劉偉 王曙光 楊瑞枝

（1 陜西地建礦業(yè)開發(fā)環(huán)境治理有限責任公司；2 西安科技大學地質與環(huán)境學院）

0 引言

新建三級公路位于榆林市榆陽區(qū)，設計路面寬度4m，地處公路自然區(qū)劃III 區(qū)，最大溫度梯度Tg=95℃/m?；鶞蕼囟葹?5.3℃，考慮現(xiàn)場實際情況，車流量較少，則預測設計基準期內累計軸載次數(shù)Ne=30000 次。屬于輕交通荷載等級。設計軸載Ps=100kN，最重軸載Pm=110kN。

1 設計依據(jù)

水泥混凝土路面結構設計應以面層板在設計基準期內，在行車荷載和溫度梯度綜合作用下，不產(chǎn)生疲勞斷裂為依據(jù)，并以最重軸載和最大溫度梯度綜合作用下，不產(chǎn)生極限斷裂作為驗算標準。

γr（σpr+σtr）≤fr

γr（σp，max+σt，max）≤fr

σpr——面層板在臨界荷位處產(chǎn)生的行車荷載疲勞應力(MPa)；

σtr——面層板在臨界荷位處產(chǎn)生的溫度梯度疲勞應力(MPa)；

σp，max--最重的軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的最大荷載應力(MPa)；

σt，max——所在地區(qū)最大溫度梯度在臨界荷位處產(chǎn)生的最大溫度翹曲應力(MPa)；

r——可靠度系數(shù)，依據(jù)所選目標可靠度、變異水平等級及變異系數(shù)通過計算確定；

fr——水泥混凝土彎拉強度標準值(MPa)。

2 規(guī)范法

面層擬采用高強混凝土，通過增加面層彎拉強度降低面層厚度，所采用的高強混凝土的彎拉強度為20MPa，彎拉彈性模量取40GPa，泊松比為0.21。高強混凝土的線膨脹系數(shù)取12×10-6/℃。高強混凝土疲勞指數(shù)取0.042。

表1 高強混凝土面層最小厚度計算結果

通過計算可知，高強混凝土面層最小厚度應取0.07m，才能滿足疲勞應力驗算。

考慮凍融循環(huán)條件，板底地基當量回彈模量Et=5MPa，陜北地處季凍區(qū)，考慮凍融對路基材料性能的影響，文獻[1]對陜北土不同含水量試件在不同凍融次數(shù)后的回彈模量開展了測試試驗。壓實度為96%、含水量為20%、凍融循環(huán)12 次后的陜北土樣回彈模量為14.7MPa。保守考慮，取板底地基當量回彈模量Et=5MPa。路基土凍融后，使密實土體變疏松，土體結構性遭到破壞。此時路面可能出現(xiàn)的破壞形式為最大荷載作用下的一次性破壞，于是對面層混凝土的最大荷載應力進行驗算，計算結果如表2。

表2 高強混凝土面層最小厚度計算結果（Et=5MPa）

通過計算可知，高強混凝土面層最小厚度應取0.08m，才能滿足路基凍融循環(huán)時面層的最大荷載應力驗算。

3 有限元法

根據(jù)路面設計，確定計算的水泥板長5m、寬4m。路基模型選擇長16m、寬7.5m、深9m。依據(jù)《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》(JTG D40－2011)[2]及《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50－2017)[3]中無機結合料的材料性質及設計參數(shù)，加載方式為單軸雙輪組標準軸載加載，臨界荷位位于板邊縱向邊緣中部。

層間完全光滑，基層和路基間設置正交各項異性單元，厚度為0.001m，計算參數(shù)見表3。溫度梯度系數(shù)為95℃/m，基準溫度為-5.3℃。約束條件為：底面完全約束。有限元計算模型如圖1。

表3 正交各項異性單元參數(shù)取值

圖1 有限元計算模型

采用高強混凝土面層的路面結構驗算，板底地基回彈模量Et=50MPa，由于普通混凝土路面結構驗算結果不滿足設計要求，故采用高強混凝土進行變更設計，參數(shù)見表4，結果見表5。

對路面結構進行驗算，當面層厚度為0.04m 時，計算得荷載應力σp，max=10.64MPa，荷載疲勞應力σpr=16.39MPa，最大溫度應力σt，max=1.21MPa，溫度疲勞應力σtr=-0.44MPa，然后再進行結構極限狀態(tài)驗算：

表4 高強混凝土設計參數(shù)

圖2 荷載應力計算結果

圖3 面層荷載應力計算結果

圖4 溫度應力計算結果

圖5 面層溫度應力計算結果

表5 高強混凝土面層單軸雙輪組軸載100KN 作用下最小厚度計算結果

通過計算可知，高強混凝土面層最小厚度應取0.04m，滿足疲勞應力驗算。

考慮凍融循環(huán)條件，板底地基當量回彈模量取Et=5MPa，最重軸載110kN 作用下不同面層厚度時荷載應力計算結果見表6。

表6 高強混凝土面層單軸雙輪組軸載110kN 作用下最小厚度計算結果

通過計算可知，高強混凝土面層最小厚度應取0.05m，才能滿足路基凍融循環(huán)時面層的最大荷載應力驗算。

由規(guī)范和有限元計算結果可知，板底地基當量回彈模量取50MPa 時，路面破壞主要考慮荷載疲勞應力及溫度疲勞應力的作用，應對最大應力及疲勞應力進行驗算。滿足規(guī)范法應力驗算的最小厚度為0.07m，滿足有限元應力驗算的最小厚度為0.04m；考慮凍融循環(huán)作用，板底地基當量回彈模量取5MPa 時，路面破壞主要考慮一次重荷載作用，應對路面所受的最大荷載應力進行驗算。滿足規(guī)范法應力驗算的最小厚度為0.08m，滿足有限元法驗算的最小厚度為0.05m。

4 方案設計

已知新建三級公路長度為350m，為驗證規(guī)范法及有限元法計算結果，如圖6，新建三級公路道路擬確定采用：

圖6 新建道路路面結構

⑴0～300m：修筑0.08m 厚的高強混凝土面層；

⑵300～350m：修筑0.05m 厚的高強混凝土面層。

高強混凝土路面工程清單見表7。

表7 高強混凝土路面工程清單

普通混凝土路面工程清單見表8。

表8 普通混凝土路面工程清單

5 結論

⑴為此采用高強混凝土作為新建三級公路路面組成材料，通過規(guī)范法結合有限元方法對不同厚度面板進行驗算，得到滿足道路使用要求的高強混凝土面板厚度。

⑵高強混凝土路面厚度較普通混凝土路面大大減小，通過經(jīng)濟性分析，采用高強混凝土路面較普通混凝土路面材料造價要低，高強混凝土路面具有推廣價值。