混凝土路面行車荷載疲勞應(yīng)力影響因素的研究

趙乾文

（中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)是根據(jù)道路交通荷載情況，以及對(duì)材料、氣候、水文等環(huán)境條件，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合確定經(jīng)濟(jì)合理的路面結(jié)構(gòu)組合，我國(guó)現(xiàn)行《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20—2011）是以面層板在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，行車荷載和溫度梯度下不產(chǎn)生疲勞斷裂作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；以最終軸重和最大溫度梯度下不產(chǎn)生極限斷裂為驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)[1]。為滿足以上標(biāo)準(zhǔn)，需得到合適混凝土板厚、基層類型與厚度及對(duì)路基的要求，以滿足交通荷載等級(jí)和環(huán)境作用。張海濤[2]等通過(guò)對(duì)新頒布實(shí)施的《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D40—2011）設(shè)計(jì)極限狀態(tài)方程進(jìn)行深入研究表明：新規(guī)范（JTG D40—2011）公式的設(shè)計(jì)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(duì)水泥路面設(shè)計(jì)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(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。尹磊[4]認(rèn)為交通荷載參數(shù)計(jì)算對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中材料類型與結(jié)構(gòu)層厚度的確定十分重要；劉厚平[5]認(rèn)為基層材料的選取和厚度設(shè)計(jì)對(duì)保證路面整體穩(wěn)定性和延長(zhǎng)使用壽命有重大意義。

水泥混凝土路面設(shè)計(jì)參數(shù)較多，為在設(shè)計(jì)中把握關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，本文結(jié)合規(guī)范中的公式及路面結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件（HPDS），分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路面行車荷載疲勞應(yīng)力的影響，供設(shè)計(jì)借鑒與參考。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

根據(jù)規(guī)范相關(guān)公式進(jìn)行合并，得到彈性地基雙層板計(jì)算荷載應(yīng)力的式（1），以更明確路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)。

通過(guò)式（1）~式（4），影響行車荷載疲勞應(yīng)力的主要因素包括：設(shè)計(jì)軸載Ps、板底當(dāng)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(qiáng)度f(wàn)r。溫度荷載應(yīng)力與混凝土彈性模量及其板厚成正比關(guān)系，本文不再對(duì)其進(jìn)行分析。

本文以城市次干路為例，采用路面結(jié)構(gòu)：24 cm水泥混凝土路面+36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+15 cm級(jí)配碎石墊層為例，設(shè)計(jì)軸載為100 kN，最重軸載為180 kN，在累計(jì)軸載作用次數(shù)2×107作用下，分析設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)混凝土路面行車荷載疲勞應(yīng)力的影響，參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)表

2 設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析

2.1 設(shè)計(jì)軸載Ps的影響

我國(guó)以100 kN的單軸-雙輪組荷載作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，當(dāng)?shù)缆氛贾饕蓊~的軸載超過(guò)100 kN時(shí)，需將軸載換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載。其他參數(shù)不變，改變?cè)O(shè)計(jì)軸載Ps取值，其范圍100~140 kN，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)軸載對(duì)混凝土板厚及荷載應(yīng)力的影響

由表2計(jì)算結(jié)果可知：路面結(jié)構(gòu)一定，其所能承受的荷載作用次數(shù)也一定。設(shè)計(jì)軸載小于120 kN時(shí)，隨著設(shè)計(jì)軸載增大，累計(jì)軸載作用次數(shù)增大，混凝土板厚度及荷載應(yīng)力均增大，這是因?yàn)楫?dāng)設(shè)計(jì)軸載超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN時(shí)，需將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)軸載，二者轉(zhuǎn)化關(guān)系為設(shè)計(jì)軸載與標(biāo)準(zhǔn)軸載比值的16次方，顯然二者比值越大，累計(jì)軸載作用次數(shù)越大，如設(shè)計(jì)軸載200 kN相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)軸載作用65 536次；因此設(shè)計(jì)軸載超過(guò)120 kN時(shí)，累計(jì)軸載作用次數(shù)增長(zhǎng)較快，接近特重交通上限（1010），此時(shí)路面結(jié)構(gòu)無(wú)法承受累計(jì)荷載作用次數(shù)，需重新優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)。

水泥混凝土路面的疲勞損傷量對(duì)軸重很敏感，與軸重比成16次方的關(guān)系，對(duì)于特重軸載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN設(shè)計(jì)時(shí)，累計(jì)軸載作用次數(shù)會(huì)達(dá)到天文數(shù)字，為避免出現(xiàn)這種情況，在進(jìn)行交通量及交通荷載調(diào)查分析時(shí)，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(shè)計(jì)軸載，使得計(jì)算較為合理。

2.2 板底地基當(dāng)量回彈模量Et的影響

其他參數(shù)不變，改變板底地基當(dāng)量回彈模量Et，其取值范圍30~90 MPa計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

板底地基當(dāng)量回彈模量Et與路床頂綜合回彈模量E0、粒料層當(dāng)量回彈模量、厚度及層數(shù)相關(guān)。

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

表3 板底地基當(dāng)量回彈模量Et對(duì)混凝土荷載應(yīng)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(dāng)量回彈模量Et有較大的提高，經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)15 cm級(jí)配碎石與路床頂綜合回彈模量E0為30 MPa時(shí)，Et達(dá)到60 MPa，可滿足設(shè)計(jì)條件。

由此可知，對(duì)于較弱的路基，需要采取改善路基的措施，如更換填料、增設(shè)粒料層或低劑量無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層，以滿足規(guī)定的最低模量要求；對(duì)于較強(qiáng)的路基，可以減少路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(shù)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(qiáng)度取值范圍2.0~3.0 MPa，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表4 半剛性基層厚度對(duì)混凝土板厚及荷載應(yīng)力的影響

由表4計(jì)算結(jié)果可知：半剛性基層厚度對(duì)面層厚度及荷載應(yīng)力的影響均較小。剛性基層彎拉強(qiáng)度對(duì)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(jié)構(gòu)的彎曲剛度，降低面層板的荷載應(yīng)力，但會(huì)增加溫度變形與翹曲應(yīng)力，對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響，不能起到減薄面層厚度的作用。

由表5計(jì)算結(jié)果可知：貧混凝土基層厚度一定，隨著基層彎拉強(qiáng)度增大，混凝土面層厚度減小，基層彎拉強(qiáng)度一定，剛性基層厚度增加，混凝土面層厚度增大?；鶎雍奢d應(yīng)力均接近基層彎拉強(qiáng)度控制值（2~3 MPa），但面層荷載疲勞與溫度綜合作用力卻遠(yuǎn)未達(dá)到彎拉強(qiáng)度控制值（5 MPa），隨著基層混凝土厚度及彎拉強(qiáng)度增大，該情況越明顯。剛性基層混凝土路面結(jié)構(gòu)需同時(shí)考慮二者均不會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂，在計(jì)算過(guò)程中，貧混凝土基層厚度越薄，面層與基層幾乎都達(dá)到了彎拉強(qiáng)度，隨著基層厚度的增加，基層荷載疲勞應(yīng)力首先達(dá)到彎拉強(qiáng)度，而面層卻有較大的富裕，造成面層板的不經(jīng)濟(jì)。

表5 剛性基層厚度及強(qiáng)度對(duì)混凝土板厚及荷載應(yīng)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(qiáng)度與厚度的共同作用，使得二者同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，以獲得經(jīng)濟(jì)適用的路面結(jié)構(gòu)組合。

2.4 面層混凝土彎拉強(qiáng)度f(wàn)r及混凝土彈性模量Ec的影響

其他參數(shù)不變，改變混凝土彈性模量Ec及彎拉強(qiáng)度，混凝土彈性模量取值范圍29 000~33 000 MPa、彎拉強(qiáng)度取值范圍4.5~6.5 MPa，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

由表6、表7計(jì)算結(jié)果可知：在規(guī)范取值范圍內(nèi)，混凝土面層模量增大，面層厚度增大，荷載應(yīng)力也增大，溫度應(yīng)力減少，但三者變化幅度均較小?；炷涟鍙澙瓘?qiáng)度增大，板厚明顯減小。面層底面所產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力小于混凝土彎拉強(qiáng)度是確定了面層所需要的厚度，當(dāng)彎拉強(qiáng)度增大，混凝土所能承擔(dān)的荷載應(yīng)力會(huì)較大，所需面層厚度就較小。

表6 面層彈性模量對(duì)混凝土板厚及荷載應(yīng)力的影響

表7 面層彎拉強(qiáng)度對(duì)混凝土板厚及荷載應(yīng)力的影響

3 結(jié) 論

基于彈性地基雙層板荷載應(yīng)力計(jì)算公式，采用單一變量法對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，得到設(shè)計(jì)對(duì)行車荷載疲勞應(yīng)力的影響規(guī)律。

（1）確定合適的設(shè)計(jì)軸載做為標(biāo)準(zhǔn)值，是得到合理路面結(jié)構(gòu)組合，保證路面結(jié)構(gòu)使用壽命的前提，必須重視交通量及交通荷載調(diào)查。

（2）板底綜合回彈模量表征路基對(duì)路面結(jié)構(gòu)的支撐條件，其強(qiáng)弱影響路面結(jié)構(gòu)組合是否經(jīng)濟(jì)合理；粒料層作為改善層可較大提高綜合回彈模量；同時(shí)作為土基與基層之間模量過(guò)渡層，可有效減少基層應(yīng)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(guò)厚的基層會(huì)增大溫度翹曲應(yīng)力與變形，導(dǎo)致基層開(kāi)裂，對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響；剛性基層與面層二者互相影響，為使二者均達(dá)到受力最佳點(diǎn)，需在二者厚度與強(qiáng)度上找到平衡點(diǎn)。

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