水泥混凝土路面在路基路面协调变形中的设计方法

2015-01-01

江西建材 2015年2期

1 路基路面三维有限元分析模型的建立

由于路面接缝的存在，会破坏水泥混凝土路面的整体性，基于路基路面协调变形和路面结构的非对称性，本文建立了路基路面的三维有限元分析模型来对路面设计问题进行分析。在该三维有限元分析模型中，在路面面层板四周、基层与路基侧面，以及路基底面均设置有位移值为零的法向约束。[1]综合考虑到路基分析尺寸以及水泥混凝土路面基层超宽尺寸对分析结果的影响，本文所采用的水泥混凝土路面的材料与结构参数，详见下表1所示。

表1 水泥混凝土路面材料与结构参数表

同时，本文还采用了正交试验设计方法，对水泥混凝土路面的相关设计参数进行组合，以此分析路面结构参数对路基路面协调变形的影响。在正交试验中，对面层厚度、基层厚度、底基层厚度、面层模量、基层模量以及路基模量这六个结构参数量分别设计了5种考察水平，详见下表2所示。

表2 水泥混凝土路面结构正交试验的考察因素和水平设置

对上表2中的结构参数量和考察水平进行参数组合和方差分析。在显著性水平为0.05的条件下，当进行板底弯拉应力试验指标的方差分析时，只有路基模量具有显著性;当进行路基工作区深度试验指标的方差分析时，只有面层厚度具有显著性。由此可知，以上6个结构考察因素中，只有路基回弹模量、路面面层板厚度这两个因素对路基应力有着明显的影响。因此，应在混凝土路面设计时尽量弱化其它结构参数指标，而应当将路基模量与面层厚度作为路面设计的重点进行考虑。

2 路基工作区深度的确定

近年来，随着我国交通事业的迅速发展，路面出现重载乃至超重载的情况时有发生，路基工作区的深度必然会加深。[2]由于路基工作区深度范围内土体的稳定性以及强度，对于整个路面结构的稳定性以及行车安全都有着重要的影响。因此，必须对路基工作区深度进行重新划定，这对于当前指导水泥混凝土路面正确和有效的设计有着重要的意义。

通过上文中的正交试验分析可知，当进行路基工作区深度试验指标的方差分析时，只有面层厚度具有显著性。在下图1中，即为不同路面厚度时的路基工作区深度。从右图1中可以看出，不同路面厚度对路基工作区深度有着较大的影响。当车辆荷载应力与路基自重应力比值为0.1时，路基工作区深度在2.1 ～2.6m 之间;当车辆荷载应力与路基自重应力比值为0.2时，路基工作区深度在1.0～1.4m之间。同时，还可看出在路基的浅层约0～1.5m的范围以内，其荷载压应力的变化幅度很大，而随着路基深度的不断增加，荷载压应力变化幅度会逐渐减少。

图1 不同路面厚度时的路基工作区深度示意图

3 路面的疲劳寿命分析

考虑到水泥混凝土路面设计中的各因素，对路面结构所造成的最终影响都反映为路面的损坏，而路面损坏多属于疲劳损坏。因此，本文还分析和探讨了面层厚度与路基模量这两个结构设计因素，对路面疲劳寿命的影响。

3.1 面层厚度对路面疲劳寿命的影响

在右图2中，即为不同水泥混凝土路面厚度时的应力应变情况。从图中可看出，当路面厚度由18cm提高到32cm时，路面的压应力会逐渐2200KPa降低到1400KPa。这是因为面层板具有较好的刚度与荷载扩散性，当面层厚度增加时，也会相应的改善路基与基层的受力情况。

图2 不同水泥混凝土路面厚度时的应力应变

在右图3中，即为不同面层厚度与路面疲劳寿命的变化曲线。从图中可以看出，当面层厚度增加时，面层板底的拉应力降低，水泥混凝土路面的疲劳寿命次数增加，并呈现为明显的非线性关系。而且在面层较薄部位(18～22cm)，疲劳寿命次数增长幅度较小;随着面层厚度的增加(22～34cm)，疲劳寿命次数增长幅度也逐渐加大。由此也可得出，路面面层板厚度的增加能明显提高路面的疲劳寿命。

图3 不同面层厚度与路面疲劳寿命的变化曲线

3.2 路基模量对路面疲劳寿命的影响

图4 不同路基模量与路面疲劳寿命的变化曲线

在右图4中，即为不同路基模量与路面疲劳寿命的变化曲线。从图中可以看出，当路基模量逐渐由30MPa增加到80MPa的过程中，水泥混凝土板的底拉应力降低，路面疲劳寿命提高，并表现为明显的非线性变化关系。而且当路基回弹模量较小(30～40MPa)时，路面疲劳寿命的增长幅度较小;当路基回弹模量较大(40～80MPa)时，路面疲劳寿命的增长幅度也变得更为明显。由此可知，路基回弹模量的增加能明显提高路面的疲劳寿命。

综合以上分析结论，在重载和超载的交通条件下，可以通过增加水泥混凝土路面的面层厚度与路基弹性模量，来实现路面疲劳寿命的增加。但是综合考虑到经济因素、结构受力要求等多方面因素，在路面设计时并不宜过于追求过高的路基弹性模量和过厚的路面面层板。[3]笔者参考多方面研究资料，并结合经济因素和上述分析结果，建议路基回弹模量适应控制在40～80MPa之间，而路面面层板厚度则应控制在28～30cm为宜。