土工格室加筋水泥混凝土路面结构及面层板厚度计算方法技术

本发明专利技术公开了一种土工格室加筋水泥混凝土路面结构及面层板厚度计算方法。路面结构主要包括自下而上依次铺设的基层、面层和磨耗层；基层是上、下两层土工布和中间土工格室加筋级配碎石层；面层是土工格室加筋的水泥混凝土层；磨耗层是水泥混合料磨耗层和土工格栅；土工格室沿道路方向的两侧留有拉环，将土工格室拉伸至张拉状态，用木楔穿过拉环将最外端土工格室固定。面层板厚度计算方法主要包括交通分析、初拟路面结构、路面材料参数确定、荷载应力、温度应力、结构极限状态校核。本发明专利技术解决了现有路面结构强度低，重载交通下水泥混凝土路面疲劳断裂、唧泥、错台等问题，使路面结构有较强承载能力和抗变形能力，从而减少路面结构破坏。

【技术实现步骤摘要】
土工格室加筋水泥混凝土路面结构及面层板厚度计算方法
本专利技术属于公路工程水泥混凝土路面及施工
，具体涉及一种土工格室加筋水泥混凝土路面结构及施工方法及其面层板厚度计算方法。
技术介绍
随着我国社会经济的快速发展，交通基础设施尤其是高等级公路的建设迅猛发展，水泥混凝土作为一种强度高，稳定性好，成本低的材料，得到了广泛的应用。目前我国是世界上水泥混凝土路面里程最长的国家，水泥路面在我国主要分布于农村公路和高等级公路中。但由于交通量大幅度增加，车辆数量膨胀式上升和自然因素等原因，对水泥混凝土路面的使用条件日益苛刻。目前，已有的水泥混凝土路面大多也因上述原因过早地出现裂缝、断板、破碎、沉陷、错台、坑洞等病害，导致路面承载能力低，结构完整性差，达不到设计使用年限。目前，我国针对水泥混凝土路面维修养护和病害防治的主要措施有沥青混合料修补、板块破碎和碾压稳定，铺筑沥青混凝土或水泥混凝土加铺层以及刻槽、罩面等措施。(1)沥青混合料修补：对较小裂缝，及时将裂缝内的尘土清除干净，再灌填沥青砂缝补；对严重的裂缝，宜先将松动部分凿掉并清除干净后，在干燥情况下，用液体沥青涂刷缝壁，再填入沥青砂捣实、烫平，并以细砂覆盖。此种方法可以恢复裂缝传递板块间荷载的能力，并最大地减少垂直变形。但修补过程复杂，修补工艺要求较高，成本大，且在夏季时沥青混合料高温蠕变易产生车辙。(2)板块破碎和碾压稳定：当裂缝分布遍及全板时，需要将整个板块击破翻除，再重新浇筑新混凝土板做基层。该过程人工成本高，且翻修过程中容易影响原有路面结构的稳定性，新旧混凝土板粘合也无法保证。(3)铺筑沥青混凝土：通过增加沥青混凝土层可以增加路面结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉差，减少面层的剪切应力，也能延长路面结构的疲劳断裂寿命。但铺筑沥青混凝土层势必会大大增加路面造价，同时由于沥青混合料遇高温容易蠕变产生车辙。(4)水泥混凝土加铺层：先将原面板表面凿毛，除掉碎屑，清洗干净，涂刷掺有黏合剂的水泥浆，之后建筑混凝土加铺层。加铺层筑缝与原面板接缝对齐，且缝的类型应相同。目前修筑结合式加铺层费工费时，造价较高，工程应用受到了很大限制。(5)刻槽、罩面：根据路面断裂情况，将混凝土板凿成长方形槽，刷洗干净后，用水泥砂浆涂抹槽壁和底面，然后以新混凝土罩面。目前以新混凝土罩面易产生脱落，无法保证新旧层混凝土达到完全结合，旧混凝土路面层接缝和裂缝易反射到新混凝土层上。同时新建道路结构在投入使用后，土工格室加筋水泥混凝土面层板以具有足够的强度、耐久性、耐磨和平整等良好的路用性能而发挥着重要的作用，其面层厚度往往决定新建道路和交通荷载等级。但随着荷载作用次数的增加，面层板表面逐渐磨损，路面结构内部损伤不断积累，抵抗变形的能力也逐渐减弱，因此在外界环境和交通荷载的反复作用下土工格室加筋水泥混凝土路面结构面板层厚度设计是路面结构设计的核心内容。但路面结构面层板厚度设计步骤繁琐，需要确定的各类参数复杂，易受路基路面结构层的材料性质、结构计算模型、环境温度、气候地质条件、交通荷载等级等因素的影响。综上所述，目前采用的一系列方法，对路面结构病害防治有一定的效果，但也存在造价高，施工复杂，施工工艺高等不足。国内也逐步应用于土工格室加筋材料来提高路面结构的承载能力和抗变形能力。土工格室(Geocell)是一种由高分子聚合物宽条经强力焊接而成的三维网状结构，焊缝与片材长度方向垂直，展开后形成内联的网状结构，并可以在格室中充填砂、碎石或泥土等材料，构成具有强大侧向限制和大刚度的结构。目前被广泛应用于软土地基处理，边坡防护，管道支撑等工程。但由于土工格室能与其他很多土工合成材料组合使用，其受力情况和加筋机理复杂，格室体的荷载传递形式和与其它材料界面接触特性规律缺乏系统的研究，从而影响了格室体的进一步推广应用。针对路面结构面层板厚度计算方法步骤繁琐，计算量大等问题，目前现有技术均采用有限元计算方法，采用弹性地基单层板理论进行结构分析。将土工格室加筋级配碎石基层与路基一起视作多层弹性地基，以地基顶面当量回弹模量表征。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种土工格室加筋水泥混凝土路面结构，以解决现有路面结构强度低，重载交通下水泥混凝土路面疲劳断裂、唧泥、错台等问题，使路面结构有较强的承载能力和抗变形能力，从而减少路面结构的破坏，延长水泥混凝土路面的实际使用寿命。本专利技术的土工格室加筋水泥混凝土路面结构，它包括自下而上依次铺设的基层、面层和磨耗层；所述基层是上、下两层土工布和中间土工格室加筋级配碎石层；所述面层是土工格室加筋的水泥混凝土层；所述磨耗层是水泥混合料磨耗层和土工格栅；所述土工格室沿道路方向的两侧留有拉环，将土工格室拉伸至张拉状态，用木楔穿过拉环将最外端土工格室固定。具体的，所述土工格室选用5-10cm高度的强化HDPE片材料，经高强力焊接而形成的一种三维网状格室结构；所述土工布选用以涤纶短纤维为主经不同的设备和工艺铺排成网状的无纺土工布。具体的，所述土工格室经张拉后单孔长22-25cm，单孔宽15-18cm，格室片材厚度为1-2cm。具体的，所述木楔固定的深度为25～30cm。具体的，所述面层的土工格室结构层厚介于20-30cm之间时，铺设双层土工格室；土工格室结构层厚低于20cm时，则铺设单层土工格室。具体的，所述基层采用石料强度不低于Ⅳ级，形状接近立方体或圆球形的天然碎石填筑而成；所述面层采用抗压强度为8-10MPa的水泥混凝土填筑而成。具体的，所述磨耗层的水泥混合料磨耗层厚度为2-5.0cm。进一步，在土工格室加筋水泥混凝土的面层两侧设置路面排水沟，排水沟宽度为12-15cm，横向排水坡度在1％-2％之间。本专利技术的路面结构，在水泥混凝土中加入了土工格室，使水泥混凝土侧向约束大大增强，从而提高了水泥混凝土面层的承载能力和整体性，避免产生较大的沉降变形；在级配碎石中加入土工格室，使级配碎石侧向约束大大增强，从而提高基层的承载能力和整体性，避免产生较大的沉降变形。土工格室改善了水泥混凝土路面结构的受力特性和路面裂缝状况，减少路面开裂，从而提高了水泥混凝土路面结构的抗变形能力，有效减少路面结构厚度，降低工程造价，适用于各种等级的重载交通道路和软弱地基上的道路。本专利技术的第二个目的在于提供上述土工格室加筋水泥混凝土路面结构的施工方法，它包括如下步骤：(1)路基整平：按施工规范要求，整平路基并碾压至需要的压实度，保证路基表面平整，坡度均匀；路基整平后铺设一层无纺土工布；制作固定土工格室的木楔；(2)铺设基层：根据道路设计宽度选取相应规格的土工格室，沿道路方向铺设及张拉土工格室；然后将木楔穿过土工格室两侧拉环并打入路基，固定于路基表面，木楔露出部分不能高于路基表面高度；最后将级配碎石填筑到土工格室内，并充分压实；在压实后的土工格室加筋级配碎石层上铺设一层无纺土工布；(3)铺设面层：沿道路方向铺设及张拉土工格室；然后将木楔穿过土工格室两侧拉环并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土工格室加筋水泥混凝土路面结构，其特征在于：它包括自下而上依次铺设的基层、面层和磨耗层；所述基层是上、下两层土工布和中间土工格室加筋级配碎石层；所述面层是土工格室加筋的水泥混凝土层；所述磨耗层是水泥混合料磨耗层和土工格栅；所述土工格室沿道路方向的两侧留有拉环，将土工格室拉伸至张拉状态，用木楔穿过拉环将最外端土工格室固定。/n

【技术特征摘要】
1.一种土工格室加筋水泥混凝土路面结构，其特征在于：它包括自下而上依次铺设的基层、面层和磨耗层；所述基层是上、下两层土工布和中间土工格室加筋级配碎石层；所述面层是土工格室加筋的水泥混凝土层；所述磨耗层是水泥混合料磨耗层和土工格栅；所述土工格室沿道路方向的两侧留有拉环，将土工格室拉伸至张拉状态，用木楔穿过拉环将最外端土工格室固定。


2.根据权利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面结构，其特征在于：所述土工格室选用5-10cm高度的强化高密度聚乙烯片即HDPE片材料，经高强力焊接而形成的一种三维网状格室结构；所述土工布选用以涤纶短纤维为主经不同的设备和工艺铺排成网状的无纺土工布。


3.根据权利要求2所述土工格室加筋水泥混凝土路面结构，其特征在于：所述土工格室经张拉后单孔长22-25cm，单孔宽15-18cm，格室片材厚度为1-2cm。


4.根据权利要求3所述土工格室加筋水泥混凝土路面结构，其特征在于：所述木楔固定的深度为25～30cm。


5.根据权利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面结构，其特征在于：所述面层的土工格室结构层厚介于20-30cm之间时，铺设双层土工格室；土工格室结构层厚低于20cm时，则铺设单层土工格室。


6.根据权利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面结构，其特征在于：所述基层采用石料强度不低于Ⅳ级，形状接近立方体或圆球形的天然碎石填筑而成；所述面层采用抗压强度为8-10MPa的水泥混凝土填筑而成。


7.根据权利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面结构，其特征在于：所述磨耗层的水泥混合料磨耗层厚度为2-5.0cm。


8.根据权利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面结构，其特征在于：在土工格室加筋水泥混凝土的面层两侧设置路面排水沟，排水沟宽度为12-15cm，横向排水坡度在1％-2％之间。


9.一种如权利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面结构的施工方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)路基整平：按施工规范要求，整平路基并碾压至需要的压实度，保证路基表面平整，坡度均匀；路基整平后铺设一层无纺土工布；制作固定土工格室的木楔；
(2)铺设基层：根据道路设计宽度选取相应规格的土工格室，沿道路方向铺设及张拉土工格室；然后将木楔穿过土工格室两侧拉环并打入路基，固定于路基表面，木楔露出部分不能高于路基表面高度；最后将级配碎石填筑到土工格室内，并充分压实；在压实后的土工格室加筋级配碎石层上铺设一层无纺土工布；
(3)铺设面层：沿道路方向铺设及张拉土工格室；然后将木楔穿过土工格室两侧拉环并打入基层，固定于基层表面，木楔露出部分不能高于基层表面高度；紧贴两侧的土工格室木楔布设木板制模；将水泥混凝土拌和好以后浇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层终凝后，进行脱模、养护、干燥，使其达到设计强度；
(4)设置路面排水沟：在土工格室加筋水泥混凝土的面层两侧设置宽度为12-15cm、横向排水坡度为1％-2％的碎石排水沟；
(5)铺筑磨耗层：在土工格室加筋水泥混凝土的面层表面铺设一层土工格栅，再在其表面摊铺水泥混合料磨耗层并碾压至压实状态。


10.一种如权利要求1所述土工格室加筋水泥混凝土路面结构的面层板厚度计算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)交通分析：
设计基准期内设计车道设计轴载累计作用次数计算公式如式(1)：



式(1)中，Ne为设计基准期内设计车道所承受的设计轴载累计次数(轴次/车道)；t为设计基准期(a)；gr为基准期内货车交通量的年平均增长率(以分数计)；η为临界荷位处的车辆轮迹横向分布系数；Ns为设计车道的设计轴载日作用次数[轴次/(车道·日)]；
(2)初拟路面结构：按《公路水泥混凝土路面设计规范(JTGD40-2011)》表4-3所列的水泥混凝土面层厚度建议范围、交...

【专利技术属性】
技术研发人员：马缤辉，胡志勇，蔡凯，李卓，赵梓景，卢少昆，陈炳初，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43