農村公路混凝土路面結構受力分析及優化設計研究

張自柱　鐘志欽

摘要：為對農村公路混凝土路面力學性能進行研究，文章基于多組有限元數值仿真計算，通過單因素分析法，研究了不同指標對混凝土路面結構力學性能的影響，并提出優化建議。主要結論有：在車輛載荷作用下，混凝土路面底部所受最大拉應力與板厚度、基層彈性模量、基層厚度以及墊層厚度呈反比，而與混凝土板尺寸、行車載荷呈正比；進行路面設計時，應充分考慮可能出現的重載和超載情況，留出充足強度；路面施工時，應盡量使基層與墊層之間的剛度相近，可有效降低病害的發生。

關鍵詞：農村公路；路面結構；有限元分析；優化方案

0引言

隨著我國經濟的飛速發展，公路建設已在我國取得了顯著成就。農村公路是我國公路建設的重要組成部分，但由于農村公路等級較低、施工技術較為落后、行車條件較差，再加上受氣候因素和養護等綜合因素的影響，導致車輛-環境綜合影響下，混凝土路面結構易出現病害。因此，對農村公路路面結構的力學性能和結構優化的研究是非常必要的。

目前，針對農村公路路面已有不少研究。李姝等［1］對農村公路路面的破壞特征進行了歸納總結，在此基礎上研究了路面破壞和基層失效的內在關系；黃雄立等［2］以湖南省某農村公路為研究背景，研究了水泥路面的破損特征和發展規律，并將單塊水泥板劃分為一個單元，建立了一種準確、簡單的水泥路面評價方法；張敏江等［3］針對不同類型的農村公路病害開展了研究工作，基于多指標控制思想提出了一套適應于農村公路瀝青路面的設計方法；杜衛衛等［4］針對交通量較低的農村公路水泥混凝土路面厚度進行了研究，結果顯示混凝土板寬對厚度的影響較小，在交通量較小的農村公路施工時混凝土板的厚度可以減小到16 cm；黃維蓉等［5］針對農村公路的交通特性和材料的特點，對路面碾壓混凝土的配合比進行了研究，提出了適用于農村公路的混合比設計方法；游仕穎［6］針對鄉村瀝青路面施工中所面臨的問題，從混合料配比、混凝土攤鋪工法以及接縫處理等角度進行控制，以保障農村公路的施工質量；劉鋒銳等［7］基于ADINA有限元軟件分析了瀝青路面的受力特性，并將計算結果同規范進行了對比，進而得出適用性較好的農村公路的典型路面結構。

本文在前人的研究基礎上，詳細調研了農村公路路面結構的病害類型，并基于有限元軟件ABAQUS對農村公路路面結構進行仿真分析，分析了混凝土路面的力學性能，分別研究了板厚、板面尺寸、超載等因素對混凝土面板底應力的作用效果。此外，還研究了基層、墊層對混凝土板底應力的作用效果，并基于有限元仿真分析結果，對混凝土路面結構進行一定的優化設計。研究結果豐富了農村公路建設的理論依據，能夠為相似工程提供參考。

1 農村公路病害分析

1.1 工程概況

某農村公路全長8.5 km，設計時速為40 km/h。通過實地調研統計分析，該段公路主要通行軸載較輕的中小型車，只有部分區域路段可通行設計軸載＞100 kN的貨車。該地區四季分明，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫達13.5℃，年平均日照時長為1 350～1 450 h。該農村公路主要采取水泥混凝土路面結構，主要由面層、基層以及墊層等構成。

1.2 主要病害

該農村公路在建成通車兩年后，陸續出現路面裂縫病害（橫、縱向以及交叉裂縫病害）、車轍病害及結構病害，嚴重影響車輛的行駛安全。因此，針對病害較為嚴重區域路段進行詳細調查（K02+50～K10+50），調查過程中以2 km為一個檢測單元，具體調查結果如表1所示。

由表1調查結果可知，該段農村公路裂縫類病害最為嚴重，占比最大，這可能是受路面結構設計本身的影響和施工技術限制造成的。而路面沉降病害多發育在新舊路基交接位置，路基自身發生的不均勻沉降造成的。

2 基于ABAQUS的路面應力分析

為進一步研究車輛荷載對混凝土板的作用，基于有限元軟件ABAQUS對農村公路路面結構進行仿真分析。

2.1 ABAQUS有限元模型的建立

依據實地調查資料，該段農村公路等級低，路面寬度較小，基本是將成塊的混凝土板通過橫、縱向接縫形成。其中，上部路面模型尺寸為：4 m×5 m（Z向×X向）；下部基層和地基尺寸為：7 m×8 m×3 m（Z向×X向×Y向）。由于本文重點分析的是混凝土面板的受力和變形，因此上部混凝土板的網格劃分較密，而下方基礎的網格劃分則較為稀疏，這樣可以在滿足計算精度的前提下，大大提升計算機的計算效率。具體的模型以及網格劃分如圖1所示。

在進行接觸設定時，上部混凝土板與下部基礎選擇面-面接觸方式。在進行車輛荷載計算時，混凝土面板與下部基礎之間采取無相對運動的連接方式。在該模型中，由于上部混凝土板結構剛性相對較大，因此選取混凝土板下底面作為主面，上表面為從面。模型的具體材料參數如表2所示。

2.2 車輛載荷及作用位置設置

依據我國水泥混凝土路面設計等相關規范，軸載選取100 kN；根據已有研究成果，將車輛載荷換算為矩形荷載，如圖2所示。

施加荷載時，選取混凝土板的邊緣作為最不利荷載位置（其造成的彎矩最大，最易造成路面開裂），將荷載施加到沿行車方向的邊緣中部位置，如圖3所示。

2.3 車輛載荷作用下路面結構應力分析

基于ABAQUS求解該路面結構模型的應力解，在車輛荷載作用下路面結構的應力云圖如圖4所示。由圖4分析可知，在最不利荷載作用下，應力和變形最大位置均位于車輛最不利荷載施加的位置附近，而下部的基礎部分基本未發生明顯的變形。此外，最不利荷載作用下，應力的影響范圍主要控制在路面中部，對另一側道路的影響較小。

3 車輛載荷作用下應力敏感性分析

為深入優化農村公路路面結構，本文選取了板厚、面板尺寸、超載、基層模量、基層厚度、墊層厚度以及土基模量等指標，基于單因素分析法，研究了上述指標對混凝土面板底部應力影響的參數敏感性，為路面結構優化提供一定的參考。

為了使結果更加直觀地呈現出來，在進行敏感性分析時，模型基礎參數同2.2節一致，在研究不同指標的影響時，只改變該指標的參量，控制其他參數不發生變化。模型計算時，提取混凝土板底部應力的最大值作為評估指標。

3.1 混凝土板厚度對應力的影響

為了研究混凝土板厚對板底部應力的影響，計算時混凝土板的厚度分別取14 cm、16 cm、18 cm、20 cm、22 cm、24 cm等6組工況。路面結構底部最大主應力的變化規律如下頁圖5所示。由圖5可知，混凝土板結構越厚，混凝土板底部應力的最大值則越?。ㄓ?.33 MPa，減小到1.45 MPa），減小幅度可以達到56.5%左右。而且當混凝土板厚度超過20 cm之后，應力減小的變化率有所降低。由此可知，該農村公路的路面混凝土厚度宜≥20 cm。

3.2 面板尺寸對應力的影響

計算時共設計6組混凝土板的尺寸，分別為2 m×2 m、2 m×3 m、3 m×3 m、3 m×4 m、4 m×4 m、4 m×5 m。不同混凝土板尺寸對最大主應力的影響如圖6所示。由圖6分析可知，隨著板尺寸的增加，混凝土板底部最大主應力呈現增加的趨勢，但是變動幅度較低。根據實地調查可知，農村公路路面結構相對簡單，為了便于后期的養護與維修，建議應選取小尺寸的混凝土板。

3.3 車輛荷載對應力的影響

計算時共設計6組不同的車輛荷載，分別為60 kN、80 kN、100 kN、120 kN、140 kN、160 kN。不同車輛荷載作用下，混凝土板底部最大主應力的變化規律如圖7所示。由圖7分析可知，混凝土板的最大主應力與車輛荷載近似呈線性增長。車輛荷載越大，底板的拉應力也隨之增大，混凝土底板的拉應力超過混凝土板的極限拉應力時，路面就會出現裂縫等病害；在車輛荷載的反復作用下，路面損傷會進一步加重，最后導致路面發生塌陷等病害。由于農村的不斷建設與發展，因此在進行路面設計時，應當考慮重載車輛的影響，以確保農村公路未來的服役性能。

3.4 基層模量及厚度對應力的影響

在進行基層彈性模量的研究時，共設計200 MPa、600 MPa、1 000 MPa、1 400 MPa、1 800 MPa和2 200 MPa6組工況。進行基層厚度研究時，共設計10 cm、12 cm、14 cm、16 cm、18 cm、20 cm6組工況。基層參數與應力之間的關系分別如圖8和9所示。

由圖8可知，隨著基層彈性模量的增加，最大主應力逐漸呈降低趨勢。值得注意的是，在彈性模量增大到一定程度時，基層彈性模量對應力的影響逐漸降低，趨勢變得更加平緩。由圖9分析可知，基層厚度與應力關系規律與彈性模量基本相同，均隨著厚度的增加而減小，且當厚度增大到一定程度時，變化趨勢逐漸降低。

3.5 墊層厚度對應力的影響

進行墊層厚度的研究時，共選取6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、18 cm6組工況，墊層厚度對應力的影響如圖10所示。由圖10可知，墊層厚度對混凝土板底應力影響不大，但當交通量過大時，墊層越厚與地基之間的力的傳遞關系越好。

4 路面優化設計方案

根據《關于印發農村公路建設指導意見的通知》等相關規范，已對農公路路面結構有了初步建議，指出針對農村普通水泥混凝土路面，面層厚度應≥18 cm，基層厚度≥15 cm。通過第3節的應力敏感性分析可知，該農村公路在進行結構設計時，應設置合理的路面結構形式，另一方面應盡可能減少基層與墊層之間的剛度差，以有效加強路面的整體性，降低和減輕病害的發生。針對該段農村公路，主要提出了3種結構，并對3種結構形式的荷載應力進行了計算。以方案1為例，其荷載應力云圖如圖11所示。不同方案的應力計算結果如表3所示。根據有限元計算結果可知，方案1的荷載應力最小，方案3的荷載應力最大。相比較而言，方案2的荷載應力比方案1增加了30.6%。因此，方案2和3在行車荷載反復作用下，易產生疲勞破壞，故選擇方案1。

5 結語

本文依托某農村公路路面工程，基于有限元軟件ABAQUS對該工程進行了數值仿真分析，通過多組工況的數值計算，分析了車輛載荷作用下各指標對應力的敏感性，主要得到以下研究結論：

（1）在車輛載荷作用下，混凝土路面底部所受最大拉應力隨著板厚度、基層彈性模量、基層厚度以及墊層厚度的增加而減小，隨著混凝土板尺寸、行車載荷的增加而增大。

（2）通過有限元計算分析可知，行車載荷對應力的影響較大。在進行路面設計時，應充分考慮到可能出現的重載和超載情況，事先留出充足的強度儲備。

（3）路面施工時，應盡量使基層與墊層之間的剛度相近，以有效降低病害的發生。

參考文獻：

［1］李 姝，張榮亮，張敏江.農村公路瀝青路面基層狀況評價指標研究［J］.中外公路，2018，38（3）：88-91.

［2］黃雄立，朱 歡，李 文，等.農村公路水泥路面破損快簡評價方法研究［J］.公路工程，2018，43（3）：190-193，296.

［3］張敏江，高 雙.農村公路瀝青路面病害分析及典型結構推薦［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2017，33（6）：1 048-1 054.

［4］杜衛衛，呂競輝.輕交通農村公路水泥混凝土路面厚度研究［J］.公路，2013，58（11）：30-36.

［5］黃維蓉，胥 吉，何兆益.農村公路路面碾壓混凝土配合比設計研究［J］.混凝土，2010（6）：137-142.

［6］游仕穎.農村公路工程瀝青路面施工技術與質量控制研究［J］.住宅與房地產，2020（12）：162.

［7］劉鋒銳，王 勇.泰安市農村公路瀝青路面結構有限元分析［J］.山西建筑，2012，38（36）：170-171.

作者簡介：張自柱（1978—），工程師，主要從事公路、橋梁建設與管理工作。