[發(fā)明專利]土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)及面層板厚度計(jì)算方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010986296.4
• 申請(qǐng)日: 2020-09-18
• 公開（公告）號(hào): CN111962350A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬繽輝;胡志勇;蔡凱;李卓;趙梓景;盧少昆;陳炳初
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南科技大學(xué)
• 主分類號(hào): E01C7/32
• 分類號(hào): E01C7/32;E01C7/36;E01C3/04;E01C23/01
• 代理公司: 湘潭市匯智專利事務(wù)所(普通合伙) 43108
• 代理人: 宋向紅

1.一種土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，其特征在于：它包括自下而上依次鋪設(shè)的基層、面層和磨耗層；所述基層是上、下兩層土工布和中間土工格室加筋級(jí)配碎石層；所述面層是土工格室加筋的水泥混凝土層；所述磨耗層是水泥混合料磨耗層和土工格柵；所述土工格室沿道路方向的兩側(cè)留有拉環(huán)，將土工格室拉伸至張拉狀態(tài)，用木楔穿過(guò)拉環(huán)將最外端土工格室固定。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述土工格室選用5-10cm高度的強(qiáng)化高密度聚乙烯片即HDPE片材料，經(jīng)高強(qiáng)力焊接而形成的一種三維網(wǎng)狀格室結(jié)構(gòu)；所述土工布選用以滌綸短纖維為主經(jīng)不同的設(shè)備和工藝鋪排成網(wǎng)狀的無(wú)紡?fù)凉げ肌?/p>

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述土工格室經(jīng)張拉后單孔長(zhǎng)22-25cm，單孔寬15-18cm，格室片材厚度為1-2cm。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述木楔固定的深度為25～30cm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述面層的土工格室結(jié)構(gòu)層厚介于20-30cm之間時(shí)，鋪設(shè)雙層土工格室；土工格室結(jié)構(gòu)層厚低于20cm時(shí)，則鋪設(shè)單層土工格室。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述基層采用石料強(qiáng)度不低于Ⅳ級(jí)，形狀接近立方體或圓球形的天然碎石填筑而成；所述面層采用抗壓強(qiáng)度為8-10MPa的水泥混凝土填筑而成。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述磨耗層的水泥混合料磨耗層厚度為2-5.0cm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，其特征在于：在土工格室加筋水泥混凝土的面層兩側(cè)設(shè)置路面排水溝，排水溝寬度為12-15cm，橫向排水坡度在1％-2％之間。

9.一種如權(quán)利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的施工方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)路基整平：按施工規(guī)范要求，整平路基并碾壓至需要的壓實(shí)度，保證路基表面平整，坡度均勻；路基整平后鋪設(shè)一層無(wú)紡?fù)凉げ迹恢谱鞴潭ㄍ凉じ袷业哪拘ǎ?/p>

(2)鋪設(shè)基層：根據(jù)道路設(shè)計(jì)寬度選取相應(yīng)規(guī)格的土工格室，沿道路方向鋪設(shè)及張拉土工格室；然后將木楔穿過(guò)土工格室兩側(cè)拉環(huán)并打入路基，固定于路基表面，木楔露出部分不能高于路基表面高度；最后將級(jí)配碎石填筑到土工格室內(nèi)，并充分壓實(shí)；在壓實(shí)后的土工格室加筋級(jí)配碎石層上鋪設(shè)一層無(wú)紡?fù)凉げ迹?/p>

(3)鋪設(shè)面層：沿道路方向鋪設(shè)及張拉土工格室；然后將木楔穿過(guò)土工格室兩側(cè)拉環(huán)并打入基層，固定于基層表面，木楔露出部分不能高于基層表面高度；緊貼兩側(cè)的土工格室木楔布設(shè)木板制模；將水泥混凝土拌和好以后澆筑在土工格室加筋的木板模具中；待土工格室加筋水泥混凝土層終凝后，進(jìn)行脫模、養(yǎng)護(hù)、干燥，使其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度；

(4)設(shè)置路面排水溝：在土工格室加筋水泥混凝土的面層兩側(cè)設(shè)置寬度為12-15cm、橫向排水坡度為1％-2％的碎石排水溝；

(5)鋪筑磨耗層：在土工格室加筋水泥混凝土的面層表面鋪設(shè)一層土工格柵，再在其表面攤鋪水泥混合料磨耗層并碾壓至壓實(shí)狀態(tài)。

10.一種如權(quán)利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的面層板厚度計(jì)算方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)交通分析：

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)車道設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)計(jì)算公式如式(1)：

式(1)中，N_e為設(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)次數(shù)(軸次/車道)；t為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期(a)；g_r為基準(zhǔn)期內(nèi)貨車交通量的年平均增長(zhǎng)率(以分?jǐn)?shù)計(jì))；η為臨界荷位處的車輛輪跡橫向分布系數(shù)；N_s為設(shè)計(jì)車道的設(shè)計(jì)軸載日作用次數(shù)[軸次/(車道·日)]；

(2)初擬路面結(jié)構(gòu)：按《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D40-2011)》表4-3所列的水泥混凝土面層厚度建議范圍、交通等級(jí)、公路等級(jí)和所選變異水平等級(jí)初選混凝土板厚度；

(3)路面材料參數(shù)確定：

(a)新建公路的板底地基當(dāng)量回彈模量E_t按式(2)計(jì)算：

α＝0.86+0.26lnh_X

式中，E₀為路床頂綜合回彈模量(MPa)；a為與粒料層總厚度h_x有關(guān)的回歸系數(shù)；E_X為粒料層的當(dāng)量回彈模量(MPa)；h_x為粒料層總厚度(m)；n為粒料層的層數(shù)；E_i、h_i為第i結(jié)構(gòu)層的回彈模量(MPa)與厚度(m)；

(b)混凝土面層的彎曲剛度按式(3)計(jì)算：

相對(duì)剛度半徑r按式(4)計(jì)算：

式中，D_c為混凝土面層板的截面彎曲剛度(MN·m)；E_c、h_c、v_c分別是混凝土面層板的彎拉彈性模量(MPa)、厚度(m)和泊松比；r為混凝土面層板的相對(duì)剛度半徑(m)；E_t為板底地基當(dāng)量回彈模量(MPa)；

(4)荷載應(yīng)力計(jì)算：

(a)設(shè)計(jì)軸載和最重荷載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力分別按式(5)、式(6)計(jì)算：

式中，σ_ps為設(shè)計(jì)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力；σ_pm為最重荷載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力；P_s為設(shè)計(jì)軸載的單軸重(kN)；P_m為最重軸載的軸重(kN)；

(b)確定三個(gè)修正系數(shù)k_r、k_c、k_f：

應(yīng)力折減系數(shù)k_r主要由路肩情況決定，因本路面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土路面，采用混凝土路肩，查規(guī)范取0.87；考慮理論與實(shí)際差異及動(dòng)載因素影響的綜合系數(shù)k_c，按公路等級(jí)查規(guī)范表9-22確定；荷載疲勞應(yīng)力系數(shù)k_f：式中，N_e為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)；λ為材料疲勞指數(shù)，普通混凝土采用0.057；

(c)荷載疲勞應(yīng)力σ_pr和最大荷載應(yīng)力σ_p，max分別按式(7)、式(8)計(jì)算：

σ_pr＝k_rk_ck_fσ_ps (7)；

σ_p，max＝k_rk_cσ_pm (8)；

(5)溫度應(yīng)力計(jì)算：

(a)混凝土面層板的溫度翹曲應(yīng)力系數(shù)C_L及綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的溫度應(yīng)力系數(shù)B_L分別按式(9)、式(10)計(jì)算：

式中，C_L為混凝土面層板的溫度翹曲應(yīng)力系數(shù)；B_L為綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的溫度應(yīng)力系數(shù)；L為面層板的橫縫間距，即板長(zhǎng)(m)；r為混凝土面層板的相對(duì)剛度半徑(m)；t為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期(a)；h_c為混凝土面層板的厚度(m)；

(b)溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)k_t按式(11)計(jì)算：

式中，a_t、b_t、c_t為回歸系數(shù)，按所在地區(qū)的公路自然區(qū)劃查規(guī)范表B.3.4確定；σ_t，max為最大溫度梯度時(shí)面層板產(chǎn)生的最大溫度應(yīng)力(MPa)；f_r為水泥混凝土面層的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；

(c)在面層板臨界荷位處產(chǎn)生的溫度疲勞應(yīng)力按式(12)計(jì)算：

σ_tr＝k_tσ_t，max (12)；

式中，σ_tr為面層板臨界荷位處的溫度疲勞應(yīng)力(MPa)；σ_t，max為最大溫度梯度時(shí)面層板產(chǎn)生的最大溫度應(yīng)力(MPa)；k_t為考慮溫度應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的溫度疲勞應(yīng)力系數(shù)；

(d)最大溫度梯度時(shí)混凝土面層板最大溫度應(yīng)力σ_t，max按式(13)計(jì)算：

式中，α_c為混凝土的線膨脹系數(shù)，根據(jù)粗集料的巖性按規(guī)范表E.0.3-2取用；T_g為公路所在地50年一遇的最大溫度梯度，查規(guī)范表3.0.10取用；B_L為綜合溫度翹曲應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力的溫度應(yīng)力系數(shù)；E_c、h_c分別是混凝土面層板的彎拉彈性模量(MPa)、厚度(m)；

(6)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核：

由于這種新型的土工格室加筋水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)采用的是土工格室加筋級(jí)配碎石基層，屬于彈性地基單層板模型，只需要按式(14)檢驗(yàn)單層板的極限狀態(tài)是否滿足即可；

式中，γ_r為可靠度系數(shù)，依據(jù)所選目標(biāo)可靠度、變異水平等級(jí)及變異系數(shù)查規(guī)范表3-1取用；f_r為水泥混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)。