摘要：碾壓式混凝土基層的主要優(yōu)點是強度高、干縮率小、耐久性好、提高工效、提早通車。本文嘗試采用碾壓混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計和制造具有較長壽命的高速公路路面結(jié)構(gòu)，來解決高溫、多雨地區(qū)重載交通作用下的路面耐久性問題。采用有限元方法分析了碾壓混凝土基層瀝青路面路面荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力。研究指出，碾壓混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計的極限狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；碾壓混凝土；荷載應(yīng)力；溫度應(yīng)力

中圖分類號：U41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

碾壓混凝土是以級配集料和較低的水泥用量與用水量，以及摻合料和外加劑等組成的超干硬性混凝土拌和物，經(jīng)振動壓路機等機械壓密而形成的一種混凝土[1]。碾壓式混凝土基層的主要優(yōu)點是強度高、干縮率小、耐久性好、提高工效、提早通車。特別適用于南方多雨潮濕地區(qū)的特重交通量下高速公路路面基層。碾壓混凝土可采用間歇式或連續(xù)式拌和機拌和，自卸車運料，瀝青混合料或水穩(wěn)基層混合料攤鋪機攤鋪、振動壓路機和輪胎壓路機碾壓，按此施工組織的工效可較普通水泥混凝土提高2倍左右[2]。若能采用碾壓混凝土作為瀝青路面的基層，則能夠顯著提高路面結(jié)構(gòu)強度，減薄瀝青路面厚度，而且能夠充分利用當(dāng)?shù)夭牧希蟠蠼档透咚俟返慕ㄔO(shè)成本，延長高速公路的服務(wù)年限[3]。

因此，嘗試采用碾壓混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計和制造具有較長壽命的高速公路路面結(jié)構(gòu)，來解決高溫、多雨地區(qū)重載交通作用下的路面耐久性問題。

1荷載應(yīng)力分析

先計算標(biāo)準(zhǔn)軸載在有瀝青加鋪層的RCC路面板臨界荷位的荷載應(yīng)力σps。然后計算考慮設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計疲勞作用、接縫傳荷能力的應(yīng)力折減作用以及偏載和動載等因素影響的荷載疲勞應(yīng)力σpr。

1.1結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計參數(shù)

碾壓混凝土基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)層厚度根據(jù)工程應(yīng)用的實際情況擬定，材料的彈性模量、泊松比，采用規(guī)范推薦的數(shù)值進行有限元分析，各結(jié)構(gòu)層主要參數(shù)如表1所示。

1.2荷載應(yīng)力分析模型

采用有限元法對基于碾壓混凝土基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)進行三維分析，碾壓混凝土基層與下基層之間設(shè)為完全連續(xù)狀態(tài)，各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體。

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型圖2 荷載作用位置

1.3軸載與結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)系

現(xiàn)代交通中普遍存在超載現(xiàn)象，而路面結(jié)構(gòu)在超載的作用下會加速破壞，為了研究軸載對碾壓混凝土基層結(jié)構(gòu)受力的影響，在計算中軸載從100kN～240kN進行變化，按20KN遞增，計算結(jié)果如表2所示。

從計算結(jié)果可以看到，隨著軸載的增大， RCC層底部應(yīng)力σ1、σe及τmax也隨之增大，基本為線性關(guān)系。當(dāng)軸載從100KN增加到200KN時，應(yīng)力基本上增大了2倍，σe、τmax和σ1分別增大了0.593MPa、0.336MPa和0.474MPa，這對路面結(jié)構(gòu)的破壞是比較嚴(yán)重的。因此，在碾壓混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，應(yīng)當(dāng)重視軸載的影響，并嚴(yán)格限制重載、超載車輛的行駛。

1.4 RCC層厚與結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)系

碾壓混凝土基層厚度是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)，碾壓混凝土基層厚度從14cm～28cm，按2cm遞增。計算結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，RCC層底部應(yīng)力隨RCC層厚度的增大而減小，RCC層厚度每增加2cm，RCC層底部σe、τmax和σ1減小幅度為6.5%左右。因此，在滿足強度、結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工工藝條件的前提下，可適當(dāng)減薄RCC層的厚度，以取得一定的經(jīng)濟效益，RCC層厚度取為18cm～24cm較為合適。

1.5 AC層厚與結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)系

當(dāng)碾壓混凝土基層厚度一定時，瀝青面層越厚，荷載傳遞到瀝青層底的應(yīng)力就越小，為分析瀝青層厚度與對結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分布的影響，保持碾壓混凝土基層厚度為定值，研究瀝青面層厚度變化對路面結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力的影響，瀝青面層厚度從8cm～22cm，按2cm遞增。計算結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?， RCC層底部應(yīng)力均隨AC層厚度的增加而減小， AC層厚度每增加2cm，RCC層底部σe和τmax減小4.0%左右。當(dāng)AC層厚度從8cm增加到22cm時，RCC層底的σe、τmax和σ1分別減小了24.1%、24.5%和19.6%。瀝青面層厚度的增加可以有效減小整個路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

1.6下基層厚度與結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)系

路面結(jié)構(gòu)中下基層采用是水泥穩(wěn)定級配碎石，為了分析下基層厚度對路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，保持其他參數(shù)不變，下基層厚度從14cm～28cm，按2cm遞增。計算結(jié)果如圖3?？梢钥闯觯?RCC層底部應(yīng)力隨下基層厚度的增大變化較大，當(dāng)下基層厚度從14cm增大到28cm時，RCC層底部σe、τmax和σ1從0.462MPa、0.262MPa和0.373MPa減為0.388MPa、0.219MPa和0.302MPa，減小幅度達到了16.4%、16.0%和19.0%。下基層厚度每增大2cm，RCC層底部應(yīng)力減小幅度為2.5%左右，且隨著下基層厚度的逐漸增大，下基層厚度對RCC層底部應(yīng)力的減小幅度也逐漸變小，當(dāng)下基層厚度超過一定的限度時，通過增大下基層厚度來改善路面結(jié)構(gòu)受力的作用不顯著。

圖3 RCC層底部應(yīng)力隨下基層厚度變化

2溫度應(yīng)力分析

先計算最大溫度梯度時有瀝青加鋪層的RCC路面板臨界荷位處溫度翹曲應(yīng)力σtm。然后計算考慮溫度應(yīng)力累計疲勞作用的溫度疲勞應(yīng)力σtr。

2.1溫度應(yīng)力分析模型

由于路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度分布的不均勻以及路面結(jié)構(gòu)層材料的溫度敏感性不同，在外界溫度發(fā)生變化時，由于路面結(jié)構(gòu)受到自重以及其他的約束，路面結(jié)構(gòu)不能自由的變形，從而在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，尤其在RCC板內(nèi)會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。由實測溫度場資料可以得到最大溫差和廣東地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)氣候值，碾壓混凝土基層內(nèi)最大日溫差一般不超過20℃。

圖4 路面結(jié)構(gòu)在降溫時溫度分布圖5路面結(jié)構(gòu)在降溫時變形

2.2 RCC層厚度與溫度應(yīng)力關(guān)系

與車輛荷載應(yīng)力類似，有必要研究碾壓混凝土基層厚度對溫度荷載作用下路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。固定其他參數(shù)，RCC層厚度從14cm～28cm，按2cm遞增。計算結(jié)果如表5所示。

可以看出，隨著RCC層厚度的增加，RCC層自身溫度應(yīng)力則減小。當(dāng)RCC層厚度從14cm增加到28cm時，RCC層底部σe、τmax及σ1降幅分別為2.2%、2.1%和2.2%。

3結(jié)語

對于碾壓混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，可借鑒水泥路面設(shè)計規(guī)范中復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進行計算，仍以疲勞斷裂作為設(shè)計的極限狀態(tài)，采用有限元方法分析路面內(nèi)的溫度荷載及行車荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力。碾壓混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計以行車荷載和溫度梯度綜合作用產(chǎn)生的疲勞斷裂作為設(shè)計的極限狀態(tài)，其表達式為：。其中，rr-可靠度系數(shù)；σpr-行車荷載疲勞應(yīng)力（MPa）；σtr-溫度梯度載疲勞應(yīng)力（MPa）；fr-混凝土彎拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

參考文獻

[1] 彭小林.路面基層碾壓混凝土工藝及性能研究[D].華南理工大學(xué)，2012.

[2] 祝海折.連續(xù)廠拌式碾壓混凝土基層應(yīng)用技術(shù)研究[D].長沙理工大學(xué)，2012.

[3] 林俊.路面基層碾壓貧混凝土工作性及其施工質(zhì)量控制研究[D].長沙理工大學(xué)，2008.