重載作用下貧水泥混凝土基層剛性路面結構響應實驗研究

胡 朋 王保群 成英才

(山東交通學院交通土建工程學院1) 濟南 250023) (山東魯東路橋有限責任公司2) 東營 257000

0 引 言

貧水泥混凝土作為一種高強度耐沖刷基層[1-2]，可以克服水泥混凝土路面基層強度不足等問題，有效避免早期破壞[3-5].目前對水泥混凝土路面結構響應的研究多采用有限元.趙煒誠等[6]采用層間接觸模型進行了三維有限元分析；王麗娟等[7]采用有限元模擬對設瀝青夾層水泥混凝土路面早齡期力學行為和性狀形成的結構效應、瀝青夾層效應進行了研究；Itani等[8]利用有限元研究了土工格柵加固薄層混凝土防止裂縫發展的原理；董開亮[9]應用ANSYS分析了結構參數對超厚水泥混凝土路面荷載應力的影響，在采用有限元建模分析時考慮了考慮層間作用.有限元可以較好的分析路面結構響應，但其結果的準確性多依賴于材料參數的準確程度和模型的合理性，而且需要現場試驗的驗證.現場試驗可以比較準確地獲取路面結構響應，但試驗費用昂貴，試驗工況較少[10].

文中在大型模型箱內鋪筑和真實路面同厚度的路面模型，采用大型MTS模擬車輛輪胎荷載并對路面模型進行加載，得到不同位置面層底部和基層底部的路面結構響應，期望為以貧混凝土為基層的剛性路面結構響應和路面長期性能提供一種高效經濟的研究方法.

1 結構模型試驗

1.1 路面結構設計

我國水泥混凝土路面設計規范建議路面板厚度依據交通等級不同，設計范圍在18～32 cm，在極重交通條件下超過32 cm.為了更容易獲取路面結構響應，設計路面層厚度18 cm，貧混凝土基層厚度采用20 cm，路基厚度100 cm，路面結構見圖1.綜合考慮路基路面模型的實驗結果可靠性、吊裝和加載的方便性，確定模型箱尺寸為2 m×1.5 m×1.38 m(長×寬×高).

按照設計尺寸進行鋼模型箱加工制作，并進行路基、基層和面層施工.面層水泥混凝土配合質量比：水泥∶碎石∶砂∶水=325∶1 150∶765∶195.經過試驗其抗壓強度均值為38 MPa.貧水泥混凝土配合質量比：水泥∶碎石∶砂∶水=170∶1 358∶764∶138.經過試驗其抗壓強度均值為16 MPa.路基土壓實度達到96%，滿足規范要求值.

圖1 路面結構模型、加載位置和傳感器埋設圖(單位：cm)

1.2 傳感器設置

根據傳感器的工作原理，檢測層底的拉應力是比較困難的.對于路面結構的響應研究，目前基本上都是檢測層底拉應變.本文路面結構模型箱試驗采用振弦式應變計，傳感器內置溫度編碼芯片，具有溫度測量、溫度修正、編號記憶功能，適合于橋梁、道路、大體積結構體的長期檢測和自動化檢測.傳感器和數據采集儀見圖2.為了分析水泥混凝土面層層底應變在不同荷載作用下變化規律，在水泥混凝土面層層底、基層層底分別設置應變傳感器，見圖1.

圖2 MR振弦式應變傳感器、采集儀

1.3 加載方案

1.3.1加載壓頭

我國常見貨車輪胎的尺寸為：外直徑0.8～1.2 m，截面寬度20～28 cm.本次試驗設計和真實輪胎形狀基本一致的弧形鋼壓頭，直徑取1 m，截面寬度取26 cm，具體尺寸見圖3.

圖3 加載壓頭尺寸設計圖(單位:mm)

由于剛性板作用于路面上時，板底壓力分布和柔性板壓力分布存在較大差異，為了更加真實的模擬車輛輪胎荷載，在壓頭下粘貼一層貨車輪胎.加載壓頭加工完成并粘貼輪胎后見圖4.

圖4 加工后的加載壓頭

1.3.2加載壓強計算

由于輪胎的變形，荷載增大時會導輪胎接地面積增大，從而影響接地壓強.本項目在試驗之前，對加載壓頭分別施加30～80 kN的荷載，進行壓頭接地面積檢測.根據所測得的輪胎接地面積，計算出接地壓強，結果見表1.由于本文采用單輪加載，為方便和其他研究成果進行對比分析，將其換算成標準軸載后也列在表1中.

表1 加載輪接地參數

文獻[11]在內蒙古呼和浩特市榆林治超檢查站對過往的貨車進行單軸軸重、輪胎接地面積現場測試，根據測試結果進行接地壓強換算，測試結果及接地壓強具體見表2.

表2 輪胎接地壓強和接地面積

將表1～2中的軸重和壓強關系曲線表示見圖5.本文所采用的加載壓頭的接地壓強和實際貨車輪胎作用下的接地壓強十分接近，可以確保本試驗所設計的加載壓頭符合實際情況，能比較真實地模擬車輛荷載作用.

圖5 接地壓強對比

1.3.3加載方案

采用50 t的移動桁吊將模型箱吊裝到位，調整大型MTS作動器，使加載壓頭位于加載位置.路面板短邊邊緣中部(1#位置)、板中心(2#位置)和長邊邊緣中部(3#位置)為三個典型位置，車輛荷載作用于路面不同位置處，會對路面結構內部產生不同的影響，本研究將荷載施加在此三個位置，見圖1.受大型MTS反力架空間的限制，本次試驗未對板角進行加載.按照設計的加載位置進行加載，荷載大小按照表1施加，加載穩定后讀取6個應變計數據.

2 實驗結果

2.1 面層層底應變

分別采集圖1的1#、2#和3#位置面層層底應變，得到不同位置處的數據見圖6.1#位置位于短邊邊緣中部，距離邊緣40 cm，2#位置位于面板中間，3#位置位于長邊邊緣中部，距邊緣40 cm.

圖6 1#～3#位置加載面層層底應變規律

由圖6可知，在路面板短邊方向進行加載僅對加載位置的面板底部應變影響較大，板中和長邊邊緣的層底應變較小.在板中加載時也有類似規律，僅在作用點處面板底部拉應變較大.然而在長邊邊緣中部加載時，不僅引起加載位置處板底應變較大，在板中間位置層底也會產生較大拉應變.

2.2 基層層底應變結果

同樣，采集圖1中所示的1#、2#和3#位置處的底基層層底應變，得到基層層底不同位置處的數據見圖7.

圖7 1#～3#位置加載基層層底應變規律

由圖7可知，基層層底的應變規律和面層層底應變規律基本上一致，在3#位置施加荷載時，不僅荷載位置處的基層層底拉應變增大，面板中間位置基層層底的拉應變也隨著荷載的增加而顯著增加，而且兩個位置應變值比較接近.

3 數據分析與討論

從面層層底的應變結果來看，當單輪荷載達到80 kN時，縱縫邊緣中部產生的應變最大，達到了25 με.其他位置的應變均小于該位置面層層底拉應變.

對比面層和基層的層底拉應變可以發現，基層層底的拉應變普遍比面層層底拉應變大，約為2倍.由于結構模型未設置適當的底基層，貧混凝土基層直接鋪筑在路基土上，造成兩者之間模量相差較大，使得基層層底拉應變較大.我國水泥混凝土路面設計時，很多時候在貧混凝土基層底部設置了級配碎石墊層、二灰土、石灰土等底基層，其模量值見表3.貧水泥混凝土的抗壓模量值為10～20 GPa，上述底基層材料的模量值和貧混凝土基層相比，僅為貧混凝土的10%～20%，兩者之間模量相差過大，造成了貧混凝土基層層底產生過大的拉應變.因此今后在進行路面設計時，應注意模量的過渡，在貧混凝土基層層底設置過渡層，使模量逐漸降低，設置模量較高的水泥穩定類材料，其抗壓模量值可達10 GPa以上.

表3 常見材料的模量值 單位：MPa

本研究采用單輪加載，單輪重30～80 kN，如按照標準軸進行換算，單軸重較大，可以有效的模擬重載車輛對路面的破壞作用.但同時另一方面，路面結構模型尺寸較小，和真實路面相比存在一定的差距，因此，今后應進行更大尺寸的模型進行加載實驗.

4 結 論

1) 荷載作用在路面板長邊邊緣時，面層層底和基層層底拉應變都比較大；在未設置底基層情況下，基層層底拉應變約為面層層底拉應變的2倍.

2) 在進行以貧水泥混凝土作為基層的路面設計時，基層層底應設置模量較高的底基層，避免出現模量較低的墊層或者低模量底基層.

3) 通過大型MTS對路面結構模型進行加載，可以經濟高效研究路面結構響應，同時也為路面長期性能研究增加了一種實驗方法.