陳希

重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶，408000

0 引言

目前，部分混凝土路面設(shè)計不合理，材料組合不科學(xué)，導(dǎo)致混凝土路面剛投入使用不久就出現(xiàn)大面積受損現(xiàn)象，這無疑增加了交通事故發(fā)生的概率，嚴(yán)重危及了人們的人身安全和財產(chǎn)安全。為了避免以上不良現(xiàn)象的發(fā)生，相關(guān)部門要重視對混凝土路面力學(xué)的分析和管控，不斷地提高混凝土路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，有效地延長混凝土路面使用壽命，同時，還能有效地節(jié)約混凝土材料，降低混凝土路面維護(hù)成本，為保證人們出行安全打下堅實的基礎(chǔ)。因此，在彈性地基雙層梁理論的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)地分析混凝土路面力學(xué)是技術(shù)人員必須思考和解決的問題。

1 建立混凝土路面的力學(xué)模型

1.1 荷載作用下的模型

針對混凝土路面三種結(jié)構(gòu)層所對應(yīng)的特點(diǎn)，采用路面結(jié)構(gòu)簡化的方式，完成對彈性地基雙層梁模型的構(gòu)建，同時，還要對整個無限長梁的計算流程進(jìn)行簡化，以達(dá)到提高計算效率和效果的目的。此外，還要嚴(yán)格按照長梁和短梁的劃分標(biāo)準(zhǔn)[1-2]，科學(xué)設(shè)置和調(diào)整雙層梁系統(tǒng)所對應(yīng)的總長度。雙層梁力學(xué)模型圖如圖1所示，圖1的F代表車輛荷載的集中力；L代表雙層梁系統(tǒng)的總長度，經(jīng)過一系列計算，得出雙層梁系統(tǒng)的總長度為10cm。

1.2 荷載作用下的混凝土路面有限元分析

有限元單元法作為一種常見的數(shù)值近似方式，可以將路面結(jié)構(gòu)劃分為若干個有限單元，并將這些單元連接為統(tǒng)一的整體，然后，對各個節(jié)點(diǎn)所在位置進(jìn)行科學(xué)確定，在此基礎(chǔ)上，借助相關(guān)計算模型，對混凝土路面結(jié)構(gòu)層所對應(yīng)的彈性模量進(jìn)行科學(xué)模擬[3]，為后期驗證解析解的正確性提供重要的依據(jù)和參考。此外，還要利用BEAM3單元，將土工織物夾層和土基全部設(shè)置為彈性層，對該彈性層進(jìn)行真實化模擬，并使用彈性系數(shù)精確地表示出彈性層的彈性常數(shù)。在選取結(jié)構(gòu)參數(shù)期間，要確保最終的選取結(jié)果與地基梁模型參數(shù)設(shè)置保持一致，并向土基底面施加一定的約束力；然后，嚴(yán)格按照三維方向，向結(jié)構(gòu)層的四個側(cè)面施加一個相應(yīng)的水平約束力，此時，在荷載的影響下，雙層彈性地基會沿著所設(shè)定的方向進(jìn)行豎向移動；最后，利用ANSYS軟件，精確地計算出上梁的最大撓度、彎矩、應(yīng)力。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，上梁的最大撓度、最大彎矩和最大應(yīng)力分別是0.038mm、6.652kN·m、0.213MPa，其解析解相對誤差分別為1.72%、1.41%、2.74%。由此可見，上梁相關(guān)參數(shù)的解析解相對誤差均低于3%，完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，因此，解析解具有一定的正確性和可靠性。

2 模型參數(shù)對路面結(jié)構(gòu)受力的影響研究

影響整個路面受力情況的因素主要包含兩種，一種是路面結(jié)構(gòu)參數(shù)，另一種是材料屬性。因此，技術(shù)人員要在充分結(jié)合混凝土路面相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，分析在不同路面結(jié)構(gòu)參數(shù)下，所對應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)受力情況，然后，借助模型總結(jié)出路面結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律，為后期混凝土路面結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)計提供重要的依據(jù)和參考。

2.1 面層彈性模量的影響

2.1.1 不同彈性模量對比分析

面層作為混凝土路面結(jié)構(gòu)的主要組成部分，具有耐久性強(qiáng)、強(qiáng)度高、抗彎性高等特點(diǎn)，其強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)直接影響了路面整體使用壽命。在不同面層彈性模量下，為了全面對比和分析系統(tǒng)受力情況，技術(shù)人員要嚴(yán)格按照混凝土路面設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求[4]，將四組模型參數(shù)分別設(shè)置為B1組、B2組、B3組、B4組，經(jīng)過測量得到如表1所示的不同彈性模量的數(shù)值范圍。

表1 不同面層彈性模量作用下的模型參數(shù)

根據(jù)面層所對應(yīng)的撓度值，發(fā)現(xiàn)面層彈性模量與撓度絕對值之間呈現(xiàn)出反相關(guān)關(guān)系，即撓度絕對值會隨著面層彈性模量值的增加而減小，但是，對于路面彎矩而言，其彎矩絕對值與面層彈性模量之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，即彎矩絕對值會隨著面層彈性模量的增加而呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。面層與基層受力最值如表2所示。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在不同彈性模量的影響下，與面層撓度、剪力和彎矩相比，基層所對應(yīng)的最值變化幅度較高。由此可見，在彈性模量充足的前提下，面層受力變化幅度較小。同時，當(dāng)彈性模量不斷下降時，基層的撓度、應(yīng)力呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢[5]，但是，整個變化幅度較小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是面層是路面的主要結(jié)構(gòu)層和承重層，具有較高的彈性模量，當(dāng)該面層的彈性模量降低時，并不會對其他結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生明顯的影響。所以，技術(shù)人員要在嚴(yán)格遵循相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求的基礎(chǔ)上，盡可能地降低混凝土面層所對應(yīng)的彈性模量，這樣不僅可以起到節(jié)約材料成本的作用，還能降低面層與其他結(jié)構(gòu)層之間的強(qiáng)度差[6]，避免因強(qiáng)度差控制不當(dāng)而出現(xiàn)其他一系列病害問題。

表2 面層與基層受力最值

2.1.2 解析解與數(shù)值解對比

為了更好地驗證解析解的精確性和真實性，技術(shù)人員要對比和分析B1組解析解和ANSYS數(shù)值解B1所對應(yīng)的結(jié)果，從而得出如表3所示的對比結(jié)果，從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，B1組解析解和ANSYS數(shù)值解B1所對應(yīng)的結(jié)果十分接近[7]，充分證明了解析解的正確性和真實性。

表3 解析解與數(shù)值解最值對比表

2.2 基層彈性模量變化的影響

2.2.1 不同彈性模量對比分析

為了進(jìn)一步提高混凝土路面設(shè)計水平，技術(shù)人員要在綜合考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性方面，盡可能降低材料的使用量，然后，在不同的面層厚度影響下，對系統(tǒng)整體受力情況進(jìn)行分析和對比，同時，還要設(shè)置以下四組模型參數(shù)，分別是D1組、D2組、D3組、D4組，經(jīng)過測量獲得如表4所示的不同基層彈性模量作用下的模型參數(shù)。

表4 不同基層彈性模量作用下的模型參數(shù)

當(dāng)混凝土路面基層彈性模量不斷增加時，面層撓度變化幅度較小，同時，面層所對應(yīng)的應(yīng)力由于受荷載的影響，始終保持在特定的位置，當(dāng)路面基層所對應(yīng)彈性模量不斷增加時，撓度所對應(yīng)的絕對值會呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，面層與基層受力最值如表5所示。從表5中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)路面基層所對應(yīng)的彈性模量不斷變化時[8]，面層的位移、撓度和彎矩所對應(yīng)的變化幅度始終在3%以下，而對于基層而言，其最值變化幅度較為明顯。由此可見，在當(dāng)基層所對應(yīng)的彈性模量發(fā)生相應(yīng)的變化時，面層位移和受力狀態(tài)并沒有受到明顯的影響，但是，基層位移和受力狀態(tài)受到明顯的影響。此外，基層在增強(qiáng)路面承載力方面具有一定的局限性，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是面層所提供的支撐力具有一定的穩(wěn)定性和平整性。

表5 面層與基層受力最值

2.2.2 解析解與數(shù)值解對比

為了更好地驗證解析解的精確性和真實性，技術(shù)人員要對比和分析D1組解析解和ANSYS數(shù)值解D1所對應(yīng)的結(jié)果，從而得出如表6所示的對比結(jié)果，從表6中的數(shù)據(jù)可以看出，D1組解析解和ANSYS數(shù)值解D1所對應(yīng)的結(jié)果十分接近，充分證明了解析解的正確性和真實性。

表6 解析解與數(shù)值解最值對比表

2.3 基層彈性模量變化的影響

2.3.1 不同彈性模量對比分析

基層作為一種重要的結(jié)構(gòu)層，有效地保證了水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，同時，為面層提供了一種很好的支持，并向土基中均勻地擴(kuò)散上部荷載。為了避免出現(xiàn)較大的沖刷而造成嚴(yán)重的病害，要保證基層具有較高的剛度，同時，還要對基層的彈性模量進(jìn)行科學(xué)控制，確保其遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泥混凝土面層的彈性模量，另外，還要結(jié)合基層材料的性質(zhì)，科學(xué)調(diào)整和控制彈性模量。在不同土基彈性模量下，為了更好地對比和分析整個系統(tǒng)的受力狀態(tài)，技術(shù)人員要在嚴(yán)格遵循混凝土路面設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計出以下四組模型參數(shù)，分別是H1組、H2組、H3組、H4組，并確保其他結(jié)構(gòu)材料參數(shù)始終保持相同，經(jīng)過測量得到如表7所示的不同土基彈性模量作用下的模型參數(shù)。

表7 不同土基彈性模量作用下的模型參數(shù)

當(dāng)土基所對應(yīng)的彈性模量不斷增加時，面層和基層所對應(yīng)的位移均呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，這說明土基所對應(yīng)的彈性模量在提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面存在最優(yōu)解，面層與基層受力最值表如表8所示。從表8中的數(shù)據(jù)可以看出，土基上部路面結(jié)構(gòu)與土基內(nèi)傳遞荷載量較小，因此，在設(shè)計混凝土路面時，無需考慮土基的實際強(qiáng)度，僅僅保證土基的密實性、均質(zhì)性即可，只有這樣，才能有效地避免因土基不均勻而出現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)局部脫空現(xiàn)象。

表8 面層與基層受力最值表

2.3.2 解析解與數(shù)值解對比

為了更好地驗證解析解的精確性和真實性，技術(shù)人員要對比和分析H1組解析解和ANSYS數(shù)值解H1所對應(yīng)的結(jié)果，從而得出如表9所示的對比結(jié)果，從表9中的數(shù)據(jù)可以看出，H1組解析解和ANSYS數(shù)值解H1所對應(yīng)的結(jié)果十分接近，充分證明了解析解的正確性和真實性。

表9 解析解與數(shù)值解最值對比表

總之，在全面結(jié)合水泥混凝土路面各個結(jié)構(gòu)層特性的基礎(chǔ)上，對該混凝土路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，使其被轉(zhuǎn)化為雙層彈性地基梁模型，然后，在外荷載影響下，利用所設(shè)置好的出路面結(jié)構(gòu)邊界條件，精確地求解出彈性地基梁的解析解，并繪制出面層與基層之間的力學(xué)分布圖，在此基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件，結(jié)合彈性地基梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，構(gòu)建出相應(yīng)的有限元模型，并精確地計算出解析解，發(fā)現(xiàn)所得解與解析解完全一致，表現(xiàn)出較高的吻合性，這表明解析解具有一定的精確性和可靠性，為后期混凝土路面力學(xué)精確化分析和研究提供了重要的依據(jù)和參考。所以，相關(guān)人員要重視對以上有限元分析法的靈活運(yùn)用，只有這樣，才能保證解析解驗證工作能夠正常、穩(wěn)定、有序開展。

2.4 基層厚度變化的影響

2.4.1 不同厚度對比分析

現(xiàn)階段，在路面使用期間，重載交通量呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。為了提高路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，需要不斷地加大基層的厚度，此外，在不同基層厚度下，為了確保路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)對比結(jié)果的精確性和真實性，技術(shù)人員要在全面結(jié)合 混凝土路面設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求的基礎(chǔ)上，將四組模型參數(shù)分別設(shè)置為F1、F2、F3、F4，當(dāng)基層厚度不斷下降時，最值呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，同時，基層厚度的改變，并不會對面層受力產(chǎn)生直接性的影響，但是，卻對基層的撓度、彎矩產(chǎn)生了比較顯著的影響。當(dāng)基層厚度不斷增加時，基層撓度絕對值會呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，基層彎矩絕對值會呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，但是，應(yīng)力絕對值始終處于恒定不變的狀態(tài)。所以，為了不斷提高面層的穩(wěn)固性，技術(shù)人員要根據(jù)功能性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，酌情降低基層的厚度。

2.4.2 解析解與數(shù)值解對比

為了更好地檢驗所得解析解的有效性和精確性，技術(shù)人員要將所獲取的F1組解析解結(jié)果與有限元分析法所獲得數(shù)值解結(jié)果進(jìn)行全面的分析和對比，從而獲得如表10的對比結(jié)果。

表10 解析解與數(shù)值解最值對比表

從表10中的數(shù)據(jù)可以看出，ANSYS所得解值解完全吻合于F1組解析解結(jié)果，這表明解析解具有較高的精確性和有效性。

3 結(jié)語

混凝土憑借著自身硬度強(qiáng)、耐久性高、養(yǎng)護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于道路施工中，有效延長了混凝土路面的使用壽命，保證了人們出行的可靠性和安全性?，F(xiàn)利用本文所提出的模型參數(shù)，對混凝土路面力學(xué)進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：①通過利用該模型參數(shù)，在充分結(jié)合模型邊界條件的基礎(chǔ)上，對比和分析解析解與ANSYS數(shù)值模擬所得解，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果一致。②通過本次研究，發(fā)現(xiàn)影響面層和基層應(yīng)力的兩大因素分別是面層慣性矩和基層慣性矩。