陡坡混凝土路面受力特性研究

杨锡武，葛运起

（重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074）

陡坡混凝土路面受力特性研究

杨锡武，葛运起

（重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074）

通过室内模型试验，测试了不同纵坡条件下混凝土板底和板表面的受力变化规律;应用有限元方法，对试验结果进行了分析对比。结果表明:临界荷位处的板底最大拉应力随纵坡增大而减小，剪应力随纵坡的增大而增大;同一纵坡下，混凝土板底部的拉应力远大于其余各测点应力值。根据混凝土板应力随坡度的变化规律，提出了基于纵坡影响的陡坡混凝土路面的纵坡坡度划分。

陡坡急弯;混凝土路面;应力;试验;有限元计算

为改善山区农村交通条件，山区县际公路和农村公路路面硬化改造已成为目前公路建设的另一重点。由于山区农村公路交通特点和工程建设资金有限，这些山区公路不可能进行大规模的平纵线形改建，平纵线形标准低、弯急、坡陡，仍然是山区农村公路路面硬化改造道路的线形基本特点。在这些山区农村公路路面硬化改造中，由于水泥混凝土路面具有强度高、抗滑性能好、物理力学性能稳定、材料来源简便、施工设备和工艺简单、施工质量易于控制、使用寿命长等优点而得到广泛应用［1］。但是由于各种原因，目前已修成的这些山区公路水泥混凝土路面中，部分路面在竣工通车后不久即产生不同程度的破坏病害，远未达到20～30年的设计使用寿命，使混凝土路面使用寿命大大缩短，增加了养护维修费用［2-4］。引起山区公路水泥混凝土路面提前破坏的原因较多，包括路面结构设计不合理，路基压实不均匀沉降、接缝防水性能差、路基排水不良和重载作用等，但是，对于陡坡急弯山区公路混凝土路面，其纵坡大、弯道半径小、车速低等行车条件对水泥混凝土路面结构受力的影响，受力模式与现行水泥混凝土路面设计规范［5-7］的路面受力模式不同而引起的山区陡坡急弯公路混凝土路面的提前破坏尚未引起重视，国内外有关的研究成果也较少。为研究坡度对混凝土路面的影响，笔者研究了不同纵坡上的混凝土路面板在不同荷载作用下的应力变化规律，并用有限元方法对模型试验路面结构进行了分析，得到一些有益的结论。

1 陡坡混凝土路面板模型的设计

1.1 坡度的确定

根据目前我国公路路线设计规范［8］，4级公路最大极限纵坡9%的规定，同时考虑到在特殊地形条件下农村公路纵坡可以达到10%以上的情况，试验选择了0%，6%，9%，12%等4个纵坡进行不同纵坡下混凝土路面受力特性的试验。

1.2 模型结构的设计与布置

根据室内试验条件及陡坡条件下常用农村公路混凝土路面结构的混凝土板的尺寸，模型板的板宽与板长之比按1∶1.3设计，长300 cm，宽230 cm，厚度20 cm;板下设置15 cm厚的水泥稳定碎石基层，长400 cm，宽300 cm;土基厚度80 cm，长400 cm，宽300 cm;测试点距试槽边缘最大距离70 cm，以减少边界条件对测点应力的影响，模型结构布置和尺寸如图1。

图1 模型结构设计图（单位:cm）Fig.1 Layout of model structure

2 模型材料性能及施工

2.1 土基材料性能及施工

土基填料采用的土为重庆风化的紫色页岩土，塑限 ωp为 20.193，液限 ωl为 26.928，塑性指数 Ip为6.7，重型击实最大干密度为 2.15 g/cm3，最佳含水量为9.0%，用人工分层填筑施工，压实度按95%控制。

2.2 水泥稳定碎石基层材料的性能及施工

根据农村公路交通特点及室内加载条件，水泥稳定碎石的7 d抗压强度设计的抗压强度标准为2.5 ～3.0 MPa，通过多次试验，水泥剂量为 3.5%，击实最大干密度γmax为2.39 g/cm3，最佳含水量W为4.6%，施工时压实度按97%控制。用人工夯实施工。

2.3 水泥混凝土面层材料的性能及施工

混凝土面板采用C30商品混凝土，配合比为水泥∶粉煤灰∶细集料∶粗集料 ∶水∶泵送剂 =300 ∶100∶645 ∶1185 ∶170 ∶6.3。

3 土基、基层顶面回弹模量及混凝土板强度的测试

3.1 土基、基层顶面回弹模量测点布置及测试结果

为便于对模型结构受力的分析计算，试验用承载板法测试了土基顶面模量和基层顶面的当量回弹模量，两层测点布置对应相同，如图2。

表1是土基和基层顶面回弹模量测试结果。

图2 土基、基层顶面模量测点布置Fig.2 Measuring points arrangement of modulus of the subgrade and the top of subbase

表1 土基、基层回弹模量测试结果Table 1 Results of the subgrade and subbase

3.2 混凝土板强度测试结果

混凝土板浇筑完养生28 d后，按JTG E 03—2005《公路水泥及水泥混凝土试验规程》，分别对0%，6%，9%，12%等4块混凝土面板进行钻芯取样，测试芯样抗压强度、劈裂强度，再利用经验公式计算得出混凝土板的抗拉强度及弯拉弹性模量，结果如表2。

表2 水泥混凝土面板的强度特性Table 2 Strength of concrete slab

4 不同纵坡混凝土板的应力测试与分析

4.1 测点布置与加载测试方法

为测得板坡度对混凝土面板应力的影响，结合规范［7］规定的临界荷位，沿板顶面和沿板厚方向布置了测点，贴置应变片，板表面各测点布置方向间夹角为45°，应变片间距25 cm，板厚方向应变片间距4 cm，距上下边缘2 cm，测试板的应变片布置如图3。

图3 应变测点布置图（单位:cm）Fig.3 Strain measuring points arrangment

加载点位于临界荷位处，即板的纵向边缘中部1/2处，采用反力架、液压千斤顶和15 cm直径的刚性承载板加载，同时，在千斤顶与承载板之间加垫球形钢制支座，以保持荷载始终竖直向下传递，并反映荷载与面板间的夹角关系和坡度对荷载的影响。为反映不同等级荷载作用下的陡坡混凝土板的应力变化规律，加载等级为 50，65和 80 kN，应变采用YE2539高速动态应变仪测试。

4.2 测试结果与分析

表3、表4分别是不同荷载等级作用下板在临界荷位处的应力沿板厚的分布测试结果和板表面各测试方向的最大拉应力测试结果。

表3 混凝土板临界荷位处的拉应力测试值与有限元计算结果对比Table 3 Resalts of test and finite element calculation at the most disadvantageous load position /MPa

表4 不同荷载等级作用下板表面各测线方向的最大应力测试值与有限元计算结果Table 4 Results of test and finite element calculation of the biggest tensile stress on lab surface under different loads /MPa

从表3、表4可以看出:

1）混凝土板断面的应力从上至下由压应力变成拉应力，混凝土板底最大拉应力随坡度的增加而降低。当板的纵坡达到9%，12%时，板底最大拉应力和板表面最大拉应力减小明显，在标准轴载作用下，板底最大拉应力减小率为30% ～35%;当坡度达到较大值以后，其减小的幅度变小。

2）在荷载作用于临界荷位的条件下，混凝土板表面最大应力呈抛物线形分布，板表面最大拉应力产生在板的中线方向（C方向）上，并随坡度增大而减小。

3）板底拉应力和板表面拉应力随轴载增大而增大，随纵坡的增大而减小。在相同坡度条件下，轴载越大，混凝土板中的应力显著增大，重载对混凝土板的应力影响明显。

5 不同纵坡混凝土板应力的有限元分析

5.1 计算模型的建立与计算参数［9］

为验证测试结果的可靠性以及对一些试验中不能测试的应力应变进行分析对比，在模型试验测试结果基础上，应用通用的ANSYS有限元分析软件对测试的模型结构进行了理论分析计算。图4是4种纵坡条件下水泥混凝土路面板的三维有限元分析计算模型。计算模型几何尺寸与测试模型相同，模型的边界条件为:地基地面x、y、z方向无位移，地基四周各自约束其水平方向上的位移，路面板四周无约束，计算参数以测试值为依据，如表5。

图4 陡坡水泥混凝土路面板的三维有限元分析计算模型Fig.4 3-D finite element analysis model of steep slope concrete slab

表5 模型计算主要计算参数Table 5 Parameters of 3-D finite element model

5.2 计算结果及分析

应用有限元方法计算的混凝土板测试模型对应测点的应力计算结果，如表3、表4、表6。

从表3、表4及表6的计算结果可以看出:

1）在测试和计算对应测点或测线上的最大应力计算结果与测试值随坡度和荷载的变化规律基本一致，说明测试结果基本上是可靠的。

表6 标准轴载作用下不同坡度时板底剪应力Table 6 Shear stresses at the bottom of slab for the different longitudinal slope under the standard axle load

2）板底最大拉应力随纵坡的增大而减小，而最大剪应力随纵坡的增大而增大。说明由于坡度的存在，垂直作用于板面的荷载减小为Pcosα（α为混凝土板与水平面的夹角），板底最大拉应力降低，而垂直荷载沿坡度方向的分量使混凝土板表面的切向力增加Psinα，使板受剪，增加了板底剪应力，虽然剪应力增大的幅度并不大，但由于板与基层间界面抗剪强度较低，较小的剪应力也会使板与基层界面被剪坏，因此，在陡坡条件下应考虑剪应力对板与基层界面连接的影响。

3）根据陡坡混凝土板拉应力随坡度增大而减小，剪应力随坡度增大而增大的变化规律和混凝土路面设计指标，纵坡较大的农村公路混凝土路面设计施工中应采取措施，加强混凝土板与基层界面的连接，以避免剪应力过大而使板与基层界面产生剪切破坏，导致混凝土板脱空、唧泥、断板。

6 结论

1）模型试验和理论分析计算表明，陡坡上混凝土路面板的应力大小与平坡混凝土路面板不同，随着坡度增大，混凝土板临界荷位处的板底最大拉应力减小，剪应力增大。

2）根据混凝土板底和板表面最大拉应力随坡度的变化率，路面纵坡小于等于6%时，坡度对板底应力的影响不明显，纵坡大于6%以后，纵坡对板的应力影响随坡度的增大而趋于明显。6%纵坡可以作为陡坡路面与非陡坡路面的分界坡度，对于路线平均纵坡大于6%的道路的混凝土路面应考虑纵坡对混凝土路面板受力的影响，对混凝土板与基层的结合界面采取相应的设计和施工措施。

（References）:

［1］ 邓学均，陈荣生.刚性路面设计［M］.2版.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 谢亦琼.农村公路建设水泥混凝土路面常见质量问题及对策［J］.中国电子学术期刊，2008，47（2）:47-49.

XIE Yi-qiong.Quality problems in rural road cement concrete pavement construction and countermeasures［J］.Chinese Electronic Scholarly Journals，2008，47（2）:47-49.

［3］ 周乾.道路陡坡对水泥混凝土路面荷载应力的影响分析［J］.公路交通技术，2006（2）:16-18.

ZHOU Qian.Load stress analysis for cement concrete pavement lab in steep slopes sections［J］.Highways Traffic Technology，2006（2）:16-18.

［4］ YANG Xi-wu，XIE Qiang.Studies on Mechanism of Concrete Pavement Deterioration［C］//4th International Conference on Road ＆ Airfield Pavement Technology.Kunming:［s.n］，2002:1469-1475.

［5］ 刘朝晖.重交通荷载水泥混凝土路面结构分析研究［D］.长沙:湖南大学，2000:63-95.

［6］ 吴京梅，何勇.公路连续长大下坡安全处置技术［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［7］ JTG D 40—2002公路水泥混凝土路面设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2002.

［8］ 杨少伟.道路勘测设计［M］.北京:人民交通出版社，2004:69-71.

［9］ 邓学钧，黄卫，黄晓明.路面结构计算和设计电算方法［M］.南京:东南大学出版社，1997:1-9，40-106，170-181.

Experimental Investigation on Mechanical Characteristics of Steep Concrete Pavement

YANG Xi-wu，GE Yun-qi
（School of Civie Engineering ＆ Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

The stress of bottom and surface of concrete plate were tested to proof influence of slope on the stress of plate and the finite element method is applied to analyse the tested plates and the calculation results are compared with the test results.The results show that with the longitudinal route slope increasing the biggest tensile stress in the bottom is decreases and the shear stress is increases，at same longitudinal route slope condition，the tensile stress at the bottom of board is the biggest.Based on the changing law of the concrete board stress with slope，the slope value of need to consider the impact of longitudinal route slope on stress in pavement design is suggested in the paper.

steep slope;concrete pavement;stress;test;finite element calculation

U416.216

A

1674-0696（2011）06-1323-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.06.15

2011-11-16;

2011-11-20

交通运输部西部交通科技应用基础研究项目（2007319814150）

杨锡武（1963-），男，云南鹤庆人，教授，博士，主要从事路基路面工程方面的研究。E-mail:yangxw01@126.com。