王亞升 王 玉 任芬瑩

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 710018）

0 引言

海綿城市指的就是在城市中通過大量建造綠地、濕地等，并在廣場。道路下建造透水、滲水鋪裝，形成的海綿體可以加大雨水的回收率，實(shí)現(xiàn)雨水的綜合管理和利用，有利于保護(hù)環(huán)境。透水鋪裝在海綿城市建設(shè)過程中受到廣泛關(guān)注和推廣，適用范圍為城市的停車場、廣場等人流量較大的地方。透水鋪裝的主要類型有三種，并且因?yàn)槌休d能力和滲透性的不同，應(yīng)用場所也略有差別。多孔混凝土值得就是孔隙率在30 左右的水泥混凝土，適用于降雨量較大的城市道路。目前國際上在研究海綿城市時(shí)多偏向各類鋪裝的適用性，車輛荷載作用下透水鋪裝結(jié)構(gòu)的受力分析缺少相關(guān)的分析和研究，基于此，本文將從車輛荷載作用下對(duì)透水水泥混凝土鋪裝路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特征進(jìn)行深入的研究。

1 透水水泥混凝土路面分類

透水水泥混凝土路面主要是以多孔混凝土建造而成，滲透性較強(qiáng)，能夠減少路面雨水堆積，另外按照透排水方式主要分為以下幾種：

1.1 表層排水型

此類型混凝土路面排水功能一般，并且僅有部分面層或者是整個(gè)面層排水，若交通量較大，還要在此基礎(chǔ)上增加防磨能力較強(qiáng)的透水瀝青功能層。表層排水層在設(shè)計(jì)過程中分為兩種結(jié)構(gòu)，部分面層排水路面主要使用的是I 結(jié)構(gòu)，整個(gè)面層排水路面在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用的是則是II 型。多孔混凝土A 類粒徑在10mm 左右，主要應(yīng)用于面層混凝土路面。祥見表 1、圖 1。

表1 典型結(jié)構(gòu)

圖 1 表典型結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基層儲(chǔ)排水型透水水泥混凝土路面

此類型混凝土路面排水類型分類兩種，一是整個(gè)路面排水，二是基層排水，又分為整個(gè)基層排水和部分基層排水。在此基礎(chǔ)山還要根據(jù)路段的行車量確定是否增加透水瀝青功能層。部分基層排水路面結(jié)構(gòu)采用的是I 結(jié)構(gòu)，整個(gè)基層路面排水采用的是II 結(jié)構(gòu)。透水路面層主要使用的混凝土類型是A 類多孔混凝土，粒徑大小在16mm 左右，透水基層采用的混凝土類型主要是b 類多孔混凝土，粒徑大小約為30mm。詳見表2 圖2.

表 2 路面典型結(jié)構(gòu)

圖 2 路面典型結(jié)構(gòu)示意

1.3 全透型透水水泥混凝土路面

此類型混凝土路面排水類型分類兩種，一種是整個(gè)面層排水，另外一種是基層排水，在雨季降水量較大時(shí)雨水會(huì)從路面滲透到基層。并且按照基層類型的差別將其分為兩種結(jié)構(gòu)，一種是I 型，使用的材料主要是B 類多孔混凝土，穩(wěn)定碎石，底基層使用的材料為粒料類；另外一種是II 型，使用的材料僅為粒料類一種。全透型透水水泥混凝土路面典型結(jié)構(gòu)見表3，結(jié)構(gòu)示意圖見圖3 。

表 3 典型結(jié)構(gòu)

圖 3 全典型結(jié)構(gòu)示意

2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型建立

2.1 模型建立

在分析不同路面結(jié)構(gòu)的受力情況時(shí)可以建立有限元ANSYS 模型，并在此過程中利用彈性層狀體系理論對(duì)路面結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行深入分析。此理論包括五方面的假設(shè)：第一，路面結(jié)構(gòu)移動(dòng)以及形狀變化幅度較小；第二，最底層路面結(jié)構(gòu)的水平與垂直兩個(gè)方向無窮大，除最底層之外的各個(gè)結(jié)構(gòu)層厚度需控制在一定范圍之內(nèi)，水平方向則無限制；第三，路面結(jié)構(gòu)各個(gè)結(jié)構(gòu)層的水平方向極遠(yuǎn)，它們的應(yīng)力與形狀變化基本為零；第四，路面的各個(gè)層面無摩擦力；第五，忽略本身重量。

彈性層體系的基本元素為無數(shù)彈性層，其中最底層是彈性半空間體，除底層之外的其他各層厚度具有一定的標(biāo)準(zhǔn)。不同結(jié)構(gòu)層的使用材料和厚度各不相同，它們組合在一起形成了路面結(jié)構(gòu)復(fù)合彈性體。本文在構(gòu)建模型時(shí)參考對(duì)象為鋪設(shè)瀝青功能層的表層排水型混凝土路面。模型路面長度為 6.0 m ×5.4 m ，地基深度為7.0 米，x 軸表示形成方向，z 軸表示橫向，y 軸表示深度方向。

2.2 荷載加載位置

對(duì)雙圓均布荷載進(jìn)行簡化，使之變?yōu)殡p矩形均布荷載，長度是20x20cm，地面壓強(qiáng)約為0.63MPa，車輛兩輪之間的距離約為32cm，邊界條件：地基四周水平方向上的位移由其自身進(jìn)行控制，路面板四周不設(shè)置約束。

為了確定路面的最大承載力，深入分析板體不同位置的承受壓力，一般板中、板角、縱邊的中部等屬于典型位置。表4 是板的不同位置的受力情況。

表4 板的不同位置的受力情況

由表4 結(jié)果可知，最不利加栽的位置是縱邊中部，也就是臨界荷位。

3 路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)與路面結(jié)構(gòu)力學(xué)的響應(yīng)分析

3.1 表層排水型透水水泥混凝土路面

表層排水型透水水泥混凝土路面有限元結(jié)構(gòu)及參數(shù)如表5 所示。

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下文將對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)相應(yīng)特征與路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層的參數(shù)不同指標(biāo)變化情況進(jìn)行具體分析。

圖4 路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)與路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特征的關(guān)系圖

從上表中可以看出，此類型混凝土路面上面層中采用的多孔混凝土的厚度和模量對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響與下面層混凝土相比，影響較小，也就是說下面層對(duì)路面斷裂情況的影響較大?；鶎勇访婧穸仍谠黾訒r(shí)，各個(gè)指標(biāo)隨之減??；基層厚度越大，其拉應(yīng)力變化越??；基層模量增加或減小與各項(xiàng)指標(biāo)的效果并無明顯的關(guān)系，但是對(duì)本層具有非常明顯的影響，所以基層模量的數(shù)值應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的控制。綜上所述，多孔混凝土上面層的厚度可以根據(jù)施工方案的具體要求進(jìn)行選擇，但至少為10cm，而下面層的厚度以及基層厚度應(yīng)當(dāng)按照適用的場合以及成本等因素進(jìn)行綜合考量。地基模量大于50 MPa 后，對(duì)各個(gè)指標(biāo)的作用較小，但是在車輛載荷作用下，路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)會(huì)隨著軸載的增加而增加。

3.2 基層儲(chǔ)排水型透水水泥混凝土路面

此類型路面在建造時(shí)主要使用的材料有以下幾種，一種是A 類、B 類多孔混凝土，另外一種是骨架空隙型無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類，將幾種建筑材料混合在一起共同建造基層儲(chǔ)排水型透水水泥混凝土路面。此類型路面的結(jié)構(gòu)與上文中提到的表層排水型路面具有很大的相似性，但是兩種路面的各結(jié)構(gòu)層的模量略微不同。

各結(jié)構(gòu)層材料對(duì)比，見表 6。

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由表6 結(jié)果可知: 多孔混凝土層模量的變化對(duì)各個(gè)指標(biāo)的影響較小；基層模量的變化基本不影響路面各個(gè)指標(biāo)。所以，基層儲(chǔ)排水型路面相關(guān)數(shù)據(jù)可以參照上文中介紹的表層排水型路面，不再一一贅述。

3.3 全透型透水水泥混凝土路面

全透型透水水泥混凝土路面有限元結(jié)構(gòu)及參數(shù)，見表7。

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對(duì)此類型路面層的厚度、模量、基層厚度、基層模量以及地基模量這幾個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入討討，分析這些數(shù)據(jù)對(duì)多孔混凝土層底最大拉應(yīng)力、路表彎沉等路面結(jié)構(gòu)力學(xué)相應(yīng)特征有何影響。

全透型路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)與路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系圖，見圖5。

分析圖5 各項(xiàng)數(shù)據(jù)可知，面層、基層厚度以及地基模量越大對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響越明顯，影響最大的是中層面厚度；同時(shí)面層模量以及基層模量的增加與減少對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響較小，但對(duì)本層的不利影響較為明顯；所以，在此類型路面的具體施工中，盡量降低地基模量，增加路面的厚度，采用這種設(shè)計(jì)方式安全性較高，比較適用于建造乘載量較低的道路。在施工時(shí)考慮成本問題，可將面層和基層二者的厚度盡量控制在20cm 以上。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合彈性層狀體系理論，通過建立ANSYS 有限元模型，詳細(xì)闡述了三種類型的透水水泥混凝土路面的力學(xué)響應(yīng)特征，并對(duì)各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。