季節(jié)性凍土地區(qū)公路路面抗凍設(shè)計(jì)

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路的建設(shè)越來(lái)越多。但在季節(jié)性凍土地區(qū)公路路面工程冰凍損害仍比較普遍，為了延長(zhǎng)公路路面的使用壽命，就需要加強(qiáng)季節(jié)性凍土地區(qū)公路路面的抗凍設(shè)計(jì)，本文就路面在凍脹力作用下的抗凍設(shè)計(jì)和路面防凍層厚度的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入分析，希望能為以后類似的設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】季節(jié)性；凍土地區(qū)；路面；抗凍；設(shè)計(jì)

1、季節(jié)性凍土

地表層土冬季凍結(jié)，夏季全部融化的土叫季節(jié)性凍土，這些地區(qū)叫季節(jié)性凍土地區(qū)，簡(jiǎn)稱季凍土和季凍區(qū)。

目前冬季凍土地區(qū)公路路面冰凍損害現(xiàn)象比較普遍，季節(jié)性凍土地區(qū)公路路面冰凍出現(xiàn)損害現(xiàn)象主要是由于路基凍脹使得路面產(chǎn)生不均勻的隆起，以此導(dǎo)致了路面的開裂，其公路暢通和使用壽命受到影響，為有效防止或者減少冰凍損害現(xiàn)象的發(fā)生，就需要對(duì)公路工程進(jìn)行抗凍設(shè)計(jì)計(jì)算。本文主要根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》與《公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對(duì)路面抗凍設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)的分析。

2、路面在凍脹力作用下的抗凍設(shè)計(jì)

凍脹是季節(jié)性凍土地區(qū)公路發(fā)生冰凍損害現(xiàn)象主要原因之一，其主要是受路基的影響，路面各處損害現(xiàn)象會(huì)隨著路基各處土質(zhì)的不同、密實(shí)度不同和含水量不同而不一樣。路面在不均勻凍脹力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的破壞和變形。

采用簡(jiǎn)支梁的受力計(jì)算方法來(lái)計(jì)算路面材料不同凍脹力作用下的應(yīng)變值，在進(jìn)行受力分析時(shí)，所取的路面橫向?qū)挵鍖挒?米，將其簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁，其所受的力為均勻荷載，然后再建立力學(xué)模型，根據(jù)具體情況將路面產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力計(jì)算出來(lái)，如下圖所示：

簡(jiǎn)支梁在均勻的荷載作用下其撓度f(wàn)和應(yīng)力σ計(jì)算公式分別如下：

從（4）式可以得出，材料在不均勻凍脹力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變指比路面材料的容許應(yīng)變值[εR]要小，且其大小還受路面寬度和路面厚度的影響。

式中：E為路面材料彈性模量；b為路面橫向?qū)挾龋籌為截面對(duì)中性軸的慣性矩；其中εs是路面材料彎曲拉應(yīng)變，是根據(jù)試驗(yàn)來(lái)確定的；Zj為路基總凍脹值；ε為路面材料因路基凍脹產(chǎn)生的應(yīng)變；ξ為路面不均勻凍脹系數(shù)，二級(jí)公路取0.15，一級(jí)和高速公路則取0.2；k為路面材料安全系數(shù)，其取值是根據(jù)材料均勻性、試驗(yàn)條件和公路等級(jí)取1.05到1.1；路面計(jì)算寬度為Bk，二級(jí)以下和二級(jí)公路一般取全寬，一級(jí)、高速公路則取的是半幅寬，多車道取得是最大值12米；Hi為路面設(shè)計(jì)厚度。

對(duì)于水泥混凝土路面和半剛性基層瀝青路面則需要進(jìn)行基層材料凍脹力作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)變驗(yàn)算。

3、路面防凍層厚度設(shè)計(jì)

在進(jìn)行防凍層設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定該類路面面層材料在負(fù)溫下的極限相對(duì)延伸度，（將其作為設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)）；其次應(yīng)求出在這一設(shè)計(jì)指標(biāo)下的土基允許凍結(jié)深度，以及按熱傳導(dǎo)理論計(jì)算出依強(qiáng)度要求所確定的路面結(jié)構(gòu)下的土基實(shí)際冰凍深度。然后將與二進(jìn)行比較，當(dāng)>時(shí)，則需要增設(shè)防凍層。所需要的防凍層厚度故，可按傳熱理論進(jìn)行推導(dǎo)。

3.1土基允許凍深的近似計(jì)算

在路基水溫及土質(zhì)條件相同的情況下，路面凍脹變形的程度主要決定于土基凍深的大小。現(xiàn)假設(shè)路面開始凍脹時(shí)，土基的凍深為，路面這時(shí)所產(chǎn)生的相對(duì)延伸度設(shè)為，但應(yīng)≈0，路面結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度所能承受的土基不均勻凍脹力使路面產(chǎn)生的相對(duì)延伸度設(shè)為，這時(shí)對(duì)應(yīng)的土基所增加的凍深為Zb。如果路面發(fā)生損害裂縫，那么就需要滿足 +≤這個(gè)條件了。但由于≈0，則≤。這時(shí)十Zb就為相應(yīng)的土基總凍深，即為土基允許凍結(jié)深度，用=十Zb表示。

根據(jù)路基凍深與凍脹和路面凍脹變形表達(dá)式的關(guān)系，l=Z·K（其中：l為凍脹量，Z是凍結(jié)深度，K是土的凍脹率，），經(jīng)整理與代換則可得出的近似計(jì)算式）：

式中：為路面結(jié)構(gòu)的容重（公斤/立方米）；H為按強(qiáng)度要求計(jì)算出的路面厚度（米）；E為路面結(jié)構(gòu)的凍結(jié)模量（公斤/立方米）；L為路面寬度（米）；其他意義同前。

3.2土基實(shí)際冰凍深度的近似計(jì)算

根據(jù)上述路面結(jié)構(gòu)材料的熱物理性質(zhì)可以看出，在其他條件相同的情況下，由于路面結(jié)構(gòu)不同，其土基冰凍深度也有所差異。因此，本文應(yīng)用傳熱理論，近似地將路面?zhèn)鳠崆闆r，視為多層平壁的一維穩(wěn)定傳熱過(guò)程，在這一前提下，推導(dǎo)出了土基實(shí)際冰凍深度的近似計(jì)算式。其中假設(shè)路面是由隔熱材料組成，在冬季通過(guò)路面放散的熱量為，大地放散的熱量為，按上述假設(shè)則≤。根據(jù)傳熱學(xué)原理，，其中（△T為兩點(diǎn)的溫差，RL為路面結(jié)構(gòu)和土基的熱阻抗；。

在已凍結(jié)的道路路面，其表面溫度設(shè)為TS：（TS：一般按當(dāng)?shù)刈罾湓碌钠骄鶜鉁厝≈担?，土基凍結(jié)線的溫度設(shè)為T。，地中某深度處的溫度值接近恒溫，以TH表示，則、又可寫成，。根據(jù)≤，則可得出下列關(guān)系式：

式中：h1、h2—分別為路面各結(jié)構(gòu)層的厚度（米）；—為土基實(shí)際凍結(jié)深度（米）；he—為大地凍結(jié)線至恒溫線的深度（米）；λ1、λ2—分為別路面相應(yīng)各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)（千卡/米·時(shí)·度）；λz—為凍結(jié)土基的導(dǎo)熱系數(shù)（千卡/米·時(shí)·度）；λd、λe—分別為大地土質(zhì)的凍結(jié)部分和未凍部分的導(dǎo)熱系數(shù)（千卡/米·時(shí)·度）。

將（3）、（4）二式代入（2）式，經(jīng)整理代換并簡(jiǎn)化后，得出土基實(shí)際凍結(jié)深度hz，的近似計(jì)算式：

式中：—大地表面至恒溫線范圍之間的凍結(jié)與未凍土層的導(dǎo)熱系數(shù)平均值（千卡./米·時(shí)·度）；—路面各結(jié)構(gòu)層材料導(dǎo)熱系數(shù)的加權(quán)平均值（千卡/米·時(shí)·度）。

3.3路面防凍層厚度的計(jì)算

按上述熱傳導(dǎo)原理將（2）式中R：改換為：

式中：λk—防凍層材料的導(dǎo)熱系數(shù)（千卡/米·時(shí)·度）。

將（6）式代入（2）式，經(jīng)整理可得出防凍層厚度的近似計(jì)算式：

式中各項(xiàng)意義同前。

4、結(jié)束語(yǔ)

季節(jié)性凍土地區(qū)的公路設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，為減少季節(jié)性凍土地區(qū)公路在凍脹作用下產(chǎn)生的破壞，在設(shè)計(jì)中我們要綜合考慮，地質(zhì)，氣象，水文環(huán)境等。再根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。