淺析水泥混凝土路面路基應(yīng)力問題

林琳

[摘要]水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的損壞除了它本身的原因之外，路基的變形是導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)損壞的重要原因之一。路基是路面結(jié)構(gòu)的支撐體，車輪荷載通過路面結(jié)構(gòu)傳到路基，所以路基的應(yīng)力特性對路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度與剛度有著極為強(qiáng)烈的影響。所以必須要對水泥混凝土路面路基的應(yīng)力進(jìn)行深入分析。

[關(guān)鍵詞]淺析；水泥混凝土路面；路基；應(yīng)力

由于水泥混凝土路面具有著剛度大、荷載擴(kuò)散能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好等特點，在我國的公路建設(shè)中得到了最為廣泛的應(yīng)用。但在混凝土路面在我國公路建設(shè)中也暴露出一些問題，例如，水泥混凝土路面在運行一段時間后出現(xiàn)了不同程度的損壞，如路面開裂、路面錯臺等現(xiàn)象的發(fā)生。不僅影響著水泥混凝土路面的實用性和耐久性，還對過往車輛和行人的安全產(chǎn)生隱患。所以必須深入分析路面與路基結(jié)構(gòu)以及影響路面結(jié)構(gòu)的因素。

一、研究現(xiàn)狀及存在問題

（一）目前研究現(xiàn)狀

路基是混凝土路面與行車荷載的支撐體系，由于面層混凝土具有剛度大和板體性強(qiáng)等特點，所以面板混凝土也同時具有良好的荷載擴(kuò)散能力，通常情況下認(rèn)為荷載傳到路基頂面的時候，應(yīng)力會很小。但是，由于經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，交通運輸業(yè)和汽車工業(yè)得到良好的發(fā)展，車輛的軸承不斷增加；而同樣由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展公路運輸車輛超載現(xiàn)象越來越多，超載數(shù)量也在不斷增加，所以現(xiàn)在水泥混凝土路面所承受的車輛荷載也在不斷增加，導(dǎo)致路基應(yīng)力和分布深度的不斷提高和擴(kuò)大。

（二）目前研究中存在的問題

由于路基土具有明顯的應(yīng)力依賴性，路基的性能，也就是回彈模量和壓縮變形等會隨著應(yīng)力狀況的改變而隨之改變。然而目前設(shè)計規(guī)定中，對于路基應(yīng)力及產(chǎn)生影響并沒有清楚認(rèn)識到。例如不考慮公路與荷載等級，而將路基工作區(qū)統(tǒng)一設(shè)定為0.8米：同時在路面結(jié)構(gòu)中采用靜態(tài)承載板法測定的回彈模量表示路基的抗變形能力，忽視路基應(yīng)力狀況的影響。本文采用可以真實表現(xiàn)路基抗變形能力的動態(tài)回彈模量，如果需要在室內(nèi)進(jìn)行實驗，應(yīng)該采用動三軸實驗來測定該指標(biāo)，然后根據(jù)路基應(yīng)力實際情況制定相匹配的加載應(yīng)力組合；同時在進(jìn)行路基變形分析時，需要詳細(xì)掌握路基中荷載應(yīng)力的分布情況，并根據(jù)此確定路基應(yīng)力計算深度，因此，需要根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)水泥混凝土路面的典型結(jié)構(gòu)形式和交通荷載狀況，深入分析路基的應(yīng)力狀況，確定其應(yīng)力計算深度。并在對路基荷載應(yīng)力影響因素進(jìn)行分析。

二、應(yīng)力影響因素

水泥混凝土路面路基荷載主要來源于路面厚度荷載和車輛荷載，而影響水泥混凝土路面路基荷載應(yīng)力水平的因素分別是路面厚度、混凝土模量和路基模量等，這些因素單獨或者共同作用而導(dǎo)致水泥混凝土壓應(yīng)力水平不斷上升，降低水泥混凝土路面路基的使用壽命。

（一）水泥混凝土路面厚度的對路基應(yīng)力的影響

水泥混凝土板厚對路基、路面力學(xué)響應(yīng)的影響為：混凝土板的抗彎剛度和相對剛度半徑隨著面層厚度的增加而不斷加大，而路表彎沉、底板彎拉應(yīng)力以及路基頂面的壓應(yīng)力都表現(xiàn)為下降趨勢。這說明想要提高混凝土板塊的抗彎強(qiáng)度，最有效的辦法是增加路面厚度，通過增加路面分?jǐn)偤奢d的比例，降低路基中荷載應(yīng)力水平；與此同時，由于板塊抗彎抗彎剛度的提高，板塊中彎拉應(yīng)力水平卻在不斷下降。由此可見，想要降低路面、路基的荷載應(yīng)力水平，延長路面使用壽命最有效的辦法就是增加路面厚度。

（二）水泥混凝土模量對路基應(yīng)力的影響

水泥混凝土中模量對路面路基力學(xué)響應(yīng)有明顯的影響，隨著混凝土模量的增加，路面彎沉和路基頂面的壓應(yīng)力卻呈現(xiàn)降低趨勢，而混凝土底板的彎拉應(yīng)力卻在不斷上升。這種效應(yīng)說明隨著混凝土彈性模量的增加，混凝土板塊的抗彎剛度也在不斷增加，路面由于將荷載進(jìn)行分散承擔(dān)，降低了路面彎沉和路基荷載應(yīng)力水平，但是與此同時，路面剛度和分散承擔(dān)的荷載提高也造成了底板彎拉應(yīng)力的上升。這說明如果只是對混凝土的彈性模量進(jìn)行提高，雖然一方面可以降低路面路基的力學(xué)響應(yīng)，但是對于提高路面結(jié)構(gòu)的使用壽命就沒有什么幫助，反而會由于剛度過大從而導(dǎo)致路面荷載應(yīng)力的提高，造成路面的使用壽命下降。

三、路基中應(yīng)力的計算

路基中的應(yīng)力來源于兩種，分別是路面結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力與車輛荷載作用下產(chǎn)生的荷載應(yīng)力，對于自重應(yīng)力的計算方法一般采用：p0=hnγn+∑hiγi（∑中n-1，i=1）。p0是結(jié)構(gòu)自重引起的垂直壓力，hn是計算點距所在頂層的距離，γn是所在層的容重，n-1是計算點所在層的上覆結(jié)構(gòu)層數(shù)。而對于車輛荷載應(yīng)力采用有限元模型進(jìn)行計算，分別利用單軸、雙軸和三軸靜力加載方式；設(shè)定單軸軸重為100kN，車輛超載用單軸增加軸重200kN表示。在獲得不同位置自重應(yīng)力p0和豎向荷載應(yīng)力σz，路基中某點應(yīng)力狀態(tài)為：{σ1=σZ+p0，σ3=σx，y+k0（p0）}，其中σ1是計算點垂直壓力，σ3是計算點側(cè)向應(yīng)力。不過由于計算中未對剪應(yīng)力的影響進(jìn)行考慮，所以計算出來的σ1和σ3嚴(yán)格來說不是真正的主應(yīng)力，只是因為剪應(yīng)力的數(shù)值較小，對路基應(yīng)力水平統(tǒng)計分析的影響非常小，所以不進(jìn)行考慮。

（三）應(yīng)力的統(tǒng)計

不同軸載作用下，水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)路基應(yīng)力的統(tǒng)計結(jié)構(gòu)詳見表3

從表3中可以得知：對于正常狀態(tài)的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，在不同軸型和軸重荷載作用下，路基主應(yīng)力σ1約為30kPa到90kPa之間，σ3約為10kPa到40kPa之間：而路基主應(yīng)力比值在1.9到6.0之間變化，且主要范圍是在2.0到4.0之間。除此之外，公路等級對路基應(yīng)力水平的影響很小。

四、結(jié)論

基層、路基技術(shù)尺寸、面層一基層間的界面特性以及荷載作用位置都對路基應(yīng)力有明顯影響。其次，隨著軸重的增加，路基應(yīng)力計算深度呈線性增長趨勢。再次，荷載應(yīng)力在路基較淺情況下，也就是路基在1米之內(nèi)時荷載應(yīng)力減速非常大，而當(dāng)在路基應(yīng)力計算區(qū)底部時，荷載應(yīng)力減速變得很??；增加軸重會引起路基應(yīng)力計算區(qū)荷載應(yīng)力級位提高。再次，路基主應(yīng)力覆蓋范圍中σ1約為30kPa到90kPa之間，σ3約為10kPa到40kPa之間，主應(yīng)力比值變化幅度為1.9到6.0最后，通過對應(yīng)力分析得出軸載的增加將會使得路基的應(yīng)力水平有明顯提高，當(dāng)軸載增加一倍時，路基中應(yīng)力級位最少可以提高10kPa；而且軸載的增加與路基應(yīng)力級位的變化會導(dǎo)致路基性能和水泥混凝土路面受力情況發(fā)生改變。所以在公路建設(shè)中對于路基與路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，一定要根據(jù)路基的應(yīng)力情況確定路基與路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，這樣路基的實際工作情況才能被得到和應(yīng)用，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性，建設(shè)質(zhì)量一流的公路。

五、結(jié)束語

盡管很多公路在設(shè)計之處和建設(shè)階段就對車輛荷載應(yīng)力進(jìn)行充分的考慮，但是我國目前的車輛，特別是貨車，普遍存在超載現(xiàn)象，路基承受的應(yīng)力遠(yuǎn)大于設(shè)計時的應(yīng)力承受極限，所以路基經(jīng)常出現(xiàn)變形現(xiàn)象，進(jìn)而會導(dǎo)致路面的開裂、沉陷等現(xiàn)象發(fā)生。所以本文通對水泥混凝土中路基應(yīng)力進(jìn)行分析，旨在提高路基中的應(yīng)力，保持路基的穩(wěn)定性，保證公路的安全可靠。