特重荷載下水泥混凝土路面承載能力有限元仿真分析

楊三強(qiáng)，武文秀，劉娜，范曉雨

(河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002)

特重荷載下水泥混凝土路面承載能力有限元仿真分析

楊三強(qiáng)，武文秀，劉娜，范曉雨

(河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002)

通過借助動(dòng)力觸探、自動(dòng)落錘等檢測(cè)手段，采用小撓度彈性薄板理論構(gòu)建有限元模型進(jìn)行承載力數(shù)值仿真分析.結(jié)果表明：相同特重荷載，不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥混凝土路面在車輪作用處的最大變形量為0.375 4～0.657 9 mm；水泥混凝土道板厚度為10～25 cm、強(qiáng)度等級(jí)為C30～C50時(shí)，車輪作用處路面最大變形量顯著減小；根據(jù)路面的全壽命設(shè)計(jì)周期，采用C40、25 cm厚的水泥混凝土道板.研究成果可為特重荷載下的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐.

特重荷載；水泥混凝土路面；極限承載能力；有限元仿真分析

近年來，隨著中國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，重型車輛的保有量逐漸增加，公路交通運(yùn)輸出現(xiàn)了嚴(yán)重的重載、大流量和渠化交通等現(xiàn)象，急需進(jìn)行相關(guān)的路面承載力設(shè)計(jì)優(yōu)化，以減少路面病害的發(fā)生.陳亞莉[1]采用三維有限元方法，假定路面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土面層、水穩(wěn)碎石基層及土基層，通過控制變量，詳細(xì)分析了板塊幾何尺寸、厚度、脫空程度等因素對(duì)路面彎沉的影響，研究結(jié)果表明當(dāng)水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)參數(shù)、尺寸大小、傳力桿性能和荷載大小發(fā)生變化時(shí)，均會(huì)對(duì)板塊的彎沉值產(chǎn)生變化，因此對(duì)水泥混凝土板塊設(shè)計(jì)以及進(jìn)行脫空判別時(shí)，應(yīng)綜合考慮這些因素的影響，從而采取適宜的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn).付欣[2]同樣應(yīng)用有限元方法，對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行了分析，討論了不同路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)層底應(yīng)力的影響.但上述研究在分析過程中并未考慮溫度應(yīng)力的影響，而且只是從理論上分析了各個(gè)因素對(duì)路面彎沉的影響，缺乏工程應(yīng)用.基于此，本文開展特重荷載下的水泥混凝土路面的承載能力分析意義重大.

本文依托北京301醫(yī)院涿州廠區(qū)特重荷載水泥混凝土路面承載力咨詢項(xiàng)目，借助動(dòng)力觸探、彎沉檢測(cè)等技術(shù)手段，采用小撓度彈性薄板理論構(gòu)建有限元模型，進(jìn)行承載力數(shù)值仿真分析，旨在為水泥混凝土路面承載力的檢測(cè)評(píng)價(jià)提供科學(xué)的理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)，保證水泥混凝土路面在特重荷載下不損壞，延長(zhǎng)道路使用壽命.

1 特重荷載剛性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與基本假設(shè)

本項(xiàng)目中水泥混凝土路面板的厚度小于其平面尺寸的1/10，荷載作用下板的撓度又遠(yuǎn)小于其厚度，因此，水泥混凝土路面的構(gòu)造和工作狀態(tài)符合小撓度薄板理論[3].水泥混凝土路面應(yīng)力分析大多以彈性地基上的彈性薄板為理論基礎(chǔ).

小撓度薄板理論的基本假設(shè)：

2)中面內(nèi)各點(diǎn)無平行于中面的位移，即u0=v0=0.

4)板內(nèi)各面均平行于中面，互不擠壓，即σz=0.

2 工程地質(zhì)參數(shù)和荷載工況

2.1 工程地質(zhì)參數(shù)

位于涿州的北京301醫(yī)院廠區(qū)特重荷載下的水泥混凝土路面場(chǎng)地所屬地貌單元為沖積平原地貌，屬山前平原區(qū)(Ⅱ區(qū)).附近無大的斷裂通過，未發(fā)現(xiàn)隱伏斷裂及活動(dòng)性斷裂存在，判定本場(chǎng)地基底穩(wěn)定性較好，適宜建筑.涿州抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g，屬設(shè)計(jì)地震分組第2組，擬建場(chǎng)地為可進(jìn)行建設(shè)的一般地段.本場(chǎng)地可不考慮地震液化影響，建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類.廠區(qū)道路設(shè)計(jì)參照市政道路主干路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為20年.本次勘察工作以鉆探為主，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入等原位測(cè)試手段.根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001，2009版)，沿?cái)M建建筑物周邊布置鉆孔88個(gè)，孔深15.00～45.00 m.采用自由活塞厚壁取土器靜力壓入法及重錘少擊法取原狀土樣，自動(dòng)落錘進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入原位測(cè)試.共取原狀樣479件，擾動(dòng)樣65件，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)351次.

本次勘察深度內(nèi)所揭露的地層，地表為素填土及雜填土層，其下為第四系全新統(tǒng)沖積層及上更新統(tǒng)沖積層形成的地層.

2.2 廠區(qū)道路特重荷載工況參數(shù)分析

北京301醫(yī)院涿州廠區(qū)特重荷載水泥混凝土路面主要承載該醫(yī)院轉(zhuǎn)運(yùn)安裝的特種大型醫(yī)療設(shè)備.吊裝該設(shè)備的起重機(jī)重450 t(含配重)，回旋加速器120 t，鋼板24 t，總重594 t，該起重機(jī)屬于超重型起重設(shè)備，為保證吊裝過程中混凝土路面的完整性及醫(yī)療設(shè)備的安全，參照公路路面設(shè)計(jì)規(guī)范以及國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中關(guān)于水泥混凝土路面所能承受的最大荷載的研究[4-6]，該起重機(jī)通過橡膠輪胎作用在地面上產(chǎn)生的接地壓強(qiáng)為1.2 MPa，屬于特重交通荷載.

3 水泥混凝土路面有限元仿真分析方案設(shè)計(jì)與比選

北京301醫(yī)院涿州廠區(qū)特重荷載下的水泥混凝土道板采用C30混凝土，彈性模量為3×104MPa，泊松比取0.2，鋪設(shè)厚度為100 mm.為對(duì)比設(shè)計(jì)方案進(jìn)行科學(xué)評(píng)估與方案優(yōu)化，本文采用有限元建模數(shù)值仿真分析特重荷載下不同水泥混凝土路面強(qiáng)度、不同水泥混凝土厚度下的路面結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律，以期得到適用于特重荷載下的水泥混凝土路面最佳的強(qiáng)度與厚度組合方案.基于該思路，研究應(yīng)用有限元建模來進(jìn)行數(shù)值仿真分析，采用的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土參數(shù)如表1所示.

表1 不同強(qiáng)度等級(jí)水泥混凝土參數(shù)

大量文獻(xiàn)資料及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輪胎接地形狀由矩形和2個(gè)半圓組成.中國(guó)路面設(shè)計(jì)中，選用雙輪組單軸載100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪胎接觸路面的壓強(qiáng)為0.7 MPa，接觸面積的當(dāng)量圓直徑為21.3 cm，雙輪的中心距為31.95 cm.為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將荷載有效地加到各節(jié)點(diǎn)上，把輪胎接地形狀等效成矩形，邊長(zhǎng)為18.9 cm，輪心距31.9 cm[7-8].

3.1 標(biāo)準(zhǔn)荷載下的水泥混凝土路面變形仿真分析

水泥混凝土路面有限元模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)取值參見表2，實(shí)際路面在水平、垂直方向?yàn)闊o限，路面寬度方向?yàn)橛邢蓿邢拊荒苡?jì)算有限尺寸下路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析.車輪荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響只能作用在一定范圍內(nèi)，超出這個(gè)范圍，車輛荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響很小，可忽略不計(jì)，而且由于計(jì)算機(jī)性能的限制，只能取一定尺寸的路面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算.有限元模型X方向取6 m，Y方向取4.5 m，Z方向取3 m.荷載采用雙輪組單軸載100 kN，即BZZ-100.有限元模型的邊界條件如下：模型最下面沒有任何方向的位移，為完全約束；模型左右面X方向進(jìn)行約束；模型的前后面Y方向進(jìn)行約束；模型頂面沒有約束，為自由端.有限元分析網(wǎng)格劃分如圖1所示.荷載形式采用垂直均布標(biāo)準(zhǔn)荷載，接地壓強(qiáng)為0.7 MPa，其中水泥混凝土泊松比為0.2，本文模擬效果為溫度應(yīng)力、車輛荷載應(yīng)力及自重應(yīng)力的疊加，位移云圖如圖2所示.

表2 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)數(shù)值仿真模擬可得現(xiàn)有土基承載力參數(shù)下，采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，厚度為10 cm的C30水泥混凝土路面在車輪作用處承受的最大豎向變形為0.478 6 mm，且在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，該道路最大變形在中間層，為0.575 4 mm，本文主要研究水泥混凝土路面在車輪作用處承受的最大豎向變形，故下文中不再對(duì)中間層的最大變形進(jìn)行贅述.

圖1 網(wǎng)格劃分Fig.1 Meshing figure

圖2 荷載作用下水泥混凝土路面云圖Fig.2 Cement concrete pavement nephogram under tandard load

3.2 相同特重荷載、不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)下的混凝土路面變形規(guī)律

北京301醫(yī)院涿州廠區(qū)水泥混凝土路面主要承載該醫(yī)院轉(zhuǎn)運(yùn)安裝的特種大型醫(yī)療設(shè)備，為保證混凝土路面及設(shè)備的安全性，該作用力等價(jià)作用在橡膠輪胎上的接地壓強(qiáng)1.2 MPa，利用Abaqus軟件模擬相同特重荷載、不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)下的混凝土路面變形云圖結(jié)果如圖3(選取8個(gè)具有代表性的云圖)及表3所示.

a.C30，10 cm; b.C40，15 cm; c.C50，20 cm; d.C40，25 cm;e.C60，25 cm; f.C60，30 cm; g.C70，35 cm; h.C80，40 cm.圖3 不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)下的混凝土路面變形云圖Fig.3 Deformation of concrete pavement with different thickness and different strength grades

混凝土強(qiáng)度等級(jí)水泥混凝土厚度/cm豎向位移/mm混凝土強(qiáng)度等級(jí)水泥混凝土厚度/cm豎向位移/mmC30100．6579(a)C60100．6509C30150．5807C60150．5731C30200．5208C60200．5132C30250．4731C60250．4663(e)C30300．4345C60300．4292(f)C30350．4035C60350．3997C30400．3777C60400．3755C40100．6547C70100．6501C40150．5771(b)C70150．5723C40200．5171C70200．5126C40250．4696(d)C70250．4659C40300．4316C70300．4291C40350．4010C70350．3996(g)C40400．3760C70400．3762C50100．6524C80100．6494C50150．5747C80150．5716C50200．5142(c)C80200．5119C50250．4675C80250．4656C50300．4299C80300．4290C50350．4000C80350．4003C50400．3754C80400．3768(h)

由表3可知，相同特重荷載、不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)下的水泥混凝土路面在車輪作用處的最大變形量為0.375 4～0.657 9 mm，且混凝土強(qiáng)度的逐漸增加對(duì)路面變形量影響較小.相同特重荷載、相同強(qiáng)度等級(jí)下的水泥混凝土路面最大變形量隨著道板厚度的增加逐漸減小，且在25 cm之前變形量顯著減小，后期逐步趨于平穩(wěn).

為更加清晰地了解水泥混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)路面最大變形量的影響，選取25 cm的水泥混凝土道板厚度，研究其在相同特重荷載作用下的路面最大變形量的關(guān)系，其結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)下的混凝土路面變形量分析Fig.4 Concrete pavement deformation analysis under the different thickness and different strength grade

由圖4可知，當(dāng)水泥混凝土道板厚度為25 cm時(shí)，在相同特重荷載作用下，水泥混凝土強(qiáng)度由C30過渡到C50時(shí)，車輪作用處路面最大變形量顯著減小，當(dāng)水泥混凝土強(qiáng)度由C50過渡到C80時(shí)，影響較小.

3.3 最優(yōu)方案選取

為滿足水泥混凝土路面變形量的要求，預(yù)估不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥混凝土道板材料來進(jìn)行最優(yōu)方案的選取.考慮到特重荷載下不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土路面變形量的適用性，參照表3，可得當(dāng)采用C40、25 cm水泥混凝土道板厚度時(shí)水泥混凝土路面變形量與標(biāo)準(zhǔn)荷載下的路面變形量相當(dāng)，并根據(jù)全壽命設(shè)計(jì)周期，采用C40、25 cm的水泥混凝土道板厚度.

4 結(jié)論

本文通過對(duì)特重荷載作用下不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥混凝土路面在車輪作用處最大變形量的仿真分析，得出以下主要結(jié)論：

1)分析表明，相同特重荷載、不同厚度、不同強(qiáng)度等級(jí)下的水泥混凝土路面在車輪作用處的最大變形量為0.375 4～0.657 9 mm，且混凝土強(qiáng)度的逐漸增加對(duì)路面變形量影響較小.

2)結(jié)果顯示，相同特重荷載、相同強(qiáng)度等級(jí)下的水泥混凝土路面最大變形量隨著道板厚度的增加逐漸減小，且在25 cm之前變形量顯著減小，后期逐步趨于平穩(wěn).

3)當(dāng)水泥混凝土道板厚度為25 cm時(shí)，在相同特重荷載作用下，水泥混凝土強(qiáng)度由C30過渡到C50時(shí)，車輪作用處路面最大變形量顯著減小，當(dāng)水泥混凝土強(qiáng)度由C50過渡到C80時(shí)，影響較小.

4)根據(jù)路面的全壽命設(shè)計(jì)周期，對(duì)比方案可知，特重荷載下采用C40、 25 cm水泥混凝土道板厚度時(shí)水泥混凝土路面變形量小生命周期長(zhǎng).

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Ansyssimulationanalysisofcementconcretepavementbearingcapacityunderextraheavyload

YANGSanqiang，WUWenxiu，LIUNa，F(xiàn)ANXiaoyu

(College of Architectural Engineering, Hebei University, Baoding 071002, China)

The finite element model of small deflection elastic thin plate was used to carry out the numerical simulation analysis of the bearing capacity by means of dynamic detection, automatic dropping hammer and other testing methods.The results show that the maximum deformation of cement concrete pavement on the wheel is between 0.375 4—0.657 9 mm at the same special heavy load, different thickness and different strength grades. The maximum deformation of the road surface at the wheel will be significantly reduced when the thickness of concrete slab is 10—25 cm and the strength is C30—C50. Thick concrete slab of C40 and 25 cm is used according to the life of the road design cycle . The results can provide theoretical support for the design of cement concrete pavement under extra heavy loads.

heavy load; cement concrete pavement; ultimate bearing capacity; finite element simulation analysis

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.06.001

2016-11-07

河北省教育廳基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(ZD2016073)；教育部中西部能力提升工程高層次引進(jìn)人才項(xiàng)目

楊三強(qiáng)(1980—),男,四川綿陽人，河北大學(xué)教授，博士后，主要從事公路路基、路面材料工程方向研究.

E-mail:ysq0999@163.com

U419.91

A

1000-1565(2017)06-0561-06

王蘭英)