碾壓混凝土基層瀝青路面結構設計方法

摘要：碾壓式混凝土基層的主要優點是強度高、干縮率小、耐久性好、提高工效、提早通車。本文嘗試采用碾壓混凝土基層瀝青路面結構，設計和制造具有較長壽命的高速公路路面結構，來解決高溫、多雨地區重載交通作用下的路面耐久性問題。采用有限元方法分析了碾壓混凝土基層瀝青路面路面荷載應力和溫度應力。研究指出，碾壓混凝土路面結構設計以行車荷載和溫度梯度綜合作用產生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態。

關鍵詞：瀝青路面；碾壓混凝土；荷載應力；溫度應力

中圖分類號：U41 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

碾壓混凝土是以級配集料和較低的水泥用量與用水量，以及摻合料和外加劑等組成的超干硬性混凝土拌和物，經振動壓路機等機械壓密而形成的一種混凝土[1]。碾壓式混凝土基層的主要優點是強度高、干縮率小、耐久性好、提高工效、提早通車。特別適用于南方多雨潮濕地區的特重交通量下高速公路路面基層。碾壓混凝土可采用間歇式或連續式拌和機拌和，自卸車運料，瀝青混合料或水穩基層混合料攤鋪機攤鋪、振動壓路機和輪胎壓路機碾壓，按此施工組織的工效可較普通水泥混凝土提高2倍左右[2]。若能采用碾壓混凝土作為瀝青路面的基層，則能夠顯著提高路面結構強度，減薄瀝青路面厚度，而且能夠充分利用當地材料，大大降低高速公路的建設成本，延長高速公路的服務年限[3]。

因此，嘗試采用碾壓混凝土基層瀝青路面結構，設計和制造具有較長壽命的高速公路路面結構，來解決高溫、多雨地區重載交通作用下的路面耐久性問題。

1荷載應力分析

先計算標準軸載在有瀝青加鋪層的RCC路面板臨界荷位的荷載應力σps。然后計算考慮設計基準期內荷載應力累計疲勞作用、接縫傳荷能力的應力折減作用以及偏載和動載等因素影響的荷載疲勞應力σpr。

1.1結構和材料設計參數

碾壓混凝土基層瀝青路面各結構層厚度根據工程應用的實際情況擬定，材料的彈性模量、泊松比，采用規范推薦的數值進行有限元分析，各結構層主要參數如表1所示。

1.2荷載應力分析模型

采用有限元法對基于碾壓混凝土基層的瀝青路面結構進行三維分析，碾壓混凝土基層與下基層之間設為完全連續狀態，各結構層為均勻、連續、各向同性的彈性體。

圖1 路面結構模型圖2 荷載作用位置

1.3軸載與結構應力關系

現代交通中普遍存在超載現象，而路面結構在超載的作用下會加速破壞，為了研究軸載對碾壓混凝土基層結構受力的影響，在計算中軸載從100kN～240kN進行變化，按20KN遞增，計算結果如表2所示。

從計算結果可以看到，隨著軸載的增大， RCC層底部應力σ1、σe及τmax也隨之增大，基本為線性關系。當軸載從100KN增加到200KN時，應力基本上增大了2倍，σe、τmax和σ1分別增大了0.593MPa、0.336MPa和0.474MPa，這對路面結構的破壞是比較嚴重的。因此，在碾壓混凝土基層瀝青路面結構中，應當重視軸載的影響，并嚴格限制重載、超載車輛的行駛。

1.4 RCC層厚與結構應力關系

碾壓混凝土基層厚度是路面結構設計的重要指標，碾壓混凝土基層厚度從14cm～28cm，按2cm遞增。計算結果如表3所示。可以看出，RCC層底部應力隨RCC層厚度的增大而減小，RCC層厚度每增加2cm，RCC層底部σe、τmax和σ1減小幅度為6.5%左右。因此，在滿足強度、結構設計及施工工藝條件的前提下，可適當減薄RCC層的厚度，以取得一定的經濟效益，RCC層厚度取為18cm～24cm較為合適。

1.5 AC層厚與結構應力關系

當碾壓混凝土基層厚度一定時，瀝青面層越厚，荷載傳遞到瀝青層底的應力就越小，為分析瀝青層厚度與對結構層的應力分布的影響，保持碾壓混凝土基層厚度為定值，研究瀝青面層厚度變化對路面結構的荷載應力的影響，瀝青面層厚度從8cm～22cm，按2cm遞增。計算結果如表4所示。可以看出， RCC層底部應力均隨AC層厚度的增加而減小， AC層厚度每增加2cm，RCC層底部σe和τmax減小4.0%左右。當AC層厚度從8cm增加到22cm時，RCC層底的σe、τmax和σ1分別減小了24.1%、24.5%和19.6%。瀝青面層厚度的增加可以有效減小整個路面結構的受力狀態。

1.6下基層厚度與結構應力關系

路面結構中下基層采用是水泥穩定級配碎石，為了分析下基層厚度對路面結構受力狀態的影響，保持其他參數不變，下基層厚度從14cm～28cm，按2cm遞增。計算結果如圖3。可以看出， RCC層底部應力隨下基層厚度的增大變化較大，當下基層厚度從14cm增大到28cm時，RCC層底部σe、τmax和σ1從0.462MPa、0.262MPa和0.373MPa減為0.388MPa、0.219MPa和0.302MPa，減小幅度達到了16.4%、16.0%和19.0%。下基層厚度每增大2cm，RCC層底部應力減小幅度為2.5%左右，且隨著下基層厚度的逐漸增大，下基層厚度對RCC層底部應力的減小幅度也逐漸變小，當下基層厚度超過一定的限度時，通過增大下基層厚度來改善路面結構受力的作用不顯著。

圖3 RCC層底部應力隨下基層厚度變化

2溫度應力分析

先計算最大溫度梯度時有瀝青加鋪層的RCC路面板臨界荷位處溫度翹曲應力σtm。然后計算考慮溫度應力累計疲勞作用的溫度疲勞應力σtr。

2.1溫度應力分析模型

由于路面結構層內溫度分布的不均勻以及路面結構層材料的溫度敏感性不同，在外界溫度發生變化時，由于路面結構受到自重以及其他的約束，路面結構不能自由的變形，從而在路面結構內，尤其在RCC板內會產生溫度應力。由實測溫度場資料可以得到最大溫差和廣東地區的標準氣候值，碾壓混凝土基層內最大日溫差一般不超過20℃。

圖4 路面結構在降溫時溫度分布圖5路面結構在降溫時變形

2.2 RCC層厚度與溫度應力關系

與車輛荷載應力類似，有必要研究碾壓混凝土基層厚度對溫度荷載作用下路面結構應力的影響。固定其他參數，RCC層厚度從14cm～28cm，按2cm遞增。計算結果如表5所示。

可以看出，隨著RCC層厚度的增加，RCC層自身溫度應力則減小。當RCC層厚度從14cm增加到28cm時，RCC層底部σe、τmax及σ1降幅分別為2.2%、2.1%和2.2%。

3結語

對于碾壓混凝土基層瀝青路面結構，可借鑒水泥路面設計規范中復合式路面結構的設計方法進行計算，仍以疲勞斷裂作為設計的極限狀態，采用有限元方法分析路面內的溫度荷載及行車荷載作用產生的應力。碾壓混凝土路面結構設計以行車荷載和溫度梯度綜合作用產生的疲勞斷裂作為設計的極限狀態，其表達式為：。其中，rr-可靠度系數；σpr-行車荷載疲勞應力（MPa）；σtr-溫度梯度載疲勞應力（MPa）；fr-混凝土彎拉強度標準值。

參考文獻

[1] 彭小林.路面基層碾壓混凝土工藝及性能研究[D].華南理工大學，2012.

[2] 祝海折.連續廠拌式碾壓混凝土基層應用技術研究[D].長沙理工大學，2012.

[3] 林俊.路面基層碾壓貧混凝土工作性及其施工質量控制研究[D].長沙理工大學，2008.