铺装层厚度设计（共3篇）
铺装层厚度设计 篇1
引言
公路工程技术标准[1]对风电场场内道路的定义是风电机组间道路和风电机组与升压变电站之间道路。场外道路指主要利用已有国家、省、市、县、乡镇等级道路和市政道路, 不作为风电场设计范围。风电场道路工程中路基标准宜参照《公路工程技术标准》四级公路标准设计。
对于风电场内部道路结构层厚度的设计国内外均未有明确的设计方法和标准设计。本文根据国外某EPC风电场建设实践, 探讨了风电场内部道路、临时堆放平台和吊装平台的结构层厚度设计方法和并给出了标准设计, 部分标准设计通过了实践检验。
1 风电场场内道路的特性
风电场场内道路一般是在设备运输、风机安装时有较大的荷载, 一旦风机安装完毕进入运行和维护阶段, 则道路的交通量很小, 日后风机维护的交通荷载也不大。风电场场内的道路是前期荷载大而集中, 后期荷载小而均匀, 属于低交通量的道路。
按风电场道路设计标准:当风机设备安装采用普通履带吊时, 场内道路应按照两期设计, 一期即土建及设备安装施工期;二期即运行期路, 道路路基排水边沟设置在一期路基范围内。
2 国外某风电场道路设计参数
2.1 工程基本情况
按设计共有12台2MW的风机, 风机高度95米, 风机由4节塔筒组成, 单机自重总共337吨, 共有12个吊装平台, 13条道路。工程所在地年降雨量在800mm左右。
2.2 荷载当量
技术标准要求1000标准轴次后平均竖向变形应少于30mm。
2.3 运输车辆数和轮胎压力
对于履带吊车/移动吊车运输, 有15个辆重型运输工具;每个风力机现场, 有12个重型运输工具;每个风力机现场, 使用搅拌机卡车 (6-9立方米/卡车) , 多达80次混凝土运输。运输风机各部件时轮胎的压力见表1。
2.4 风机吊装设备及其压力
主吊采用600吨的履带吊, 辅吊采用150吨的履带吊。若履带直接接触地面的话前者最大会产生5.2T/m2的压力, 后者最大会产生5.8T/m2的压力。实际吊装过程中, 在履带下面加了2公分厚2倍于履带宽的钢板。
2.5 地基承载力
合同技术要求的地基承载力, 对于吊车平台, 堆放平台和道路路面的地基承载分别是25T/m2、10T/m2和15T/m2。
3 道路结构层厚度设计
3.1 道路设计荷载
根据文献[5]1000标准轴重相当于交通设计荷载DTL=0.001<0.2, 其交通荷载等级为TLC=02。这属于低交通量的荷载等级。
3.2 道路结构层材料系数
道路结构层材料系数[5]见表3。
3.3 设计所需道路结构层系数
设计所需道路结构层[5]系数见表4.
3.4 道路结构层计算
道路结构层系数计算式为:
式中:
和tn为各结构层厚度;
和an为各结构层所对应的结构层系数, 见表3。
由上式可计算出不同设计厚度的结构数, 与表4比较, 可判定设计的结果是否满足要求。
3.5 道路结构层标准设计
参照上文, 表5给出了10种道路结构层标准设计结果。表5表明, 道路结构层的设计厚度取决与筑路材料的强度和路床CBR值的大小。
备注:G80是指材料的CBR值在80以上。G25以上的料可用做低等级道路的磨耗层料。
3.6 道路结构层设计比较
按当地设计师所做的设计:其天然粒料的变形模量取值在200Mpa以上, 而实测值是在50Mpa以下。其道路结构层需要450mm厚包括150mm厚的级配碎石层才能满足风机部件运输和吊装的要求。而实际上使用了两层G80料即采用1号标准结构层设计已完成运输和吊装施工工作。
工程中的5号吊装平台由于下部有岩石, 按2号标准结构层施工, 承载板试验满足要求, 并完成了吊装施工。
10号标准结构层设计是当地一家公司实施的方案, 及结果是满足要求的。
4 其它
上述道路结构层可作为前期风电部件运输和安装期间使用。风机安装完毕后即后期可加铺一层100-150mm的碎石基层作为磨耗层。其外观效果和工程形象面貌非常好。对筑路材料可进行3点CBR试验, 以确定满足强度要求所对应的合理的压实度。笔者按本文的方法编制了计算程序, 可快速进行不同材料、不同厚度的结构层设计。根据不同工程、不同的可利于的材料类型, 可方便的计算出其它风机内部道路结构层的标准设计。
5 结论
(1) 风电场场内的道路属于低交通量的道路工程;国内尚无风电场道路结构层设计方法和标准设计, 本文参照国外沥青混凝土道路的设计推荐了相应的设计方法, 该方法简单易行, 经济适用。
(2) 风电场道路结构层的设计厚度取决于筑路材料本身的强度、取决于路床材料CBR值的大小;取决于道路的施工质量。
(3) 给出了10种结构层类型和不同路床CBR值所对应的结构层标准设计, 成果与工程实际吻合的。
(4) 本文推荐的方法也可用于风电场内部道路工程设计、施工质量控制、现场设计调整等, 对EPC总承包商和道路设计人员提供有益的参考。
参考文献
[1]《公路工程技术标准》JTGB01-2014;
[2]《公路路线设计规范》JTG D20-2006
[3]《公路路面基层施工技术规范》JTJ 034-2000
[4]《公路路基设计规范》JTG D30-2004
[5]Manual of Pavement and Material Design, The united republic of Tanzania, Ministry of Works, 1999
非等厚设计的路面结构层厚度评定 篇2
省道236线揭阳南河大桥至池尾段路面大修工程(以下简称S236线揭阳段路面大修工程)是对现有公路水泥混凝土路面进行大修,在不改变原公路等级和公路主体横断面宽度的情况下,旧路面经处治后充当底基层,通过加铺路面结构提高道路通行能力及服务使用性能。该工程按双向六车道一级公路等级标准建设,起于揭阳市榕城区东山,沿现有公路路线走向,止于普宁市池尾镇,路线全长36.274 km,设计行车速度80 km/h,路基采用现有路基宽度37.5 m,水泥混凝土路面宽30.5 m。
2 旧路面结构层及其现状
S236线揭阳南河大桥至池尾段旧路标准为一级公路,其旧路面结构层为25 cm水泥混凝土面层+17 cm水泥稳定天然粒料基层+18 cm泥结碎石底基层,由于旧路面结构层质量较差,通车后交通流量大且达15年以上,水泥混凝土路面板出现裂缝及破碎的情况较严重,大部分路段路况等级现评价为“差”,路面已进入大修期。
3 新加铺路面结构
S236线揭阳段路面大修工程采用多锤头破碎机或冲击压路机对旧混凝土路面进行处治,经压稳后充当路面底基层,然后在其上铺筑随相对横向坡率变化的非等厚设计的17～23 cm(该厚度指从原旧路面横坡1.5%调整到2%的标准断面的基层基准厚度)水泥稳定级配碎石基层,再铺26 cm水泥混凝土面层,该工程直接加铺水泥混凝土路面结构见图1。
4 现行路面结构层厚度评定的适用范围局限性
对于新建、改建公路工程项目,路面面层的横坡通常都是通过路基顶面或调平层来实现的,路面结构层的设计厚度是一个确定的等厚值,可以按照现行部颁《公路工程质量检验评定标准(土建部分)》(JTG F80/1—2004)((以下简称《评定标准》)的路面结构层厚度评定方法对各分项工程进行评定,却无法适用于类似S236线揭阳段路面大修工程采用非等厚设计的路面基层。
旧路加铺非等厚设计的路面结构层的厚度指标同样是分项工程质量评定的重要实测检查项目之一,本文结合S236线揭阳段路面大修工程的路面基层厚度评定实例,通过非等厚设计的路面结构层变换等厚路面结构层厚度评定的方式,在此基础上分析证明提出以现场实测结构层厚度偏差来直接实现对非等厚设计的路面结构层厚度评定,克服《评定标准》只适用于等厚路面结构层厚度评定的范围局限性,同时指出《评定标准》关于路面结构层厚度评定内容方面存在的“允许偏差”定义不一致的问题。
5 非等厚设计的路面基层厚度评定实例
5.1 等厚路面结构层代换非等厚设计的路面结构层的假设
5.1.1 基本假设与原理
由t分布概念及其理论基础确定的质量指标评定方法可以知道,路面结构层厚度评定结果仅取决于评定路段内全部n个单点实测厚度值偏差的情况,只要通过现场单点实测厚度偏差在等厚路面结构层代换非等厚设计的路面结构层过程中保持前后不变的做法,等厚路面结构层的厚度评定结果就可以适用于被代换的非等厚设计的路面结构层。
5.1.2 等厚代换非等厚设计的路面结构层的厚度评定方法
先假设一个基准厚度为Xd的等厚路面结构层(以J表示)来代换非等厚设计的路面结构层(以I表示),将非等厚设计的路面结构层的单点实测厚度偏差直接转为等厚路面结构层的单点基准厚度偏差,再利用等厚路面结构层的单点基准厚度值计算算术平均值与标准差,最后按照《评定标准》的路面结构层厚度评定要求对非等厚设计的路面结构层进行评定。
5.1.3 术语与符号
路面结构层厚度评定的有关术语与符号见表1。
5.2 路面大修工程基层厚度评定的实例
S236线揭阳段路面大修工程的旧路面横坡为1.5%,而新建路面的设计横坡为2%,这样形成在其上加铺的路面基层在横向断面宽度范围内具有相对坡率0.5%的线性变化厚度,旧路面横坡由1.5%调整到2%的标准断面基层的基准对应厚度值为17～23 cm,该直接加铺路面基层的厚度在横断面宽度范围内的变化情况见图2。
5.2.1厚度测试的选点方法
评定路段内基层厚度测试采取随机选点方法,首先在测定桩号区间段内决定测点所在断面,以具体桩号表示,其次确定测点在横断面上的位置,以测点位置离路面中心线的距离Li表示。
5.2.2 非等厚设计的基层的单点设计厚度Xd(i)
以横断面上的路面中心线处基层设计厚度值为23 cm,机动车道外侧边缘处基层设计厚度值为17 cm,根据相对横向坡率0.5%和测点位置离路面中心线的距离Li,计算横断面上不同位置的基层单点设计厚度Xd(i),即:
式中:Xd(i)是非等厚设计基层的单点设计厚度,单位为cm;Li是横断面上测点位置离路面中心线的距离,单位为cm;1 200表示由旧路面横坡1.5%调整至基层顶面横坡2%时,基层基准厚度17～23 cm所对应的标准横断面宽度,单位为cm。
5.2.3 等厚基层的基准厚度Xd取值
对于S236线揭阳段路面大修工程的路面基层,可以取半幅横断面厚度值17～23 cm范围的中间值20 cm作为等厚基层的基准厚度Xd。本文后面的理论分析将证实等厚基层的基准厚度Xd可以任意取值,它对非等厚设计的基层厚度评定结果没有影响。
5.2.4 计算等厚基层的单点基准厚度值Xj
以非等厚设计基层现场检测的单点实测厚度值Xi减去单点设计厚度Xd(i),计算出非等厚设计基层的单点实测厚度偏差ΔXi,即:
将非等厚设计基层的单点实测厚度偏差ΔXi直接作为等厚基层的单点基准厚度偏差ΔXj,即有ΔXj=ΔXi。所以,等厚基层的单点基准厚度值Xj就由其基准厚度Xd与单点实测厚度偏差ΔXi构成,则有:
5.2.5 算术平均值X与标准差S的计算
等厚基层评定路段内全部n个单点基准厚度值Xj按数理统计计算算术平均值与标准差S,等厚基层的算术平均值与标准差S的计算表达式分别为:
式中:X和S分别为全部n个单点基准厚度值Xj的算术平均值(简称均值)和标准差;n是评定路段内路面基层的检测点数。
5.2.6 基准厚度代表值XL的计算
等厚基层的基准厚度代表值XL为评定路段内n个单点基准厚度值Xj的算术平均值的下置信界限值,即:
式中:tα是t分布表中随测点数和保证率(或置信度α)而变的系数,可查表。高速、一级公路基层和底基层采用的保证率为99%;其他公路基层和底基层采用的保证率为95%。
5.2.7 非等厚设计的基层厚度评定
评定路段内的非等厚设计的基层厚度评定按等厚基层的基准厚度代表值XL和单点合格值允许偏差进行厚度评定,各等级公路基层或底基层厚度的允许偏差见表2。
当基准厚度代表值XL减去基准厚度Xd的差值在代表值允许偏差ΔXL范围内时(即XL-Xd≥ΔXL),则按单点基准厚度偏差ΔXi不超过单点合格值来计算非等厚设计基层的厚度合格率;当基准厚度代表值Xt减去基准厚度Xd超过代表值允许偏差ΔXL时(即XL-Xd<ΔXL),则相应分项工程评为不合格。
6 标准差S的表达式及其含意
6.1 标准差S的计算表达式推导
将上述式(3)Xj=Xd+ΔXi代入等厚路面结构层的均值X的计算表达式(4)中,则有:
上式中的也就是路面结构层评定路段内全部n个单点实测厚度偏差ΔXi的算术平均值,以来表示,则等厚路面结构层的算术平均值的计算表达式化为:
上式(7)表明等厚路面结构层的均值X是由其基准厚度Xd与单点实测厚度偏差ΔXi的均值构成。将式(3)Xj=Xd+ΔXi和上式(7)代入等厚路面结构层的标准差S的计算表达式(5)中,简化得到标准差S的另一个计算表达式为:
式中:ΔX是评定路段内非等厚设计的路面结构层全部n个单点实测厚度偏差ΔXi的算术平均值,即。
6.2 标准差S的表达式含意
1)非等厚设计路面结构层全部n个单点实测厚度偏差ΔXi的的标准差S与等厚路面结构层的单点基准厚度值Xj的标准差S是同一个值,两者是完全一致的,都可以由评定路段内全部n个单点实测厚度偏差ΔXi计算得到。
2)式(8)表明,标准差S只跟单点实测厚度偏差ΔXi有关,而与等厚路面结构层的基准厚度Xd、单点实测基准厚度值Xj和均值都无关。这一点从标准差S的概念定义也可以知道:标准差S表示各检验值离散波动的程度,它是概率分布曲线的形状参数,其大小反映曲线的宽窄程度,与均值所决定的位置无关。
7 路面结构层的厚度评定
7.1 路面结构层厚度合格评定标准条件
非等厚设计的路面结构层变换为等厚度路面结构层以后,按照《评定标准》的附录H对等厚路面结构层厚度进行评定时,等厚路面结构层厚度的合格评定标准条件表达式为:
式中:XL为等厚路面结构层的基准厚度代表值,它是算术平均值的下置信界限值,见式(6);Xd为等厚路面结构层的基准厚度;ΔXL为《评定标准》的路面结构层实测项目内的厚度检查项目的代表值允许偏差。
将等厚度路面结构层的均值计算式(7)代入基准厚度代表值的计算式(6)S中,则有:
再将上式(10)代入式(9)中,简化得到以全部n个单点实测厚度偏差ΔXi及其算术平均值表示的路面结构层厚度评定合格判断式,即:
式中:ΔXL为厚度代表值允许偏差,各等级公路的路面结构层厚度代表值允许偏差见《评定标准》的路面结构层实测项目的厚度检查项目栏;与S分别是路面结构层评定路段内的全部n个单点实测厚度偏差ΔXi的算术平均值与标准差,它们的计算公式分别为:
7.2 路面结构层厚度的评定及其合格率的计算
路面结构层厚度评定满足合格条件判断式(11)时,则按单点实测厚度偏差ΔXi不超过单点合格值允许偏差来计算厚度合格率;路面结构层厚度评定不满足合格条件判断式(11)时,则相应分项工程评为不合格。
8 结论
1)标准差S只跟单点实测厚度偏差ΔXi有关,路面结构层厚度评定合格条件判定式实质上唯一考察的就是单点实测厚度偏差ΔXi的情况。由于等厚路面结构层没有改变单点实测厚度偏差ΔXi,因此根据合格条件判定式(11)对等厚路面结构层做出的厚度评定结果适用于非等厚设计的路面结构层。
2)无论等厚还是非等厚设计的路面结构层厚度评定,都可以根据评定路段内全部n个单点实测厚度偏差ΔXi计算其算术平均值与标准差,对照《评定标准》的路面结构层实测项目的厚度代表值允许偏差和单点合格值允许偏差的要求,按厚度评定合格条件判断式(11)进行评定,并计算合格率。
9《评定标准》关于路面结构层厚度评定内容方面的存在问题
《评定标准》的路面结构层实测项目对厚度代表值的允许偏差的定义是计算代表值减去规定代表值的差值,例如表2所示。但其附录H(路面结构层厚度评定)的第H.0.4条以文字表述路面结构层厚度合格判断标准条件时,其内容对厚度代表值的允许偏差定义是规定代表值减去计算代表值的差值,前后两处厚度代表值的允许偏差定义是不一致的,二者刚好相反,其附录H第H.0.4条的文字内容表述不够严谨,建议《评定标准》在以后的修订时加以更正。
摘要：针对旧混凝土路面加铺非等厚设计的路面结构层的厚度评定问题,结合路面大修工程实例提出非等厚设计的路面结构层变换等厚路面结构层的厚度评定方法,分析论证得出以单点实测厚度偏差实现路面结构层厚度评定的合格标准判断式,克服现行部颁质量检验评定标准仅适用于等厚路面结构层厚度评定的范围局限性,并指出其关于路面结构层厚度评定内容方面的存在问题。
关键词：路面结构层,厚度,评定,路面大修工程
参考文献
[1] JTG F80/1-2004,公路工程质量检验评定标准(土建部分)[S]
铺装层厚度设计 篇3
1 极限二次松散系数的概念分析
散体动力学理论[1]中将压实的散体材料松散后产生的体积膨胀称为二次松散。散体材料的二次松散特性不仅与材料本身有关, 还与压实状态等外部因素有关。为了比较不同材料的二次松散特性, 可将散体材料发生二次松散时, 松散前后的体积之比定义为二次松散系数, 将散体材料在相同压实下最密实状况至极限松散状态的二次松散系数称为极限二次松散系数Kj, 用式 (1) 表示。
式中:Kj为极限二次松散系数;VC为二次松散至极限松散状态时的散体体积;VE为初始压实状态下的散体体积。
极限二次松散系数排除压实度等其他因素对二次松散系数的影响, 是材料自身参数, 可以直接用作不同散粒体之间的比较。
由极限二次松散系数的定义可知, 当Kj越大时, 碎石松散后增加的体积越大。因此, 在碎石层底部出现相同沉降时, Kj越大, 碎石参与运动的量越多, 碎石层底面沉降量相同时所需的碎石层厚度也越薄, 碎石层对差异沉降的缓冲效果越好。
2 二次松散系数的试验方法与试验结果
室内测量级配碎石的二次松散系数时, 为了使级配碎石的初始压实度与现场保持一致, 在最优含水率下采用振动击实方法对级配碎石混合料进行击实, 得到级配碎石发生二次松散前的体积VE, 然后将碎石从试筒中倒出, 称出级配碎石的质量M1。将倒出的级配碎石分层缓慢松散地装入试筒中, 称出剩余的级配碎石质量M2。则二次松散系数的表达式见式 (2) 。
采用上述试验方法测试2 种常用类型级配碎石的二次松散系数, 试验结果如表1 所示, 平均值为1.055。
3 级配碎石层厚度的确定
3.1 确定级配碎石层最小厚度的理论依据
为推导碎石层松散区域边界方程, 将三维问题简化为二维问题。取路基主要沉降断面为研究对象, 假设断面纵向各面相同, 如图1 所示。
按照模拟试验结果及理论分析, 碎石松散前体积为碎石松散边界方程与轴所夹区域, 而碎石松散后的体积为沉降曲线与碎石松散边界方程所夹区域, 即碎石松散后增加的体积为不均匀沉降发生的体积。按照上述思路, 参考文献[2] 推导的碎石松散区域边界方程如下。
式中: δmax为最大沉降量;Kj为极限二次松散系数;a为沉降宽度的一半。
碎石层的松散区域是碎石参与补充差异沉降运动的范围, 也是确定填充厚度的依据。设级配碎石层的厚度为h, 若要使级配碎石能够缓和路基不均匀变形的影响, h应满足式 (4) 的要求。
3.2 确定路基容许最大沉降量的理论依据
路基沉降能够在路面结构内部引起附加应力, 因此确定路基的最大沉降量时, 应以路面结构内部的附加应力为主要依据。利用弹性层状连续体系理论, 分析路基的不均匀沉降对路面结构内部附加应力影响[3], 可得式 (5) 。
式中: σx为基层底部弯拉应力;N1、T为常数;α=π/L ;L为沉降范围宽度;S为沉降梯度, S=δmax/ (L/2) , %;S' 等于S/L , 可看作S对L的一阶导数, 称为一阶梯度, m-1。
由式 (5) 可知, 基层底部的弯拉应力与路基不均匀沉降的一阶梯度呈线性关系。因此, 根据基层的层底容许弯拉应力计算路基沉降的容许一阶梯度, 进而计算容许最大沉降量。
3.3 路基容许最大沉降量和级配碎石层最小厚度计算
选取如表2 所示的常用路面结构[4]进行数值计算, 得到一阶梯度与基层层底弯拉应力之间的相关关系 (见图2) 。
将图2 中的回归关系式代入公式 (5) 可得:N1=324.228, T=0.004。
同时, 式 (5) 可以表述为式 (6) 。
JTG D50—2006《公路沥青路面设计规范》规定:半刚性材料基层底部的容许拉应力 δR按式 (7) 计算。
式中:δR为路面结构层材料的容许弯拉应力, MPa ;σS为半刚性材料的极限劈裂强度, MPa ;KS为抗拉强度结构系数, 见式 (8) 。
式中: Ne为设计年限内一个车道累计当量轴次, 次/ 车道; AC为公路等级系数, 高速、一级公路为1.0。
水泥稳定碎石的极限劈裂强度取0.5 MPa, 根据公式 (7) 和公式 (8) 计算不同交通等级条件下对应的容许弯拉应力, 代入公式 (6) 可得到路基沉降的容许一阶梯度 (见表3) 。
路基沉降宽度取5 m、10 m、15 m 3 档, 对应的路基最大沉降量如表4 所示。取级配碎石二次松散系数为1.055, 则根据公式 (4) 计算得到不同沉降宽度条件下完全缓冲路基差异沉降的级配碎石层理论最小厚度 (见表4) 。
由表4 可见, 相同沉降宽度下, 特重交通比重交通条件下所需要的级配碎石层厚度要小一些, 这是由于特重交通条件下容许弯拉应力小, 对最大沉降量苛刻要求造成的。相同交通等级条件下, 沉降宽度越大, 路基最大沉降量也越大, 所需的级配碎石层厚度越厚。在重交通和特重交通条件下, 沉降宽度在15 m以内时, 级配碎石层设计厚度取30 cm, 能够满足其缓冲调节路基差异沉降的功能要求。
4 实际工程验证
天津地区地处东部海积平原区, 软土分布广泛, 道路沉陷病害时有发生。2010 年在G112 国道高速公路K37+400~K37+900 处修建试验路D工程, 底基层采用18 cm级配碎石, 通车5 a来, 未发现沉陷病害。2013 年在G112 国道高速公路东段延长线上修建500 m柔性基层沥青路面, 基层采用两层18 cm振动成型级配碎石, 通车2 a来, 道路运行状况良好, 未出现不均匀沉降。
5 结语
1) 提出级配碎石材料极限二次松散系数的概念, 通过设计试验实测振动压实条件下常用级配碎石材料的极限二次松散系数为1.055。
2) 在重交通和特重交通条件下, 沉降宽度在15 m以内时, 级配碎石层设计厚度取30 cm, 能够满足其缓冲调节路基差异沉降的功能要求。
摘要：级配碎石散体材料具有松散性, 能够缓解路基的差异沉降。提出级配碎石材料极限二次松散系数的概念, 通过设计试验实测常用级配碎石材料的极限二次松散系数, 推导出确定级配碎石层最小厚度的计算公式, 通过实例验证基于极限二次松散系数的级配碎石层厚度设计的可靠性。
关键词：公路工程,极限二次松散系数,级配碎石,厚度设计
参考文献
[1]吴爱祥, 孙志祥, 刘湘平.散体动力学理论及其应用[M].北京:冶金工业出版社, 2002:9-228.
[2]王大鹏, 窦文利, 付智, 等.碎石层缓冲差异沉降能力模拟试验研究[J].公路交通科技, 2008, 25 (9) :23-27.
[3]戈晓明.基于土基耐久性的路基与半刚性基层间的过渡层研究[D].济南:山东大学, 2014.