混凝土底基層CRCP+AC 路面結構超載分析

趙 旭

（上海城建養護管理有限公司，上海 201101）

引言

隨著我國交通量以及交通軸載的增大，對道路路面結構的整體承載力、耐久性以及行車功能性都提出了較高的要求。傳統半剛性基層瀝青路面在超載作用下容易出現裂縫、車轍、推移等早期損壞現象，連續配筋混凝土路面（CRCP）作為一種具備高承載力、高耐久性的路面，上覆兩層或三層瀝青混凝土形成剛柔結合的復合路面體系，即CRCP+AC 結構。這種復合路面兼具連續配筋混凝土路面高強度和瀝青路面柔性加鋪行車舒適的綜合性能[1-3]，理論層面具備適應超載的能力。

通過研究CRCP+AC 路面結構超載分析，可以較好地分析路面結構在不同軸載作用下的應力應變分布規律，為道路結構設計優化、路面損壞預防以及敏感參數分析等提供針對性地指導。劉朝輝和鄭健龍[4]通過建立CRC+AC 層間剪應力分析模型，計算不同瀝青層厚度和不同軸載作用下層間剪應力，并且通過不同荷位的計算與分析，得出不同裂縫間距復合式路面結構的兩種臨界荷位，通過變換若干AC層厚度、CRC 板厚度以及地基模量分析參數對復合式路面結構荷載應力的影響[5]。程焰兵[6]建立帶裂縫的連續配筋混凝土復合式瀝青路面的三維有限元模型，分析了移動荷載下CRC+AC 復合式路面結構的動力響應。蒙藝[7]基于彈性層狀體系借助Bisar3.0分析改變相關結構、材料參數對復合式路面層間剪應力的影響規律，研究表明沿輪心方向的輪后緣處最容易發生剪切破壞現象，AC 層厚度對層間剪應力影響明顯，面層的合理厚度為8～12 cm。國內外學者就連續配筋混凝土路面應力分析開展了深入研究[8-13]，復合路面結構的底基層形式主要為半剛性材料，連續配筋混凝土路面底基層為混凝土材料的結構應力分析研究相對較少，作為一種重載適應程度較強的CRCP+AC 路面結構形式，該路面結構的力學響應分析及關鍵力學響應指標隨著重載變化的相關規律研究就顯得尤為重要。

1 路面計算模型

1.1 路面結構組合及材料參數

連續配筋復合路面結構組合見圖1。復合路面結構層的材料參數見表1。

圖1 路面結構組合

表1 路面結構層的材料參數

1.2 模型尺寸與假設

模型選取連續配筋水泥混凝土板塊尺寸為5 m×4 m，脹縫寬度為2 cm。由于連續配筋混凝土復合式路面中鋼筋分布均勻，故將鋼筋布設層按照實體單元建模，將鋼筋連續化處理，并采用空間正交各向異性材料模型模擬該層縱向、橫向配筋率不同以及厚度方向沒有配筋的特性。連續配筋水泥板、瀝青面層、混凝土底基層等均采用空間等參元8 節點六面體單元進行模型建立。

1.3 荷載條件

將100 kN 雙圓均布標準荷載簡化為雙矩形均布荷載：接地寬度B=18.6 cm，接地長度L=19.2 cm，軸載P=100 kN，接地壓力p=0.7 MPa，輪數nw=4，兩輪中心距31.4 cm。選取連續配筋復合式路面結構的荷載作用位置于橫縫邊緣中部。

1.4 單元類型及邊界條件

計算模型采用C3D8R 單元類型，可以保證計算結果的準確性，同時提高軟件運算效率，選取0.025 m 作為近似全局網格布置尺寸。模型的邊界條件：X、Z 方向均為軸向約束，結構底面為固定約束，路面頂層完全自由。路面三維模型中X、Y、Z 分別表示行車方向、路面深度方向和路幅方向。路面結構的三維有限元模型及網格模型見圖2。

圖2 路面結構三維有限元模型及網格劃分模型

2 標準軸載下的力學響應規律

2.1 剪應力

路面結構的最大剪應力分布見圖3。分析可知：最大剪應力沿路面深度方向呈現逐級遞減的分布形態與規律。最大剪應力的極值出現在復合式路面結構的4 cm、8 cm 位置，最大剪應力峰值分別為0.541 MPa、0.526 MPa，經過瀝青面層與CRCP 層的交界后，最大剪應力迅速下降，到路面CRCP 層上部6～7 cm 處略有上升，第二處剪應力極值為0.412 MPa，其后剪應力呈現下降趨勢，到C25 混凝土層底剪應力出現第三處極值，此時剪應力大小已降低至0.169 MPa，到級配碎石層剪應力基本消散趨于零。

圖3 路面結構的最大剪應力分布

2.2 縱向拉應力

路面結構的縱向拉應力見圖4。瀝青加鋪層位于壓應力區，極值位于瀝青加鋪層層底，最大值0.095 MPa。接著進入拉壓應力交界區，連續配筋混凝土層層底的拉應力相對較小，為0.016 2 MPa。進入C25 混凝土層之后，縱向拉應力迅速增大，最大值為0.085 MPa。C25 整體的板體性更好，剛度大使得路面結構的中性面下降，因此，瀝青面層全部處于壓應力區域，縱向拉應力的最大值位于C25 混凝土底部。

圖4 路面結構縱向拉應力分布

2.3 橫向拉應力

路面結構的橫向拉應力分布見圖5。相較縱向拉應力而言，橫向拉應力整體的數值較大，瀝青面層與CRCP 層均位于壓應力區，極值出現在瀝青層層底處，為0.149 MPa，CRCP 層層底位于拉壓應力交界區，進入C25 混凝土層之后，橫向拉應力迅速增大，最大值為0.091 MPa。

圖5 路面結構橫向拉應力分布

2.4 壓應力

路面結構的壓應力分布見圖6。由于選取的計算點位在橫縫附近，相比于傳統的半剛性基層瀝青路面壓應力的峰值沒有出現在輪胎與路表的接觸區域，整個復合路面的壓應力分布呈現“單峰”形式，壓應力最大值位于CRCP 層層底位置處，峰值為0.228 MPa。

圖6 路面結構的壓應力分布

3 關鍵力學響應指標的重載分析

綜合考慮CRCP 層的受力特性與材料層位，選取瀝青面層之間以及瀝青面層-基層的界面最大剪應力、CRCP 層與C25 層層底橫向拉應力及縱向拉應力、路表彎沉指標作為關鍵力學指標的分析群體。初步設定軸載為100～200 kN，超載率選取為0%、20%、40%、60%、80%、100%。

3.1 界面剪應力

CRCP 復合式路面的界面剪應力隨著軸重的增加的應力變化見圖7。瀝青層界面剪應力與面-及層間剪應力的增長速率基本一致，整體的幅值較大，從0.228 MPa 和0.247 MPa 增長至0.456 MPa 及0.493 MPa。表明要關注瀝青層間以及面基層間的黏結問題，良好的層間黏結可以防止層間滑移，提高面層的服務使用壽命。

圖7 界面剪應力超載分析

3.2 橫向拉應力

層底橫向拉應力見圖8。CRCP 層作為主要承重層，層底的橫向拉應力相對較小，隨著軸載的增加，其橫向拉應力從0.025 MPa 增長到0.048 MPa，增長速率相對混凝土基層而言小。C25 混凝土層層底橫向拉應力從0.091 MPa 增長到0.182 MPa。表明混凝土基層CRCP+AC 路面更需要關注該層層底的疲勞開裂，在計算疲勞壽命時均應考慮。

圖8 層底橫向拉應力

3.3 縱向拉應力

層底縱向拉應力見圖9。路面結構的層底縱向拉應力與前述規律相似，CRCP 層層底的橫向拉應力相對較小，其橫向拉應力從0.016 MPa 增長到0.032 MPa，增長速率相對混凝土基層而言小。C25 混凝土層層底拉應力從0.085 MPa 增長到0.170 MPa。與橫向應力對比，縱向拉應力比橫向拉應力的數值范圍相對較小，表明橫向開裂或許會更加嚴重。

圖9 層底縱向拉應力

3.4 路表彎沉

路面結構路表彎沉見圖10。路表彎沉大小分布較廣，從標準軸載的51（0.01 mm）增長至102（0.01 mm）處，表明隨著軸載的增加，路表的縱向變形相對較大，如果軸載進一步加大，路表將會出現較大的路面沉陷等路面損壞現象。

圖10 路面結構路表彎沉

4 結語

（1）瀝青層間的界面剪應力與面-及層間剪應力的增長速率基本一致，整體的幅值較大；對于瀝青面層應考慮車轍增強的現象，在設計階段應采取模量較高的材料。（2）CRCP 層層底橫向與縱向拉應力相對較小，隨著軸載的增加，其增長速率相對混凝土基層而言小，混凝土底基層路面更需要關注混凝土層底的疲勞開裂，在計算疲勞壽命時均應考慮。（3）復合式路面的彎沉變化較為明顯，從標準軸載的51（0.01 mm）增長至102（0.01 mm）處，連續配筋復合式路面在重載路段可能出現路面沉陷等問題。