一种软土地基长寿命路面结构及其设计方法与流程

1.本发明涉及一种路面结构，具体涉及一种软土地基长寿命路面结构及其设计方法。

背景技术：

2.软土路基作为一种较为常见的路基形式，在我国具有较为广泛的分布。现有的软土路基路面结构，通常包括从上到下依次设置的混凝土面层、水稳基层、级配碎石、换填路基。由于每个结构层之间相互独立，因此路面结构刚度较小，车轮荷载在路基上的扩散面积较小，所以对路基承载能力要求较高。如果不提高路基承载能力，就会影响路面结构的使用寿命。为提高路基承载能力，往往采用大深度和大宽度的路基换填。采用大深度和大宽度的路基换填虽然能提高路基承载能力，但存在路基换填成本较高，特别是对于软土路基段道路，基层处理成本甚至会超过路面结构成本。因此，迫切需要一种新的路面结构，以提高软土路基的路基承载能力。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种软土地基长寿命路面结构及其设计方法，该路面结构很方法能提高软土地基的路基承载能力，提高路面结构使用寿命。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种软土地基长寿命路面结构，包括从上往下依次设置的复合结构层、柔性基础、软弱路床；所述复合结构层包括混凝土面层、水稳基层、钢筋网、连接钢筋、格栅网；
6.所述混凝土面层置于水稳基层上；所述水稳基层置于柔性基础上；
7.所述钢筋网布置于混凝土面层的靠上表面处，其包括横向钢筋和纵向钢筋；所述横向钢筋置于混凝土面层上部，横跨路面；所述横向钢筋的两端沿混凝土面层侧面向下到达水稳基层上表面后再弯折形成水平段；所述横向钢筋有多个，沿路面长度方向间隔设置；
8.所述纵向钢筋置于横向钢筋上，顺着路面长度方向铺设；所述纵向钢筋有多个，沿路面宽度方向间隔设置；
9.所述连接钢筋为连续弯折钢筋，其上部置于混凝土面层内，其下部置于水稳基层内，顺着路面长度方向铺设，即连接钢筋沿纵向布置于水稳基层与混凝土面层的交界面处；所述连接钢筋有多个，沿路面宽度方向间隔设置；
10.格栅网置于水稳基层下部，其两端沿水稳基层侧面向上延伸并伸入混凝土面层(即格栅网为双向受力格栅，其沿水稳基层的下表面及侧表面布置)，穿过横向钢筋的水平段，通过格栅锚固钢筋将格栅网与横向钢筋进行固定，格栅锚固钢筋设置在横向钢筋的水平段上。
11.按上述方案，所述混凝土面层为厚度200-240mm的混凝土板；所述水稳基层的厚度为300-400mm，其水泥含5％-8％的水泥稳定碎石。
12.按上述方案，所述纵向钢筋距离混凝土面层最顶端(保护层)3-4cm，横向钢筋距离
混凝土面层侧边(保护层)3-4cm。
13.按上述方案，纵向钢筋间距250-350mm，横向钢筋间距250-450mm。
14.按上述方案，连接钢筋布置间距为500-600mm。
15.按上述方案，所述连接钢筋的弯折高度为250-300mm，其伸入混凝土面层的长度为8-15cm，其余部分埋设于水稳基层中。
16.按上述方案，所述格栅网与水稳基层的下表面及侧表面的距离(保护层)为3-4cm。
17.按上述方案，所述格栅伸入混凝土面层7-13cm。
18.按上述方案，所述水平段的长度为100-150mm；所述格栅网为土工格栅，其单位长度抗拉强度根据设计强度进行计算；所述柔性基础为级配碎石层；所述软弱路床为石灰稳定土。
19.本发明还提供一种上述软土地基长寿命路面结构的设计方法，主要包括以下步骤：
20.步骤一、根据检测及设计资料，得到路基弹簧刚度系数k；
21.步骤二、初拟复合结构层混凝土面层厚度hc,水稳基层厚度hb，钢筋网及格栅网保护层厚度as，单位宽度格栅网抗拉强度f
t
,设计车轮荷载f；
22.步骤三、通过步骤二的数据建立单位宽度(1m宽)路基路面刚度荷载模型，根据路基路面荷载刚度模型求得单位宽度路面最大弯矩m；
23.步骤四、根据道路等级，确定荷载集中系数η,冲击系数γ；
24.步骤五、根据平截面假定，通过荷载集中系数η、冲击系数γ求得单位宽度格栅网抗拉强度fm；
25.步骤六、根据计算得到的fm判定，若fm＜f
t
，则设计通过；若fm＞f
t
，则对步骤2的参数进行重新设计，再进行步骤2-6设计。
26.按上述方案，所述单位宽度(1m宽)路基路面刚度荷载模型的数据为：地基弹簧支撑刚度为k，板的宽度b为1m，梁在厚度方向分为两层，其中上层为混凝土板，厚度hc，弹性模量为e
c，
下层为水稳基层，厚度hb，弹性模量为eb，荷载大小为车轮荷载f。(其中ec和eb根据规范进行取值)。
27.本发明的基本原理为：根据刚度计算公式：其中，b为板的宽度(这里为单位板宽，b取值为1m)，h为板的厚度；即在同等条件下，通过提高路面板的厚度可提高路面结构刚度。参考一般路面结构特点，在路面结构层造价不增加或增加不大的情况下，将混凝土面层和水稳基层进行结合，让两者进行复合受力，则路面刚度提升效果显著。
28.本发明的有益效果在于：
29.通过将混凝土面层、水稳基层结合在一起，增大了路面结构层抗弯刚度，降低了路基承载力需求，从而降低了路基换填工作量以及成本；
30.结构整体刚度较大，对路基承载力要求较低，使用寿命长：
31.通过钢筋网、连接钢筋、格栅网将混凝土面层、水稳基层连接成一体，从而提高了路面结构的刚度；
32.通过采用双向格栅网及钢筋网将混凝土面层及水稳基层连接组合成一个整体，路面结构层高度较高，刚度较大，能够更好的将车辆荷载分布在路基上，降低路基承载力需
求；
33.相较于传统配筋混凝土路面，本结构造价更低，具体体现在：1)由于路面刚度的增加，混凝土面层中的钢筋网配筋率降低(纵横向钢筋布置间距为传统路面结构一倍)，钢筋用量减少；2)由于路面刚度的增加，对路基承载力的要求降低，路基换填开挖的工程量锐减，因此本发明具有节省造价，降低施工难度的优点；
34.复合结构层上部为混凝土面层，刚度较大，复合结构下部为水位基层(柔性基础、软弱路床)，刚度较小；由于混凝土的抗拉性能较差而抗压性能较好，本发明相应的在混凝土面层中配置了抗拉刚度较大、受力性能较好普通钢筋；在水稳基层中配置了抗拉刚度较小，造价便宜的格栅网；充分利用了各种材料的性能及价格特点，刚柔结合，受力合理；
35.由于其在沿复合结构一周布置有钢筋和格栅网网，同时在混凝土面层和水稳基层交界面处布置有抗剪连接钢筋，复合结构的整体一致性较好，刚度较大。
附图说明
36.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
37.图1是软土地基长寿命路面结构的横向结构示意图；
38.图2是软土地基长寿命路面结构的横向结构局部示意图；
39.图3是图1中a-a的剖面图；
40.图4是图1中b-b的剖面图；
41.图5是软土地基长寿命路面结构的设计流程示意图；
42.图6是路基路面荷载刚度模型；
43.图7是单位宽度路面弯矩示意图；
44.图中：1-复合结构层，2-柔性基础，3-软弱路床，11-混凝土面层，12-水稳基层，13-连接钢筋，14-纵向钢筋，15-横向钢筋，16-格栅锚固钢筋，17-格栅网。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.实施例1
47.参见图1-图4，一种软土地基长寿命路面结构，包括从上往下依次设置的复合结构层1、柔性基础2、软弱路床3。复合结构层1包括混凝土面层11、水稳基层12、钢筋网、连接钢筋13、格栅网17。混凝土面层11为厚度200-240mm的混凝土板，置于水稳基层12上，水稳基层12的厚度为300-400mm，其水泥含5％-8％的水泥稳定碎石；水稳基层12置于柔性基础2上；柔性基础2为级配碎石层；软弱路床3为石灰稳定土。
48.钢筋网布置于混凝土面层11内，靠近上表面，其包括横向钢筋15和纵向钢筋14。横向钢筋15置于混凝土面层1上部，横跨路面。横向钢筋15的两端沿混凝土面层11侧面向下到达水稳基层12上表面后再弯折形成100-150mm水平段；横向钢筋15有多个，沿路面长度方向间隔250-450mm设置。横向钢筋15距离混凝土面层1侧边(保护层)3-4cm。纵向钢筋14置于横向钢筋15上，顺着路面长度方向铺设。纵向钢筋14有多个，沿路面宽度方向间隔250-350mm
设置。纵向钢筋14距离混凝土面层11最顶端(保护层)3-4cm。
49.连接钢筋13为连续弯折钢筋，弯折高度为250-300mm，其上部伸入混凝土面层11大约10cm，其余部分置于水稳基层12内，顺着路面长度方向铺设，即连接钢筋13沿纵向布置于水稳基层12与混凝土面层11的交界面处。连接钢筋13有多个，沿路面宽度方向500-600mm间隔设置。
50.格栅网17为土工格栅，置于水稳基层12下部，其两端沿水稳基层12侧面向上延伸并伸入混凝土面层11(即格栅网为双向受力格栅，其沿水稳基层的下表面及侧表面布置)，穿过横向钢筋15的水平段，通过格栅锚固钢筋16将格栅网17与横向钢筋15进行固定，格栅锚固钢筋16设置在横向钢筋15的水平段上。格栅网17与水稳基层12的下表面及侧表面的距离(保护层)为3-4cm。
51.实施例2
52.一种上述软土地基长寿命路面结构的设计方法，主要包括以下步骤：
53.步骤一、根据检测及设计资料，得到路基弹簧刚度系数k,设计道路等级公路一级；
54.步骤二、初拟复合结构层混凝土面层厚度hc＝220mm,水稳基层厚度hb＝350mm，纵向钢筋φ16@300mm进行布置，横向钢筋φ16@400mm进行布置，钢筋网及格栅网保护层厚度as＝30mm，单位宽度格栅网抗拉强度ft＝45kn,设计车轮荷载f＝100kn；
55.步骤三、通过步骤二的数据建立单位宽度路基路面刚度荷载模型(此时b＝1m，)，并根据路基路面荷载刚度模型(如图6)求得单位宽度路面最大弯矩m＝9560nm(如图7)；
56.步骤四、根据道路等级，确定荷载集中系数η,冲击系数γ；由于车轮实际作用于路面上的作用面较小，但在简化模型中却按照均布荷载施加在整个复合路面横截面上，所以计算得到路面弯矩之后，应将最大弯矩值乘荷载集中系数η(根据路面荷载等级而定，此时取1.6),冲击系数γ(规范建议取值1.4)；
57.步骤五、根据平截面假定，通过荷载集中系数η、冲击系数γ求得单位宽度格栅网抗拉强度
58.步骤六、根据计算得到的fm判定，若fm＝42kn＜ft＝45kn
t
，则设计通过；若fm＞ft，则对步骤2的参数进行重新设计，再进行步骤二-六设计。
59.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：

1.一种软土地基长寿命路面结构，包括从上往下依次设置的复合结构层、柔性基础、软弱路床，其特征在于：所述复合结构层包括混凝土面层、水稳基层、钢筋网、连接钢筋、格栅网；所述混凝土面层置于水稳基层上；所述水稳基层置于柔性基础上；所述钢筋网包括横向钢筋和纵向钢筋；所述横向钢筋置于混凝土面层上部，横跨路面；所述横向钢筋的两端沿混凝土面层侧面向下到达水稳基层上表面后再弯折形成水平段；所述横向钢筋有多个，沿路面长度方向间隔设置；所述纵向钢筋置于横向钢筋上，顺着路面长度方向铺设；所述纵向钢筋有多个，沿路面宽度方向间隔设置；所述连接钢筋为连续弯折钢筋，其上部置于混凝土面层内，其下部置于水稳基层内，顺着路面长度方向铺设；所述连接钢筋有多个，沿路面宽度方向间隔设置；格栅网置于水稳基层下部，其两端沿水稳基层侧面向上延伸并伸入混凝土面层，穿过横向钢筋的水平段，通过格栅锚固钢筋将格栅网与横向钢筋进行固定连接。2.根据权利要求1所述的软土地基长寿命路面结构，其特征在于，纵向钢筋间距250-350mm，横向钢筋间距250-450mm。3.根据权利要求1所述的软土地基长寿命路面结构，其特征在于：连接钢筋布置间距为500-600mm。4.根据权利要求1或5所述的软土地基长寿命路面结构，其特征在于：所述连接钢筋的弯折高度为250-300mm，其伸入混凝土面层的长度为8-15cm，其余部分埋设于水稳基层中。5.根据权利要求1所述的软土地基长寿命路面结构，其特征在于：所述格栅网与水稳基层的下表面及侧表面的距离为3-4cm。6.根据权利要求1或7所述的软土地基长寿命路面结构，其特征在于：所述格栅伸入混凝土面层7-13cm。7.根据权利要求1所述的软土地基长寿命路面结构，其特征在于：所述水平段的长度为100-150mm；所述格栅网为土工格栅；所述柔性基础为级配碎石层；所述软弱路床为石灰稳定土。8.一种设计权利要求1-9中任一所述的软土地基长寿命路面结构的方法，主要包括以下步骤：步骤一、根据检测及设计资料，得到路基弹簧刚度系数k；步骤二、初拟复合结构层混凝土面层厚度h
c
,水稳基层厚度h
b
，钢筋网及格栅网保护层厚度as，单位宽度格栅网抗拉强度f
t
,设计车轮荷载f；步骤三、建立单位宽度路基路面刚度荷载模型，并根据路基路面荷载刚度模型求得单位宽度路面最大弯矩m；步骤四、根据道路等级，确定荷载集中系数η,冲击系数γ；步骤五、根据平截面假定，求得单位宽度格栅网抗拉强度f
m
；步骤六、根据计算得到的f
m
判定，若f
m
＜f
t
，则设计通过；若f
m
＞f
t
，则对步骤2的参数进行重新设计，再进行步骤2-6设计。9.根据权利要求8所述的软土地基长寿命路面结构的设计方法，其特征在于：步骤三中，所述路基路面荷载刚度模型包括：地基弹簧支撑刚度为k，板的宽度b为1m，梁在厚度方
向分为两层，其中上层为混凝土板，厚度h
c
，弹性模量为e
c
；下层为水稳基层，厚度h
b
，弹性模量为e
b
，荷载大小为车轮荷载f。

技术总结

本发明公开了一种软土地基长寿命路面结构，其包括混凝土面层、水稳基层、钢筋网、连接钢筋、格栅网；混凝土面层置于水稳基层上；钢筋网包括横向钢筋和纵向钢筋；横向钢筋置于混凝土面层上部，横跨路面；其两端沿混凝土面层侧面向下到达水稳基层上表面后弯折形成水平段；纵向钢筋顺着路面长度方向铺设；连接钢筋为连续弯折钢筋，其上部置于混凝土面层内，其下部置于水稳基层内；格栅网置于水稳基层下部，其两端沿水稳基层侧面向上延伸并伸入混凝土面层，穿过横向钢筋的水平段，通过格栅锚固钢筋将格栅网与横向钢筋进行固定连接。本发明还提供一种软土地基长寿命路面结构的设计方法。本发明能提高软土地基的路基承载能力，提高路面结构使用寿命。结构使用寿命。结构使用寿命。