浅析水泥混凝土路面路基应力问题

林琳

[摘要]水泥混凝土路面结构的损坏除了它本身的原因之外，路基的变形是导致路面结构损坏的重要原因之一。路基是路面结构的支撑体，车轮荷载通过路面结构传到路基，所以路基的应力特性对路面结构的整体强度与刚度有着极为强烈的影响。所以必须要对水泥混凝土路面路基的应力进行深入分析。

[关键词]浅析；水泥混凝土路面；路基；应力

由于水泥混凝土路面具有着刚度大、荷载扩散能力强和稳定性好等特点，在我国的公路建设中得到了最为广泛的应用。但在混凝土路面在我国公路建设中也暴露出一些问题，例如，水泥混凝土路面在运行一段时间后出现了不同程度的损坏，如路面开裂、路面错台等现象的发生。不仅影响着水泥混凝土路面的实用性和耐久性，还对过往车辆和行人的安全产生隐患。所以必须深入分析路面与路基结构以及影响路面结构的因素。

一、研究现状及存在问题

（一）目前研究现状

路基是混凝土路面与行车荷载的支撑体系，由于面层混凝土具有刚度大和板体性强等特点，所以面板混凝土也同时具有良好的荷载扩散能力，通常情况下认为荷载传到路基顶面的时候，应力会很小。但是，由于经济社会的快速发展，交通运输业和汽车工业得到良好的发展，车辆的轴承不断增加；而同样由于经济发展公路运输车辆超载现象越来越多，超载数量也在不断增加，所以现在水泥混凝土路面所承受的车辆荷载也在不断增加，导致路基应力和分布深度的不断提高和扩大。

（二）目前研究中存在的问题

由于路基土具有明显的应力依赖性，路基的性能，也就是回弹模量和压缩变形等会随着应力状况的改变而随之改变。然而目前设计规定中，对于路基应力及产生影响并没有清楚认识到。例如不考虑公路与荷载等级，而将路基工作区统一设定为0.8米：同时在路面结构中采用静态承载板法测定的回弹模量表示路基的抗变形能力，忽视路基应力状况的影响。本文采用可以真实表现路基抗变形能力的动态回弹模量，如果需要在室内进行实验，应该采用动三轴实验来测定该指标，然后根据路基应力实际情况制定相匹配的加载应力组合；同时在进行路基变形分析时，需要详细掌握路基中荷载应力的分布情况，并根据此确定路基应力计算深度，因此，需要根据当前国内水泥混凝土路面的典型结构形式和交通荷载状况，深入分析路基的应力状况，确定其应力计算深度。并在对路基荷载应力影响因素进行分析。

二、应力影响因素

水泥混凝土路面路基荷载主要来源于路面厚度荷载和车辆荷载，而影响水泥混凝土路面路基荷载应力水平的因素分别是路面厚度、混凝土模量和路基模量等，这些因素单独或者共同作用而导致水泥混凝土压应力水平不断上升，降低水泥混凝土路面路基的使用寿命。

（一）水泥混凝土路面厚度的对路基应力的影响

水泥混凝土板厚对路基、路面力学响应的影响为：混凝土板的抗弯刚度和相对刚度半径随着面层厚度的增加而不断加大，而路表弯沉、底板弯拉应力以及路基顶面的压应力都表现为下降趋势。这说明想要提高混凝土板块的抗弯强度，最有效的办法是增加路面厚度，通过增加路面分摊荷载的比例，降低路基中荷载应力水平；与此同时，由于板块抗弯抗弯刚度的提高，板塊中弯拉应力水平却在不断下降。由此可见，想要降低路面、路基的荷载应力水平，延长路面使用寿命最有效的办法就是增加路面厚度。

（二）水泥混凝土模量对路基应力的影响

水泥混凝土中模量对路面路基力学响应有明显的影响，随着混凝土模量的增加，路面弯沉和路基顶面的压应力却呈现降低趋势，而混凝土底板的弯拉应力却在不断上升。这种效应说明随着混凝土弹性模量的增加，混凝土板块的抗弯刚度也在不断增加，路面由于将荷载进行分散承担，降低了路面弯沉和路基荷载应力水平，但是与此同时，路面刚度和分散承担的荷载提高也造成了底板弯拉应力的上升。这说明如果只是对混凝土的弹性模量进行提高，虽然一方面可以降低路面路基的力学响应，但是对于提高路面结构的使用寿命就没有什么帮助，反而会由于刚度过大从而导致路面荷载应力的提高，造成路面的使用寿命下降。

三、路基中应力的计算

路基中的应力来源于两种，分别是路面结构自重应力与车辆荷载作用下产生的荷载应力，对于自重应力的计算方法一般采用：p0=hnγn+∑hiγi（∑中n-1，i=1）。p0是结构自重引起的垂直压力，hn是计算点距所在顶层的距离，γn是所在层的容重，n-1是计算点所在层的上覆结构层数。而对于车辆荷载应力采用有限元模型进行计算，分别利用单轴、双轴和三轴静力加载方式；设定单轴轴重为100kN，车辆超载用单轴增加轴重200kN表示。在获得不同位置自重应力p0和竖向荷载应力σz，路基中某点应力状态为：{σ1=σZ+p0，σ3=σx，y+k0（p0）}，其中σ1是计算点垂直压力，σ3是计算点侧向应力。不过由于计算中未对剪应力的影响进行考虑，所以计算出来的σ1和σ3严格来说不是真正的主应力，只是因为剪应力的数值较小，对路基应力水平统计分析的影响非常小，所以不进行考虑。

（三）应力的统计

不同轴载作用下，水泥混凝土路面结构路基应力的统计结构详见表3

从表3中可以得知：对于正常状态的水泥混凝土路面结构，在不同轴型和轴重荷载作用下，路基主应力σ1约为30kPa到90kPa之间，σ3约为10kPa到40kPa之间：而路基主应力比值在1.9到6.0之间变化，且主要范围是在2.0到4.0之间。除此之外，公路等级对路基应力水平的影响很小。

四、结论

基层、路基技术尺寸、面层一基层间的界面特性以及荷载作用位置都对路基应力有明显影响。其次，随着轴重的增加，路基应力计算深度呈线性增长趋势。再次，荷载应力在路基较浅情况下，也就是路基在1米之内时荷载应力减速非常大，而当在路基应力计算区底部时，荷载应力减速变得很小；增加轴重会引起路基应力计算区荷载应力级位提高。再次，路基主应力覆盖范围中σ1约为30kPa到90kPa之间，σ3约为10kPa到40kPa之间，主应力比值变化幅度为1.9到6.0最后，通过对应力分析得出轴载的增加将会使得路基的应力水平有明显提高，当轴载增加一倍时，路基中应力级位最少可以提高10kPa；而且轴载的增加与路基应力级位的变化会导致路基性能和水泥混凝土路面受力情况发生改变。所以在公路建设中对于路基与路面结构的设计时，一定要根据路基的应力情况确定路基与路面结构的设计参数，这样路基的实际工作情况才能被得到和应用，提高设计的准确性，建设质量一流的公路。

五、结束语

尽管很多公路在设计之处和建设阶段就对车辆荷载应力进行充分的考虑，但是我国目前的车辆，特别是货车，普遍存在超载现象，路基承受的应力远大于设计时的应力承受极限，所以路基经常出现变形现象，进而会导致路面的开裂、沉陷等现象发生。所以本文通对水泥混凝土中路基应力进行分析，旨在提高路基中的应力，保持路基的稳定性，保证公路的安全可靠。