混凝土底基层CRCP+AC 路面结构超载分析

赵 旭

（上海城建养护管理有限公司，上海 201101）

引言

随着我国交通量以及交通轴载的增大，对道路路面结构的整体承载力、耐久性以及行车功能性都提出了较高的要求。传统半刚性基层沥青路面在超载作用下容易出现裂缝、车辙、推移等早期损坏现象，连续配筋混凝土路面（CRCP）作为一种具备高承载力、高耐久性的路面，上覆两层或三层沥青混凝土形成刚柔结合的复合路面体系，即CRCP+AC 结构。这种复合路面兼具连续配筋混凝土路面高强度和沥青路面柔性加铺行车舒适的综合性能[1-3]，理论层面具备适应超载的能力。

通过研究CRCP+AC 路面结构超载分析，可以较好地分析路面结构在不同轴载作用下的应力应变分布规律，为道路结构设计优化、路面损坏预防以及敏感参数分析等提供针对性地指导。刘朝辉和郑健龙[4]通过建立CRC+AC 层间剪应力分析模型，计算不同沥青层厚度和不同轴载作用下层间剪应力，并且通过不同荷位的计算与分析，得出不同裂缝间距复合式路面结构的两种临界荷位，通过变换若干AC层厚度、CRC 板厚度以及地基模量分析参数对复合式路面结构荷载应力的影响[5]。程焰兵[6]建立带裂缝的连续配筋混凝土复合式沥青路面的三维有限元模型，分析了移动荷载下CRC+AC 复合式路面结构的动力响应。蒙艺[7]基于弹性层状体系借助Bisar3.0分析改变相关结构、材料参数对复合式路面层间剪应力的影响规律，研究表明沿轮心方向的轮后缘处最容易发生剪切破坏现象，AC 层厚度对层间剪应力影响明显，面层的合理厚度为8～12 cm。国内外学者就连续配筋混凝土路面应力分析开展了深入研究[8-13]，复合路面结构的底基层形式主要为半刚性材料，连续配筋混凝土路面底基层为混凝土材料的结构应力分析研究相对较少，作为一种重载适应程度较强的CRCP+AC 路面结构形式，该路面结构的力学响应分析及关键力学响应指标随着重载变化的相关规律研究就显得尤为重要。

1 路面计算模型

1.1 路面结构组合及材料参数

连续配筋复合路面结构组合见图1。复合路面结构层的材料参数见表1。

图1 路面结构组合

表1 路面结构层的材料参数

1.2 模型尺寸与假设

模型选取连续配筋水泥混凝土板块尺寸为5 m×4 m，胀缝宽度为2 cm。由于连续配筋混凝土复合式路面中钢筋分布均匀，故将钢筋布设层按照实体单元建模，将钢筋连续化处理，并采用空间正交各向异性材料模型模拟该层纵向、横向配筋率不同以及厚度方向没有配筋的特性。连续配筋水泥板、沥青面层、混凝土底基层等均采用空间等参元8 节点六面体单元进行模型建立。

1.3 荷载条件

将100 kN 双圆均布标准荷载简化为双矩形均布荷载：接地宽度B=18.6 cm，接地长度L=19.2 cm，轴载P=100 kN，接地压力p=0.7 MPa，轮数nw=4，两轮中心距31.4 cm。选取连续配筋复合式路面结构的荷载作用位置于横缝边缘中部。

1.4 单元类型及边界条件

计算模型采用C3D8R 单元类型，可以保证计算结果的准确性，同时提高软件运算效率，选取0.025 m 作为近似全局网格布置尺寸。模型的边界条件：X、Z 方向均为轴向约束，结构底面为固定约束，路面顶层完全自由。路面三维模型中X、Y、Z 分别表示行车方向、路面深度方向和路幅方向。路面结构的三维有限元模型及网格模型见图2。

图2 路面结构三维有限元模型及网格划分模型

2 标准轴载下的力学响应规律

2.1 剪应力

路面结构的最大剪应力分布见图3。分析可知：最大剪应力沿路面深度方向呈现逐级递减的分布形态与规律。最大剪应力的极值出现在复合式路面结构的4 cm、8 cm 位置，最大剪应力峰值分别为0.541 MPa、0.526 MPa，经过沥青面层与CRCP 层的交界后，最大剪应力迅速下降，到路面CRCP 层上部6～7 cm 处略有上升，第二处剪应力极值为0.412 MPa，其后剪应力呈现下降趋势，到C25 混凝土层底剪应力出现第三处极值，此时剪应力大小已降低至0.169 MPa，到级配碎石层剪应力基本消散趋于零。

图3 路面结构的最大剪应力分布

2.2 纵向拉应力

路面结构的纵向拉应力见图4。沥青加铺层位于压应力区，极值位于沥青加铺层层底，最大值0.095 MPa。接着进入拉压应力交界区，连续配筋混凝土层层底的拉应力相对较小，为0.016 2 MPa。进入C25 混凝土层之后，纵向拉应力迅速增大，最大值为0.085 MPa。C25 整体的板体性更好，刚度大使得路面结构的中性面下降，因此，沥青面层全部处于压应力区域，纵向拉应力的最大值位于C25 混凝土底部。

图4 路面结构纵向拉应力分布

2.3 横向拉应力

路面结构的横向拉应力分布见图5。相较纵向拉应力而言，横向拉应力整体的数值较大，沥青面层与CRCP 层均位于压应力区，极值出现在沥青层层底处，为0.149 MPa，CRCP 层层底位于拉压应力交界区，进入C25 混凝土层之后，横向拉应力迅速增大，最大值为0.091 MPa。

图5 路面结构横向拉应力分布

2.4 压应力

路面结构的压应力分布见图6。由于选取的计算点位在横缝附近，相比于传统的半刚性基层沥青路面压应力的峰值没有出现在轮胎与路表的接触区域，整个复合路面的压应力分布呈现“单峰”形式，压应力最大值位于CRCP 层层底位置处，峰值为0.228 MPa。

图6 路面结构的压应力分布

3 关键力学响应指标的重载分析

综合考虑CRCP 层的受力特性与材料层位，选取沥青面层之间以及沥青面层-基层的界面最大剪应力、CRCP 层与C25 层层底横向拉应力及纵向拉应力、路表弯沉指标作为关键力学指标的分析群体。初步设定轴载为100～200 kN，超载率选取为0%、20%、40%、60%、80%、100%。

3.1 界面剪应力

CRCP 复合式路面的界面剪应力随着轴重的增加的应力变化见图7。沥青层界面剪应力与面-及层间剪应力的增长速率基本一致，整体的幅值较大，从0.228 MPa 和0.247 MPa 增长至0.456 MPa 及0.493 MPa。表明要关注沥青层间以及面基层间的黏结问题，良好的层间黏结可以防止层间滑移，提高面层的服务使用寿命。

图7 界面剪应力超载分析

3.2 横向拉应力

层底横向拉应力见图8。CRCP 层作为主要承重层，层底的横向拉应力相对较小，随着轴载的增加，其横向拉应力从0.025 MPa 增长到0.048 MPa，增长速率相对混凝土基层而言小。C25 混凝土层层底横向拉应力从0.091 MPa 增长到0.182 MPa。表明混凝土基层CRCP+AC 路面更需要关注该层层底的疲劳开裂，在计算疲劳寿命时均应考虑。

图8 层底横向拉应力

3.3 纵向拉应力

层底纵向拉应力见图9。路面结构的层底纵向拉应力与前述规律相似，CRCP 层层底的横向拉应力相对较小，其横向拉应力从0.016 MPa 增长到0.032 MPa，增长速率相对混凝土基层而言小。C25 混凝土层层底拉应力从0.085 MPa 增长到0.170 MPa。与横向应力对比，纵向拉应力比横向拉应力的数值范围相对较小，表明横向开裂或许会更加严重。

图9 层底纵向拉应力

3.4 路表弯沉

路面结构路表弯沉见图10。路表弯沉大小分布较广，从标准轴载的51（0.01 mm）增长至102（0.01 mm）处，表明随着轴载的增加，路表的纵向变形相对较大，如果轴载进一步加大，路表将会出现较大的路面沉陷等路面损坏现象。

图10 路面结构路表弯沉

4 结语

（1）沥青层间的界面剪应力与面-及层间剪应力的增长速率基本一致，整体的幅值较大；对于沥青面层应考虑车辙增强的现象，在设计阶段应采取模量较高的材料。（2）CRCP 层层底横向与纵向拉应力相对较小，随着轴载的增加，其增长速率相对混凝土基层而言小，混凝土底基层路面更需要关注混凝土层底的疲劳开裂，在计算疲劳寿命时均应考虑。（3）复合式路面的弯沉变化较为明显，从标准轴载的51（0.01 mm）增长至102（0.01 mm）处，连续配筋复合式路面在重载路段可能出现路面沉陷等问题。