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当前位置:首页 > 建筑/环境 > 工程监理 > 150505城镇道路工程的基本理论施工管理与质量标准—路基工程
路基工程许琼鹤南京市市政工程质量安全监督站城镇道路工程的基本理论、施工管理与质量标准1总体框架01道路工程基本理论02路基沉降和地基处理03路基承载力和边坡稳定性04路基施工和质量控制要点05路基施工常见质量问题防治01道路工程的基本理论路基路面工程基本概念假设你是一名道路工程师,将如何考虑设计一条道路?在设计阶段,必须回答以下几个问题:1汽车的荷载如何确定?2路基路面的承载能力如何确定?3汽车荷载在道路中如何传递,产生何效应?1汽车荷载:车辆的吨位数、轴数、轴重和交通量等。2承载能力:材料的容许应力、容许变形和疲劳强度等。3荷载效应:力的扩散、弹性力学、层状弹性体系、塑性力学、粘弹性力学、断裂力学等。无论路基路面工程理论多复杂,一般都不会超出上述研究范围。设计师最简单的解决思路步骤一:假设道路上行驶的最大汽车荷载30T,一根车轴10T,轮胎接地面积经测量为0.072m2,接地压力为0.7MPa。步骤二:按照一定的扩散角(例如450),将车轮荷载扩散到路面结构和路基各层,从而得到各路面和路基层顶的压应力σm。步骤三:在道路各层取芯,芯样进行无侧限抗压强度试验(土进行三轴试验),得到各结构层材料的抗压强度σR。路面路基会压坏吗?会压坏吗?将各层的承受的车轮荷载应力,与材料抗压强度比较,若σm≤σR,则计算通过,否则应加大结构层厚度或提高材料强度,直到满足设计为止。路基路面理论的发展史20世纪初,美国麻省道路委员会发表了第一个路面计算公式。假定汽车是集中荷载,并以450扩散角通过h厚碎石基层,作用在边长为2h的正方形路基范围内:1933年,Downs认为荷载作用范围是圆形而非正方形,扩散角也并非450,而是某个与材料有关的角度θ:1934年,Gary认为汽车并非集中力,而是半径为a的圆形均布荷载:qhP2)2(qtghP2)(qtgahP2))((邓学钧《路面设计原理与方法》P107存在的缺陷:1力的扩散理论过于简单,对深层土体受力分析尚可,浅层路基路面精度太差。2公式仅考虑了压应力和抗压强度均衡,未考虑材料抗拉、抗剪等其他受力情形。3在20世纪初汽车尚不普及条件下,该公式有其合理性,但现代大、重交通下,不考虑材料疲劳特性有较大局限性。问题一路基路面力学行为汽车荷载在路基路面中如何传递,会产生哪些效应,会导致哪些破坏模式?问题二交通荷载汽车荷载的分类,车轮荷载与路面接触形式和作用力,交通量如何体现累计、重复作用?问题三路用材料的疲劳现代大交通量、重载交通下,路用材料应具有哪些性能,如何考虑材料的抗疲劳?路基路面理论的发展史以上简化计算,基本反映了路基路面设计理论全过程。但缺点是模型比较粗糙、计算分析过于简单,而且忽略了很多因素,难以适应现代交通、材料、施工等方面的要求。因此,路基路面理论真正得以发展,仍有待于对以下三个问题进行必要的修正和完善。汽车交通荷载反复作用基层路基沥青面层基层底拉应力σ2面层底拉应力σ1路基压应变μ疲劳裂缝疲劳裂缝路基路面力学行为特征汽车荷载作用下,路基路面存在两种破坏模式:一种反复作用下路基压应变过大,塑性变形不断累积;另一种基层或面层底拉应力过大,层底开裂。(这两种模式之间存在一体两面的联系,路基压应变增大,带动基层、面层底拉应力增大。所以设计单位对弯沉控制后,层底拉应力一般都也就不会超标了,很多时候没再去验算。)实际应力分布1885年布辛尼斯克(Boussinesq)弹性半空间体垂直集中力作用下的应力和位移解析解弹性力学理论考虑车轮荷载在匀质地基内的传递集中力正下方垂直压力抛物线(深度平方关系)衰减集中力附近垂直压力随深度先增大后衰减不同深度垂直压力1逐渐扩散衰减2趋于平均(范围增大)弹性力学理论地面荷载在土体内的传递规律222/52zZPKzP])z/r(1[123竖直集中力-布辛内斯克解PP作用线上在某一水平面上在r﹥0的竖直线上z等值线-应力泡0.1P0.05P0.02P0.01P应力泡(竖向压应力等值线)σz与α无关,呈轴对称分布弹性力学理论地面荷载在土体内的传递规律p(较小力)P(较大力)0.1P0.05P0.02P0.01P0.1P0.05P0.02P0.01P软弱土层(假设承载力0.01P)不同大小地面荷载将产生不同“应力泡”,土是分层结构,大荷载“应力泡”可能深入下卧软弱层,引起较大的地面沉降。故沿江、沿海等下卧深厚软土地区,应控制填土高度(即减小荷载)来减少地基处理的费用。硬壳层上述弹性力学分析方法仅适用于路基部分,因为路基工程是各向同性的(各个方面性质都是一样的)半无限空间体。但对路面结构层来说,12%灰土底基层、水泥稳定碎石基层、沥青面层,每一层性质都不一样(回弹模量、抗拉强度、抗压强度等),而且每一层之间也可能不连续,因此必须采用更为复杂的层状弹性体系,并考虑适当的假设条件。层状弹性体系E0弹性半无限空间体系沥青路面属于分层结构,不满足弹性半空间理论中各向同性匀质体假设,所以采用层状体系理论更符合实际情况。目前,中国、美国设计规范,壳牌法等设计方法都是采用该理论。层状体系理论仍然属于弹性力学范畴,只是增加两个假设竖直方向各向异性和层间接触面连续、无滑移。沥青面层层状体系理论层状体系理论解一般采用简化图解法(诺谟图)。缺点是层数多时,无法绘制诺谟图,故一般通过模量换算,把多层体系简化成最多三层体系(分别代表面层、基层、路基),再采用图解法。换算原则按照转换成三层体系后,计算点处弯沉或拉应力相等的原则,进行换算。路表弯沉:第1层作为三层体系上层,最下层半空间体作为下层,第2至第n-1层换算成模量为第2层模量的等效厚度。层底拉应力:以计算层底位置为界,其上各层采用该计算层模量代换,其下采用计算层下面一层模量代换,换算为三层体系;计算层是底基层时,底基层其上各层全部采用底基层上那一层的模量代换,底基层保持原模量,换算成三层体系。(原则是计算层的模量不变,其他层按与计算层最接近那层的模量换算。)三层体系表面弯沉系数诺谟图三层连续体系上层底面拉应力系数诺谟图(上层中层层间连续)三层连续体系中层底面拉应力系数诺谟图(上层中层层间连续)(一)路表计算弯沉计算:其中αL通过图解法求得:αL代入路表计算弯沉:(承载能力问题)主图梅花图扇形图三层体系表面弯沉系数诺谟图三层连续体系上层底面拉应力系数诺谟图(上层中层层间连续)三层连续体系中层底面拉应力系数诺谟图(上层中层层间连续)(二)层底计算拉应力:主图梅花图扇形图图解法原理同计算弯沉,从略!线性和非线性数值分析方法计算弯沉和应力随着近代计算机运算能力的提高和数值分析技术的发展,目前一些科研院校也采用数值分析的方法来计算路基路面的力学行为。一种是线弹性有限单元法:路基路面本质上是非线性、弹塑性材料,表现为不同荷载水平下的不同刚度、材料塑性等特征。但为了保证长期使用,路基路面受力一般不会大,一般情况下非线性特征并不显著,而且线弹性模型计算简单且容易收敛,故此方法运用较广泛。设计规范中如采用回弹模量、回弹模量试验荷载水平接近实际状态等措施修正,来保证模型精度。另一种是非线性有限元法:主要考虑材料非线性,通过建立土基弹塑性、基层弹塑性、沥青面层粘弹性(高温)等本构模型进行数值模拟。以及用断裂力学考虑带裂缝工作、用接触理论考虑层间粘结失效等高度非线性问题。总之,数值分析方法能够解决复杂情况下的受力问题,能够进行实际状态下路基路面的仿真计算,潜力巨大,是将来研究的重要方向。交通荷载和材料疲劳一交通量和轴载300万300~1200万1200~2500万2500万根据国家强制性标准《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》(GB1589-2004)与交通部《超限车辆行驶公路管理规定》,我国道路上行驶的各类载重车辆的轴载最大限值,双轮组单轴允许最大轴重100KN;双轮组双联轴允许最大轴重180KN。交通荷载和材料疲劳渣土车超载问题一般渣土车核载质量12t(6-8方土),整备质量12t,总质量24t,车辆后双联轴应在18t以内。由于超载,渣土车实载一般20t(11方土),甚至多达40t(22方土),后双联轴超载达200%以上。车辆超载不仅带来很大安全隐患,也给城市道路带来很大损害,尤其低等级道路由于超载渣土车频繁行驶,很快就发生荷载型结构性损坏。交通荷载和材料疲劳二轴载的转换作用在路面上的车辆轴载等级不同,一般将各种不同轴载按照等效原理(等破坏、等厚度)转换成标准轴载(我国为10吨,即BZZ-100)。问题:某专门供运输特种设备的100吨大型平板运输车行驶的厂区道路,路基路面结构层该如何加固?答案:不需要加固!100吨平板车,单根轴载仍为10吨,相当于10辆10吨标准轴载汽车驶过,换算成标准轴载当量次数为10次;但若100吨为超载,即全部由1根车轴来承担,则换算成标注轴载当量次数分别为104.35=22387次、108=1亿次(分别对沥青和半刚性基层)结论:超载对道路路面危害巨大!Pi(KN)(Pi/P)4.35(Pi/P)8101/223871/100000000201/10981/390625501/201/256801/31/6901/21/21001/11/11101.5/12.1/11303.1/18.1/11505.8/126/120020/1256/1300119/16561/15001098/1390625/1半刚性材料抗疲劳能力差,超载危害性更大交通荷载和材料疲劳南京进出城主通道日交通量数据来源:《南京交通发展年度报告(2014)》城市道路交通的特点是次数多,但轴载等级小,以小客车为主,故换算成标准轴载次数远小于公路重交通等级,其对路面性能的要求低于公路。但对不限制货车的快速路、公交专用道、公交港湾停靠站等较大荷载部位,标准不宜低于公路。南京快速内环高峰小时交通量交通荷载和材料疲劳几条推论:1汽车轴载等级对沥青面层和半刚性基层底拉应力控制的设计影响很大,一般呈指数关系。轴载增加为2倍,相当于交通量分别增加到20倍和256倍;汽车超载对道路危害极大,根据测算,一辆超载2.5倍渣土车,分别相当于54辆和1526辆标准渣土车对沥青层底、半刚性基层底造成的损伤。2城市道路基本以小客车交通为主,部分中心城区限行大货车,所以其对沥青层底和半刚性基层底造成的损伤微乎其微(轴载低于30KN几乎可忽略不计)。其破坏模式以路表沥青、车辙和水损坏为主,一般情况下,极少数超载路面才会出现此类结构性破坏。3城市道路质量控制应体现与公路交通差别化,不宜过分追求重交通下高强度面层和基层,而应突出如车辙、沥青面层(稳定性、透水性、适应高低温性能等)、基层收缩开裂、水损坏等非荷载型结构性损坏为主。交通荷载和材料疲劳三材料的疲劳强度材料极限强度σS测定:交通量的函数,说明该系数考虑了与作用次数有关的材料疲劳的因素现代路基路面设计理论二沥青路面结构设计《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2006步骤:1根据使用年限预测总交通量(轴载次数),确定路面设计弯沉值:A分别为考虑道路等级、面层、基层因素的系数2根据材料的抗疲劳特征,确定路面结构容许抗拉强度值:材料极限强度,沥青或半刚性基层疲劳折减系数3根据双圆均布荷载下弹性层状连续体系,计算路表弯沉和各结构层底拉应力。4比较汽车荷载的效应和材料抗力,只要效应小于抗力即符合设计要求:bscedAAANl2.0600SSRKmSldSllRmSSK按照预测的交通量来计算设计弯沉、层底抗拉强度需要多大?标准车轴产生多大弯沉和层底拉应力效应,再疲劳折减考虑材料疲劳的抗拉承载力有多少?比较设计弯沉、拉应力与结构承载能力是否均衡?沥青路面设计流程两项指标是用于施工质量控制的关键目标(效应不考虑交通量和疲劳问题;抗力要考虑)现代路基路面设计理论计算示例:时伟《土基回弹模量对沥青路面的影响及加固层设计研究》材料极限强度考虑疲劳折减后材料强度计算应力过大计算应力满足按照预测的交通量来计算设计弯沉需要达到多少?标准车轴产生多大弯沉和层底拉应力效应?考虑材料疲劳的抗拉承载力有多少?比较
本文标题:150505城镇道路工程的基本理论施工管理与质量标准—路基工程
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