（道路与铁道工程专业论文）贫混凝土透水基层水泥混凝土路面温度应力分析.pdf

摘要 贫混凝土透水基层园具有优越豹撵水性能、较高的弹性模量及经济 耐用等诸多优点，越来越多地引起了人们的重视。我国也把这个新型路 面结构形式写进了现行公路水泥混凝土路面设计规范。 本文围绕贫混凝土透水基层水泥混凝土路面温度应力计算方法展开 研究。首先介绍了国内外对多孔贫混凝透水基层的研究现状，分析了 与计算温度应力密切相关的路面结构韵温度场。由于层阔结合状态会影 响路面结构温度应力，因丽本文通过室内试验确定了不同层闯结合条件 下的摩擦系数，提出相应的温度应力计算模型。运用非线性有限元方法， 计算出不同层间摩擦系数下水泥混凝土面层和贫混凝土基层的温度应 力，并回归得到相应的计算公式，弥补了规范中只能计算完全分离或完 全连续条件下温度应力的不足。 最后，本文通过回归公式，结合室内试验，分析了不同结构层组合 条件下路面结构的综合疲劳应力，推荐出最佳层闽处理技术，为贫混凝 土透水基层这种新型基层的推广应用提供理论依据。 关健词：贫混凝土；透水基层t水泥混凝土路面；温度应力： 复合式路面 a bs t r a c t n o w ，m o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sa r ep a y i n ga t t e n t i o nt ol e a nc o n c r e t e p o r o u sb a s ec o u r s ef o ri t se x c e l l e n tf u n c t i o no fd r a i n i n g ，h i g hm o d u l u so f e l a s t i c i t ya n dd u r a b i l i t y ，a n di t se c o n o m i z a t i o n ，e t c o u rc o u n t r ya l s oh a s i n t r o d u c e di tt os p e c i f i c a t i o n so fc e m e n tp a v e m e n td e s i g nf o rh i g h w a y t h i sa r t i c l er e s e a r c h e so nt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h e r m a ls t r e s so f c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n to nl c a nc o n c r e t eb a s ec o u r s e p r e s e n td o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hc o n d i t i o ni si n t r o d u c e df i r s t t h e nt h en o n l i n e a r t e m p e r a t u r ef i e l dw h i c hi sc l o s e l yr e l a t i v et ot h e r m a ls t r e s si sa n a l y s e d b e c a u s et h ed i f f e r e n ti n t e r f a c i a lc o n t a c tc o n d i t i o nb e t w e e nc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t a n dj c a nc o n c r e t e p o r o u s b a s ec o u r s ew i l li n f l u e n c et h e s t r u c t u r e st h e r m a ls t r e s s e s 。al o t so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u ti n l a b o r a t o r yt od e t e r m i n et h ed i f f c ：r e n tf r i c t i o nc o e f f i c i e n t sw i l hd i f f e r e n t i n t e r f a c i a lc o n t a c ts t a t u sa n de s t a b l i s ht h em o d e lf o rc a l c u l a t i n gt h et h e r m a l s t r e s so f 恤ep a v e m e n ts t r u c t u r e 。b u s e do nt h i s3 dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t m o d e l ，t h et h e r m a is t r e s so fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n dl e a nc o n c r e t e b a s ec o u r s ec a nb ec a l c u l a t e d b yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f ta n s y s a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h e r m a ls t r e s s e s ，t h i sa r t i c l eg e t st h ef o r m u l ao f c a l c u l a t i n gt h e r m a ls t r e s sa n di ti sav e r yi m p o r t a n ts u p p l e m e n tt op r e s e n t s p e c i f i c a t i o n so fc e m e n tp a v e m e n td e s i g nf o rh i g h w a y , w h i c hc a no n l y c a l c u l a t et h e r m a ls t r e s su n d e rt w oi d e a lc o n d i t i o n f r e es e p a r a t i o no rf u l l y c o n t a c t i o n a tl a s t ，t h ed i f f e r e n ts y n t h e t i c a lf a t i g u es t r e s s e su n d e rd i f f e r e n ts t a t u so f p a v e m e n ta n db a s ec o u r s ea r ec a l c u l a t e da n dt h eb e s tk i n do fi n t e r f a c i a l t r e a t e dt e c h n o l o g yi sr e c o m m e n d e d i tw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r t sf o r t h ea p p l i c a t i o no f 也i sn e wk i n do fb a s ec o l i r s e k e y w o r d s ：l e a nc o n c r e t e ：p o r o u s p a v e m e n t ：t h e r m a ls t r e s s b a s ec o u r s e ；c e m e n tc o n c r e t e ：c o m p o s i t ep a v e m e n t 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：孑蚜气 良日期：矶j 7 月，凸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：易蟛争7 文 日期： j 年r 月，4 日 导师签名： 词刮 日期渺年广月日 1 1 立项的背景及意义 第一章绪论 随著公路运输的发展，公路建设从东部沿海地区向西部山区延伸己成为必 然。许多针对山区公路的关键技术问题有待研究解决，其中如何做好山区公路路 面结构内部排水是当前迫切需要解决的技术问题之一。 虽然水是促使路面过早损坏的主要原因，但对水的危害程度和采取对策的必 要性还是认识不足。现在的路面设计，一般都比较注重路表面排水，但对于路面 结构内部排水却重视不够，或有时考虑了，仍存在一些不够合理的地方。 目前人们正逐渐认识到路面结构内部排水的必要性，但由于对设置排水基 层的路面结构形式缺乏深入的研究，同时没有一套完善的设计理论及方法。人们 在采用这种优良的路面结构形式时缺乏信心，以至长期以来设计方案较为单一， 以半刚性基层路面结构为主，缺乏针对性，致使有些路面早期损坏十分严重。在 这种情况下，对多孔贫混凝土透水基层水泥混凝土路面结构形式的研究就显得尤 为重要。 贫混凝土透水基层水泥混凝土路面，在我国是一种全新的路面结构形式。其 新颖性主要体现在两个方面：在材料方面，贫混凝土基层材料有别于我国传统的 半刚性基层材料，它不仅有半刚性基层材料所具有的一切优点，而且具有半刚性 基层材料无法比拟的其它优点；在功能结构方面，它具有作为基层所需要的所有 功能，而更为重要的是它具有路面结构内部排水功能，可以在很大程度上减少了 路面结构水损害豹发生。所以说贫混凝土透水基层水泥混凝土路面是一种从材料 到功能的最佳组合，是极具发展潜力的一种路面结构形式。下面分别就其各个特 点进行叙述。 1 1 1 路面结构内部捧水的重要性 对于水泥混凝土路面，在其使用过程中，不仅不可能完全防止水分进入路面 结构中，而且通过裂缝、接缝、路肩和中央分隔带渗入路面结构层内部水量还相 当大。1 9 8 6 年，在法国巴黎里昂的a 6 高速公路改建段上进行的试验测定结果 是，由路表流向路肩上混凝土边沟内的迳流量不到降水量的一半( 降雨强度为每 小时几毫米) ，即有一半的降雨量渗入路面结构内“1 。进入水泥混凝土路面结构层 内部的水分，若不能尽抉向下或向两侧排除出去，就会冲刷基层，使其强度下降， 变形增加，从而使路面结构的承载力降低，缩短使用寿命“1 。特别是在层问结合空 隙处，若较长时间存在空隙自由水，在重载交通和高速行车的反复不断作用下，这 些自由水就会形成高水压力和高流速的水流，产生较大的动水压力，冲刷基层材 料算从缝隙处向外喷出带、冲刷材料的泥浆，严重的会造成水泥混凝土路面出现错 台和板底脱空等病害“。压力水还增加一个与荷载应力相当的破坏作用力，降低 面层材料的抗裂性能，从而使整个路面结构的使用性能变坏，大大减少路面使用 寿命。调查发现，使用一年以上的高速公路，不管是采用柔性路面还是刚性路面， 都产生了程度不同的水破坏。水破坏的数量和速度与公路沿线的降雨量大小有密 切关系。在其他条件都相同的情况下，在我国南方潮湿多雨地区，路面的水破坏 要比降雨量小的半干旱和干旱地区在数量上多得多，在速度上快得多。我幽早期 施工的水泥混凝土路面，水破坏现象十分严熏，近期施工的高速公路水泥混凝土 路面也开始出现水破坏现象。大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明，进 入路面结构内的自由水是造成或加速路面损坏的最重要原因之一“1 。国外的一些 对比分析和试验段观察结果表明，设有排水基层的路面，其使用寿命要比未设的 提高3 0 ( 沥青混凝土路面) 和5 0 ( 水泥混凝土路面) 左右“。因此，设置透水 基层可以有效地解决路面结构内部水破坏问题。 1 1 2 贫混凝土透水基层的优良性能 在水泥混凝土路面结构中，对面层下基层首先要求是抗冲刷能力。不耐冲刷 的基层表面，在渗入水和荷载的共同作用下，会产生唧泥、板底脱空、错台等水 泥混凝土路面严重病害。因此，总结多年经验，基层应满足以下技术要求：( 1 ) 良 好的水稳性和抗冲刷性能，以防止或者减轻卿泥、错台和断裂现象；( 2 ) 足够的 强度和刚度，为面板提供稳定的支撑；( 3 ) 较好的抗裂性能，减少产生面层反射 开裂的机会；( 4 ) 较好的平整度，为面层施工提供稳定的工作平面，并保证面层 厚度均匀“。然而目前普遍使用的水泥稳定碎石和二次稳定碎石的性能并不能尽 如人意，主要是其抗冲刷性能和抗裂性能不够理想。随着目前交通量增大和重载 超载情况增加的发展趋势，对基层的要求越来越高，推广性能更为优良的基层已 非常必要。因此，贫混凝土基层作为一种具有优良性能和良好发展潜力的基层类 型就应运而生。 贫混凝土透水基层( l e a nc o n c r e t ep o r o u sb a s e ，简写l c p b ) 是由石料与一 定量的水泥和水拌和而成的一种混凝土。这种混凝土的水泥用量较普通混凝土 低，有时也称为经济混凝土( e c o n o c r e t e ) 。其主要特点有： ( 1 ) 水稳定性好，抗冲刷能力强 研究表明，贫混凝土的软化系数较高，冻融作用下的质量损失较小，说明其 具有良好的水稳定性和抗冻性。而且贫混凝土具有根强的抗冲刷能力，远胜于其 它半刚性基层，从而能有效防止卿泥、板底脱空和错台等病害的产生。通过调整 材料配比，修筑成的多孔贫混凝土透水基层，结合其他排水设施，能形成性能良 好的内部排水系统。 ( 2 ) 强度高 贫混凝土的强度介于普通水泥混凝土和水泥稳定碎石之间，随着水泥剂量的 改变，其强度和弹性模量可在较大范围内调整。研究表明，贫混凝土的各项力学 性能指标都明显超出半刚性基层。由于其较大的刚度，贫混凝土基层具有良好的 按缝传荷能力，从而提高路面的整体结构强度：并有利于缓解路基的不均匀变形 对水泥混凝土面板造成的不利影响，为面板提供一个均匀稳定的支撑。 ( 3 ) 抗疲劳性能好 贫混凝土具有比其它半刚性材料优良的疲劳性能。 ( 4 ) 经济性好 贫混凝基层不仅水泥用量少，而且对集料的要求也相对较低，可以使用当 地大量的低标准砂石料，甚至利用再生的混凝土作为集料，并可以适当掺加粉煤 灰代替部分水泥，从而节约了建设费用。经济分析表明，贫混凝土的造价仅略高 于水泥稳定碎石，并且由于其较高的强度和良好的性能，可以减少基层厚度，进 一步降低造价。与此同时，因为做贫混凝土透水基层而增加的资金投入，可以很 快从路面使用性能的提高、使用寿命的增加和养护工作的减少中得到补偿。 由以上分析可以，看出贫混凝土基层具有半刚性基层材料无法比拟的优点， 因而在发达国家已经被广泛用作高速公路的上基层结构层。而目前我国特重特大 交通量的高速公路上，大量使用的是水泥稳定粒料半刚性基层，经过多年的运营， 无论是水泥混凝土路面或沥青路面，明显反映出基层耐冲刷性、抗裂性和强度不 足。例如沈大高速公路、太旧高速公路等，路面结构层在使用1 0 年内，已经发现 了大量裂缝破坏，当翻掉龟裂沥青路面时，发现其水泥稳定半刚性碎石基层也开 裂了，翻修时必须同时翻修上基层。在高速公路水泥混凝土路面结构中，使用半刚 性粒料基层，在特重交通量下唧泥和冲刷破坏亦相当严重，例如深汕东高速公路， 使用五年，已经发现了较严重的冲刷性破坏，特别是在采用主车道为水泥混凝土 路面，硬路肩为沥青路面横断面结构时，纵曲线的下凹点，不仅有大量细粉材料冲 刷出来，而且连砂石料都从纵缝中冲刷出来，最大颗粒为1 5 啪，造成面板脱空，面 板断裂破坏。所以，拓宽路面基层的种类，采用更强、更抗裂和更耐冲刷性的贫混 凝土透水基层，使高速公路基层结构能够抵抗面层的2 3 次翻修，是我国改进路 面结构设计、使其更加经久耐用的一个重要发展方向。 1 1 3 贫混凝土透水基层温度应力研究的重要意义 水泥混凝土路面结构具有下列重要特点： ( 1 ) 水泥混凝土路面是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的i 1 0 左右：拉伸 变形能力也很小，短期加载时的极限拉伸变形只有( 0 6 1 0 ) 1 0 ，约相当于 温度降低6 1 0 的变形“1 ：长期加载时的极限拉伸变形也只有( 1 2 2 0 ) 1 0 一。 ( 2 ) 水泥混凝路面常年暴露在自然环境中，经受着持续变化的大气影响。一 年四季中承受太阳辐射及外界气温影响，在水泥混凝土路面结构中会引起相当大 的拉应力。 ( 3 ) 建立在贫农泥混凝士透水基层上的水泥混凝土路匿结构通常是不配钢筋 的，或只在接缝区或局部特殊部位配置少量钢筋。由于没有配置钢筋，如果出现 了拉应力，就要依靠混凝土路面本身来承受。而由( 1 ) 可知其抗拉强度又很低。 ( 4 ) 对于钢筋混凝土路面、连续配筋混凝土路面以及配筋预应力混凝土路 面也格外重要，它将直接影响钢筋的配置和路面的受力状态。 基于上述特点，在水泥混凝土路面结构的设计中以行车荷载和温度梯度综合 作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态。表达式为： y ，p ，十矿，) 一 ( 1 1 ) 国外曾有文献提出可以不考虑温度应力对路面结构的影响”1 ，美国佛罗里达 州的i 一7 5 及a a s h t o 在1 9 8 6 年前的设计规范中就没有考虑温度应力的影响。但 是后来的事实证明0 1 ，这种设计方法存在很大的缺陷。按照这些规范所要求的工 程结构类型，即使是最好的路面设计，也只是一些边缘的东西和一些不成功的参 数的组合，最终可导致路面的早期破坏。这些事实表明，如果不能正确地考虑路 面的温度应力，就没有希望设计出具有良好使用性能的路面。我国2 0 0 2 年的水 泥混凝土路面设计规范中，将贫混凝土基层水泥混凝土路面作为弹性地基上的双 层板考虑0 1 ，但由于上下层混凝土强度和类型的不同，以及层间接触状况的影响， 双层水泥混凝土路面的温度应力计算较为复杂，现行设计规范中未加以详尽的考 虑。为能正确地进行温度应力计算，尤其是对贫混凝土透水基层条件下的水泥混 凝土路面的温度应力进行正确地计算，得出较为符合实际情况结果及为我完善我 国水泥混凝土路面设计规范中相关内容，对这种新型结构类型的路面进行温度应 力的计算分析就显得格外重要。 贫混凝士透水基层水泥混凝土路面温度应力分析就是在这样一个大的背景 下，作为这种新型路面结构设计的一个组成部分而进行研究的。 4 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 贫混凝土透水基层混凝土路面应用及研究 贫混凝土基层是当前的发展趋势。对于贫混凝土用作水泥混凝土道路基层， 国外已进行了大量应用研究和实际应用。早在1 8 9 3 年，复合式混凝土路面就在 美国诞生，其中下层混凝土含有较少水泥，强度指标低于面层混凝土，称作经济 混凝土。1 9 5 7 年英国就开始使用贫混凝土作为混凝土路面基层。英国、法国、意 大利和比利时等国家，在6 0 年代初和7 0 年代末筑了试验路段，对贫混凝土及其 它基层材料的路用性能进行了研究。结果表明贫混凝土基层路用性能优于其它基 层材料。1 9 7 3 年美国混凝土筑路协会材料与混合料设计分会开始对这种混凝土复 合式路面结构的研究，并结合州际高速公路建设修筑了m o n t e r e y 试验路和 c o m p t o n 试验路。通过与水泥处治粒科基层段的对比发现贫混凝土基层的路用性 能优良。 7 0 年代，尤其是近十几年来，世界上许多国家将贫混凝土广泛用于道路基层。 英国、德国、巴西、澳大利亚和眈利时等国家的高速公路混凝路面多采用贫混 凝土基层路面结构。英国工程实践表孵，使用贫混凝土基层能够为面板提供很好 支撑和板问传荷能力。可为施工机械和支模提供良好工作平面，并有助于防止卿 泥。法国利用贫混凝土基层刚性较大特点来提供缩缝间传荷能力，同时他们的实 践也表明贫混凝土基层可以有效减少乃至防止唧浆这一常见病害的发生。因此以 贫混凝土修筑混凝路面基层在法国得到了广泛应用，7 0 年代中期以来，重交通 道路几乎都采用了贫混凝土基层。美国的加利福尼亚州1 9 7 0 年以来，对于重交 通道路混凝土路面普遍采用贫混凝土基层，。在其他矧，贫混凝土基层的应用也 在迅速发展中，2 0 个州的5 0 条新干线高速公路和机场跑道基层使用了贫混凝土， 都取得了满意的效果。 贫混凝土透水基层通过调整材料配比，可修筑不同孔隙率的基层，结合其他 排水设旎，能形成路面结构良好的内部排水系统。目前国外干线混凝土道路上很 多采用了贫混凝土透水基层，由此也开展了大量的相应研究。1 9 8 8 年以来，美国 陆军工程兵部队和1 3 个州使用包括多孔贫混凝土在内的排水基层，并且在高等 级混凝土面层下铺设贫混凝土排水基层已成为其中9 个州的标准规范。1 9 9 2 年以 来，大约有2 0 个卅在使用透水基层“。 应该指出的是，国外对于贫混凝土基层的研究与应用主要局限于贫混凝土用 作基层时对路面使用寿命的影响，缺乏对贫混凝土基层本身特性的深入研究，而 且对于具有贫混凝土基层路面结构研究还没有形成一套完整的设计理论系统。 我国在“七五”期间，在河南、山西等省修筑了一些贫混凝土基层混凝路 面的试验路和实体工程，但研究和推广应用不多。1 9 8 8 年我国在某机场修筑时， 根据道面2 m 以下有弱膨胀土的实际情况，经过反复论证比较，最终采用贫混凝 土作为道面基层。这是我国首次将贫混凝土用于机场道面基层，经过使用，质量 可靠。宣( 化) 一大( 同) 高速公路河北段2 9 7 公里的混凝土路面，由于承受重载 交通，基层采用了贫混凝土，底基层为水泥稳定碎石。1 0 9 国道山西省境内某 段沥青路面改建工程中，由于交通量大，重载运输普遍，采用混凝土路面，基层 用1 5 c m 贫混凝土找平、补强。1 9 9 7 年儿月竣工的香港新机场刚性道面基层也采 用了贫混凝土。广西交通科研所1 9 9 8 年立项的水泥混凝土路面贫混凝t 基层 及排水系统的应用研究课题，对贫混凝土透水基层进行了大量室内和室外试验 研究，较为系统地研究了贫混凝土的物理力学特性及施工工艺，对贫混凝土透水 基层的研究取得了一定的成果，并采用现行规范方法进行了结构设计，实际运用 到工程项目中去“”。长安大学( 原西安公路交通大学) 运用有限元法，对贫混凝土 基层混凝土路面结构进行了一些分析，并提出相应设计方法。同济大学、长安大 学、东南大学等也已相继开展这方面的研究工作。从目前情况看，研究工作中 的试验路面强度高，抗变形能力强，无反射裂缝，基层排水能力较强“1 。 虽然国内外都有一些成功的经验，但针对透水基层材料要求、设计方法、施 工工艺和使用性能评价的研究还没有系统进行，积累这方面的经验很有必要，应 开展系统的应用研究工作。 1 2 2 贫混凝土透水基层水泥混凝土路面分析方法 贫混凝土透水基层水泥混凝土路面在国内外都是被作为种复合式混凝土 路面进行设计的。对于复合式混凝土路面设计理论与方法，国内外道路学者己作 了一些研究工作。国外一般是依据试验路观测结果，以经验法为主进行设计。也 有些国家采用理论法为主设计，主要根据弹性地基上的薄板理论，假定贫混凝土 基层与混凝土面板光滑或连续接触两种极端状态，应用有限元程序进行结构计 算。 欧美一些国家对复合式混凝土路面结构进行了力学分析，提出了各自的板厚 设计方法。美国陆军工程部队( c o e ) 为机场道面加铺层制定了设计方法。该方法 采用补足厚度( 及结构承载力) 缺额的概念，按现有地基承载力( 基层顶面综合反 应模量) ，确定满足未来交通要求所需的面层厚度。美国波特兰水泥协会( p c a ) 设计方法是是比较著名的力学一经验设计方法。于1 9 8 4 年发布了新的商速公路 混凝土路面厚度设汁方法。在此方法中除疲劳分析之外增加了冲刷分析，认为路 基孵浆严重时会引起路面板的损坏。在其设计手册附录c 中有对贫混凝土基层混 凝土路面的设计指导，认为贫混凝土强度高，为非侵蚀性材料，不进行冲刷分析， 6 而按整体式与分离式两种隋况对所需厚度进行设计。但是其设计方法没有考虑温 度应力的影响“，1 9 8 1 年r g p a c k a r d 提出了贫混凝土基层与混凝土面层层间完 全结合和完全光滑状态下的设计方法“。在第二届国际混凝土路面会议上，也对 这一路面结构进行了讨论。一种具有代表性的意见是按强度较低的下层混凝土求 算路面总厚度，而强度较高的上层混凝土可以取为总厚度的0 2 o 4 倍。“。 我国的刚性路面设计规范也是采用力学经验法，与p c a 设计方法相比较， 我国水泥混凝土路面设计规范( 1 9 9 4 ) 率先考虑温度应力对疲劳寿命的影响， 提出综合考虑温度、荷载的混凝土路面设计方法。对贫混凝土基层上的混凝土面 层按弹性地基上的分离式双层板，下层板的弹性模量较以前大，所以必须解决温 度应力计算问题。比较直接的方法有利用有限元法进行计算。如长安大学胡长顺 教授采用温度等效和刚度等效原则推导出双层板的相应计算公式并提出了设计 方法“”，用来指导试验路修筑和复合式路面推广，其成果已纳入现行规范。考虑 到复合式混凝上路面厚度较大的实际，假定复合式混凝土板上下层完全连续或光 滑地支承在弹性半空间地基上，按三维问题分析，进行路面荷载应力计算，在理 论上更趋完美。西安空军学院引入夹层元，对双层板层间不同结合状态进行了计 算分析和室内试验验证。东南大学俞建荣教授提出层间联结剪切损伤变量，应用 空间有限元理论与弹性半空间体解析解相结合的方法，将半刚性基层刚性路面视 为弹性半空间地基上的双层弹性体，分析了半刚性基层与刚性面层层问联结状态 对荷载应力的影响“ 。计算结果表明层间联结状态对荷载应力有十分显著的影 响。 1 2 3 贫混凝土透水基层水泥混凝土路面温度应力研究 ( 1 ) 水泥混凝土路面分析与设计发展史 在分析贫混凝土透水基层水泥混凝土路面温度应力前，先对水泥混凝土路面 结构及设计理论发展进行简单回顾： 从1 9 0 8 年铺筑第一条水泥混凝土路面( 底特律) 开始，水泥混凝土路面有 接近百年的历史。在漫长的百年历史中，混凝土路面从初期在路基上直接铺筑混 凝土板，发展到现在设有多层地基的混凝土路面；从素混凝路面( p o r t l a n d c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ) 发展到钢筋混凝土路面( r e i n f o r c e dc o n c r e t e p a v e m e n t ) ：从有接缝素混凝土路面( j o i n t so fp l a i nc o n c r e t ep a v e m e n t ) ， 到有接缝钢筋混凝土路面( j o i n t so fr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n t ) ，到连 续配筋湿凝土路面( c o n t i n u e dr e i n f o r c e dc o n c r e t ep a v e m e n t ) ，再到碾压混 凝土路面( r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ep a v e m e n t ) 。与之相适应，基层也相应 地跟随路面的发展而发展。从最初的混凝土路面直接铺筑在路基上开始，到出现 7 级配粒料基层类型、发展到石灰或石灰、粉煤灰稳定粒料基层、水泥稳定粒料基 层、沥青稳定碎石基层、沥青混凝土基层、碾压混凝土基层及贫混凝土基层等发 展形式。 同时，水泥混凝土路面的分析理论和分析方法也取得了长足的发展。在计算 理论方面g o l d b e c k 姆路面假设为悬臂梁，推导出集中菏载作用于角隅时的简易 公式。接着w e s t e r g a a r d 教授“7 。“”1 采用w i n k e r 地基推导出水泥混凝土路面 温度翘曲应力公式和三种荷载情况下应力计算公式：a 、圆形均布荷载作用于角 隅，圆周与两边相切：b 、圆形均布荷载作用于无限大板中央；c 、车轮半圆均布 荷载作用于半无限大板的边缘，圆心在板边。为验证以上理论，t e l l e r 和 s u t h e r l a n d ( 1 9 3 5 ) 在a r l i n g t o n 进行大规模水泥混凝土路面结构研究，在温度应 力量、接缝设计及土基反应系数等方面取得许多重要结论”“。同时b r a d b u r y ( 1 9 3 8 ) 改进了w e s t e r g a a r d 温度应力计算方法，采用变量分离法，推导出有限 尺寸板温度翘曲应力解法。“。至此，包括计算水泥混凝土路面荷载应力和温度应 力的水泥混凝土路面计算理论基本建立。到目前为止，w e s t e r g a a r d - - b r a d b u r y 方法仍是各国水泥混凝土路面设计的理论基础。1 9 6 1 年，戈希( g h o s h ) 对水泥 混凝土路面温度应力的计算公式进行了改进。他提出的在温克勒地基上有限尺寸 混凝土路面温度应力计算方法与w e s t e r g a a r d - - b r a d b u r y 方法的不同之处是前者 考虑了路面板自身重量的影响，以及路面板发生翘曲变形时与地基之间产生空隙 而不连续的情况。随着有限元法的广泛采用，水泥混凝土路葱计算理论研究进入 新一轮高潮。c h e u n g 和z i e n k i e w i c z ( 1 9 6 5 ) 推导出液体地基和固体地基上薄板 的有限元解。1 。p c a 由t a y a b j i 和c o ll e y 开发出j s l a b 程序”1 ；c h o u 和h u a n g ( 1 9 8 6 ) 提出w e s l i q i d 、w e s l a y e r 、k e n s l a b ( 1 9 9 3 ) 。同期同济大学( 1 9 8 0 ) 、 东南大学也开发出相应计算程序。 ( 2 ) 贫混凝土透水基层水泥混凝土路面温度应力研究 混凝土路面因温度变化产生的温度变形受到约束阻力而产生温度应力。其中 路面板与基础之间存在摩擦阻力是一种主要的约束。这种阻力，不同于一般所认 为的面板底部与基础表面之间的滑动摩擦。由于现场浇筑的混凝土的水泥浆渗入 基础，与基础表层材料粘结成整体，当面板出现滑动趋势时，阻力来自基础材料 内部的水平抗剪力。因此，这种摩擦阻力在数量上远远超过一般的摩擦阻力。当 路面板的温度改变时，体积也随之变化，路面与基层之间的摩擦力对变形起抑制 作用，从而引起路面板内部的温度应力”1 。 对路面温度应力的研究，首先要解决的是路面温度场的研究。路面温度场的 分布，直接影响封温度应力的大小和分布。在温度场的研究方面，早在1 9 2 5 年 美国就在a r l i n g t o n 对自然条件下的沥青路面中的温度场进行了实钡9 、研究，而 后前苏联、日本等许多国家对沥青路面或水泥路面进行了大量的试验研究a 温度 8 场的研究方法大体可分为两类：统计法和理论或半理论法。 统计法是在大量实测数据的基础上，采用概率统计的方法进行数据分析，回 归出路面温度场与主要影响因素之间的关系式。具有代表性的研究有： 日本近腾佳宏等人对两种不同厚度的沥青路面温度状况进行一年的实测。通 过回归分析，认为路面结构内不同深度的最高或最低温度与路表温度及气温呈线 性关系，并采用f 检验对路面各深度的温度随时问变化的规律进行了分析，得到 温度变化的周期函数。秋山正敬也得到了与他相类似的结果。结果表明：路表 温度与气温在晴天、阴天为曲线关系，雨天为直线关系：路面内温度与其表面温 度之间的关系是，越接近面层的表面，气温对层内温度影响越大；每天ll 1 2 点路表温度最高，13 点以后路表温度开始下降，此时层内温度反而偏高。 理论或半理论法的代表性研究有： b a r b e r ( 1 9 5 7 ) 首先用半无限表面的介质温度周期变化时的热传导方程的解 来确定路面的最高温度”。为对温度场模型进行简化，他作了部分假设：a 、路 面为半无限体；b 、在路表处受气温、太阳辐射、地表辐射的热力作用；c 、气温 按正弦波周期变化，太阳辐射按正弦波正半波周期变化，地表辐射为太阳辐射的 i 3 ；太阳辐射和地表辐射共同作用的温度称为有效温度，可以近似看作按正弦 波周期变化。根据上述假设，他推导出不同路面结构的最高温度的计算公式。同 济大学的严作人( 1 9 8 3 ) 在层状体系假设的基础上，从传热学和气候学的基本理 论着手，用解析法对水泥路面一维温度场作了较深入的分析，并从理论上分析了 不同基层对路面温度场的影响，其结果可用于计算路面结构内的最高和最低温 度，以及水泥路面的最大温度梯度等。佛山大学吴赣昌对半刚性基层沥青路面 温度场进行了较为深入的研究，分析了外界气候条件和路面材料特性参数与沥青 路面温度场和温度应力之间内在联系，得到了一系列有价值结论”“。 在温度应力计算方面，自从w e s t e r g a a r d - - b r a d b u r y 方法确立以来，一直还 在各国沿用，我国刚性路面温度应力计算也仍然还是建立在这个基础之上的。近 年来，随有限元法的迅速发展，二维和三维有限元进行计算温度应力计算方法得 到较快发展。 1 3 国内外研究的主要不足 1 3 1贫水泥混凝土基层与水泥混凝土面层的层间关系 对交通量较大的道路或重车超重车较多的道路，我国也开始以贫混凝土作为 其基层形式。尤其是近几年来，随交通量的迅速增长，这种路面结构形式越来越 多地得到我国科技工作者的重视。国内也在河南和广西等地相继进行了试验路的 9 研究工作，并将这种路面的结构形式引入了我国的路面设计规范中，但总的说来， 仍然还是处于起步阶段，没有形成比较成熬的系统的设计理论。另外，我国的水 泥混凝土路面设计是以弹性半空间地基上薄板小挠度理论为其理论基础的，它假 设面层与基层间为竖向连续，光滑接触，即在变形过程中面板与基层接触面始终 吻合，面板与基层的竖向位移相等，且在面板与基层的接触面上没有摩擦阻力的 存在。“。但是，国外的试验研究表明：贫混凝士基层与水泥混凝土面层之间存在 很高的摩擦作用。s c o t tm t a r t 等对于贫混凝土基层路面结构魄层闯结合问题， 结合试验路进行分析，结果发现不同的界面处置方式会造成路西应力的明显差 异，且都处于半结合状态。与国外相比，我国对贫混凝土透水基层静研究相对 薄弱，还来系统地解决如何对这类路面进行应力分析、如何合理确定贫混凝土透 水基层厚度及混凝士面板厚度等一系列问题。事实上，我国现行水泥混凝土路 面设计援蔼在计算贫混凝土基层双层板温度应力时，提出了层间结合系数k 。， 用来解决双层板层间结合问题。但是，规范中也仅仅提供了两种极端的、理想状 态下的层间结合系数值，即k u = 0 和k o = l ，用来计算水泥混凝土面层和贫混凝土 基层处于完全光滑完全连续时温度应力的计算，对于实际上是处于二者之间的层 问关系没有给出解决方法。也就是说，在确定路面结构组合时，现行规范中已 经考虑了面层与基层之间的摩擦作用。并且，我国现行水泥混凝土路面设计规范 认为：将贫混凝土基层视为基层，与其下结构层组成水泥混凝土路面板的支承地 基，若以其顶面当量回弹模量进行水泥混凝土路面设计，一方面会得到保守的设 计结果，另一方面会忽视贫混凝土基层底部弯拉应力超过其强度而产生开裂的可 能性。因此，规范中将贫水泥混凝土基层与水泥混凝土面层视作分离式双层板进 行设计。同时，考虑到贫混凝土基层刚度较大，干缩和温差收缩较大，为防止其收 缩裂缝在上面的水泥混凝土路面板中产生反射裂缝，规范要求贫混凝土基层与水 泥混凝土路面板接缝位置对应切缝。 在本课题中，研究对象贫混凝土透水基层孔隙率达到1 慨2 嗍，尽管在施工 中为了防止上面水泥混凝土的水泥砂浆下渗堵塞贫混凝土透水基层排水孔道，降 低其排水性能。以及防止水泥混凝士路面板水分的散失，在贫混凝士基层与水泥 混凝土路面板之间采取了相应的隔离措施，但或多或少会存在水泥砂浆的粘接作 用以及基层与面层骨料之间的嵌锁咬合作用，使得水泥混凝土路面板与贫混凝土 透水基层之间处于部分结合状态。若象规范中那样，将贫混凝土透水基层与水泥 混凝土路面板作为分离式双层板设计，一则会使水泥混凝土路面板设计结果偏于 安全，- n 有可能使贫混凝土透水基层底部弯拉应力值偏低。因此，需要进一步 研究水泥混凝土路面板与贫混凝土透水基层之间的联结状态对水泥混凝土路面 板和贫混凝土透水基层荷载应力和温度应力的影响。 另一方面，在广西的试验路上贫混凝土透水基层并未如规范中规定的预先切 1 0 缝，其主要原因是使水泥混凝土路面板施工简便。同时，也由于贫混凝土透水基 层级配、孔隙率等有别于常规的贫混凝土，其收缩开裂并导致路面板开裂的可能 性相对较低。在此情形下，贫混凝土透水基层是水泥混凝土路面板地基的一部分， 还是应作为双层板的下层板? 若是前者，一方面它与水泥混凝土路面板之间的联 结状态有别于规范中关于路面板与地基之间的光滑假设，另一方面其基层项面当 量回弹模量难以确定。若是后者，由于贫混凝土透水基层并无接缝，而双层板模 型中假设下层板为有长有宽的有限尺寸板，存在接缝，此时，应如何处理实际结 构与假设之问的矛盾? 当然，其中也涉及到上下层板之间联结状态对水泥混凝士 路面板和贫混凝土透水基层应力的影响问题。同时，为防止施工时面层的水泥浆 液下渗到多孔贫混凝土基层的孔隙中，在水泥混凝土面层与贫混凝土基层之间加 铺隔离层进行层间处理，这样就更增加了面层和基层联结关系的复杂性。为保证 多孔贫混凝土透水基层的在设计期限内正常工作，寻找一个合适的层问处理措施 就具有更重要的实用价值。 如上所述，各种处理中均无法回避水泥混凝土路面板与贫混凝土透永基层之 间的联结状态。国内外学者均曾通过试验研究探讨水泥混凝土板与不同基层材料 之间的界面粘结接触状态，并在结构分析时提出了不同的接触模型。针对广西试 验路水泥混凝土路面板与贫混凝土透水基层之间所采取的各类隔离措施，其联结 状态究竟如何，对水泥混凝土路面板和贫混凝土透水基层受力变形会产生怎样的 的影响，尚需要做迸一步的试验研究和理论分析。 i 3 2 贫水泥混凝土基层水泥混凝土面层的温度应力计算方法 对于是否要考虑水泥混凝土路面的温度应力，各国科技工作者曾有过不同的 意见。国外曾有文献提出可以不考虑温度应力对路面结构的影响”1 ，美国佛罗里 达州的1 - 7 5 及a a s h t o 在1 9 8 6 年前的设计规范中就没有考虑温度应力的影响。 但是后来的事实证明，这种设计方法存在很大的缺陷。按照这些规范所要求的工 程结构类型，即使是最好的路面设计，也只是一些边缘的东西和一些不成功的参 数的组合，最终可导致路面的早期破坏。这些事实表明，如果不能正确地考虑路 面的温度应力，就没有希望设计出具有良好使用性能的路面。我国2 0 0 2 年的水 泥混凝土路面设计规范中，将贫混凝土基层水泥混凝土路面作为弹性地基上的双 层板考虑，但由于上下层混凝士强度和类型的不同，以及层间接触状况的影响， 双层水泥混凝土路面的温度应力计算较为复杂，现行设计规范中未加以详尽的考 虑。如对于分离式双层板，仅提供了上层板温度应力计算方法；对于结合式双层 板，仅提供了下层板温度应力计算方法：此时如欲考虑上下板层间结合状态对上 下板温度应力的影响，其依据不足。又如规范中不能考虑总厚度超过4 0 c m 的板 的计算。对于在广西所使用的贫混凝土透水基层水泥混凝土路面，不仅其总厚度 超过4 0 c m ，而且由于前文所阐述的其结构状态的复杂性，无法按照规范所提供的 温度应力计算方法开展其强度验算。因此，为能准确地计算温度应力，尤其是对 贫混凝土透水基层条件下的水泥混凝土路面的温度应力进行准确的计算，得出较 为符合实际的结果，进一步完善我国水泥混凝土路面设计规范中相关内容，有必 要开展这种新型结构类型的路面温度应力计算方法的研究。 1 4 本文研究主要内容 针对现在混凝土路面结构设计中存在的对多孔贫贫混凝土透水基层中存在的 不足之处，本文主要进行如下几个方面的研究和工作： 1 4 1 贫混凝土基层水泥混凝土路面的温度场研究 首先是对温度场随各种因素变化的规律分析，温度的变化速率及温度梯度的 研究，这是解决温度应力计算问题的前提条件。通过实测混凝土路面温度场数据， 进行回归分析，得出实际情况相近的温度场计算公式，并由得出的公式进行不同 路面厚度内温度的计算，将得出的结果与温度应力计算中的有限元计算结果相比 较，来检查校正有限元计算中温度场，用以保证有限元计算模型中温度场的计算 准确性。 1 4 2 混凝土面板与多孔贫混凝土基层的界面接触状态研究 水泥混凝土面层与贫混凝土透水基层界面的接触状况，不仅直接影响到路面 的接缝间距，同时也对路面的荷载应力和路表弯沉有较大影响。本部分内容从分 析水泥混凝土面层与贫混凝土透水基层的界面特性入手，通过大量的室内直剪试 验，测试水泥混凝土面层与多孔贫混凝土透水基层试件的抗剪强度以及剪力一剪 切位移变化关系，系统地分析两者界面力学变形特性和界面联结状况，得出不同 层间结合状态下水泥混凝土面层与贫混凝土透水基层之间的摩擦系数，为用有限 元法计算路面温度应力提供理论支持，并为确定这种新型路面结构组合设计提供 理论依据。 1 4 3 孔贫混凝土透水基层水泥混凝土路面温度应力计算分析 ( 1 ) 建立多孔贫混凝土透水基层水泥混凝土路面结构温度应力分析模型 根据已建立的多孔贫混凝土透水基层与水泥混凝土路面板界面接触模型，用 1 2 有限元法计算得出路面结构内部温度场，建立多孑l 贫混凝土透水基层水泥混凝土 路面结构温度应力分析模型，并提出相应的模型参数。分析路面温度应力随不同 的有限元路面结构模型和路面材料不同特性的变化规律，并与规范法计