趙乾文

（中冶南方城市建設工程技術有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

路面結構組合設計是根據道路交通荷載情況，以及對材料、氣候、水文等環(huán)境條件，結合當地實踐經驗，綜合確定經濟合理的路面結構組合，我國現行《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》（JTG D20—2011）是以面層板在設計基準期內，行車荷載和溫度梯度下不產生疲勞斷裂作為設計標準；以最終軸重和最大溫度梯度下不產生極限斷裂為驗算標準[1]。為滿足以上標準，需得到合適混凝土板厚、基層類型與厚度及對路基的要求，以滿足交通荷載等級和環(huán)境作用。張海濤[2]等通過對新頒布實施的《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》（JTG D40—2011）設計極限狀態(tài)方程進行深入研究表明：新規(guī)范（JTG D40—2011）公式的設計板厚偏小，并提出了修正公式；張璇[3]分析了水泥混凝土路面模量變化對水泥路面設計影響分析，得出提高土基模量減小土基頂面彎沉和路表彎沉，底基層模量不變前提下，土基回彈模量對基層頂面當量回彈模量影響比對混凝土板底荷載應力影響要大。尹磊[4]認為交通荷載參數計算對瀝青路面結構設計中材料類型與結構層厚度的確定十分重要；劉厚平[5]認為基層材料的選取和厚度設計對保證路面整體穩(wěn)定性和延長使用壽命有重大意義。

水泥混凝土路面設計參數較多，為在設計中把握關鍵設計參數，本文結合規(guī)范中的公式及路面結構計算軟件（HPDS），分析設計參數對路面行車荷載疲勞應力的影響，供設計借鑒與參考。

1 設計參數的選取

根據規(guī)范相關公式進行合并，得到彈性地基雙層板計算荷載應力的式（1），以更明確路面結構組合設計的相關參數。

通過式（1）~式（4），影響行車荷載疲勞應力的主要因素包括：設計軸載Ps、板底當量回彈模量Et、基層類型及厚度H、面層厚度hc、混凝土彈性模量Ec與彎拉強度fr。溫度荷載應力與混凝土彈性模量及其板厚成正比關系，本文不再對其進行分析。

本文以城市次干路為例，采用路面結構：24 cm水泥混凝土路面+36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+15 cm級配碎石墊層為例，設計軸載為100 kN，最重軸載為180 kN，在累計軸載作用次數2×107作用下，分析設計參數對混凝土路面行車荷載疲勞應力的影響，參數取值見表1。

表1 設計基本參數表

2 設計參數影響分析

2.1 設計軸載Ps的影響

我國以100 kN的單軸-雙輪組荷載作為標準軸載，當道路占主要份額的軸載超過100 kN時，需將軸載換算成標準軸載。其他參數不變，改變設計軸載Ps取值，其范圍100~140 kN，計算結果見表2。

表2 設計軸載對混凝土板厚及荷載應力的影響

由表2計算結果可知：路面結構一定，其所能承受的荷載作用次數也一定。設計軸載小于120 kN時，隨著設計軸載增大，累計軸載作用次數增大，混凝土板厚度及荷載應力均增大，這是因為當設計軸載超過標準軸載100 kN時，需將其轉化為標準軸載，二者轉化關系為設計軸載與標準軸載比值的16次方，顯然二者比值越大，累計軸載作用次數越大，如設計軸載200 kN相當于標準軸載作用65 536次；因此設計軸載超過120 kN時，累計軸載作用次數增長較快，接近特重交通上限（1010），此時路面結構無法承受累計荷載作用次數，需重新優(yōu)化路面結構。

水泥混凝土路面的疲勞損傷量對軸重很敏感，與軸重比成16次方的關系，對于特重軸載采用標準軸載100 kN設計時，累計軸載作用次數會達到天文數字，為避免出現這種情況，在進行交通量及交通荷載調查分析時，選擇路面承受車輛荷載占主要份額的特重車型的軸載作為設計軸載，使得計算較為合理。

2.2 板底地基當量回彈模量Et的影響

其他參數不變，改變板底地基當量回彈模量Et，其取值范圍30~90 MPa計算結果見表3。

板底地基當量回彈模量Et與路床頂綜合回彈模量E0、粒料層當量回彈模量、厚度及層數相關。

在不考慮有粒料層的情況下，由表3計算結果可知：在重載交通荷載作用下，當Et=E0≤30 MPa時，無法得到混凝土板計算結果，當Et=E0＞30 MPa時，隨著路床頂面回彈模量增大，混凝土板厚度越小，荷載應力也減少。特重交通荷載作用下，當Et=E0≤40 MPa時。無法得到混凝土板計算結果，當Et=E0＞40 MPa時，隨著路床頂面回彈模量增大，混凝土板厚度越小，荷載應力也減少。

表3 板底地基當量回彈模量Et對混凝土荷載應力的影響

在考慮粒料層的情況下，粒料層做為路基改善層，可使板底地基當量回彈模量Et有較大的提高，經過計算，當15 cm級配碎石與路床頂綜合回彈模量E0為30 MPa時，Et達到60 MPa，可滿足設計條件。

由此可知，對于較弱的路基，需要采取改善路基的措施，如更換填料、增設粒料層或低劑量無機結合料穩(wěn)定層，以滿足規(guī)定的最低模量要求；對于較強的路基，可以減少路面結構的強度與厚度。

2.3 基層類型及厚度的影響

目前常用基層主要有半剛性基層（水泥穩(wěn)定碎石基層）及剛性基層（貧混凝土基層），其他參數不變，改變基層類型及厚度，半剛性基層厚度取值范圍150~360 mm，貧混凝土厚度取值范圍150~240 mm、彎拉強度取值范圍2.0~3.0 MPa，計算結果見表4、表5。

表4 半剛性基層厚度對混凝土板厚及荷載應力的影響

由表4計算結果可知：半剛性基層厚度對面層厚度及荷載應力的影響均較小。剛性基層彎拉強度對面層板厚度影響較大。半剛性基層類混凝土路面，提高基層厚度雖然可以增加路面結構的彎曲剛度，降低面層板的荷載應力，但會增加溫度變形與翹曲應力，對路面結構產生不利的影響，不能起到減薄面層厚度的作用。

由表5計算結果可知：貧混凝土基層厚度一定，隨著基層彎拉強度增大，混凝土面層厚度減小，基層彎拉強度一定，剛性基層厚度增加，混凝土面層厚度增大。基層荷載應力均接近基層彎拉強度控制值（2~3 MPa），但面層荷載疲勞與溫度綜合作用力卻遠未達到彎拉強度控制值（5 MPa），隨著基層混凝土厚度及彎拉強度增大，該情況越明顯。剛性基層混凝土路面結構需同時考慮二者均不會產生疲勞斷裂，在計算過程中，貧混凝土基層厚度越薄，面層與基層幾乎都達到了彎拉強度，隨著基層厚度的增加，基層荷載疲勞應力首先達到彎拉強度，而面層卻有較大的富裕，造成面層板的不經濟。

表5 剛性基層厚度及強度對混凝土板厚及荷載應力的影響

因此，半剛性基層混凝土路面與剛性基層路面均不是基層越厚越好，剛性基層混凝土路面需綜合考慮基層、面層彎拉強度與厚度的共同作用，使得二者同時達到設計標準值，以獲得經濟適用的路面結構組合。

2.4 面層混凝土彎拉強度fr及混凝土彈性模量Ec的影響

其他參數不變，改變混凝土彈性模量Ec及彎拉強度，混凝土彈性模量取值范圍29 000~33 000 MPa、彎拉強度取值范圍4.5~6.5 MPa，計算結果見表6和表7。

由表6、表7計算結果可知：在規(guī)范取值范圍內，混凝土面層模量增大，面層厚度增大，荷載應力也增大，溫度應力減少，但三者變化幅度均較小?；炷涟鍙澙瓘姸仍龃螅搴衩黠@減小。面層底面所產生的彎拉應力小于混凝土彎拉強度是確定了面層所需要的厚度，當彎拉強度增大，混凝土所能承擔的荷載應力會較大，所需面層厚度就較小。

表6 面層彈性模量對混凝土板厚及荷載應力的影響

表7 面層彎拉強度對混凝土板厚及荷載應力的影響

3 結 論

基于彈性地基雙層板荷載應力計算公式，采用單一變量法對設計參數進行分析，得到設計對行車荷載疲勞應力的影響規(guī)律。

（1）確定合適的設計軸載做為標準值，是得到合理路面結構組合，保證路面結構使用壽命的前提，必須重視交通量及交通荷載調查。

（2）板底綜合回彈模量表征路基對路面結構的支撐條件，其強弱影響路面結構組合是否經濟合理；粒料層作為改善層可較大提高綜合回彈模量；同時作為土基與基層之間模量過渡層，可有效減少基層應力。

（3）混凝土路面基層可選擇半剛性基層與剛性基層，增加半剛性基層厚度并不能有效減少面層厚度，且過厚的基層會增大溫度翹曲應力與變形，導致基層開裂，對路面結構產生不利影響；剛性基層與面層二者互相影響，為使二者均達到受力最佳點，需在二者厚度與強度上找到平衡點。

（4）混凝土面層是路面結構主要承重層，面層彎拉強度是材料本身屬性，是影響路面結構厚度的一個重要因素，提高材料強度更有利于減薄面層厚度。