海綿城市透水水泥混凝土路面結構力學響應特征研究

王亞升 王 玉 任芬瑩

（陜西交通職業技術學院， 陜西 710018）

0 引言

海綿城市指的就是在城市中通過大量建造綠地、濕地等，并在廣場。道路下建造透水、滲水鋪裝，形成的海綿體可以加大雨水的回收率，實現雨水的綜合管理和利用，有利于保護環境。透水鋪裝在海綿城市建設過程中受到廣泛關注和推廣，適用范圍為城市的停車場、廣場等人流量較大的地方。透水鋪裝的主要類型有三種，并且因為承載能力和滲透性的不同，應用場所也略有差別。多孔混凝土值得就是孔隙率在30 左右的水泥混凝土，適用于降雨量較大的城市道路。目前國際上在研究海綿城市時多偏向各類鋪裝的適用性，車輛荷載作用下透水鋪裝結構的受力分析缺少相關的分析和研究，基于此，本文將從車輛荷載作用下對透水水泥混凝土鋪裝路面結構力學響應特征進行深入的研究。

1 透水水泥混凝土路面分類

透水水泥混凝土路面主要是以多孔混凝土建造而成，滲透性較強，能夠減少路面雨水堆積，另外按照透排水方式主要分為以下幾種：

1.1 表層排水型

此類型混凝土路面排水功能一般，并且僅有部分面層或者是整個面層排水，若交通量較大，還要在此基礎上增加防磨能力較強的透水瀝青功能層。表層排水層在設計過程中分為兩種結構，部分面層排水路面主要使用的是I 結構，整個面層排水路面在設計時主要采用的是則是II 型。多孔混凝土A 類粒徑在10mm 左右，主要應用于面層混凝土路面。祥見表 1、圖 1。

表1 典型結構

圖 1 表典型結構示意圖

1.2 基層儲排水型透水水泥混凝土路面

此類型混凝土路面排水類型分類兩種，一是整個路面排水，二是基層排水，又分為整個基層排水和部分基層排水。在此基礎山還要根據路段的行車量確定是否增加透水瀝青功能層。部分基層排水路面結構采用的是I 結構，整個基層路面排水采用的是II 結構。透水路面層主要使用的混凝土類型是A 類多孔混凝土，粒徑大小在16mm 左右，透水基層采用的混凝土類型主要是b 類多孔混凝土，粒徑大小約為30mm。詳見表2 圖2.

表 2 路面典型結構

圖 2 路面典型結構示意

1.3 全透型透水水泥混凝土路面

此類型混凝土路面排水類型分類兩種，一種是整個面層排水，另外一種是基層排水，在雨季降水量較大時雨水會從路面滲透到基層。并且按照基層類型的差別將其分為兩種結構，一種是I 型，使用的材料主要是B 類多孔混凝土，穩定碎石，底基層使用的材料為粒料類；另外一種是II 型，使用的材料僅為粒料類一種。全透型透水水泥混凝土路面典型結構見表3，結構示意圖見圖3 。

表 3 典型結構

圖 3 全典型結構示意

2 路面結構有限元模型建立

2.1 模型建立

在分析不同路面結構的受力情況時可以建立有限元ANSYS 模型，并在此過程中利用彈性層狀體系理論對路面結構的受力情況進行深入分析。此理論包括五方面的假設：第一，路面結構移動以及形狀變化幅度較小；第二，最底層路面結構的水平與垂直兩個方向無窮大，除最底層之外的各個結構層厚度需控制在一定范圍之內，水平方向則無限制；第三，路面結構各個結構層的水平方向極遠，它們的應力與形狀變化基本為零；第四，路面的各個層面無摩擦力；第五，忽略本身重量。

彈性層體系的基本元素為無數彈性層，其中最底層是彈性半空間體，除底層之外的其他各層厚度具有一定的標準。不同結構層的使用材料和厚度各不相同，它們組合在一起形成了路面結構復合彈性體。本文在構建模型時參考對象為鋪設瀝青功能層的表層排水型混凝土路面。模型路面長度為 6.0 m ×5.4 m ，地基深度為7.0 米，x 軸表示形成方向，z 軸表示橫向，y 軸表示深度方向。

2.2 荷載加載位置

對雙圓均布荷載進行簡化，使之變為雙矩形均布荷載，長度是20x20cm，地面壓強約為0.63MPa，車輛兩輪之間的距離約為32cm，邊界條件：地基四周水平方向上的位移由其自身進行控制，路面板四周不設置約束。

為了確定路面的最大承載力，深入分析板體不同位置的承受壓力，一般板中、板角、縱邊的中部等屬于典型位置。表4 是板的不同位置的受力情況。

表4 板的不同位置的受力情況

由表4 結果可知，最不利加栽的位置是縱邊中部，也就是臨界荷位。

3 路面結構層參數與路面結構力學的響應分析

3.1 表層排水型透水水泥混凝土路面

表層排水型透水水泥混凝土路面有限元結構及參數如表5 所示。

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下文將對路面結構力學相應特征與路面各個結構層的參數不同指標變化情況進行具體分析。

圖4 路面結構層參數與路面結構力學響應特征的關系圖

從上表中可以看出，此類型混凝土路面上面層中采用的多孔混凝土的厚度和模量對各項指標的影響與下面層混凝土相比，影響較小，也就是說下面層對路面斷裂情況的影響較大。基層路面厚度在增加時，各個指標隨之減小；基層厚度越大，其拉應力變化越小；基層模量增加或減小與各項指標的效果并無明顯的關系，但是對本層具有非常明顯的影響，所以基層模量的數值應進行相應的控制。綜上所述，多孔混凝土上面層的厚度可以根據施工方案的具體要求進行選擇，但至少為10cm，而下面層的厚度以及基層厚度應當按照適用的場合以及成本等因素進行綜合考量。地基模量大于50 MPa 后，對各個指標的作用較小，但是在車輛載荷作用下，路面結構力學響應會隨著軸載的增加而增加。

3.2 基層儲排水型透水水泥混凝土路面

此類型路面在建造時主要使用的材料有以下幾種，一種是A 類、B 類多孔混凝土，另外一種是骨架空隙型無機結合料穩定類，將幾種建筑材料混合在一起共同建造基層儲排水型透水水泥混凝土路面。此類型路面的結構與上文中提到的表層排水型路面具有很大的相似性，但是兩種路面的各結構層的模量略微不同。

各結構層材料對比，見表 6。

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由表6 結果可知: 多孔混凝土層模量的變化對各個指標的影響較小；基層模量的變化基本不影響路面各個指標。所以，基層儲排水型路面相關數據可以參照上文中介紹的表層排水型路面，不再一一贅述。

3.3 全透型透水水泥混凝土路面

全透型透水水泥混凝土路面有限元結構及參數，見表7。

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對此類型路面層的厚度、模量、基層厚度、基層模量以及地基模量這幾個數據進行深入討討，分析這些數據對多孔混凝土層底最大拉應力、路表彎沉等路面結構力學相應特征有何影響。

全透型路面結構層參數與路面結構力學響應的關系圖，見圖5。

分析圖5 各項數據可知，面層、基層厚度以及地基模量越大對各項指標的影響越明顯，影響最大的是中層面厚度；同時面層模量以及基層模量的增加與減少對各項指標的影響較小，但對本層的不利影響較為明顯；所以，在此類型路面的具體施工中，盡量降低地基模量，增加路面的厚度，采用這種設計方式安全性較高，比較適用于建造乘載量較低的道路。在施工時考慮成本問題，可將面層和基層二者的厚度盡量控制在20cm 以上。

4 結束語

本文結合彈性層狀體系理論，通過建立ANSYS 有限元模型，詳細闡述了三種類型的透水水泥混凝土路面的力學響應特征，并對各項力學指標的變化規律進行分析。