張 通（遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

水泥路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力及可靠度有限元分析

張 通
（遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

針對(duì)農(nóng)村水泥路面由于結(jié)構(gòu)參數(shù)、外部環(huán)境和承受交通荷載作用等因素的不確定性，引起道路使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，易發(fā)生開(kāi)裂、斷板等病害問(wèn)題，采用A N SY S分析軟件通過(guò)建立三維有限元模型，對(duì)造成路面破壞的行車(chē)荷載、路面結(jié)構(gòu)、厚度設(shè)計(jì)等指標(biāo)進(jìn)行了分析和數(shù)值模擬。結(jié)果表明：面板厚度是影響面板板底拉應(yīng)力的主要因素，從18cm提高到30cm，其受力從0.65MP a下降到0.28MP a，下降率57%，改善效果十分明顯。墊層厚度推薦設(shè)計(jì)取值為15～25cm，工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)越。

水泥路面；結(jié)構(gòu)可靠度；有限元

1 引言

公路工程在農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展中扮演非常重要的角色，尤其是“村村通”水泥路面公路工程的建設(shè)，帶動(dòng)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)農(nóng)村公路里程已達(dá)到367.84萬(wàn)km，全國(guó)通硬化公路的鄉(xiāng)鎮(zhèn)達(dá)到97.43%水泥路面具有設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)30年，壽命成本較高等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)縣、鄉(xiāng)公路中最主要的路面結(jié)構(gòu)形式之一。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)行養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)中，由于存在結(jié)構(gòu)不確定性、外部條件不明確性、設(shè)計(jì)與實(shí)際不匹配、重載碾壓、養(yǎng)護(hù)不到位、失養(yǎng)等自然因素和人為因素的共同作用，導(dǎo)致水泥路面往往投入10余年甚至幾年就發(fā)生開(kāi)裂、斷板等病害，工程質(zhì)量和使用壽命遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，對(duì)農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到許多特性的合理取值和力學(xué)模型的優(yōu)化，采用A N SY S有限元軟件對(duì)水泥路面結(jié)構(gòu)可靠度進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，經(jīng)敏感性分析確定水泥路面結(jié)構(gòu)的顯著因素和不顯著因素，從而為設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和施工管理控制提供準(zhǔn)確指導(dǎo)，并確定合理的運(yùn)養(yǎng)維管體系，避免路面可靠性不合理引起路面過(guò)厚造成浪費(fèi)或過(guò)薄縮短使用壽命，對(duì)提高水泥路面工程的壽命成本和確保路面具備預(yù)定功能，有非常重要的實(shí)踐應(yīng)用研究意義。

2 水泥路面結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

水泥路面結(jié)構(gòu)在優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)養(yǎng)維管過(guò)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、外部環(huán)境、荷載等因素的不確定性，均會(huì)影響水泥路面結(jié)構(gòu)的可靠度和壽命成本。在A N SY S有限元軟件中實(shí)現(xiàn)蒙特.卡羅統(tǒng)計(jì)模擬方法計(jì)算水泥路面的結(jié)構(gòu)可靠度，并分析在車(chē)載作用下，面板彈性模量、面層板厚、面層板長(zhǎng)、面層板寬、墊層彈性模量和墊層厚度等特性因素，對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力和可靠度的影響，實(shí)現(xiàn)水泥路面結(jié)構(gòu)和面板尺寸的優(yōu)化研究。

2.1 基本假設(shè)

由于受地質(zhì)條件的影響，水泥路面通常設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)，且按《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD 40-2011）要求，平面尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度尺寸。為了簡(jiǎn)化水泥路面的結(jié)構(gòu)分析，便于 ANSYS分析模型的建立，此處作幾條假定:（1）各結(jié)構(gòu)層施工材料均為同性連續(xù)彈性材料，其參數(shù)為常數(shù)；（2）結(jié)構(gòu)層垂直和水平方向分別呈有限和無(wú)限特性；（3）路面接觸面和各方向位移是完全連續(xù)，且不計(jì)水泥路面結(jié)構(gòu)的自重影響。

2.2 計(jì)算模型及荷載

水泥路面結(jié)構(gòu)計(jì)算有限元三維模型為矩形體，如圖1所示。路面平面尺寸為2×2m的水泥板，從上到下共設(shè)置水泥面層、石灰土和土基三層，其中:面層厚度20cm，石灰土基層厚度15cm，土基厚度115cm，各參數(shù)選取如表1所示。采用A N SY S自帶的So 1 i d45單元進(jìn)行計(jì)算，水泥路面結(jié)構(gòu)模型等效為8結(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 水泥路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型

圖2 水泥路面結(jié)構(gòu)有限元模型網(wǎng)格劃分

表1 水泥道路三層結(jié)構(gòu)特性參數(shù)

“村村通”公路工程重點(diǎn)在提高鄉(xiāng)村公路的通達(dá)深度、通行能力以及服務(wù)保障水平，路面以三級(jí)路標(biāo)準(zhǔn)為主，對(duì)于農(nóng)村一些偏遠(yuǎn)支線(xiàn)公路則按不低于四級(jí)路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，路面總體寬度不低于5米。在水泥路面結(jié)構(gòu)受力和可靠度進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，行車(chē)荷載應(yīng)以雙輪組單軸載100kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，以B Z Z-100表示。為了方便劃分A N SY S三維有限元模型網(wǎng)格，采用等效相似的方法進(jìn)行計(jì)算，即采用將輪胎與地面的接觸面等效成矩形的輪載P等效法，邊長(zhǎng)L=0.2m，通過(guò)計(jì)算得到接觸面壓力值大小為0.625MP a。在《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（J T G D 40-2011）中要求選擇縱向邊緣中部作為最不利荷載工況（或臨界荷位）進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)A NSY S有限元軟件計(jì)算獲得X方向應(yīng)力云圖及z為向位移云圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 X方向應(yīng)力云圖

圖4 z方向位移云圖

從圖3和圖4可知，水泥路面在最不利荷載工況下其最大拉應(yīng)力發(fā)生在荷載下方的集流面面板板底，而最大壓應(yīng)力及最大位移則發(fā)生在荷載作用點(diǎn)處。

3 水泥路面可靠度影響因素的數(shù)值模擬

由于水泥為脆性材料，在車(chē)載外力作用下，肉眼幾乎難以發(fā)現(xiàn)變形即發(fā)生開(kāi)裂、斷板等病害［3］。水泥路面面層底層主要受拉應(yīng)力破壞，一旦此拉應(yīng)力超過(guò)水泥車(chē)載下的極限彎拉應(yīng)力，就會(huì)對(duì)路面造成破壞。

3.1 面板彈性模量對(duì)面板底拉應(yīng)力的影響

為分析荷載工況下面板彈性模量對(duì)面板底荷載拉應(yīng)力的影響，取彈性模量E=300～1000MP a，其余特性參數(shù)保持不變進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:隨著水泥路面面板彈性模量的增大，板底最大拉應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，增長(zhǎng)率不斷變緩。當(dāng)彈性模量較小時(shí)，每增大100MP a板底拉應(yīng)力增長(zhǎng)約12%；而當(dāng)彈性模量較大時(shí)，每增大200MP a板底拉應(yīng)力增長(zhǎng)約10%。變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 面板底最大拉應(yīng)力隨彈性模量的變化

3.2 面板厚、長(zhǎng)、寬對(duì)面板底拉應(yīng)力的影響

其余特性參數(shù)保持不變的條件下，按照公差為2cm的等差數(shù)列對(duì)18～30cm厚的水泥面板進(jìn)行模擬，其結(jié)果表明:隨著水泥路面面板板厚的增加，板底的最大拉應(yīng)力呈下降趨勢(shì)。水泥路面板厚從18cm增加到30cm時(shí)，板底拉應(yīng)力從0.65MP a下降到0.28MP a，下降率達(dá)57%。詳見(jiàn)圖6所示。

圖6 面板底最大拉應(yīng)力隨面板厚的變化

同理，按照公差為1m的等差數(shù)列對(duì)2～6m長(zhǎng)和寬的水泥板進(jìn)行模擬，其結(jié)果表明:隨著水泥路面面板板長(zhǎng)和板寬的增大，板底最大拉應(yīng)力總趨勢(shì)在減小，但幅度較小，對(duì)面板底拉應(yīng)力改善效果不明顯。

3.3 墊層彈性模量和厚度對(duì)面板底拉應(yīng)力的影響

取墊層彈性模量E=300～1100MP a或墊層厚度h=5～45cm，其余特性參數(shù)保持不變的條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明:隨著墊層模量和厚度的增大，水泥路面面板底最大拉應(yīng)力呈減弱趨勢(shì)，但減小率逐漸降低。墊層模量每增大200MP a，板底最大拉應(yīng)力平均減小幅度約5%；當(dāng)墊層厚度增大到一定值時(shí)，水泥路面面板底拉應(yīng)力降低幅度變小，改善效果不明顯。水泥路面公路墊層厚度推薦設(shè)計(jì)值為15～25cm時(shí)，工程的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)越。

4 結(jié)論

針對(duì)農(nóng)村水泥路面由于結(jié)構(gòu)參數(shù)、外部環(huán)境和承受交通荷載作用等因素的不確定性，引起道路使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，易發(fā)生開(kāi)裂、斷板等病害問(wèn)題，采用A N SY S分析軟件通過(guò)建立三維有限元模型，對(duì)造成路面破壞的行車(chē)荷載、路面結(jié)構(gòu)、厚度設(shè)計(jì)等指標(biāo)進(jìn)行了分析和數(shù)值模擬。結(jié)果表明:面板厚度是影響面板板底拉應(yīng)力的主要因素，從18cm提高到30cm，其受力從0.65MP a下降到0.28MP a，下降率57%，改善效果十分明顯。墊層厚度推薦設(shè)計(jì)取值為15～25cm，工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)越。

采用A N SY S有限元軟件構(gòu)建了接地壓力與荷載作用范圍統(tǒng)一變化的矩形水泥路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，經(jīng)模型分析和數(shù)值模擬得到以下結(jié)論:

（1）水泥路面在最不利荷載工況下其最大拉應(yīng)力發(fā)生在荷載下方的集流面面板板底，而最大壓應(yīng)力及最大位移則發(fā)生在荷載作用點(diǎn)處。

（2）面板彈性模量對(duì)面板底拉應(yīng)力呈同向增長(zhǎng)或減弱趨勢(shì)；面板厚對(duì)面板板底拉應(yīng)力影響較大，提高水泥路面板厚度對(duì)增強(qiáng)路面承載力的效果非常明顯。面板長(zhǎng)、寬對(duì)面板板底拉應(yīng)力影響不大。墊層彈性模量及厚度也能改善水泥路面面板底拉應(yīng)力，結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)性，墊層厚度推薦設(shè)計(jì)取值為15～25cm。

由于水泥路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力及可靠度，不僅是單一的隨機(jī)變量同時(shí)還具有隨機(jī)場(chǎng)的性質(zhì)，在后期計(jì)算模擬過(guò)程中應(yīng)考慮板底地基空間隨機(jī)分布特性條件下的路面結(jié)構(gòu)和可靠度，確保水泥路面抗永久變形能力更符合工程實(shí)際。

［1］云清.2012年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)年報(bào)（公路部分）［J］.商用汽車(chē)，2013（09）.

［2］遼寧日?qǐng)?bào).遼寧今年維修改造4000公里農(nóng)村公路［EB/OL］.http://www.Xinhuanet.com/c hinanews/2011-05/01/content_22659377.htm.

［2］趙毅，翟曉靜，郝曉龍.重載作用下瀝青混凝土路面永久變形有限元分析［J］.公路，2013（04）.

［3］陳富堅(jiān)，黃世斌，包惠明.水泥混凝土路面的工后可靠度及其計(jì)算方法［J］.工程力學(xué)，2010，27（S1）.

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：A

：1672-2469（2015）03-0093-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.032

張 通（1989年—），男，助理工程師。