宋煥宇

(平頂山市公路管理局，河南 平頂山 467000)

農(nóng)村公路雖然設計交通量較低，但實際損害現(xiàn)象也非常嚴重，很多農(nóng)村公路早期損害顯著。造成這種現(xiàn)象的原因很多，有結(jié)構(gòu)設計的原因，有材料設計的原因，也有荷載超載的原因。本文針對農(nóng)村公路中典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)和水泥路面結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析，著重探討車輛荷載作用下路面的結(jié)構(gòu)性能。

1 湖北省農(nóng)村公路典型路面結(jié)構(gòu)

湖北省在長期的農(nóng)村公路建設中積累了豐富的實踐經(jīng)驗，形成了一些典型的農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)型式［1～5］。這些路面結(jié)構(gòu)經(jīng)濟實用，符合本地的施工工藝水平。湖北省農(nóng)村公路的路面結(jié)構(gòu)形式主要包括面層和基層，只有少數(shù)設置了墊層，有的地區(qū)基層又細分為基層和底基層。其中，面層包括如下幾種類型:水泥混凝土、瀝青混凝土、瀝青表處、瀝青貫入;基層(底基層)包括如下幾種類型:水泥穩(wěn)定碎石、級配碎石、填隙碎石、石灰或水泥穩(wěn)定土、石灰穩(wěn)定砂礫、水泥穩(wěn)定石屑、石灰土、石灰土碎石。

本文路面結(jié)構(gòu)分析包括兩個階段，從湖北省典型農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)中優(yōu)選一種結(jié)構(gòu)，第二階段，對優(yōu)選的結(jié)構(gòu)進行進一步的優(yōu)化，最終確定面層厚度或基層厚度。其中，瀝青路面首先確定基層厚度，然后在基層厚度確定的情況下優(yōu)化其面層厚度;水泥路面首先確定其面層厚度，再在此基礎(chǔ)上確定其基層厚度。

根據(jù)對湖北省農(nóng)村公路的調(diào)查研究，第一階段兩組路面結(jié)構(gòu)如表1和表2所示。

表1 瀝青混凝土路面典型路面結(jié)構(gòu)

表2 水泥混凝土路面典型路面結(jié)構(gòu)

2 有限元模型的建立

鑒于農(nóng)村公路的特殊性，根據(jù)對湖北省農(nóng)村公路交通組成的調(diào)查研究，結(jié)合國內(nèi)外同類型路面研究成果，以及建模方便，荷載選用均布荷載，平均軸載P=61 kN［6］。選用ADINA 8.3進行路面結(jié)構(gòu)分析［7］。

本文建模采用典型的層狀彈性體系，假定各層都是均質(zhì)各向同性的彈性材料，不考慮結(jié)構(gòu)自重的影響，為更好的模擬空間半無限體［8］，土基在水平方向和向下的深度方向均為無限，整個路面結(jié)構(gòu)層的水平方向位移為零。寬度方向為Y軸，深度方向Z軸。路面結(jié)構(gòu)計算模型見圖1。

圖1 農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)計算模型

根據(jù)規(guī)范要求對相關(guān)材料的試驗確定，不失一般性，并更好地反映試驗段的力學性能，計算模型中各結(jié)構(gòu)層彈性模量均按試驗路實際參數(shù)取值。AC-13的彈性模量為1450MPa，2%水泥穩(wěn)定粒料的彈性模量為800MPa，3%水泥穩(wěn)定粒料的彈性模量為1300MPa，二灰土的彈性模量為550MPa。取路基和瀝青面層的泊松比為0.35，水泥面層泊松比為0.2，水泥穩(wěn)定層的泊松比為0.2，層間摩擦系數(shù)取0.5。

選用ADINA 8.3 2-D Solid Plane Stress進行路面輪載應力的計算。經(jīng)過收斂性分析，路面結(jié)構(gòu)共劃分為9400個單元，37989個節(jié)點，如圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

3 瀝青路面結(jié)構(gòu)分析

3.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)第一階段結(jié)構(gòu)分析

3.1.1 路表彎沉的影響

荷載作用下路表的各向位移曲線如圖3，為了得到準確的彎沉值，這里取兩輪中心處節(jié)點在荷載作用下的豎向位移作為路表計算彎沉值。分析結(jié)果如圖4所示。

圖3 垂直荷載作用下的豎直方向位移云圖

圖4 路表彎沉

從圖4可以看出，對于擬訂軸載61kN，不同的路面結(jié)構(gòu)下，彎沉值的變化方式并不是完全按照基層厚度線性變化;對于結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B，路表彎沉值明顯較其它結(jié)構(gòu)類型高。

3.1.2 各層層底最大主應力的影響

基層底面最大的主應力和底基層底面的最大主應力的值如圖5所示。

圖5 面層和基層層底最大主應力

從圖5可以看出，層底的最大主應力隨結(jié)構(gòu)層厚度變化而變化。不同路面結(jié)構(gòu)基層底面的最大主應力變化曲線相差不大。D結(jié)構(gòu)的面層底最大主應力最小。E結(jié)構(gòu)雖然面層較厚，但是對面層底最大主應力的改善貢獻不顯著。

3.1.3 土基頂面最大壓應變

土基頂面最大壓應變計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 土基頂面最大壓應變

由圖6可以看出，結(jié)構(gòu)D的土基頂面最大壓應變最小。

3.1.4 底基層底面的最大彎拉應力

計算所得的底基層層底最大彎拉應力如圖7所示。

圖7 底基層的最大彎拉應力

由圖7可以看出，結(jié)構(gòu)D的底基層層底最大彎拉應力最小。

綜合路表彎沉、各層層底最大主應力、土基頂面的最大應變和底基層底的最大彎拉應力的分析結(jié)果，推薦D結(jié)構(gòu)類型為最合理基層厚度，由此在下一階段繼續(xù)確定瀝青路面結(jié)構(gòu)的面層厚度。

3.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)第二階段結(jié)構(gòu)分析

由于第一階段確定了基層承載力D結(jié)構(gòu)類型最為合理，本階段采用有限元方法，對不同面層厚度的結(jié)構(gòu)進行分析，比較分析結(jié)果，確定面層厚度?？紤]到路面面層厚度變化對彎沉值等其它指標的影響不會太大，確定面層厚度主要以面層層底最大彎拉應力為要參考依據(jù)。

第二階段路面結(jié)構(gòu)建模如表3所示，在基層、底基層保持不變的情況下，對面層厚度進行優(yōu)化。

通過數(shù)值分析，得出以上五種面層厚度下，面層層底最大彎拉應力如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著面層厚度的增加，面層的層底最大彎拉應力減小。面層層底的最大彎拉應力在D1結(jié)構(gòu)和D3結(jié)構(gòu)之間的減小幅度非常顯著，而在D3結(jié)構(gòu)后減小幅度相對較小。因此，考慮到經(jīng)濟性，推薦D3路面結(jié)構(gòu)為最合理面層厚度。

表3 瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)

圖8 面層底最大彎拉應力

4 水泥路面的路面結(jié)構(gòu)分析

4.1 水泥路面結(jié)構(gòu)第一階段結(jié)構(gòu)分析

4.1.1 路表彎沉的影響

水泥路面數(shù)值分析的路表彎沉計算結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，對于擬訂軸載61kN，不同的路面結(jié)構(gòu)下，彎沉值的變化范圍雖然不是很大，但是基本顯示出彎沉與面層厚度的對應關(guān)系，即面層厚度增加，彎沉有少量減少。

4.1.2 土基頂部的最大壓應變

水泥路面數(shù)值分析的土基頂部的最大壓應變結(jié)果如圖10所示。

圖10 土基頂部最大壓應變

從圖10可以看出，對于擬訂軸載61 kN，不同的路面結(jié)構(gòu)下，土基頂面的最大壓應變的變化范圍雖然不是很大，但是基本顯示出土基頂部的最大壓應變與面層厚度的對應關(guān)系，即面層厚度增加，土基頂部的最大壓應變有少量減少。

綜合路表彎沉和土基頂面的最大壓應變的分析結(jié)果，推薦d結(jié)構(gòu)類型為最合理面層厚度，由此在下一階段繼續(xù)確定水泥路面結(jié)構(gòu)的基層厚度。

4.2 水泥路面結(jié)構(gòu)第二階段結(jié)構(gòu)分析

第一階段確定了面層結(jié)構(gòu)為d種路面結(jié)構(gòu)最為合理，因此在第二階段主要確定路面基層厚度，而路面基層厚度的確定主要參考參數(shù)為彎沉值和基層層底最大彎拉應力。

第二階段建模路面結(jié)構(gòu)如表4。在面層保持不變的情況下，對基層厚度進行優(yōu)化。各結(jié)構(gòu)面層層底最大彎拉應力、彎沉結(jié)果見圖11、圖12。

表4 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)

圖11 基層層底最大彎拉應力

圖12 路面彎沉

由圖11、圖12可發(fā)現(xiàn)，基層的層底最大彎拉應力基本上是隨著基層的厚度增加而增加的，d1結(jié)構(gòu)和d3結(jié)構(gòu)之間的應力跨度比較大，而d3種結(jié)構(gòu)之后的應力跨度比較小，而彎沉值的變化也不是很明顯，由此通過這兩種參數(shù)的比較，在安全性和經(jīng)濟性的角度考慮，我們推薦d3種路面結(jié)構(gòu)的基層為最合理基層厚度。

由圖11可以看出，隨著基層厚度的增加，基層的層底最大彎拉應力基本上呈增大趨勢?；鶎拥膶拥鬃畲髲澙瓚υ赿1結(jié)構(gòu)和d3結(jié)構(gòu)之間的增大幅度非常顯著，而在d3結(jié)構(gòu)后增大幅度相對較小。圖12可以看出，彎沉值的變化隨基層類型的變化逐漸減小。因此，考慮到經(jīng)濟性，推薦d3路面結(jié)構(gòu)為最合理面層厚度。

5 結(jié)語

本文通過對低交通量道路典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真分析，以湖北省典型農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對各種結(jié)構(gòu)的性能進行了比較，并在此基礎(chǔ)上，對農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，確定了低交通量農(nóng)村公路瀝青路面和水泥路面的典型路面結(jié)構(gòu)形式。為今后湖北省農(nóng)村公路的建設提供了力學依據(jù)，為又好又快地建設湖北省農(nóng)村公路提供了技術(shù)支持。

［1］宋學文，張紅艷，馮 曉.農(nóng)村公路研究現(xiàn)狀綜述［J］.重慶交通學院學報，2005，24(3):77-79.

［2］何曉鳴，董越英.農(nóng)村公路普及與規(guī)劃深度發(fā)展預測［J］.武漢工業(yè)學院學報，2005，24(3):78-81，96.

［3］劉新華.對黃岡市農(nóng)村公路建設的思考［J］.中國工程咨詢，2005，(8):34.

［4］孫忠玉，胡仁喬，張鄉(xiāng)生.影響農(nóng)村公路水泥砼路面使用壽命的主要因素及對策［J］.交通科技，2006，(1):47-49.

［5］劉 燕，劉禮剛.農(nóng)村公路建設管理養(yǎng)護科學合理化對策思考［J］.山西建筑，2011，37(2):124-126.

［6］韓瑞民，王秉綱.農(nóng)村公路薄層水泥混凝土路面板尺寸確定［J］.公路，2009，(4):74-76.

［7］岳 戈，陳 權(quán).ADINA應用基礎(chǔ)與實例詳解［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［8］JTG D30-2004.公路路基設計規(guī)范［S］.