重载作用下贫水泥混凝土基层刚性路面结构响应实验研究

胡 朋 王保群 成英才

(山东交通学院交通土建工程学院1) 济南 250023) (山东鲁东路桥有限责任公司2) 东营 257000

0 引 言

贫水泥混凝土作为一种高强度耐冲刷基层[1-2]，可以克服水泥混凝土路面基层强度不足等问题，有效避免早期破坏[3-5].目前对水泥混凝土路面结构响应的研究多采用有限元.赵炜诚等[6]采用层间接触模型进行了三维有限元分析；王丽娟等[7]采用有限元模拟对设沥青夹层水泥混凝土路面早龄期力学行为和性状形成的结构效应、沥青夹层效应进行了研究；Itani等[8]利用有限元研究了土工格栅加固薄层混凝土防止裂缝发展的原理；董开亮[9]应用ANSYS分析了结构参数对超厚水泥混凝土路面荷载应力的影响，在采用有限元建模分析时考虑了考虑层间作用.有限元可以较好的分析路面结构响应，但其结果的准确性多依赖于材料参数的准确程度和模型的合理性，而且需要现场试验的验证.现场试验可以比较准确地获取路面结构响应，但试验费用昂贵，试验工况较少[10].

文中在大型模型箱内铺筑和真实路面同厚度的路面模型，采用大型MTS模拟车辆轮胎荷载并对路面模型进行加载，得到不同位置面层底部和基层底部的路面结构响应，期望为以贫混凝土为基层的刚性路面结构响应和路面长期性能提供一种高效经济的研究方法.

1 结构模型试验

1.1 路面结构设计

我国水泥混凝土路面设计规范建议路面板厚度依据交通等级不同，设计范围在18～32 cm，在极重交通条件下超过32 cm.为了更容易获取路面结构响应，设计路面层厚度18 cm，贫混凝土基层厚度采用20 cm，路基厚度100 cm，路面结构见图1.综合考虑路基路面模型的实验结果可靠性、吊装和加载的方便性，确定模型箱尺寸为2 m×1.5 m×1.38 m(长×宽×高).

按照设计尺寸进行钢模型箱加工制作，并进行路基、基层和面层施工.面层水泥混凝土配合质量比：水泥∶碎石∶砂∶水=325∶1 150∶765∶195.经过试验其抗压强度均值为38 MPa.贫水泥混凝土配合质量比：水泥∶碎石∶砂∶水=170∶1 358∶764∶138.经过试验其抗压强度均值为16 MPa.路基土压实度达到96%，满足规范要求值.

图1 路面结构模型、加载位置和传感器埋设图(单位：cm)

1.2 传感器设置

根据传感器的工作原理，检测层底的拉应力是比较困难的.对于路面结构的响应研究，目前基本上都是检测层底拉应变.本文路面结构模型箱试验采用振弦式应变计，传感器内置温度编码芯片，具有温度测量、温度修正、编号记忆功能，适合于桥梁、道路、大体积结构体的长期检测和自动化检测.传感器和数据采集仪见图2.为了分析水泥混凝土面层层底应变在不同荷载作用下变化规律，在水泥混凝土面层层底、基层层底分别设置应变传感器，见图1.

图2 MR振弦式应变传感器、采集仪

1.3 加载方案

1.3.1加载压头

我国常见货车轮胎的尺寸为：外直径0.8～1.2 m，截面宽度20～28 cm.本次试验设计和真实轮胎形状基本一致的弧形钢压头，直径取1 m，截面宽度取26 cm，具体尺寸见图3.

图3 加载压头尺寸设计图(单位:mm)

由于刚性板作用于路面上时，板底压力分布和柔性板压力分布存在较大差异，为了更加真实的模拟车辆轮胎荷载，在压头下粘贴一层货车轮胎.加载压头加工完成并粘贴轮胎后见图4.

图4 加工后的加载压头

1.3.2加载压强计算

由于轮胎的变形，荷载增大时会导轮胎接地面积增大，从而影响接地压强.本项目在试验之前，对加载压头分别施加30～80 kN的荷载，进行压头接地面积检测.根据所测得的轮胎接地面积，计算出接地压强，结果见表1.由于本文采用单轮加载，为方便和其他研究成果进行对比分析，将其换算成标准轴载后也列在表1中.

表1 加载轮接地参数

文献[11]在内蒙古呼和浩特市榆林治超检查站对过往的货车进行单轴轴重、轮胎接地面积现场测试，根据测试结果进行接地压强换算，测试结果及接地压强具体见表2.

表2 轮胎接地压强和接地面积

将表1～2中的轴重和压强关系曲线表示见图5.本文所采用的加载压头的接地压强和实际货车轮胎作用下的接地压强十分接近，可以确保本试验所设计的加载压头符合实际情况，能比较真实地模拟车辆荷载作用.

图5 接地压强对比

1.3.3加载方案

采用50 t的移动桁吊将模型箱吊装到位，调整大型MTS作动器，使加载压头位于加载位置.路面板短边边缘中部(1#位置)、板中心(2#位置)和长边边缘中部(3#位置)为三个典型位置，车辆荷载作用于路面不同位置处，会对路面结构内部产生不同的影响，本研究将荷载施加在此三个位置，见图1.受大型MTS反力架空间的限制，本次试验未对板角进行加载.按照设计的加载位置进行加载，荷载大小按照表1施加，加载稳定后读取6个应变计数据.

2 实验结果

2.1 面层层底应变

分别采集图1的1#、2#和3#位置面层层底应变，得到不同位置处的数据见图6.1#位置位于短边边缘中部，距离边缘40 cm，2#位置位于面板中间，3#位置位于长边边缘中部，距边缘40 cm.

图6 1#～3#位置加载面层层底应变规律

由图6可知，在路面板短边方向进行加载仅对加载位置的面板底部应变影响较大，板中和长边边缘的层底应变较小.在板中加载时也有类似规律，仅在作用点处面板底部拉应变较大.然而在长边边缘中部加载时，不仅引起加载位置处板底应变较大，在板中间位置层底也会产生较大拉应变.

2.2 基层层底应变结果

同样，采集图1中所示的1#、2#和3#位置处的底基层层底应变，得到基层层底不同位置处的数据见图7.

图7 1#～3#位置加载基层层底应变规律

由图7可知，基层层底的应变规律和面层层底应变规律基本上一致，在3#位置施加荷载时，不仅荷载位置处的基层层底拉应变增大，面板中间位置基层层底的拉应变也随着荷载的增加而显著增加，而且两个位置应变值比较接近.

3 数据分析与讨论

从面层层底的应变结果来看，当单轮荷载达到80 kN时，纵缝边缘中部产生的应变最大，达到了25 με.其他位置的应变均小于该位置面层层底拉应变.

对比面层和基层的层底拉应变可以发现，基层层底的拉应变普遍比面层层底拉应变大，约为2倍.由于结构模型未设置适当的底基层，贫混凝土基层直接铺筑在路基土上，造成两者之间模量相差较大，使得基层层底拉应变较大.我国水泥混凝土路面设计时，很多时候在贫混凝土基层底部设置了级配碎石垫层、二灰土、石灰土等底基层，其模量值见表3.贫水泥混凝土的抗压模量值为10～20 GPa，上述底基层材料的模量值和贫混凝土基层相比，仅为贫混凝土的10%～20%，两者之间模量相差过大，造成了贫混凝土基层层底产生过大的拉应变.因此今后在进行路面设计时，应注意模量的过渡，在贫混凝土基层层底设置过渡层，使模量逐渐降低，设置模量较高的水泥稳定类材料，其抗压模量值可达10 GPa以上.

表3 常见材料的模量值 单位：MPa

本研究采用单轮加载，单轮重30～80 kN，如按照标准轴进行换算，单轴重较大，可以有效的模拟重载车辆对路面的破坏作用.但同时另一方面，路面结构模型尺寸较小，和真实路面相比存在一定的差距，因此，今后应进行更大尺寸的模型进行加载实验.

4 结 论

1) 荷载作用在路面板长边边缘时，面层层底和基层层底拉应变都比较大；在未设置底基层情况下，基层层底拉应变约为面层层底拉应变的2倍.

2) 在进行以贫水泥混凝土作为基层的路面设计时，基层层底应设置模量较高的底基层，避免出现模量较低的垫层或者低模量底基层.

3) 通过大型MTS对路面结构模型进行加载，可以经济高效研究路面结构响应，同时也为路面长期性能研究增加了一种实验方法.