零路基工作区的路面设计内容介绍

零路基工作区的路面设计内容介绍吴祖德（常州市交通规划设计院有限公司）提 要 本文主要介绍零路基工作区的路面设计，有沥青混凝土路面，也有水泥混凝土路面，如何满足基本的2个受力条件，以及设计注意事项。提供大家参考与讨论，为今后规范这种结构的沥青混凝土路面设计提供参考。关 键 词 零路基工作区 沥青混凝土路面 水泥混凝土路面 1 前言零路基工作区的路面做法，是把水泥混凝的刚性底基层直接建在原状土上，与常规做法不同，可以做到少挖，不挖，把用在下面翻挖的费用，做水泥混凝土刚性基层，施工快，又方便。路基土只承受自重荷载，车轮荷载应力与自重荷载应力之比基本为小于0.1，车轮荷载应力可以忽略不计1。通常适用范围：（1）城市里的街道新建或改建，做灰土基层，会影响两边的扬尘卫生： 图1 临街道路（2）城市里地下水位较高，挖下去就要见水： 图2 地下水位高的道路（3）绿化带改造成沥青混凝土路面，狭长地带很难做土基处理： 图3 绿化带改造的道路（4）有时老路改造，地下管线错综复杂，不宜下挖做土基处理，来提高土基回弹模量，也不宜下挖来达到土基压实度的要求： 图4 地下管线复杂的道路（5）路塹路基中，有两边的坡面荷载，路基不宜下挖太深，以免造成路槽塌方： 图5 路塹处的道路本文主要通过几种零路基工作区的路面结构算例，如何经计算，满足第一个条件：就是该建在原状土上的路面结构，因原状土达不到路基工作区所要求的压实度要求，一定要使该种结构的设计轴载（如BZZ-100或按设计要求）的路基工作区深度接近为零。这时的路基土只承受路面和土的自重荷载应力，车轮荷载应力与自重荷载应力之比基本为小于0.1，车轮荷载应力可以忽略不计1。此时的路基土一般均能满足要求。如何使该道路路面结构的计算路基工作区接近为零，从计算理论来讲，只要加大路面的结构厚度和强度（刚度），一般采用水泥混凝土刚性基层，具有一定的厚度和强度就可以达到。也有采用水泥稳定碎石和水泥混凝土结合组成双层板路面结构，也可以全部采用半刚性水泥稳定碎石基层的结构。零路基工作区的路面结构，要满足的第二个条件：该种路面结构层的强度满足设计轴载（BZZ-100或按设计要求）在设计交通量条件下的计算强度要求。2 零路基工作区的四个算例 表1 零路基工作区的四个算例（按标准设计轴载100KN）（1）全部为水泥混凝土刚性基层的沥青路面（2）由水泥稳定碎石和水泥混凝土结合组成双层板的沥青路面（3）全部为水泥混凝土刚性基层的水泥混凝土路面（4）全部为水泥稳定碎石半刚性基层的沥青路面4cm AC-13C4cm AC-13C22cm水泥混凝土（弯拉强度5.0MPa）4cm AC-13C6cm AC-20C6cm AC-20C25cm水泥混凝土（弯拉强度4.0MPa）6cm AC-20C45cm 水泥混凝土（弯拉强度4.0MPa）36cm 水泥稳定碎石土基回弹模量E0=15MPa85cm 水泥稳定碎石土基回弹模量E0=15MPa25cm水泥混凝土（弯拉强度4.0MPa）土基回弹模量E0=15MPa土基回弹模量E0=15MPa注：由于公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D40-2011）规定水泥混凝土的最小弯拉强度4.0MPa，城镇道路路面设计规范（CJJ 169-2012）规定水泥混凝土的最小弯拉强度4.5MPa，设计时，应以水泥混凝土的弯拉强度为设计控制值，不以抗压强度为设计控制值。2.1全部为水泥混凝土刚性基层的沥青路面2.1.1 路基工作区计算表2 沥青路面结构组成表（水泥混凝土基层厚45cm）序号路面材料及路基土材料厚度（m）材料名抗压回弹模量（MPa）泊松比1AC-13C14000.350.042AC-20C12000.350.063水泥混凝土（弯拉强度4.0MPa）（C30）270000.150.45水泥混凝土（弯拉强度4.5MPa）（C36）29000水泥混凝土（弯拉强度5.0MPa）（C42）310004路基土15、20、26、30、34、400.35表3 轴重为100KN时的路基工作区深度（水泥混凝土板厚45cm）路基土抗压回弹模量（MPa）水泥混凝土C30（弯拉强度4.0MPa）水泥混凝土C36（弯拉强度4.5MPa）水泥混凝土C42（弯拉强度5.0MPa）15-0.00-0.00-0.0020-0.05-0.01-0.0026-0.18-0.15-0.1230-0.21-0.20-0.1934-0.29-0.26-0.2440-0.34-0.32-0.30可以看出：（1）随着水泥混凝土强度提高，路基工作区深度略有减少； （2）随着土基回弹模量增加，路基工作区深度有增加（此时的路面所承受的应力会有所减少） 表4 轴重100KN路基工作区计深度算表路基点号路面材料及路基土材料厚度（m）路面顶面下深度（m）路床顶面下深度（m）层状体系荷载应力z（由BISAR3.0软件计算所得） （kPa）自重应力（kPa）自重应力计算公式z/（）备 注10701.6002AC-13C0.040.04716.50.92230.043AC-20C0.060.10593.62.30+230.064水泥砼弯拉4.0 MPa0.300.4049.49.5+240.305.2005水泥砼弯拉4.0 MPa0.150.551.1013.1+240.150.084=0.1路床顶面下-0.00m6路基土E0=15MPa（0.45）1.00-0.450.89621.2+180.45（0.50）1.50-0.950.7630.2+180.50（0.50）2.00-1.450.65939.2+180.50（0.50）2.50-1.950.57848.2+180.50（0.50）3.00-2.450.51157.2+180.50注：1）为便于计算路基工作区，把45cm砼分成30cm+15cm，=0.1时，基本接近路床顶面；2）当采用水泥混凝土板厚45cm时，土基回弹模量为15MPa时，路基工作区深度接近为零。 图6 轴重100KN 45cm水泥混凝土刚性基层的沥青路面路基工作区图2.2 路面强度计算 砼45cm沥青路面水泥混凝土强度计算书4cm AC-13C6cm AC-20C45cm砼（抗弯拉4.0MPa）相应弯拉弹性模量为27000MPa 泊松比为0.15 租集料为砾石的混凝土热胀系数c=1010-6/E0=15MPa分解成两层水泥混凝土(45cm=25cm+20cm)计算4cm AC-13C6cm AC-20C25cm砼（抗弯拉4.0MPa）相应弯拉弹性模量为27000MPa 泊松比为0.15 租集料为砾石的混凝土热胀系数c=1010-6/20cm砼（抗弯拉4.0MPa）相应弯拉弹性模量为27000MPa 泊松比为0.15 租集料为砾石的混凝土热胀系数c=1010-6/E0=15MPa计算25cm砼板底地基回弹模量：板底地基当量回弹模量Et取为410MPa面层板设计轴载在临界荷位处产生的荷载应力： 查表 查表3.0.10 区 无沥青上面层时温度梯度为89/m ，ha=0.1m时，查表C.2.1 Ec=27000MPa ,混凝土板厚25cm，得 ,温度梯度Tg=890.75=66.75/m 。查表B.3.4 区 三级公路 安全三级 目标可靠度80% 变异水平等级为中级 可靠度系数 所选结构，混凝土面层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，也可以承受最重轴载在最大温度梯度时的一次作用（但应验算最重轴载200KN时的路基工作区能否符合要求）。2.2 由水泥稳定碎石和水泥混凝土结合组成双层板的沥青路面结构2.2.1路基工作区计算表5 沥青路面结构组成表序号路面材料及路基土材料厚度（m）材料名抗压回弹模量（MPa）泊松比1AC-13C14000.350.042AC-20C12000.350.063水泥稳定碎石15000.200.364水泥混凝土C30(弯拉强度4.0MPa)270000.150.255路基土150.35注：设计使用年限20年，累计交通量 Ne=5106次 表6 轴重100KN路基工作区深度计算表路基点号路面材料及路基土材料厚度（m）路面顶面下深度（m）路床顶面下深度（m）层状体系荷载应力z（由BISAR3.0软件计算所得） （kPa）自重应力（kPa）自重应力计算公式z/（）备 注10701.6002AC-13C0.040.04679.10.92230.043AC-20C0.060.10491.82.30+230.064水泥稳定碎石0.360.4677.510.22+220.365水泥砼弯拉4.0 MPa0.250.711.6716.22+240.250.10306路基土E0=15MPa（0.29）1.00-0.291.4521.22+180.290.0676=0.1路床顶面下-0.02m（0.50）1.50-0.791.1830.44+180.50（0.50）2.00-1.290.9839.44+180.50（0.50）2.50-1.790.8448.44+180.50（0.50）3.00-2.290.7157.44+180.50图7 轴重100KN水泥稳定碎石和水泥混凝土结合组成双层板的沥青路面结构的路基工作区图2.2.2路面结构强度计算 表7 双层板的沥青混凝土路面结构序号路面结构厚度（m）备注1AC-13C0.04沥青加铺层0.10m2AC-20C0.063水泥稳定碎石0.36E=2000MPa4水泥混凝土抗弯拉4.0MPa0.25Fr=4.0 MPa; 泊松比=0.15E=27000MPa5路基E0=15MPa注：1）设计基准期内设计荷载累计作用次数Ne=5106次，属中等等级荷载等级；2）设计轴载Ps=100KN；最重轴载Pm=180KN;3)设计使用年限20年。由水泥稳定碎石和水泥混凝土板组成复合板模型23 把水泥稳定碎石层和旧水泥混凝土面层看成是黏结在一起的复合板。 1）先求无沥青上铺层时的应力路面参数确定 图8 复合板面板单层板计算图板底地基当量回弹模量Et取为15MPa混凝土面层复合板的等效弯曲刚度、等效厚度、路面结构总相对刚度半径=43.87+61.92=105.79 MNm=0.1544 m=2.420.1593=0.3855 m=1.211.916=2.319 m荷载疲劳应力=1.352 MPa=2.349 MPa2）有沥青混凝土上铺层时由 ； ； 查图C.1.2 得荷载疲劳应力、最大荷载应力按式（C.1.2-1）、式（C.1.2.2）计算有沥青混凝土上面层的混凝土板在设计轴载和极限荷载作用下临界荷位处产生的荷载应力为：=（1-1.050.12）1.352= 1.182 MPa Mpa按式（B.2.1）计算混凝土面层的荷载疲劳应力，按式（B.2.6）计算最大荷载应力： MPa式中： （应力折减系数） （按式（B.2.3-1）计算疲劳应力系数） （综合系数） MPa 根据规范B.5.1下层板的温度疲劳应力不需计算分析。 结构极限状态校核 查表3.0.1 三级公路的安全等级为三级，目标可靠度为80%，变异水平等级为高级，再查表3.0.4，确定可靠度系数，按式（3.0.4-1）和式（3.0.4-2）计算：1.07（3.132+0）=3.35 MPa 通过1.07（2.258+0）=2.416 MPa 通过2.3全部为水泥混凝土刚性基层的水泥混凝土路面 表8 筏式基础结构的水泥混凝土路面结构序号路面结构厚度（m）备注1水泥混凝土（抗弯拉5.0MPa）0.22Fr=5.0 MPa ，泊松比=0.15，E=31000MPa2水泥混凝土（抗弯拉4.0MPa）0.25Fr=4.0 MPa; 泊松比=0.15，E=27000MPa3路基E0=15MPa2.3.1路基工作区计算表9 轴重100KN路基工作区计深度算表路基点号路面材料及路基土材料厚度（m）路面顶面下深度（m）路床顶面下深度（m）层状体系荷载应力z（由BISAR3.0软件计算所得） （kPa）自重应力（kPa）自重应力计算公式z/（）备 注10701.6002水泥混凝土（抗弯拉5.0MPa）0.220.22163.85.28240.2231.0233水泥混凝土（抗弯拉4.0MPa）0.250.471.0711.28+240.250.0949=0.1路床顶面下-0.00m4路基土E0=15MPa（0.53）1.00-0.53 0.8420.82+180.53（0.50）1.50-1.03 0.7129.82+180.50（0.50）2.00-1.53 0.6238.82+180.50（0.50）2.50-2.030.5547.82+180.50（0.50）3.00-2.53 0.4856.82+180.50（0.50）3.50-3.03 0.4765.82+180.50（0.50）4.00-3.53 0.3974.82+180.50 图9 轴重100KN25cm水泥混凝土刚性基层22cm的水泥混凝土路面路基工作区图2.3.2路面强度计算22cm 水泥混凝土（抗弯拉5.0MPa）E=31000MPa（计算厚度为21cm）25cm水泥混凝土（抗弯拉4.0MPa）E=27000MPaE0=15MPa 图10 分离式双层板计算图按弹性地基上双层板模型2荷载应力标准轴载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为 =0.64410-32584.2=1.664 MPaKc=1.0（支路），Kr=0.87（设置拉干），温度应力最大温度梯度取89,ha=0.1m,Ec=27000MPa,a=0.75,Tg=890.75=66.75/m0.9100=0.9940温度疲劳应力系数可靠度系数rr=1.07拟定的由计算厚度0.21m的普通混凝土面层和厚度0.25m的水泥混凝土基层组成的路面机构满足要求，取混凝土面层设计厚度为0.21+0.01=0.22m。2.4全为水泥稳定碎石基层的沥青混凝土路面 表10 筏式基础结构的沥青混凝土路面结构序号路面结构厚度（m）备注1AC-13C0.04沥青加铺层0.10m2AC-20C0.063水泥稳定碎石0.85E=2000MPa4路基E0=15MPa2.4.1路基工作区计算表11 轴重100KN路基工作区计深度算表路基点号路面材料及路基土材料厚度（m）路面顶面下深度（m）路床顶面下深度（m）层状体系荷载应力z（由BISAR3.0软件计算所得） （kPa）自重应力（kPa）自重应力计算公式z/（）备 注10701.6002AC-13C0.040.04678.70.92230.043AC-20C0.060.10485.72.30+230.064水泥稳定碎石0.850.952.0221.0+220.850.0961=0.1路床顶面下-0.00m5路基土E0=15MPa（0.55）0.50-0.551.4030.9+180.55（0.50）1.00-1.051.1139.9+180.50（0.50）1.50-1.550.9148.9+180.50（0.50）2.00-2.050.7757.9+180.50（0.50）2.50-2.550.6666.9+180.50（0.50）3.00-3.050.5875.9+180.50 图11 轴重100KN 85cm水泥稳定碎石基层的沥青混凝土路面路基工作区图2.4.2 相应的交通强度计算交工验收弯沉值计算( 未考虑可靠度系数 ) 道 路 等 级 : 支路 新建路面的层数 : 3 测定车后轴轴载 : 100kN 层位 结 构 层 材 料 名 称 厚度 20抗压模量 标准差 综合影响系数 (mm) 平均值(MPa) (MPa) 1 细粒式沥青混凝土 40 1400 0 1 2 中粒式沥青混凝土 60 1200 0 1 3 水泥稳定碎石 850 1500 0 1 4 新建路基 15 1 计算新建路面各结构层及路基顶面交工验收弯沉值 : 第 1 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 16.29 (0.01mm) 第 2 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 17.15 (0.01mm) 第 3 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 18.6 (0.01mm) 路基顶面交工验收弯沉值 LS= 621.03 (0.01mm)( 根据“公路沥青路面设计规范”公式计算) LS= 733.98 (0.01mm)( 根据“公路路面基层施工技术规范”公式计算)可靠度系数 城市支路、次干路为1.051.0516.29=17.10（0.01mm）3 设计注意事项（1）沥青路面和水泥混凝土路面的不同路面交通强度等级： 表12 沥青路面和水泥混凝土路面的不同路面交通强度等级沥青路面水泥混凝土路面BZZ-100KN（106）BZZ-100KN（106）轻 支路140.03中 支路、次干路4120.031重 次干路、主干路1225120特重 主干路、快速路2520（2）不同土基模量、不同厚度、不同强度可根据经验统计值估算；表13 路基工作区影响因素分析序号变化值范围路基工作区变化（m）1砼厚度每增加砼厚度5cm路基工作区减少-0.172土基回弹模量每增加5 MPa 路基工作区增加+0.123砼抗弯拉强度3.0MPa增至抗弯拉强度4.5MPa路基工作区减少-0.04（3）沥青混凝土面层下，应加反射裂缝的防裂措施；（4）全部用水泥混凝土结构比采用水泥混凝土和水稳组合结构省钱、并减薄了路面厚度；（5）水泥混凝土刚性底基层已经成为水泥混凝土路面结构，应按规范弯拉强度为设计控制；（6）采用零路基工作区的路面结构，要有路基工作区和路面结构强度的计算书；（7）水泥混凝土板的计算，按水泥混凝土路面设计规范，板块划分、设缝要求，设置拉杆时，Kr=0.87，不设时Kr=1.0，按水泥混凝土路面设计规范规定方法，不是一般的基层水泥混凝土基层；（8）做刚性基层的水泥混凝土板，应按水泥混凝土路面设计使用年限20-30年；（9）计算例题中的最重轴载Pm=180KN、200KN虽然路面结构强度可以通过，但要验算路基工作区深度。所以最重轴载的控制，不仅是路面结构强度，还需该级荷载下的路基工作区是否通过；（10）目前按经验设计组成的双层板的沥青混凝土路面结构：表14 经验设计组成的双层板沥青混凝土路面结构序号路面结构厚度（m）备注1AC-13C0.04沥青加铺层0.10m2AC-20C0.063水泥稳定碎石0.36E=2000MPa4水泥混凝土C20（相当于弯拉强度3.0MPa）0.20fr=3.0 MPa; 泊松比=0.15E=23000MPa5路基E0=20MPa存在问题：1）计算的路基工作区不是为零，大约为34cm； 2）设计的20cm厚的水泥混凝土C20，应改为水泥混凝土（弯拉强度4.0MPa）25cm厚，路基属过湿状态，常州地区的土基抗压回弹模量为15MPa，此时计算的路基工作区为路床顶面下2cm，接近为0。见算例2.2 由水泥稳定碎石和水泥混凝土结合组成双层