重型交通下不同氣候分區水泥混凝土路面面層應力極限狀態下交通荷載分析

■周桂梅 蔡 恒

(1.福建省交通規劃設計院，福州 350004;2.福州第一中學，福州 350108)

重型交通下不同氣候分區水泥混凝土路面面層應力極限狀態下交通荷載分析

■周桂梅1蔡 恒2

(1.福建省交通規劃設計院，福州 350004;2.福州第一中學，福州 350108)

根據對不同氣候分區及水泥混凝土面板厚度等情況下，水泥混凝土面板達到應力極限狀態時的交通荷載進行分析，總結不同區域、荷載條件下，水泥面板的受力特性，細化累計當量軸次分區范圍。提出了當面層達到應力極限狀態時，不同條件下道路可承受的累計當量軸次，并分析不同等級道路、不同水泥面板厚度受氣候影響的影響度。

道路工程 水泥混凝土路面 應力極限狀態 交通荷載

0 引言

現行公路水泥混凝土路面設計規范 (JTG D40—2011)按設計基準期內設計車道臨界荷位處所承受的設計軸載累計當量軸次作用，將道路交通荷載等級劃分為5級，見表1，再根據交通荷載分級確定水泥混凝土的彎拉強度。水泥混凝土路面面層應力極限狀態受氣候、材料、水泥板塊尺寸等多種因素影響，不同條件下其達到應力極限狀態時的累計當量軸次亦不相同。規范中進行荷載分級時未明確不同條件下設計車道可承受的設計荷載累計作用次數，導致其范圍較大，設計中對彎拉強度的選取存在盲目化，一味套用高標準進行設計。本文以重型交通等級水泥混凝土路面為背景，進行水泥混凝土路面面層應力極限狀態下的設計車道承受設計荷載累計作用次數閥值分析，細化不同條件下的交通荷載分級，為精細化設計提供一定的支持。

表1 交通荷載分級

1 計算理論及原理

水泥混凝土路面板作為剛性路面，具有較高的力學強度，在車輪荷載作用下變形小，所以其通常處于彈性工作狀態，即在汽車荷載作用下，板內產生的最大應力，包括溫度應力、荷載疲勞應力，均不超過水泥混凝土面板的比例極限應力。當水泥混凝土板工作在彈性階段時，基層和土基所承受的荷載及產生的變形也很小，因此也處于彈性工作狀態。從力學分析來看，水泥混凝土路面結構屬于彈性層狀體系。現行的混凝土路面設計規范，以彈性半空間地基有限大矩形板模型為基礎，以100kN單軸雙輪標準軸載作用于矩形板縱向邊緣中部產生的最大荷載應力控制設計。設計方法采用了可靠度設計方法，以行車荷載和溫度梯度綜合作用產生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態。

根據 《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG D40—2011)可得計算公式(1)～(5)：

式中，fr為面層彎拉強度標準值(MPa)；γ為可靠度系數；σtr為荷載疲勞應力(MPa)；σps為標準軸載在臨界荷位的荷載應力 (MPa)；kc為對路面疲勞損壞影響的綜合系數；kr為接縫傳荷能力應力折減系數；kt為溫度疲勞應力系數；λ為材料疲勞指數；σt,max為面層最大溫度應力(MPa)；at、bt、ct為回歸系數；αc為溫度的線膨脹系數；Ec為面層彎拉彈性模量標準值(MPa)；E0為路基回彈模量(MPa)；Ex為粒料層的當量回彈模量(MPa)；hc為水泥混凝土路面面層厚度(m)；Tg為最大溫度梯度(℃/m)；BL為綜合溫度翹曲應力和內應力的溫度應力系數；vc為水泥混凝土面板泊松比；L為水泥混凝土板平面長(m)。

由公式(1)～(5)可得出公式(6)和公式(7)。

水泥混凝土路面面層厚度要求見表2。

表2 水泥混凝土面層厚度的參考范圍

2 計算結果及分析

2.1 重交通下水泥路面累計當量軸次計算

由于福建省公路自然區劃屬于IV區，為對比分析結果，取Ⅲ區、IV區道路進行計算。

對于一般水泥混凝土面層，其面層彎拉彈性模量標準值Ec=31000 MPa，泊松比vc=0.15。

水泥混凝土路面粒料層常用基層，材料為級配碎石，即Ex=E1=250MPa。

普通水泥混凝土板平面長宜為4～6m，本次驗算取常用尺寸，即L=5m。

由以上分析可得公式(8)和公式(9)。

路床頂面的綜合回彈模量值，重交通荷載等級時不得低于60MPa，本次計算取E0=60MPa。

2.2 計算結果

取公路自然區劃Ⅲ區及IV區半剛性基層水泥混凝土路面進行計算，其路面結構為水泥混凝土面層+20cm5%水泥穩定碎石基層+20cm級配碎石底基層，計算結果見表 3～4。

表3 Ⅲ區道路面層應力極限狀態下累計當量軸次計算結果

表4 IV區道路面層應力極限狀態下累計當量軸次計算結果

2.3 結果分析

(1)不同路面結構極限狀態下的累計當量軸次分析

相同的累計當量軸次，不同路面結構下，水泥面層應力狀態不同。本工況分析在相同基層及底基層，不同面層厚度條件下，當水泥面層溫度應力與疲勞應力極限狀態值達到 5MPa(γr(σpr+σtr)=5MPa)時的累計當量軸次。

由圖1中可以看出，路面厚度越大，路面可承受的累計當量軸次越高，取公路常用厚度240～260mm可以得出，當面層達到應力極限狀態時，Ⅲ區道路可承受累計當量軸次大部分為500×104次以下，IV區道路可承受累計當量軸次大部分為600×104次以下。

圖1 不同路面結構面層極限狀態下軸次

在相同的路面厚度及自然區劃下，道路等級越高，面層達到應力極限狀態時候，其承受的累計當量軸次越低。這是因為，道路等級越高，其可靠系數、對路面疲勞損壞影響的綜合系數越高，即道路安全等級更高，對相同軸次的反應程度更大。

(2)不同公路自然區劃面層極限狀態下的累計當量軸次分析

由圖2中可以看出，在相同道路等級、路面結構下，當面層達到應力極限狀態時，IV區道路可承受累計當量軸次要大于Ⅲ區道路可承受累計當量軸次。

影響度為相同條件下，當面層達到應力極限狀態時，(IV區道路可承受累計當量軸次-Ⅲ區道路可承受累計當量軸次)/Ⅲ區道路可承受累計當量軸次×100%。由圖2(d)可以看出，相同條件下，高速公路受自然區劃影響程度最大，二級公路受自然區劃影響程度最小，道路等級越高，影響度越大；面層厚度越大，影響度越小，即受自然區劃條件影響程度越小。

圖2 不同公路自然區劃面層極限狀態下軸次

3 結論與建議

水泥混凝土路面面層極限應力狀態下的累計當量軸次受較多因素影響，道路等級、面層厚度、公路自然區劃、自然地理氣候條件、路面結構、路面材料參數、土基回彈模量、水泥面板尺寸等，這些因素都對面層應力狀態，從而反作用與應力極限狀態下的累計當量軸次。本次驗算以規范指標要求及設計實際常用參數進行驗算，對公路自然區劃Ⅲ區、IV區道路，不同厚度、不同道路等級下的面層極限應力狀態下的累計當量軸次計算。通過計算分析可知，取公路常用厚度240～260mm可以得出，當面層達到應力極限狀態時，Ⅲ區道路可承受累計當量軸次大部分為500×104次以下，IV區道路可承受累計當量軸次大部分為600×104次以下。高速公路受自然區劃影響程度最大，二級公路受自然區劃影響程度最小，道路等級越高，影響度越大；面層厚度越大，影響度越小，即受自然區劃條件影響程度越小。

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