实例:水泥混凝土路面设计计算
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1.路面类型的选择确定
本设计为二级公路,位于四川地区,公路自然区划为Ⅴ区,路基土为粘性土,设计路段碎石、砂砾、石灰、水泥供应丰富,拟采用普通水泥混凝土路面结构。
交通组成表
路面设计以双轮组单轴载100KN 为标准轴载,以BZZ -100表示。 ① 轴载换算:
16
1
100∑=⎪⎭⎫
⎝⎛=n
i i i i s P N N δ
式中 :s N ——100KN 的单轴—双轮组标准轴载的作用次数;
i P —单轴—单轮、单轴—双轮组、双轴—双轮组或三轴—双轮组轴
型i 级轴载的总重KN ;
i N —各类轴型i 级轴载的作用次数; n —轴型和轴载级位数;
i δ—轴—轮型系数,单轴—双轮组时,1=i δ;单轴—单轮时,
按式43
.031022.2-⨯=i
i P δ计算;双轴—双轮组时,按式
22.051007.1--⨯=i i P δ;三轴—双轮组时,按式22.081024.2--⨯=i i P δ计算。
轴载换算结果如表7-2所示。
表7-2 轴载换算结果
② 计算累计当量轴次
查《路线设计规范》得三级公路的设计基准期为20年,安全等级为三级,临界荷位处的车辆轮迹轮迹横向分布系数η是0.54~0.62取0.54,075.0=r g ,
则:
[]
[]
6
201026.354.0365075.01)075.01(808.3813651)1(⨯=⨯⨯-+⨯=⨯-+=ηr t r s e g g N N
查《水泥混凝土路面设计规范》水泥混凝土路面所承受的轴载作用,按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数分为4级,标准轴载累计作用次数大于1×106 时,属于重交通等级,故本设计属于重交通等级。 2.基层、垫层材料参数确定
(1) 基层
基层、应具有足够的强度和稳定性,在冰冻地区应具有一定的抗冻性。拟选用石灰粉煤灰稳定粒料为基层。配比为石灰:粉煤灰:稳定粒料=1:3:12,查《水泥混凝土路面设计规范》得回弹模量a MP E 13001=。
(2) 垫层
垫层的作用有抗冻、排水、防止污染等,本设计处在山东地区,属于季节性冰冻地区,易发生冻胀、翻浆等现象,为了排出路面路基中滞留的自由水,确保路面结构稳定,避免冻害发生,在底基层下设置垫层。垫层采用石灰稳定土,其中石灰含量10%,查《水泥混凝土路面设计规范》得回弹模量a MP E 6002=。 3.路面的结构厚度
(1) 初拟路面结构
查《水泥混凝土路面设计规范》可知三级公路的可靠度设计标准如表7-3。
表7-3 可靠度设计标准
表7-4水泥混凝土面层厚度的参考范围
由表7-3,相应于安全等级四级的变异水平为中~高。根据三级公路、轻交通等级和中级变异水平等级,查表7-4 初拟普通混凝土面层厚度为22cm ,基层厚18cm ,垫层厚15cm 。普通混凝土板的平面尺寸为宽4.25m ,长4m 。
查《水泥混凝土路面设计规范》取普通水泥混凝土面层的弯拉强度标准为:a cm MP f 0.5=,相应弯拉模量标准为:a c MP E 4101.3⨯=,路基土基回弹模量a MP E 400=。
计算基层顶面当量回弹模量如下:
a x MP h h E h E h E 101315.018.0600
15.0130018.022222
22122
2121=+⨯+⨯=++= 1
2
211221322311)11(4)(1212-++++=h E h E h h h E h E D x
1
233)15
.0600118.013001(4)15.018.0(1215.06001218.01300-⨯+⨯++⨯+⨯=)(5700.2m MN -=
m E D h x x x 312.0)1013
57.212()12(3
1
31=⨯==
181.4)341013(51.1122.6)(51.1122.645.045.00=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯-⨯=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⨯=--E E a x 757.0)40
1013(44.11)(
44.1155
.055.00=⨯-=-=--E E b x
a
x b
x
t MP E E E ah E 359.203)40
1013(40312.0181.4)(3
1
757.031
00=⨯⨯⨯==
式中:t E ——基层顶面的当量回弹模量; 0E ——路床顶面的回弹模量;
x E ——基层和底基层或垫层的当量回弹模量; 21,E E ——基层和底基层或垫层的回弹模量; x h ——基层和底基层或垫层的当量厚度; x D ——基层和底基层或垫层的当量弯曲刚度; 21,h h ——基层和底基层或垫层的厚度; b a -——与
E E x
有关的回归系数。
普通混凝土面层的相对刚度半径计算为:
()m E E h r t
c
631.0)359
.20331000
(22.0537.0)(
537.03
13
1=⨯⨯==
(2) 荷载疲劳应力
标准轴载在临界荷载处产生的荷载应力计算为:
a ps MP h r 206.122.0631.0077.0077.026.026.0=⨯⨯==--σ
因纵缝为设拉杆平缝,接缝传荷能力的应力折减系数87.0=r K 。考虑设
计基准期内荷应力累计疲劳作用的疲劳应力系数:
351.2)1026.3(057.06=⨯==v e f N K
式中:(v —与混合料性质有关的指数,普通混凝土、钢筋混凝土、连续配筋混凝土,计算。
f
f f
d l v ρ017.0053.0-=) 根据公路等级,查《水泥混凝土路面设计规范》考虑偏载和动载等因素,对路面疲劳损失影响的综合系数20.1=c K 。
荷载疲劳应力计算为:
a ps c f r pr MP K K K 96.2206.120.1351.287.0=⨯⨯⨯==σσ
(3)温度疲劳应力
查《水泥混凝土路面设计规范》Ⅱ区最大温度梯度取88(℃/m)。板长
4m ,339.6631
.04==r l 。