陜北某新建三級公路高強混凝土路面結構設計

劉偉 王曙光 楊瑞枝

（1 陜西地建礦業開發環境治理有限責任公司；2 西安科技大學地質與環境學院）

0 引言

新建三級公路位于榆林市榆陽區，設計路面寬度4m，地處公路自然區劃III 區，最大溫度梯度Tg=95℃/m。基準溫度為-5.3℃，考慮現場實際情況，車流量較少，則預測設計基準期內累計軸載次數Ne=30000 次。屬于輕交通荷載等級。設計軸載Ps=100kN，最重軸載Pm=110kN。

1 設計依據

水泥混凝土路面結構設計應以面層板在設計基準期內，在行車荷載和溫度梯度綜合作用下，不產生疲勞斷裂為依據，并以最重軸載和最大溫度梯度綜合作用下，不產生極限斷裂作為驗算標準。

γr（σpr+σtr）≤fr

γr（σp，max+σt，max）≤fr

σpr——面層板在臨界荷位處產生的行車荷載疲勞應力(MPa)；

σtr——面層板在臨界荷位處產生的溫度梯度疲勞應力(MPa)；

σp，max--最重的軸載在臨界荷位處產生的最大荷載應力(MPa)；

σt，max——所在地區最大溫度梯度在臨界荷位處產生的最大溫度翹曲應力(MPa)；

r——可靠度系數，依據所選目標可靠度、變異水平等級及變異系數通過計算確定；

fr——水泥混凝土彎拉強度標準值(MPa)。

2 規范法

面層擬采用高強混凝土，通過增加面層彎拉強度降低面層厚度，所采用的高強混凝土的彎拉強度為20MPa，彎拉彈性模量取40GPa，泊松比為0.21。高強混凝土的線膨脹系數取12×10-6/℃。高強混凝土疲勞指數取0.042。

表1 高強混凝土面層最小厚度計算結果

通過計算可知，高強混凝土面層最小厚度應取0.07m，才能滿足疲勞應力驗算。

考慮凍融循環條件，板底地基當量回彈模量Et=5MPa，陜北地處季凍區，考慮凍融對路基材料性能的影響，文獻[1]對陜北土不同含水量試件在不同凍融次數后的回彈模量開展了測試試驗。壓實度為96%、含水量為20%、凍融循環12 次后的陜北土樣回彈模量為14.7MPa。保守考慮，取板底地基當量回彈模量Et=5MPa。路基土凍融后，使密實土體變疏松，土體結構性遭到破壞。此時路面可能出現的破壞形式為最大荷載作用下的一次性破壞，于是對面層混凝土的最大荷載應力進行驗算，計算結果如表2。

表2 高強混凝土面層最小厚度計算結果（Et=5MPa）

通過計算可知，高強混凝土面層最小厚度應取0.08m，才能滿足路基凍融循環時面層的最大荷載應力驗算。

3 有限元法

根據路面設計，確定計算的水泥板長5m、寬4m。路基模型選擇長16m、寬7.5m、深9m。依據《公路水泥混凝土路面設計規范》(JTG D40－2011)[2]及《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50－2017)[3]中無機結合料的材料性質及設計參數，加載方式為單軸雙輪組標準軸載加載，臨界荷位位于板邊縱向邊緣中部。

層間完全光滑，基層和路基間設置正交各項異性單元，厚度為0.001m，計算參數見表3。溫度梯度系數為95℃/m，基準溫度為-5.3℃。約束條件為：底面完全約束。有限元計算模型如圖1。

表3 正交各項異性單元參數取值

圖1 有限元計算模型

采用高強混凝土面層的路面結構驗算，板底地基回彈模量Et=50MPa，由于普通混凝土路面結構驗算結果不滿足設計要求，故采用高強混凝土進行變更設計，參數見表4，結果見表5。

對路面結構進行驗算，當面層厚度為0.04m 時，計算得荷載應力σp，max=10.64MPa，荷載疲勞應力σpr=16.39MPa，最大溫度應力σt，max=1.21MPa，溫度疲勞應力σtr=-0.44MPa，然后再進行結構極限狀態驗算：

表4 高強混凝土設計參數

圖2 荷載應力計算結果

圖3 面層荷載應力計算結果

圖4 溫度應力計算結果

圖5 面層溫度應力計算結果

表5 高強混凝土面層單軸雙輪組軸載100KN 作用下最小厚度計算結果

通過計算可知，高強混凝土面層最小厚度應取0.04m，滿足疲勞應力驗算。

考慮凍融循環條件，板底地基當量回彈模量取Et=5MPa，最重軸載110kN 作用下不同面層厚度時荷載應力計算結果見表6。

表6 高強混凝土面層單軸雙輪組軸載110kN 作用下最小厚度計算結果

通過計算可知，高強混凝土面層最小厚度應取0.05m，才能滿足路基凍融循環時面層的最大荷載應力驗算。

由規范和有限元計算結果可知，板底地基當量回彈模量取50MPa 時，路面破壞主要考慮荷載疲勞應力及溫度疲勞應力的作用，應對最大應力及疲勞應力進行驗算。滿足規范法應力驗算的最小厚度為0.07m，滿足有限元應力驗算的最小厚度為0.04m；考慮凍融循環作用，板底地基當量回彈模量取5MPa 時，路面破壞主要考慮一次重荷載作用，應對路面所受的最大荷載應力進行驗算。滿足規范法應力驗算的最小厚度為0.08m，滿足有限元法驗算的最小厚度為0.05m。

4 方案設計

已知新建三級公路長度為350m，為驗證規范法及有限元法計算結果，如圖6，新建三級公路道路擬確定采用：

圖6 新建道路路面結構

⑴0～300m：修筑0.08m 厚的高強混凝土面層；

⑵300～350m：修筑0.05m 厚的高強混凝土面層。

高強混凝土路面工程清單見表7。

表7 高強混凝土路面工程清單

普通混凝土路面工程清單見表8。

表8 普通混凝土路面工程清單

5 結論

⑴為此采用高強混凝土作為新建三級公路路面組成材料，通過規范法結合有限元方法對不同厚度面板進行驗算，得到滿足道路使用要求的高強混凝土面板厚度。

⑵高強混凝土路面厚度較普通混凝土路面大大減小，通過經濟性分析，采用高強混凝土路面較普通混凝土路面材料造價要低，高強混凝土路面具有推廣價值。