陡坡混凝土路面受力特性研究

楊錫武，葛運起

（重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

陡坡混凝土路面受力特性研究

楊錫武，葛運起

（重慶交通大學土木建筑學院，重慶 400074）

通過室內模型試驗，測試了不同縱坡條件下混凝土板底和板表面的受力變化規律;應用有限元方法，對試驗結果進行了分析對比。結果表明:臨界荷位處的板底最大拉應力隨縱坡增大而減小，剪應力隨縱坡的增大而增大;同一縱坡下，混凝土板底部的拉應力遠大于其余各測點應力值。根據混凝土板應力隨坡度的變化規律，提出了基于縱坡影響的陡坡混凝土路面的縱坡坡度劃分。

陡坡急彎;混凝土路面;應力;試驗;有限元計算

為改善山區農村交通條件，山區縣際公路和農村公路路面硬化改造已成為目前公路建設的另一重點。由于山區農村公路交通特點和工程建設資金有限，這些山區公路不可能進行大規模的平縱線形改建，平縱線形標準低、彎急、坡陡，仍然是山區農村公路路面硬化改造道路的線形基本特點。在這些山區農村公路路面硬化改造中，由于水泥混凝土路面具有強度高、抗滑性能好、物理力學性能穩定、材料來源簡便、施工設備和工藝簡單、施工質量易于控制、使用壽命長等優點而得到廣泛應用［1］。但是由于各種原因，目前已修成的這些山區公路水泥混凝土路面中，部分路面在竣工通車后不久即產生不同程度的破壞病害，遠未達到20～30年的設計使用壽命，使混凝土路面使用壽命大大縮短，增加了養護維修費用［2-4］。引起山區公路水泥混凝土路面提前破壞的原因較多，包括路面結構設計不合理，路基壓實不均勻沉降、接縫防水性能差、路基排水不良和重載作用等，但是，對于陡坡急彎山區公路混凝土路面，其縱坡大、彎道半徑小、車速低等行車條件對水泥混凝土路面結構受力的影響，受力模式與現行水泥混凝土路面設計規范［5-7］的路面受力模式不同而引起的山區陡坡急彎公路混凝土路面的提前破壞尚未引起重視，國內外有關的研究成果也較少。為研究坡度對混凝土路面的影響，筆者研究了不同縱坡上的混凝土路面板在不同荷載作用下的應力變化規律，并用有限元方法對模型試驗路面結構進行了分析，得到一些有益的結論。

1 陡坡混凝土路面板模型的設計

1.1 坡度的確定

根據目前我國公路路線設計規范［8］，4級公路最大極限縱坡9%的規定，同時考慮到在特殊地形條件下農村公路縱坡可以達到10%以上的情況，試驗選擇了0%，6%，9%，12%等4個縱坡進行不同縱坡下混凝土路面受力特性的試驗。

1.2 模型結構的設計與布置

根據室內試驗條件及陡坡條件下常用農村公路混凝土路面結構的混凝土板的尺寸，模型板的板寬與板長之比按1∶1.3設計，長300 cm，寬230 cm，厚度20 cm;板下設置15 cm厚的水泥穩定碎石基層，長400 cm，寬300 cm;土基厚度80 cm，長400 cm，寬300 cm;測試點距試槽邊緣最大距離70 cm，以減少邊界條件對測點應力的影響，模型結構布置和尺寸如圖1。

圖1 模型結構設計圖（單位:cm）Fig.1 Layout of model structure

2 模型材料性能及施工

2.1 土基材料性能及施工

土基填料采用的土為重慶風化的紫色頁巖土，塑限 ωp為 20.193，液限 ωl為 26.928，塑性指數 Ip為6.7，重型擊實最大干密度為 2.15 g/cm3，最佳含水量為9.0%，用人工分層填筑施工，壓實度按95%控制。

2.2 水泥穩定碎石基層材料的性能及施工

根據農村公路交通特點及室內加載條件，水泥穩定碎石的7 d抗壓強度設計的抗壓強度標準為2.5 ～3.0 MPa，通過多次試驗，水泥劑量為 3.5%，擊實最大干密度γmax為2.39 g/cm3，最佳含水量W為4.6%，施工時壓實度按97%控制。用人工夯實施工。

2.3 水泥混凝土面層材料的性能及施工

混凝土面板采用C30商品混凝土，配合比為水泥∶粉煤灰∶細集料∶粗集料 ∶水∶泵送劑 =300 ∶100∶645 ∶1185 ∶170 ∶6.3。

3 土基、基層頂面回彈模量及混凝土板強度的測試

3.1 土基、基層頂面回彈模量測點布置及測試結果

為便于對模型結構受力的分析計算，試驗用承載板法測試了土基頂面模量和基層頂面的當量回彈模量，兩層測點布置對應相同，如圖2。

表1是土基和基層頂面回彈模量測試結果。

圖2 土基、基層頂面模量測點布置Fig.2 Measuring points arrangement of modulus of the subgrade and the top of subbase

表1 土基、基層回彈模量測試結果Table 1 Results of the subgrade and subbase

3.2 混凝土板強度測試結果

混凝土板澆筑完養生28 d后，按JTG E 03—2005《公路水泥及水泥混凝土試驗規程》，分別對0%，6%，9%，12%等4塊混凝土面板進行鉆芯取樣，測試芯樣抗壓強度、劈裂強度，再利用經驗公式計算得出混凝土板的抗拉強度及彎拉彈性模量，結果如表2。

表2 水泥混凝土面板的強度特性Table 2 Strength of concrete slab

4 不同縱坡混凝土板的應力測試與分析

4.1 測點布置與加載測試方法

為測得板坡度對混凝土面板應力的影響，結合規范［7］規定的臨界荷位，沿板頂面和沿板厚方向布置了測點，貼置應變片，板表面各測點布置方向間夾角為45°，應變片間距25 cm，板厚方向應變片間距4 cm，距上下邊緣2 cm，測試板的應變片布置如圖3。

圖3 應變測點布置圖（單位:cm）Fig.3 Strain measuring points arrangment

加載點位于臨界荷位處，即板的縱向邊緣中部1/2處，采用反力架、液壓千斤頂和15 cm直徑的剛性承載板加載，同時，在千斤頂與承載板之間加墊球形鋼制支座，以保持荷載始終豎直向下傳遞，并反映荷載與面板間的夾角關系和坡度對荷載的影響。為反映不同等級荷載作用下的陡坡混凝土板的應力變化規律，加載等級為 50，65和 80 kN，應變采用YE2539高速動態應變儀測試。

4.2 測試結果與分析

表3、表4分別是不同荷載等級作用下板在臨界荷位處的應力沿板厚的分布測試結果和板表面各測試方向的最大拉應力測試結果。

表3 混凝土板臨界荷位處的拉應力測試值與有限元計算結果對比Table 3 Resalts of test and finite element calculation at the most disadvantageous load position /MPa

表4 不同荷載等級作用下板表面各測線方向的最大應力測試值與有限元計算結果Table 4 Results of test and finite element calculation of the biggest tensile stress on lab surface under different loads /MPa

從表3、表4可以看出:

1）混凝土板斷面的應力從上至下由壓應力變成拉應力，混凝土板底最大拉應力隨坡度的增加而降低。當板的縱坡達到9%，12%時，板底最大拉應力和板表面最大拉應力減小明顯，在標準軸載作用下，板底最大拉應力減小率為30% ～35%;當坡度達到較大值以后，其減小的幅度變小。

2）在荷載作用于臨界荷位的條件下，混凝土板表面最大應力呈拋物線形分布，板表面最大拉應力產生在板的中線方向（C方向）上，并隨坡度增大而減小。

3）板底拉應力和板表面拉應力隨軸載增大而增大，隨縱坡的增大而減小。在相同坡度條件下，軸載越大，混凝土板中的應力顯著增大，重載對混凝土板的應力影響明顯。

5 不同縱坡混凝土板應力的有限元分析

5.1 計算模型的建立與計算參數［9］

為驗證測試結果的可靠性以及對一些試驗中不能測試的應力應變進行分析對比，在模型試驗測試結果基礎上，應用通用的ANSYS有限元分析軟件對測試的模型結構進行了理論分析計算。圖4是4種縱坡條件下水泥混凝土路面板的三維有限元分析計算模型。計算模型幾何尺寸與測試模型相同，模型的邊界條件為:地基地面x、y、z方向無位移，地基四周各自約束其水平方向上的位移，路面板四周無約束，計算參數以測試值為依據，如表5。

圖4 陡坡水泥混凝土路面板的三維有限元分析計算模型Fig.4 3-D finite element analysis model of steep slope concrete slab

表5 模型計算主要計算參數Table 5 Parameters of 3-D finite element model

5.2 計算結果及分析

應用有限元方法計算的混凝土板測試模型對應測點的應力計算結果，如表3、表4、表6。

從表3、表4及表6的計算結果可以看出:

1）在測試和計算對應測點或測線上的最大應力計算結果與測試值隨坡度和荷載的變化規律基本一致，說明測試結果基本上是可靠的。

表6 標準軸載作用下不同坡度時板底剪應力Table 6 Shear stresses at the bottom of slab for the different longitudinal slope under the standard axle load

2）板底最大拉應力隨縱坡的增大而減小，而最大剪應力隨縱坡的增大而增大。說明由于坡度的存在，垂直作用于板面的荷載減小為Pcosα（α為混凝土板與水平面的夾角），板底最大拉應力降低，而垂直荷載沿坡度方向的分量使混凝土板表面的切向力增加Psinα，使板受剪，增加了板底剪應力，雖然剪應力增大的幅度并不大，但由于板與基層間界面抗剪強度較低，較小的剪應力也會使板與基層界面被剪壞，因此，在陡坡條件下應考慮剪應力對板與基層界面連接的影響。

3）根據陡坡混凝土板拉應力隨坡度增大而減小，剪應力隨坡度增大而增大的變化規律和混凝土路面設計指標，縱坡較大的農村公路混凝土路面設計施工中應采取措施，加強混凝土板與基層界面的連接，以避免剪應力過大而使板與基層界面產生剪切破壞，導致混凝土板脫空、唧泥、斷板。

6 結論

1）模型試驗和理論分析計算表明，陡坡上混凝土路面板的應力大小與平坡混凝土路面板不同，隨著坡度增大，混凝土板臨界荷位處的板底最大拉應力減小，剪應力增大。

2）根據混凝土板底和板表面最大拉應力隨坡度的變化率，路面縱坡小于等于6%時，坡度對板底應力的影響不明顯，縱坡大于6%以后，縱坡對板的應力影響隨坡度的增大而趨于明顯。6%縱坡可以作為陡坡路面與非陡坡路面的分界坡度，對于路線平均縱坡大于6%的道路的混凝土路面應考慮縱坡對混凝土路面板受力的影響，對混凝土板與基層的結合界面采取相應的設計和施工措施。

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ZHOU Qian.Load stress analysis for cement concrete pavement lab in steep slopes sections［J］.Highways Traffic Technology，2006（2）:16-18.

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Experimental Investigation on Mechanical Characteristics of Steep Concrete Pavement

YANG Xi-wu，GE Yun-qi
（School of Civie Engineering ＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

The stress of bottom and surface of concrete plate were tested to proof influence of slope on the stress of plate and the finite element method is applied to analyse the tested plates and the calculation results are compared with the test results.The results show that with the longitudinal route slope increasing the biggest tensile stress in the bottom is decreases and the shear stress is increases，at same longitudinal route slope condition，the tensile stress at the bottom of board is the biggest.Based on the changing law of the concrete board stress with slope，the slope value of need to consider the impact of longitudinal route slope on stress in pavement design is suggested in the paper.

steep slope;concrete pavement;stress;test;finite element calculation

U416.216

A

1674-0696（2011）06-1323-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.15

2011-11-16;

2011-11-20

交通運輸部西部交通科技應用基礎研究項目（2007319814150）

楊錫武（1963-），男，云南鶴慶人，教授，博士，主要從事路基路面工程方面的研究。E-mail:yangxw01@126.com。