張 璇

(沈陽市公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院)

1 引 言

目前我國《水泥混凝土路面設(shè)計(jì)》規(guī)定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ－100，由于路面上行駛車輛軸重不同，導(dǎo)致每個(gè)車輛對(duì)路面的作用效果也不一致，為了研究交通量對(duì)路面作用，需將每個(gè)車輛荷載對(duì)路面的作用效果按照等效疲勞損壞原則換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載，水泥混凝土板疲勞破壞不僅與標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)有關(guān)系，同時(shí)與溫差有關(guān)，由于一年四季溫度變化差異較大，溫度變化使混凝土板產(chǎn)生翹曲應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土板承受溫度周期性應(yīng)力變化，在設(shè)計(jì)年限內(nèi)如果某種條件達(dá)到設(shè)計(jì)極限值會(huì)出現(xiàn)疲勞開裂，因此在混凝土路面設(shè)計(jì)中考慮溫差變化產(chǎn)生的應(yīng)力和混凝土板產(chǎn)生的翹曲力不大于混凝土抗拉強(qiáng)度。

2 計(jì)算路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)選取

常規(guī)混凝土板長度小于6 m，設(shè)計(jì)通常采用4 m ×5 m尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)擬定水泥混凝土結(jié)構(gòu)層及各個(gè)結(jié)構(gòu)層的參數(shù)，主要包括彈性模量及厚度，為了研究路面結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性，通過控制其他參數(shù)不變情況下對(duì)某一參數(shù)變化進(jìn)行研究，規(guī)范規(guī)定基層模量變化范圍在1 300 ～1 700 MPa 之間;底基層模量變化范圍在400 ～700 MPa 之間，土基回彈模量變化范圍在20 ～100 MPa 之間，水泥混凝土板厚度變化范圍在20～28 cm 之間，本研究采用參數(shù)水泥混凝土板模量Ec=30 000 MPa，厚度hc=24 cm;基層模量E2=1 500 MPa，厚度h2=20 cm;底基層模量E1=500 MPa，厚度h1=15 cm，土基模量E0=50 MPa 進(jìn)行研究。

3 荷載應(yīng)力影晌分析

3.1 基層模量變化對(duì)混凝土板底荷載應(yīng)力影響分析

為了研究影響混凝土板荷載應(yīng)力最不利因素，由于土基、路面基層、路面底基層回彈模量及水泥混凝土板厚度變化對(duì)基層頂面當(dāng)量回彈模量的影響，同時(shí)考慮標(biāo)準(zhǔn)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生應(yīng)力影響，根據(jù)上述路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Bizar3軟件進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析，分析土基、路面基層、路面底基層回彈模量及水泥混凝土板厚度變量參數(shù)下混凝土板荷載應(yīng)力分布影響情況，最終確定影響混凝土板荷載應(yīng)力最不利因素，土基、基層彈性模量對(duì)基層頂面當(dāng)量回彈模量影響分析結(jié)果見圖1 所示，土基、基層彈性模量對(duì)混凝土板荷載應(yīng)力影響分析見圖2 所示。

從圖1 可以看出在基層模量值1 500 MPa 和水泥混凝土板厚24 cm 前提下，基層頂面當(dāng)量回彈模量隨著土基回彈模量增加而增加，隨著基層模量增加而增加，基層模量保持不變前提下，土基回彈模量對(duì)基層頂面當(dāng)量回彈模量影響較大，當(dāng)土基回彈模量由20 MPa 增加至100 MPa 時(shí)基層頂面當(dāng)量回彈模量由134.51%增大到348.94%，土基回彈模量不變情況下基層模量對(duì)基層頂面當(dāng)量回彈模量影響變化較小，當(dāng)基層模量由1 300 MPa 增加至1 700 MPa 時(shí)基層頂面當(dāng)量回彈模量增大6.07% ～10.32%。

圖1 土基、基層彈性模量對(duì)基層頂面當(dāng)量回彈模量關(guān)系曲線

圖2 土基、基層彈性模量對(duì)混凝土板荷載應(yīng)力影響關(guān)系曲線

從圖2 看出在基層模量值1 500 MPa 和水泥混凝土板厚24 cm 前提下，水泥混凝土板底荷載應(yīng)力同時(shí)隨著土基回彈模量、基層模量增大而減小。基層模量不變前提下土基回彈模量對(duì)水泥混凝土板底荷載應(yīng)力影響較大，當(dāng)土基回彈模量由20 MPa 增加至100 MPa 時(shí)板底荷載應(yīng)力相應(yīng)減小16%，土基回彈模量不變情況下，基層模量變化對(duì)水泥混凝土板底荷載應(yīng)力影響較小，當(dāng)基層模量由1 300 MPa 減小到1 700 MPa時(shí)板底荷載應(yīng)力減小約2%。

圖3 土基、底基層彈性模量對(duì)基層頂面當(dāng)量回彈模量影響

從圖3 看出在底基層模量和水泥混凝土板hc=24 cm不變情況下，基層頂面當(dāng)量回彈模量隨著土基回彈模量、底基層模量增大而增大。底基層模量不變的前提下土基回彈模量對(duì)基層頂面當(dāng)量回彈模量影響較大，當(dāng)土基回彈模量由20 MPa 增加至100 MPa 時(shí)基層頂面當(dāng)量回彈模量增大148%。土基回彈模量不變的前提下底基層模量對(duì)基層頂面當(dāng)量回彈模量影響變化較小，當(dāng)?shù)谆鶎幽Ａ坑?00 MPa 增加至700 MPa 時(shí)，基層頂面當(dāng)量回彈模量增大6.16% ～11.14%。

圖4 土基、底基層彈性模量對(duì)混凝土板荷載應(yīng)力影響分析

從圖4 看出在底基層模量值和水泥混凝土板厚hc=24 cm 不變情況下，水泥混凝土板底荷載應(yīng)力隨著土基回彈模量和底基層模量增大而減小。底基層模量不變前提下，土基回彈模量對(duì)水泥混凝土板底荷載應(yīng)力影響較大，土基回彈模量由20 MPa 增加至100 MPa 時(shí)板底荷載應(yīng)力減小16.6%，土基回彈模量不變前提下底基層模量對(duì)水泥混凝土板底荷載應(yīng)力影響較小，當(dāng)?shù)谆鶎幽Ａ坑?00 MPa 增加至700 MPa 時(shí)板底荷載應(yīng)力減小2.73%。

3.2 水泥混凝土板厚對(duì)板底荷載應(yīng)力影響分析

為了研究水泥混凝土板厚對(duì)板底荷載應(yīng)力影響，通過改變土基回彈模量、水泥混凝土板厚度，采用Bizar3 軟件進(jìn)行分析土基強(qiáng)度、板厚對(duì)路面板底荷載應(yīng)力影響，計(jì)算結(jié)果見圖5 所示。

圖5 不同土基強(qiáng)度及板厚作用板底荷簸應(yīng)力

從圖5 看出在基層模量E2=1 500 MPa 和底基層模量E1=500 MPa 不變情況下采用采用Bizar3 軟件計(jì)算結(jié)果，隨著土基模量和混凝土板厚度增大，混凝土板底荷載應(yīng)力相應(yīng)變小，在混凝土板厚度不變情況下，土基模量由20 MPa 增加至100 MPa 時(shí)板底荷載應(yīng)力在0.927 ～0.773 MPa 之間變化，在土基模量不變前提下，由于混凝土板厚度變化引起板底荷載應(yīng)力在0.927 ～1.484 MPa 之間變化。

在基層頂面當(dāng)量回彈模量和混凝土板厚度變化前提下采用Bizar3 軟件進(jìn)行分析，路基強(qiáng)度和混凝土板厚度對(duì)混凝土板底荷載應(yīng)力影響，應(yīng)力計(jì)算見圖6 所示。

圖6 不同土基強(qiáng)度及板厚作用板底荷簸應(yīng)力

由圖6 可以看出土基強(qiáng)度對(duì)板底荷載應(yīng)力影響要小于板厚對(duì)板底荷載應(yīng)力影響，在混凝土板厚度不變情況下，土基強(qiáng)度從60 MPa 增加到220 MPa 才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求;當(dāng)土基強(qiáng)度不變、混凝土板厚度增加4 cm 時(shí)可以有效降低混凝土板底應(yīng)力。

4 結(jié) 論

底基層模量不變前提下，土基回彈模量對(duì)基層頂面當(dāng)量回彈模量影響比對(duì)混凝土板底荷載應(yīng)力影響要大，隨著基層頂面回彈模量和板厚逐漸增大，板底荷載應(yīng)力不斷減小?；炷涟搴褫^小時(shí)地基強(qiáng)度對(duì)荷載應(yīng)力影響要大，隨著混凝土板厚增加來減小混凝土板內(nèi)荷載應(yīng)力效果不明顯。

［1］習(xí)旺.面層模量對(duì)重載交通瀝青路面受力特性及使用壽命的影響分析［J］.交通世界，2012:168－169.

［2］鄭京杰，李躍軍.湘西公路瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感性分析［J］.湖南交通科技，2006:4－6.

［3］武紅娟.土基回彈模量變化對(duì)路面設(shè)計(jì)的影響分析［D］.長安大學(xué)，2005.

［4］鮑遠(yuǎn)驥.公路土基回彈模量分析與研究?［D］.長安大學(xué)，2003.