Ni換算為設(shè)計(jì)軸載的作用次數(shù)Ns。

式中：Pi-第i級(jí)軸載重（KN）；Ps-設(shè)計(jì)軸載重（KN），取100；n-各種軸型的軸載級(jí)位數(shù)；Ni-i級(jí)軸載的作用系數(shù)；Ns-設(shè)計(jì)軸載的作用系數(shù)。

計(jì)算得，Ns=352.2

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)車道所承受的設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)，按下式計(jì)算：

根據(jù)表2和表3判斷，本堤頂?shù)缆穼僦械冉煌ê奢d等級(jí)，水泥混凝土的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為4.5MPa。

2.2 荷載應(yīng)力分析

根據(jù)道路級(jí)別、交通荷載等級(jí)和變異水平等級(jí)，初擬普通混凝土面層厚度0.25m，水泥穩(wěn)定碎石基層0.3m，級(jí)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(shè)傳力桿平縫，橫縫為不設(shè)傳力桿的假縫。

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)分析采用彈性地基板理論，水泥穩(wěn)定類基層與混凝土面層按分離式雙層板模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(dāng)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(zhì)粘土，取25；α-與粒料層總厚度hx有關(guān)的回歸系數(shù)；Ex-粒料層的當(dāng)量回彈模量（MPa）；hx-粒料層的總厚度（m）；n-粒料層的層數(shù)，本工程為1；Ei、hi-第i結(jié)構(gòu)層的回彈模量（MPa）與厚度（m），墊層回彈模量取250MPa，厚度0.15m。

計(jì)算得：Et=58.17MPa

混凝土面層板的彎曲剛度Dc、水泥穩(wěn)定基層的彎曲剛度Db、路面結(jié)構(gòu)總相對(duì)剛度半徑rg按照下式計(jì)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(wěn)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(jì)算得，Dc=38.630，Db=4.688，rg=1.097

標(biāo)準(zhǔn)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力σp和極限荷載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力σpm按下式計(jì)算：

式中：Ps-標(biāo)準(zhǔn)軸載（MPa），取100；Pm-極限荷載（MPa），取180；

計(jì)算得，σps=1.667，σpm=2.896。

設(shè)計(jì)軸載在面層板臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力σpr按下式計(jì)算：

式中：kr-考慮接縫傳荷能力的應(yīng)力折減系數(shù)，取1.0；kf-考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)；kc-考慮計(jì)算理論與實(shí)際差異以及動(dòng)載等因素影響的綜合系數(shù)，取1.0；λ-材料疲勞指數(shù)，普通混凝土取0.057。

計(jì)算得，σpr=3.65

最重軸載在面層板臨界荷位處產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力σp，max按下式計(jì)算：

2.3 溫度應(yīng)力分析

上層板的溫度翹曲應(yīng)力系數(shù)CL按下式計(jì)算：

式中：L-面層板的橫縫間距（m），取4.0。

計(jì)算得，CL=0.5765

面層最大溫度應(yīng)力σt，max按下式計(jì)算：

式中：αc-混凝土的線膨脹系數(shù)，取11×10-6/℃；Tg-最大溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)值，取85℃/m。

計(jì)算得，σt，max=0.684

面層溫度疲勞應(yīng)力σtr按下式計(jì)算：

式中：at、bt、ct-回歸系數(shù)，根據(jù)公路自然區(qū)劃，分別取0.828、1.323、0.041；fr-混凝土面層彎拉強(qiáng)度，4.5MPa；

計(jì)算得，σtr=0.124

2.4 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核

根據(jù)道路安全等級(jí)和變異水平，可靠度系數(shù)γr取1.07，按下式校核路面結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)：

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(jì)算厚度0.25m的普通混凝土面層和厚度0.3m的水泥穩(wěn)定碎石基層組成的路面結(jié)構(gòu)滿足要求，可以承受設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的綜合疲勞作用，以及最重軸載在最大溫度梯度時(shí)的一次作用。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)堤頂?shù)缆匪嗷炷谅访娼Y(jié)構(gòu)計(jì)算分析，確定了滿足要求的路面結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理給出以下建議：

（1）對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要謹(jǐn)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(guò)這個(gè)軸載，路面就可能斷裂，所以混凝土路面應(yīng)設(shè)限軸重標(biāo)志。

（3）各級(jí)軸載換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載是16次方，非常敏感，所以在養(yǎng)護(hù)管理時(shí)，盡量使用軸重小于100KN的車輛，以延長(zhǎng)道路路面使用壽命。

作者簡(jiǎn)介：宋雙杰（1982-），男，河南省禹州人，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。