農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及承載力試驗研究

摘要 文章以輕型交通量農(nóng)村公路為對象，基于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與承載力問題，采用足尺寸模型實驗，研究不同基層材料對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)承載力的影響。結(jié)果表明：水穩(wěn)碎石基層的荷載傳遞能力優(yōu)于級配碎石基層，而級配碎石基層的荷載擴散能力優(yōu)于水穩(wěn)碎石基層；增加板厚可有效提高路面結(jié)構(gòu)的承載力及穩(wěn)定性。農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時建議采用較高強度的基層類型，調(diào)整板厚能有效平衡成本及性能。

關(guān)鍵詞 水泥混凝土路面；農(nóng)村公路；承載力

中圖分類號 U416.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0118-03

0 引言

農(nóng)村地區(qū)地形復(fù)雜且資源有限，如何設(shè)計和建設(shè)適宜的路面結(jié)構(gòu)已成為農(nóng)村公路建設(shè)的難題之一。以輕型交通量農(nóng)村公路為對象，采用足尺寸模型實驗，對不同基層材料對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)承載力影響進行研究。通過對不同路面結(jié)構(gòu)模型的力學(xué)性能進行對比分析，能有效揭示基層材料對路面承載力及穩(wěn)定性的影響情況[1]，為農(nóng)村公路建設(shè)提供既經(jīng)濟實用又能滿足長期使用要求的設(shè)計標準和建設(shè)方案。

1 材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 材料參數(shù)

實驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥；水泥混凝土配合比為水泥∶10～20 mm碎石∶5～10 mm碎石∶細集料∶水=399.07∶487.16∶698.28∶604.42∶195.00；水穩(wěn)碎石基層礦料為45%的10～20 mm碎石+23%的5～

10 mm碎石+32%的0～5 mm碎石；級配碎石基層集料為38%的10～20 mm碎石+35%的5～10 mm碎石+27%的0～5 mm碎石+5%的水；路基填土為粉質(zhì)黏土[2]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

選擇面層厚度和基層形式進行足尺寸模型實驗[3]。實驗設(shè)計如下：采用混凝土面層、20 cm厚基層和30 cm粉質(zhì)黏土為路基，基層中水穩(wěn)碎石的加入量為5%。實驗方案如下：1#方案，面層厚度20 cm+水穩(wěn)碎石；2#方案，面層厚度18 cm+水穩(wěn)碎石；3#方案，面層厚度20 cm+級配碎石；4#方案，面層厚度18 cm+級配碎石。

2 加載方案設(shè)計

選用30 kN單軸雙輪的四輪低速貨車為荷載模型，設(shè)計參照四級公路Ⅰ類+Ⅱ類標準。結(jié)構(gòu)板中心施加20 cm×20 cm的局部荷載，測量路面板四周及基層的撓度和板邊應(yīng)變片與板底的傳感器響應(yīng)，模擬實際車輛荷載對路面影響。

2.1 加載裝置

利用10MN實驗壓力機加載荷載，對路面結(jié)構(gòu)方案進行單調(diào)軸向加載實驗，揭示不同路面結(jié)構(gòu)設(shè)計在實際荷載作用下的響應(yīng)特性。該設(shè)備通過先進的伺服控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)精細的荷載施加，確保實驗條件的精確性和重復(fù)性。采用應(yīng)力應(yīng)變采集系統(tǒng)實時捕獲和記錄路面結(jié)構(gòu)在受力過程中的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和路面性能評估提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 加載方案

采取豎向集中力分級加載方法，Q235加載鋼板大約200 mm×200 mm×20 mm。實驗時，應(yīng)逐步增加荷載速率1 kN/s，每次增幅5 kN，每次增加后保持荷載作用2 min，準確記錄路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。實時監(jiān)測荷載曲線，觀察到曲線出現(xiàn)明顯拐點時，應(yīng)采用2 mm/min的位移加載方式繼續(xù)實驗。當模型出現(xiàn)路面板底部斷裂或荷載—位移（N—s）曲線出現(xiàn)突變時，應(yīng)停止加載。

2.3 監(jiān)測裝置

2.3.1 撓度測量

位移計監(jiān)測路面響應(yīng)。位移計布設(shè)如下：C-Z-1為路面板中心豎向撓度測量點，評估路面板的剛度；Z-BJ1、Z-BJ2為路面板對稱角處豎向撓度測量點，評估路面板的跨度差異撓度；Z-JC1、Z-JC2為路面板角基層豎向撓度測量點，評價路面板的支撐條件。

2.3.2 應(yīng)變測量

對稱布置應(yīng)變片以捕捉路面結(jié)構(gòu)的整體變形和應(yīng)力分布。應(yīng)變片布設(shè)如下：C-X、C-Y分別為沿短邊、長邊方向布置的應(yīng)變傳感器，測量橫向和縱向的應(yīng)變情況；Y-5、Y-6、Y-11、Y-12為長邊中點兩側(cè)對稱放置的應(yīng)變傳感器，檢測不對稱的變形情況。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 加載破壞

路面2#方案、3#方案的加載破壞包括三階段：第一為彈性階段，加載初期荷載較小，路面面層、基層、路基均遵循彈性力學(xué)原理，變形完全可逆，荷載移除后路面結(jié)構(gòu)能夠恢復(fù)到加載前狀態(tài)；第二為中間階段，加載至85～90 kN時，模型箱兩側(cè)板橫向位移達到3 mm以上，路面結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)明顯變形，接近其彈性極限；第三為破壞階段，隨著荷載繼續(xù)增加，2#方案荷載169 kN、3#方案荷載158 kN時，面層混凝土發(fā)生脆性破壞。

4#方案加載破壞過程的彈性階段與2#、3#方案一致，較低荷載作用下變形完全可逆。在中間階段，荷載增至110～115 kN時，4#方案的豎向位移變化減小，進一步增加荷載則位移變化較小，此時較軟土基層已完成豎向壓縮，位移變化減小。在破壞階段，荷載增加至134 kN時，在高荷載作用下形成脆性破壞，裂縫在板底產(chǎn)生并沿長邊擴展至板頂面，與裂縫拓展路徑和路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布有關(guān)，這是路面結(jié)構(gòu)在承受過度荷載時的典型破壞形式。

3.2 撓度特征

由圖1可知，路面板中心受局部荷載，加載點處豎向撓度和板對角翹曲量均與荷載成正線性關(guān)系，隨荷載增加豎向撓度增加、板對角翹曲量增大。路面結(jié)構(gòu)在初期荷載作用下能夠保持較好彈性響應(yīng)，隨著荷載增加，路面變形相應(yīng)增大，進入塑性變形階段。

（1）受局部荷載作用時，路面結(jié)構(gòu)板角翹曲量始終小于板中心豎向位移，當路面結(jié)構(gòu)中心受到較大荷載時，邊緣部分的變形相對較小。4#方案在加載后顯示出板中低、兩邊高的凹陷現(xiàn)象，與板角翹曲量小于板中心豎向位移的觀察結(jié)果相吻合。

（2）荷載增加后，板角位置翹曲量同步增大，路面板在受力時表現(xiàn)出一種左右傾斜趨勢。從1#、2#方案可知，相鄰兩板角翹曲量相差達到70%左右，為明顯不均勻變形；而3#、4#方案則沒有出現(xiàn)較大的不均勻翹曲情況。不同材料的基層對路面結(jié)構(gòu)的變形行為有顯著影響。級配碎石基層因其良好的荷載擴散能力，有助于減少路面的不均勻變形。

3.3 應(yīng)變特征

路面結(jié)構(gòu)2#、3#方案的荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示。

由圖2板底數(shù)據(jù)可知，路面結(jié)構(gòu)受到豎向荷載作用時，板底應(yīng)變表現(xiàn)為縱向拉應(yīng)變，最大應(yīng)變集中在板底，與路面板最終斷裂形態(tài)的觀察結(jié)果一致，該區(qū)域是路面結(jié)構(gòu)的最脆弱部分。Y-6、Y-12應(yīng)變片隨荷載增加顯示出線性增長趨勢，而Y-5、Y-11的應(yīng)變變化較小，應(yīng)變值遠小于Y-6、Y-12的應(yīng)變值，彎拉應(yīng)變從板底向板頂逐漸減小，距離板底位置最近的應(yīng)變片能最先感應(yīng)路面板變形。彎拉應(yīng)變的這種分布情況與路面板最終斷裂形態(tài)的觀察結(jié)果表現(xiàn)一致。

由圖2中板邊數(shù)據(jù)可知，水穩(wěn)碎石和級配碎石基層具有基本一致的板底應(yīng)變曲線，兩種基層材料在板底應(yīng)變響應(yīng)上具有相似性；在板邊應(yīng)變曲線上有一定差異，且在荷載擴散能力和邊緣部分的應(yīng)力分布也不同。在加載初期，級配碎石基層路面結(jié)構(gòu)上Y-6/Y-12應(yīng)變片受荷載影響較大，產(chǎn)生的拉應(yīng)變隨荷載增大而增大，荷載越大增加則速率越大；這表明路面板內(nèi)部由于彎拉應(yīng)力的過度積累，導(dǎo)致在板底首先產(chǎn)生裂縫并向上延伸。

3.4 承載力特征

荷載作用下足尺實驗?zāi)Ｐ土W(xué)響應(yīng)曲線如圖3所示。

由圖3可知，對比級配碎石基層，水穩(wěn)碎石基層具有優(yōu)異的承載力和抗變形能力。1#方案和3#方案的對比分析可知，1#方案的破壞荷載提高幅度高達19%，板底彎拉應(yīng)變降低了約66.7%，而豎向位移的降低幅度達到35%左右，這表明水穩(wěn)碎石半剛性基層在分散荷載和提高路面穩(wěn)定性方面具有更佳表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，當基層類型相同時，增加板厚能顯著提高路面結(jié)構(gòu)承載力，可見板厚是影響路面結(jié)構(gòu)承載力的重要因素；1#、2#方案的破壞荷載基本一致，對比2#方案，1#方案板底彎拉應(yīng)變的降低幅度達到36%，而豎向位移的降低幅度達到17%左右，這表明增加板厚能有效提升路面結(jié)構(gòu)的整體性能。

4 結(jié)語

農(nóng)村公路典型路面結(jié)構(gòu)的足尺承載力實驗結(jié)論如下：

（1）水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的水穩(wěn)碎石基層，具有對荷載敏感性和有效荷載傳遞的能力，路面在受荷載作用時將出現(xiàn)較大的豎向撓度和板角翹曲，可能出現(xiàn)不均勻翹曲現(xiàn)象；級配碎石基層具有良好的荷載擴散能力，承受重荷載時可導(dǎo)致路面板整體下沉/裂縫。

（2）水穩(wěn)碎石基層具有較好的荷載傳遞能力，有助于保持路面結(jié)構(gòu)完整性；級配碎石基層在荷載擴散方面表現(xiàn)更佳，能減少局部應(yīng)力集中的可能性，延長路面使用壽命。

（3）水穩(wěn)碎石基層具有較高的剛性和緊密結(jié)構(gòu)，能提供更優(yōu)承載力。

（4）農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時建議采用較高強度基層類型，通過調(diào)整板厚能有效平衡成本及性能。

參考文獻

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收稿日期：2024-04-18

作者簡介：袁利平（1985—），男，本科，工程師，從事農(nóng)村公路建設(shè)及管理養(yǎng)護工作。