（岩土工程专业论文）交通重载与软土路基动力共同作用下路面破损机理的研究.pdf

摘要 摘要 混凝土路面在交通重载作用下产生过早损坏，已成为当今路面破损的主要原 因，尤其是在软土地区。本论文拟针对重载交通路面损坏和结构设计问题，结合 以往研究成果，通过对交通量、车辆类型、超载超限状况的调查，以及对重载车 辆作用于路面体上的合理荷载图式、受力特性、破坏机理研究基础上，开展重载 交通的研究和对策分析、研究适应安徽省重载交通条件的重载交通路面结构设计 方法( 包括轴载分析、路面材料性能、结构组合设计和厚度计算等) ，提出适应安 徽省重载交通路面的典行结构和设计方法。 本文以安徽省合一淮公路为典型道路结构，运用a n s y s 进行软土路基在重 载作用下的应力和应变的数值模拟分析。动载方面，本文首先分析了动载产生的 原因以及理论分析基础，接着给出了混凝土路面结构在移动荷载作用下的理论解， 然后从单元类型选取、路面材料特性、荷载形式等方面分析。在模型选取方面， 软土路基用一定劲度系数的弹簧来代替；轮迹作用处的混凝土路面用混凝土梁来 代替。用a n s y s 有限元分析软件探讨了路面结构在动载作用下应力和变化情况， 最后定量分析了轴载、路基模量( 弹簧劲度系数) 、行车速度等因素对计算结构的 影响。结论认为：交通重载与软土路基动力共同作用下路面破坏形式由重载导致 软土路基的再度沉降开始，引起路面轮迹部分的沉降，继而引发车辙、坑槽、开 裂、沉陷等破坏，使路面使用寿命大大缩短，路面使用性能衰减加快；通过提高 结构层模量可以提高路面的使用寿命，行车速度也直接影响路面的受力状况。 1 蛩 6 0 表 1 3 参 6 3 】 关键词：混凝土路面，软土路基，动力荷载，有限元法，交通重载 分类号：u 4 1 6 2 1 7 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 砀ec o n c r e t ep a v e m e n ta tt h et r a f f i cu n d e rh e a v yl o a dd a m a g ea r i s i n gf r o m p r e m a t u r eh a sb e c o m et h em a i nr e a s o nf o rt h er o a dd a m a g ee s p e c i a l l yi nt h es o f ts o i l z o n e t h i st h e s i st ob eh e a v y - d u t yt r a n s p o r tf o rr o a dd a m a g ea n dt h es t r u c t u r a ld e s i g n p r o b l e m ，c o m b i n i n g t h er e s u l t so f p r e v i o u ss t u d i e s ，t h r o u g ht r a f f i c ，v e h i c l e t y p e , t r a n s f i n i t ei n v e s t i g a t et h es i t u a t i o no fo v e r l o a d i n g ，a sw e l la sb a s i cr e s e a r c ho nt h e r o l eo fh e a v y - d u t yv e h i c l e so nt h er o a dar e a s o n a b l el o a db o d ys c h e m a , m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，f a i l u r em e c h a n i s m ，t oc a r r yo u th e a v y d u t yt r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c ha n d c o u n t e r m e a s u r ea n a l y s i s r e s e a r c ha d a p tt ot r a f f i cc o n d i t i o n si na n h u ip r o v i n c e o v e r l o a d e dh e a v y d u t yt r a f f i cp a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g nm e t h o d ( i n c l u d i n gt h ea x l e l o a da n a l y s i s ，p a v e m e n tm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s t r u c t u r ea n dt h i c k n e s so fc o m p o s i t e d e s i g nc a l c u l a t i o n s ) ，m a d et oa d a p tt oh e a v y d u t yt r a f f i cr o a d si na n h u ip r o v i n c ec o d e l i n es t r u c t u r e sa n d d e s i g nm e t h o d s i nt h i sp a p e r , a n h u lh e f e i h u a i n a nr o a df o rat y p i c a lr o a ds t r u c t u r e ，t h eu s eo f a n s y ss o f ts u b g r a d es o i lu n d e rh e a v yl o a da tt h es t r e s sa n ds t r a i na n a l y s i so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n a s p e c t so fd y n a m i cl o a d ，t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y z e st h ec a u s e so f d y n a m i cl o a d ，a sw e l la sb a s i ct h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e ng i v eac o n c r e t ep a v e m e n t s t r u c t u r eu n d e rm o v i n gl o a da tt h et h e o r e t i c a ls o l u t i o n , t h ee n df r o mt h eu n i tt y p e s e l e c t i o n ，s u r f a c em a t e r i a lp r o p e r t i e s ，l o a d st h ef o r mo fa n a l y s i s ，e t c i nt h em o d e l s e l e c t e da s p e c t s ，s o f ts o i lr o a d b e dr e p l a c eb yt h es t i f f n e s sc o e f f i c i e n to fs p r i n g ；t r a c e t h er o l eo fr o u n dc o n c r e t ep a v e m e n tr e p l a c eb yc o n c r e t eb e a m s h a sd i s c u s s e dt h e p a v e m e n ts t r u c t u r e 、) l ，i 廿lt h ea n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r eu n d e rt h em o v i n g l o a df u n c t i o nt h es t r e s sa n dt h ec h a n g es i t u a t i o n f i n a l l yq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h e a x l el o a d ，s u b g r a d em o d u l u s ( s p r i n gs t i f f n e s sc o e f f i c i e n t ) ，f a c t o r ss u c ha st h et r a v e l i n g s p e e do ft h ec a l c u l a t i o no fs t r u c t u r e c o n c l u d e dt h a tt h et r a f f i co v e r l o a d e d 谢ms o f t s o i lr o a d b e dp o w e ru n d e rt h ec o m m o nf o r m so fr o a dd a m a g ef r o mh e a v y - d u t ys o f ts o i l r o a d b e dl e a d i n gt ot h er e s e t t l e m e n tb e g a n , c a u s e db yt h er o a dr o u n dp a r to ft h e s e t t l e m e n tt r a c k ，s p a r k i n go f ft r a c k , p i t s ，c r a c k i n g ，s u b s i d e n c ea n do t h e rd a m a g e ，s o t h a ts i g n i f i c a n t l ys h o r t e nt h el i f eo ft h er o a d ，a t t e n u a t i o nt os p e e du pt h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，b yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo fl a y e rm o d u l u sc o u l di m p r o v et h el i f eo ft h e r o a d ，t r a v e l i n gs p e e dh a v ead i r e c ti m p a c to nt h es i t u a t i o no ft h er o a db yf o r c e i i i 摘要 f i g u r e 6 0 】t a b l e 13 】r e f e r e n c e 6 3 】 k e yw o r d s ：c o n c r e t ep a v e m e n t ，s o f ts u b g r a d e ，m o v i n gl o a d s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， o v e r l o a d i n gt r a f f i c c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：u 416 217 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞邀翌王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者张显吼半年j 月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞徵堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：彤黍钕) 导师签名：芗镟 ， l 1 月 月 6 年 年 吁，7 舻 少 期 期 日 日 字 字 签 签 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 改革开放以来，随着全国国民经济的快速增长，各地交通事业迅速发展，与 此同时交通量也随之激增、车辆大型化，超限运输、重载交通现象的日趋严重， 在这样的交通条件下，我国公路的路面建设也开始出现了一些严重的新问题，其 中较为突出的就是在重载交通条件下，我国各地区许多路面在通车3 - - - 4 年甚至更 短的时间内，就发生了严重的大面积的路面早期破损现象【1 1 1 2 3 1 ，许多最近修建的 高速公路在半年至两年内就发生了严重的损坏，给道路交通带来了极大的不便， 也给国家的道路交通建设带来了巨大损失。如我省合淮公路建成后，由于受到淮 南煤炭外运的影响，合淮公路路面在使用初期即出现车辙、坑槽、开裂、沉陷等 破坏，使路面使用寿命大大缩短，路面使用性能衰减加快。可见重载交通荷载已 经逐渐成为沥青路面、水泥路面早期破坏的主要和最直接的因素【4 j ，重载交通条 件下水泥路面层出不穷的早期破坏，日趋严重的重载交通水泥路面早期破损问题 已非常迫切地要求我们必须对重型交通荷载条件下的轴载影响、路面设计理论、 材料选择、施工过程和破损成因进行重新而又深入的研究【6 儿7 1 。 各国目前对地面结构设计均以静止的车辆荷载作用下的结构为研究对象【8 】， 在这种荷载不太大、车速较低的情况下基本上是合理的。然而在明显的运动荷载 作用下，静力荷载模式与车辆行驶过程中对地面的实际作用力之间的差异越来越 大，地面结构的动力特性远非静力学特征所能描述【9 j 。而这些差异和缺陷，对于 现有的设计理论和方法而言是无法从根本上加以解决。另外，受地理条件的限制， 许多高速公路及国道干线不得不建在深厚的软土地基上。由于软土地基含水量高， 变形大，一般先要进行较长时间的堆载预压，以消除上体的固结沉降和次固结沉 降【1 0 1 。尽管如此，使用期间汽车等交通荷载特别是在超重超载交通荷载的动力及 循环作用下道面也会由于软粘土的塑性变形而在很长时间内发生沉降，进而改变 道面的正常应力状态和变形状态，导致早期破损【1 1 】【1 2 】，道面和地基是一个相互作 用的有机整体，在动力荷载作用下，路面结构体和路基、软土路基都是共同作用 【1 3 】f 1 4 1 1 6 1 ，协同变形，相互耦合影响的，分离任何一个因素对路面动力响应和工作 性状进行分析，都具有一定的局限性1 7 】【1 8 】，只有将道面和地基、特别是软土路基， 安徽理工大学硕士学位论文 综合考虑才可能得到合理结果l l 引。然而目前有关此方面的研究还很少，特别是超 载交通时路基路面动力共同作用对路面表面性能的影响机理，尚知之甚少。 安徽省地处长江中下游地区，土地肥沃，矿产资源丰富，交通运输作为基础 必将得到很大的发展，建在软土地基上的机场跑道或高速公路、铁路，必须解决 好道面和地基的关系，如处理不当，势必影响道路的正常运行。由于交通的普遍 超载和重载化，所修建路面的过早损坏也变的越来越明显，造成上述问题的最根 本的原因是路面结构设计中对车辆超载超限估计不足，现行设计方法不适用于重 载道路的路面设计。近年来，我省相继建成通车的高速公路有合徐、合宁、合芜、 合安、界阜蚌等，目前正在修建合淮阜等一大批城际间的高速，这些公路的路面 都采用混凝土或沥青路面结构形式。 基于以上原因和背景，考虑路面与地基的动力协同变形和共同作用，研究交 通荷载作用下，特别是超重交通荷载下、路面结构体与路基和软土路基的耦合动 力行为和性状，以及这些动力性状对路面表面性能和路面早期破损影响，研究综 合考虑超重交通荷载的超重特性、动力特性和循环性、软粘土的粘弹塑性以及道 面和地基的协同变形，突破了以往仅考虑单一因素或某些因素影响的局限性，全 面和系统地研究超重交通荷载下道面和地基的动力共同作用，和这些性状对路面 表面性能和早期破损的影响机理，研究成果将为软土路基重载交通道面设计、施 工提供关键技术指导。这对于我省交通建设将具有重要的理论、工程价值和巨大 的社会经济效益，为安徽经济的振兴做出的贡献。 1 2 国内外研究现状 多年来，重载问题和软土路基问题一直是国内外道路研究着研究的重点之一， 很多国家、地区和独立研究机构都对此进行了有益的尝试和探讨，随着研究工作 的不断深入，一些设计理论、设计方法和结构组合模式越来越趋向于满足重载交 通的需要。我国地域广阔，地形条件复杂，考虑到经济和长远发展角度，有些道 路不得不修建在深厚的软土地层上。近年来，我国对软土地基的处理有了一定的 成就。 1 2 1 重载路面国内外研究现状 国外对水泥混凝土路面结构分析理论和设计方法的研究，从w e s t e r g a a r d 起迄 2 1 绪论 今已有7 0 余年的历史。在此期间，通过不断的理论探讨、大规模的实验验证和使 用实践的总结，在水泥混凝土路面的结构特性【7 】和性能、结构分析理论和方法、 结构设计方法和参数等方面，取得了不断深化的认识。对于重载水泥混凝土路面， 除了传统的以水泥混凝土路面应力作为结构的主要破坏原因控制路面设计之外， 引入了更多表征混凝土破坏的性能参数，建立了能更准确描述重载对路面破坏的 新模型。美国i l l i n o i s 大学的b a l l o n b 2 4 与t e x a s 大学的z o g e r l i n 2 5 】提出了适应于普 通混凝土路面与钢筋混凝土路面( 复合式路面) ，以防止疲劳应力产生横向开裂的 设计方法，该方法考虑了荷载应力与翘曲应力的叠加；美国各州公路工作着协会 ( a a s h t o ) 以大型环道试验路为依托进行了混凝土路面疲劳特性的野外研究， 在对大量实测数据系统分析的基础上，提出了基于概率统计形式的可靠度设计方 法。在结构组合模式方面，一方面板厚增加、板强度增大，日本现行手册指出有 繁重交通的道路板厚最大达到3 0 c m ；另一方面结构形式也发生变化，多采用复合 式结构，基层多采用水硬性结合料处治的稳定性基层。巴西、澳大利亚、法国、 美国等国采用贫水泥混凝土作为重载交通水泥混凝土路面的基层【1 3 】。 我国由于重型车的不断增加，不少机构和学者也对重载交通路面进行了探索。 对于重载作用下水泥混凝土路面，同济大学的石小平等人针对重车引起混凝土板 底脱空、唧泥、错台和断裂等，提出了控制板角挠度的设计方法，该方法对于特 重交通( 厚度大于2 6 c m ) 的水泥混凝土路面，比控制疲劳应力的方法更切合实际； 山西交通科研所在山西长治地区长一邯二级公路上铺筑了试验路，近年来，对 r c c + a c 路面、r c c + c c 路面进行了广泛的研究，已取得了突破性进展，基层的 选用也逐渐偏向采用无机结合料稳定类基层。同济大学在中国汽车工业总公司及 重型汽车工业总公司的支持下，从汽车设计角度研究了重载对路面的影响及减轻 重型货车对道路的损伤。 综上所述，对于重载道路的研究已取得了一定成果，但这些研究仅偏重于某 一方面，或偏重于设计理论，或偏重于结构组合，而针对于重载，从重载的交通 特性出发，从机理上揭示重载对路面的破坏，系统提出重载路面设计方法及重载 交通和软土路基结合的研究分析方面尚显不足。 1 2 2 软土路基变形理论国内外的研究动态 从己建软土地基上高等级公路的运行情况看，工后沉降大【5 1 ，特别是存在“桥 头跳车”现象，轻则影响车辆行车速度，严重的将导致交通事故。因此，软土路 安徽理工大学硕士学位论文 基的设计重点由稳定控制转向变形控制成为了必然的趋势。 软土变形理论包括固结理论和沉降计算两个部分。 ( 1 ) 土体的固结理论 所谓固结，就是在荷载作用下，水从土孔隙中被挤出，土体收缩的过程。固 结过程也就是孔隙压力消散口0 1 的过程。早在1 9 2 5 年，土力学的奠基人t e r z a g h i 建立了一维固结理论，但同时也引入了许多假定。尤其是假定荷载一次瞬时施加 并维持不变，土体承受的总应力不随时间变化。而实际施工过程中，外荷载是逐 渐变化的；假设土的渗透系数为常数，应力一应变关系呈线性，固结系数不随时 间和深度变化，因此它只是适用于饱和土体小变形固结情况，不宜直接应用于软 土。 t e r z a g h i 和r e n d u l i c ( 1 9 3 6 年) 提出了t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论( 或称为 扩散理论) ，将一维固结理论推向了二维、三维，但其推导中假定总应力之和不随 时间变化，与实际不完全相符，故常称这种固结理论为“拟二维或拟三维固结理 论”。 1 9 4 1 年，b i o t 从较严格的固结机理出发，推导了准确反应空隙压力消散与土 骨架变形相互关系的三维固结方程，一般称为“真三维固结理论 。b i o t 固结理论 建立考虑体力情况下的平衡方程，并建立土体的本构方程，反映了土体在固结过 程中，空隙水压力的变化和位移之间的关系。 但以上的固结理论都是建立在线弹性变形的假定条件下的，而实际土体通常 是非线性变形体。g i b s o n t 2 5 】( 1 9 6 7 年) 等人提出了一维有限非线性应变固结理论， 它考虑了土体的压缩性和渗透性与空隙比的非线性变化，以及土体自重应力等方 面的因素，此外，有些基本假设与t e r z a g h i 理论基本相同。g i b s o n 和s c h i f f m a n u o j 等( 1 9 8 1 年) 用有限非线性固结理论分析厚层粘土的固结时发现，如果考虑土体 的非线性，则求得的同一层的固结速率比用t e r z a g h i 理论推求得快。窦宣、蔡正 银【2 5 】等人( 1 9 9 2 年) 得出了g i b s o n 的理论在简化条件下的解析解，并通过离心 试验进行了分析验证。然而，对于线弹性固结理论的任何有意义的改进，都将使 计算工作量大大增加，并且还会增加一些常规试验难以取得的计算参数，从而影 响它们的使用性。 ( 2 ) 土体的沉降计算 软土路基在受到荷载作用后的变形过程是一个复杂的过程，按沉降产生的机 理不同，可分为三个组成部分，即瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降。其中瞬时 沉降来源于外荷载使土体产生剪切作用而引起的侧向变形；固结沉降是由于土体 4 1 绪论 在外荷下，孔隙水压力消散导致土体积压缩变形所致；次固结沉降发生在主固结 完成后，是由土骨架在持续荷载下的蠕变所引起的。一般认为，次固结沉降通常 很小、历时久，在总沉降中一般都小于1 0 。若工后沉降主要由主固结沉降组成， 可以采用加长预压时间或超载预压的方式进行解决；对于工后沉降主要由次固结 沉降组成的，目前还无法采用主动措施【2 0 】。 现有的软土路基沉降计算方法可划分为数值分析法和理论公式法两大类。其 中，数值分析法可以较全面地考虑土体变形特性及其边界条件，理论上较严密。 但这种方法复杂，工作量大，计算参数的选取困难，目前主要应用于理论研究和 重大工程，且有待完善。工程中通常采用理论公式法。这类方法具有简便、直观， 计算参数少且易取得等优点。 国内外关于软土基路堤沉降的计算方法很多【3 1 】【3 4 1 ，常见的几种求路堤固结总 沉降的方法有分层总和法、应力路径法、有限单元法、差分法、无单元法。 分层总和法未能考虑地基的侧向变形，从而导致软土地基的沉降计算结果偏 小。现有地基规范上提供的修正系数几乎均不能有针对性地考虑软基中侧向位移 对沉降的影响，取值不仅范围大，且无具体取值参考表，给工程技术人员带来一 定困难。 应力路径法过程虽繁琐，但比较合理其缺点是根据弹性理论来预估地基土中 应力的，当地基中所选计算点达到塑性状态时，计算结果不太合理，而且试验也 无法进行。 有限元法可以采用非线弹性、弹塑性、粘弹塑性等多种描述土体应力一应变 关系的模型，目前已能考虑到较为复杂的土体本构关系，如一些考虑流变的粘弹 塑性模型，考虑损伤效应的弹塑性损伤模型等。求得的沉降可同时包含瞬时沉降、 固结沉降和次固结沉降三部分，此外，有限单元法还可以考虑复杂的边界条件、 土体应力一应变关系的非线性特性、土体的应力历史、水与骨架上应力的祸合效 应，可以模拟现场逐级加荷和处理超填土问题，能考虑侧向变形、三维渗流对沉 降的影响，并能求得任一时刻的沉降、水平位移、孔隙水压力和有效应力的变化。 可见有限元确实是一种较为完善的方法，但由于其采用的模型中所涉及的计算参 数多且不易确定，程序复杂难以为一般工程设计人员接受，在实际工程中并没有 得到普遍应用，只能用于一些重要工程、重要地段的路堤沉降计算，且目前有限 元还很难考虑大变形固结问题即几何非线性问题，往往使计算结果偏离较大。 差分法1 37 j 是将研究课题包含的区域用差分网格加以离散，用差分公式近似代 替所研究课题微分方程中导数，从而得到差分方程。从2 0 世纪4 0 年代起，就有人 开始用差分法求解t e r z a g h i - - 维固结问题；n 8 0 年代初，赵维炳、钱家欢阅曾采 5 安徽理工大学硕士学位论文 用中心差分法的形式对比奥固结问题进行了求解；目前美国、法国、加拿大一些 学者在常规计算沉降的方法基础上，用该法把土层的不均匀性、土层参数的非线 性变化等因素纳入到计算程序中，使该法可考虑土层的多层次、土应力一应变的 非线性、排水距离对次固结的影响等。该法也可用来计算软基路堤的沉降一时程 曲线。 无单元法摆脱了单元的限制，无需网格和高阶连续解，与传统有限元法相比， 其优点主要体现：前处理简单；计算精度高；对应力集中和裂纹扩展问题具 有独特的优势。既然无单元法具有很多有限元法不具备的优点，那么用无单元法 来解比奥固结问题也是一个新的思路和尝试。目前，己有不少学者对此作过研究， 并取得满意的结果。当然，该法也为软基路堤的沉降计算提供了新方法。可以断 言，无单元法的突出优点决定了它将有更广阔的发展空间和应用前景。 1 3 主要研究内容 论文从重载下软土路基的再度沉降开始，采用a n s y s 有限元软件对选定的 软土路基进行静载沉降分析计算，然后在此基础上，采用a n s y s 有限元软件对 选定的路面进行静载和动载的数值计算。具体为： 1 、从理论上阐述水泥混凝土路面的结构特点及在重载下路面的损坏机理； 2 、在已有的软土路基地质资料的前提下，采用分层总和法计算软土路基在重 载作用下的再度沉降量( 作用时间无限长，即主固结沉降完全结束) ； 3 、采用a n s y s 有限元软件对选定的软土路基进行静载的数值计算； 4 、分析动荷载产生的原因以及理论基础，然后推导出路面结构在动载应力和 位移的解析解； 5 、在已有的路面沉降的基础上，运用a n s y s 有限元软件进行路面结构在标准 荷载和重载动力作用下的沉降的数值计算。 6 2 水泥抛凝土路面结构特点及重载下损坏机理 2 水泥混凝土路面结构特点及重载下损坏机理 2 1 结构特点 图1 水泥混凝土路面结构层次 f i 9 1s t r u c t u r a la r r a n g e m e n t o f c e m e n tc o l l c i - e 怔p a v e m e n t 如图1 所示，一般水泥混凝土路面的结构层次由上而下为：面层、基层、底基 层。路面结构的主要功能是承受汽车荷载的作用。汽车荷载在路面结构中自上而 下传递，由于扩散的作用，路面结构中的应力随着深度的增加而减小，因此，一 般水泥混凝土路面的各个结构层次的强度和刚度自上而下逐渐降低。 路面板是直接承受荷载的层次。水泥混凝土路面板的厚度一般为1 8 2 6 e m 。 为了避免混凝土收缩产生不规则的裂缝，路面板一般要切缝以释放应力。通常切 缝后板块的长度为4 6 m 。水泥混凝土是由天然砂、石材料和水泥经过一系列物 理和化学反应的产物，是以水泥浆为结合料，将矿质骨料胶结在一起而形成的具 有一定力学性能的复合材料。水泥混凝土的抗压强度大、抗拉强度小、刚度大、 允许变形小，常用的路面水泥混凝土。抗压强度为2 5 3 5 m p a ，抗折强度4 5 m p a , 回弹模量为2 7 3 0 g p a 。 基层是传递荷载的层次，其功能是把由路面板传来的应力进一步扩散并传递 到垫层和路基上。一般的基层材料有碎石、砂砾、石灰一粉煤灰稳定粒料、水泥 稳定粒料、碾压混凝土或贫混凝土等，最常用的是水泥稳定粒料和石灰一粉煤灰 稳定粒料。采用稳定粒料等半刚性材料铺筑的基层被称为半刚性基层。一般半刚 性基层的厚度为1 5 2 5 e m ，顶面的回弹模量为6 0 1 2 0 m p a 。当面层和基层的厚度 比最小的防冻深度小，或者地下水位太高而路面结构稳定，或者基层不能防止水 分下侵而需要设置防水层时，就必须设置垫层。垫层的作用是扩散应力、防水和 安徽理工大学硕士学位论文 抗冻。垫层的厚度通常为1 5 3 0 c m 。常用的垫层材料有砂砾、碎石、石灰稳定土 和石灰一粉煤灰等。稳定粒料、稳定土属于稳定类材料。稳定类材料是采用一定 的技术措施，在集料( 如粉碎的土、砂砾、碎石、矿渣等) 中，掺入适量的结合料 ( 如石灰、水泥或沥青等) 拌和而成的建筑材料。与松散的原状土或砂石料相比， 稳定类材料具有一定的强度和稳定性，能够很好地扩散应力。几种常用的稳定材 料的强度和抗压回弹模量如表1 和表2 所示。 表1 几种稳定类材料的抗压强度和劈裂强度 t a b l e1s e v e r a lc a t e g o r i e so fm a t e r i a ls t a b i l i t yc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n ds p l i t t i n gs t r e n g t h 表2 几种稳定类材料的抗压回弹模量 t a b l e2s t a b i l i t yo fs e v e r a lt y p e so fm a t e r i a lc o m p r e s s i o nr e s i l i e n tm o d u l u s 8 2 水泥混凝土路面结构特点及重载下损坏机理 注：带奉者为9 0 天龄期，其余为18 0 天龄期。 2 2 重载交通界定及其特性 2 2 1 重载的界定 图2 神经网络疲劳模型和规范疲劳方程形式的比较 f i g2n e u r a ln e t w o r kf a t i g u ee q u a t i o nm o d e la n ds t a n d a r d i z e df o r m so fc o m p a r i s o n 如图2 2 所示，规范采用统一形式的双对数直线疲劳方程，不能反映高低应力 水平或者说应力级位不同对疲劳方程的影响，也即不能反映不同级位轴载对路面 疲劳损坏作用程度上的差异m ，4 羽。文献【3 明基于神经网络理论建立了分段拟合的双 对数直线方程，能较好地分别反映高低应力水平的影响。从图中可以看出，两者 建立的疲劳模型趋势相同，在n 较大时趋势接近一致。但在s = o 7 5 处，基于神经 网络的疲劳模型存在一明显的拐点，也即高应力比( s o 7 5 ) 的疲劳损坏与低应力 水平( s 0 7 5 ) 的不同。高应力比曲线段较为平缓，说明其对路面破坏作用愈强烈， s 越大，越接近一次性破坏。因此，s = o 7 5 实际上反应了重载的允许界限。引入 可靠系数，则可推导出重载交通界定的方程： 盯p = 0 7 5 ，y ，一吼 ( 2 一1 ) 式中：仃。一重载所产生的应力，m p a ； f 一混凝土板的弯拉强度，m p a ； 9 安徽理工大学硕士学位论文 y ，一可靠度系数，依据所选目标可靠度及变异水平等级确定； 盯一温度应力，m p a 。 选取大量路面结构进行温度应力计算，结构表明温度应力矾变化不大，一般 在1 o 1 3 m p a 之间，取不利值1 3 m p a ，混凝土板弯拉强度取5 0 m p a ，可靠度 系数取1 3 3 ，代入式( 2 1 ) 中，则可得重载界限所对应允许应力值为1 5 2 m p a 。代 一入荷载应力计算公式中可得到重载界限： 一1 尸：l 墨办2l _ ( 2 2 ) l a r ”j 式中：尸一重载界限( 单轴重或双轴重) ，k n ； a 、m 、珂一与轴型有关的回归系数，见表3 表3 荷载应力公式回归系数 t a b l e3l o a ds t r e s sf o r m u l af o rr e g r e s s i o nc o a f f i c i e n t 由式( 2 - 2 ) 可以看出，重载交通是一个相对的概念，随着混凝土板厚、基顶 回弹模量与混凝土板模量及强度变化而变化。因此，重载标准或者界限应该代表 某一时期常见路面结构承载能力或水平。为了使判别重载的标准相对稳定，不致 使同一交通在路面结构差别不大道路上出现不同概念，在确定重载界限时应取该 时期路面结构承载力总体水平的中下限值。基于此，本文取e ，= 3 0 0 0 0 m p a ， e s = 1 5 0 m p a ，板厚办分别取2 5 c m 和1 8 c m 作为重载上、下限的结构参数，代入式 ( 2 - 4 ) 导出不同轴型的重载界限。 表4 重载界限 t a b l e4o v e r l o a d e dl i m i t s 1 0 2 水泥混凝土路面结构特点及重载下损坏机理 2 2 2 重载交通的界定 在发达国家，由于有比较健全的轴载管理机制，重载交通主要体现为货运向 集装箱、大型化、多轴化方向发展，累计当量轴次基本能反映交通特性，所以一 般以某个临界累计当量轴次或日均重型汽车数来界定是否为重载交通 4 0 4 3 。 在我国重载交通道路主要分为三类：运煤专用线，主要分布在产煤区和煤炭 的销往地区；集装箱专用线，多以重要港口附近的干线公路为主：国道主干线， 主要指重要的货运通道和工业区附近的道路。这些道路的交通轴载换算成标准轴 载后，累计当量轴次远远大于规范中特重交通所对应的设计车道标准轴载累计作 用次数2 0 0 0 万次，如上海集装箱线路的平均有效a a d t 为3 0 8 1 辆，安徽两淮地区 运煤线路的平均有效a a d t 在4 0 0 0 辆，由于普遍存在超载现象且较为严重，如果 将其换算为标准轴载作用次数，则日标准轴载次数将大于1 万次，设计车道标准 累计作用次数至少在5 0 0 0 万次以上，可见现有的轴载分级标准已经不适用实际情 况。交通部科学研究所提出将2 0 0 0 万次以上的沥青路面交通量分为三个等级畔】： 重载( 2 0 0 0 , - - - 4 0 0 0 万次) ，超重载( 4 0 0 0 - 8 0 0 0 万次) ，特重载( 8 0 0 0 万次以上) 。 以轴载累计作用次数分级的方法是以传统的轴载换算方法为基础，由于疲劳 试验和换算方法上的一些缺陷，不能反映实际的道路轴载组成对路面设计的影 响。综合分析我国目前重载道路和普通道路的交通组成情况，初步建议重载交通 用单轴双轮轴重大于i o o k n 的轴次占混合交通( 机动车) 总量百分比来界定。轴 重大于1 0 0 k n 的车型主要为重型载货汽车，以及大型客车和部分超载严重的中型 载货汽车。随着国家对载货汽车超限、超载治理力度加大，以及运输部门为了提 高运输效益，重型载货汽车必将成为大宗货物运输的主流车辆。因此，重载交通 亦可以简单的用重型载货汽车在道路上行驶的比重来界定。 收集国内外普通道路交通组成资料f 4 5 1 ，经统计分析表明，重型载货汽车数与 混合交通之比呈正态分布状态，两者之比均值为0 1 4 ，标准差0 0 2 3 ，变异系数为 9 5 8 。如果取保证率为9 5 ，则两者之比应为 o 1 4 0 0 2 3 1 6 4 5 1 0 1 8 而对运煤专用线、集装箱专用线以及货运通道和工业区附近国道主干线的交 通组成资料统计分析表明，重型载货汽车与混合交通之比也遵循正态分布规律， 但两者比值均值变化范围在2 0 8 0 之间。另外由于运输货物不同，表现出车 型差异非常大。 安徽理工大学硕士学位论文 综上所述，重载交通道路可以理解为某些具有特定使用要求，作为大宗货物 运输主要通道的道路，如运煤( 或矿石) 专线、集装箱专用线等，这些道路上行 驶的重型载货汽车比重远大于普通道路上的重型载货汽车比重。考虑到我国道路 的实际轴载谱整体上大大超过i o o k n 轴载标准，本文建议当道路上行驶的重型载 货汽车交通量与混合交通量之比大于2 0 时称为重载交通。由此可见，重载交通 是一个相对概念，不同时期由于交通结构( 铁路运输和公路运输) 变化以及国家 对运输管理政策的变化，以及公路网的完善等等，其内涵也是变化的。 2 2 3 重载交通特性 对于承受重载交通的水泥混凝土路面而言，重载交通包括三方面的意思：1 、 轴载偏重；2 、轴载作用次数多，交通繁忙；3 、为承担较重的轴载，胎压偏高。 2 3 重载交通路面损坏类型及特征 水泥混凝土路面在重载交通作用下容易诱发各种病害的产生。据调查，在重 轴载车辆较多的公路上，混凝土路面存在不同程度的唧泥、错台、断板和露骨等 破坏现象，有些路段损坏还相当严重。这些损坏的原因和发展规律与普通交通水 泥混凝土路面有所不同。现将重载交通路面典型的损坏类型和特征论述如下。 2 3 1 冲刷破坏 冲刷破坏在重载交通路面中普遍存在且非常严重，主要表现为唧泥及由此引 发的错台、脱空和断板。图3 , - - - 4 为某重型交通道路在通车不到两年时间出现的冲 刷破坏情况。 1 2 2 水泥混凝土路面结构特点及重载下损坏机理 糍籀誊一乏 图3 水冲刷破坏导致板角断裂 f i g3 w a t e re r o s i o n l e d t o u n d e r m i n e 小eb o a r da n g l e f r a c t u r e 鬟 图4 水冲刷破坏引发的网裂 f i 9 4 w a t e re r o s i o n d a m a g ec a u s e db yc r a c k n e 冲刷破坏是荷载反复作用、接缝处水的入渗、基层被冲刷等多种因素综合作 用的结果。重载交通对水冲刷破坏有极强的催化作用，加速了水冲刷破坏在路面 中出现的进程( 图3 ) ，并加剧了冲刷破坏的程度( 图4 ) ，因而重载交通路面在 冲刷出现的时间和破坏程度上明显不同于普通道路。 由图4 可以清楚地看出，在重载交通道路上，由唧泥留下的一道道泥浆的痕 迹和大量碎屑堆积物，其厚度可达1 5 c m 。冲击物一般是细屑物质，严重时也含 有砂和碎石，碎石最大粒径可达1 5 m m 。 2 3 2 疲劳破坏 在重载交通路段，水泥混凝土路面通车3 5 年后，除了水冲刷掏空引起板角 断裂、横向和斜向断裂破坏之外，还出现横向疲劳断裂破坏，如图5 所示。 霪 黧 鬟鬟瓣 安徽理工大学硕士学位论文 图5 板中的横向裂缝图 f i g5h o r i z o n t a lp l a t ec r a c k sm a p 图6 疲劳断裂诱发水冲刷的产生 f i g6f a t i g u ef r a c t u r ei n d u c e dw a | e re r o s i o n 横向疲劳断裂是温度应力和荷载应力的综合反复作用的结果。重载交通作 用下，轴载交通作用下，轴载偏重使得板内荷载应力和应力水平急剧增大，从而 使混凝土板的疲劳寿命骤减，出现在重载交通繁重路段通车3 5 内便出现横向开 裂的现象。这类裂缝的出现明显早于普遍交通路面。 由图6 可以看出，板横向疲劳断裂的出现为冲刷破坏创造了条件，进一步扩大 了冲刷破坏的范围。板的疲劳断裂与水冲刷共同作用结果使得重载交通混凝土路 面出现大面积严重的网裂( 如图4 ) 。这在普通交通路面上通车早期阶段是不可 能出现的。 2 3 3 磨损破坏 在重载交通路段还存在较为严重磨损破坏现象，如图7 所示，这类破坏通常不 为大家所重视。 2 水泥混凝土路面结构特点及重载下损坏机理 臻群骥黼燃潮黯麟 图7 露骨与混凝土剥离 f i 9 7 e x p l i c i t a n dc o n c r f t es p i n - o f f 磨耗破坏主要表现路表水泥砂浆体在车轮剪切作用和冲击作用下脱落，碎石 或砂砾骨料出露( 简称露骨) 、混凝土剥落，有的甚至出现坑槽。反之，裸露的 粗集料在车轮尤其是重车轮剪切作用和冲击作用下，极易被冲击松动、脱空，形 成空穴，导致与车轮接触面减小，作用在路表面剪切应力和冲击应力增大，空穴 周围的砂浆极易被磨耗掉9 1 ，空穴也因此逐步扩大。如此反复进行，严重影响水 泥混凝土路面使用性能，直至最后路面结构的破坏。水泥混凝土路面一旦出现露 骨，路面平整度和抗滑能力将急剧下降，严重影响行车舒适、安全及路面使用寿 命，而且也是诱发路面其它损坏的原因。 综上所述，冲刷破坏是重载交通水泥混凝土路面最主要的也是最严重的一种 痛害，是诱发断板和网裂最主要因素：早期横向疲劳断裂是重载交通水泥混凝土 路面损坏另外一个特征，随之在冲刷破坏作用下导致板的大面积断裂；另外，重 载作用下磨损现象也非常严重。这些损坏现象一般都出现在路面建成后1 3 年 内，在损坏出现时间上明显早于普通交通道路。如何预防这些损坏的发生是重载 交通水泥混凝土路面在修筑过程中亟待解决的问题。 2 4 重载交通路面损坏机理分析 2 41 威斯特卡德公式5 威斯特卡德( w e s t e r g a a r d ) 分别于1 9 2 6 年、1 9 3 3 年、1 9 3 9 年和1 9 4 8 年提出了 三种典型荷载位置( 图8 ) 下无限大