基于路基路面協調變形的水泥混凝土路面設計分析

張鑫淼

（北京城建華威公路工程有限公司，北京 100026）

1 水泥混凝土路面的特征及結構設計

1.1 特征

水泥混凝土路面需要具有一定的抗壓、抗彎、抗拉和耐磨損性能，并具備一定的力學強度。一般情況下，瀝青路面的使用壽命為10～15 年，而水泥混凝土路面的壽命較長，通常是瀝青路面壽命的2 倍左右，長達30 年以上，且本身具備一定的承載能力和擴展能力。另外，水泥混凝土路面的時間穩定性和水穩定性都更長。當環境溫度和濕度發生變化時，水泥混凝土路面性能不會受到影響。而且水泥混凝土路面的建造成本低，日常維護管理費用也比瀝青路面低很多，汽車行駛過程中可以減少油耗，在目前環保要求進一步提高的環境下，有助于實現節能減排目標。

1.2 水泥混凝土路面結構設計要點

1.2.1 路基設計

路基不均勻甚至變形時，混凝土面層與下臥層之間會出現局部脫空，面層應力由此增加，導致面層板斷裂。因此，對路基的基本要求是提供均勻的支撐，在環境和荷載作用發生變化、產生不均勻力度時，路基變形小。混凝土板厚應采用等厚度的方式，根據交通量的多少和軸載大小確定路面厚度，最小為18cm。需要注意的是，地下水位高時應提高路堤設計標高標準；路基土的濕度應與周圍環境處于動態平衡狀態。

1.2.2 設計墊層

一般情況下，在溫度和濕度狀況不佳的路段對墊層進行有效設計，目的是發揮路面結構的優勢，避免產生較大的風險，從根本上為路面結構提供良好的支撐。

1.2.3 設計基層

建筑領域應用的水泥混凝土路面基層包含剛性基層、半剛性基層和柔性基層。需要結合各路段選擇不同高度的基層。例如，承受較重交通荷載而增加了路面荷載量后，應以剛性基層為主，選擇剛度非常大、且抗沖刷性能較強的碾壓混凝土和水泥穩定粒料。滲入水和路面荷載整體作用形成的板底脫空現象對人們日常行車影響嚴重，會增加路面板斷裂的危險。因此，應增加基層高度，做好基層設計工作，改善路面接縫的負荷能力。

1.2.4 面層設計

使用連續配筋的混凝土面層能夠保持路面的平整性和舒適性，適用于高速公路。

2 建立路基路面三維有限元分析模型

2.1 工程案例

以某道路改建工程為例，采用鉆孔測量的方法，調查、分析該路段的路基狀況。測試鉆孔總數為152 孔，其中，北半副和南半副各76 孔。利用檢測數據分析該路段的土質變化和含水量變化。

2.2 地質條件

從道路工程實際改造情況可以看出，此階段的老路填土密實度非常低。以往在道路路基路面下的120cm 區域主要采用低液限黏土，但該道路路基普遍受到多方因素影響（大氣條件、降水情況等），路基土過于濕潤。由于本工程建設時間較久，使用年限較長，因此，比一般路面受損更嚴重。在經濟進一步發展的背景下，交通量逐漸增多，道路受破壞的速度加快，局部路段的路面服務水平下降，僅簡單地采取矯正或者常規養護工作難以滿足具體要求。在此情況下，病害擴散的速度特別快，嚴重影響路面的整體質量，必須結合實際情況加以改進和優化。通過一系列調查研究工作，以及根據交通量增長變化，在全面掌握地質情況的基礎上，實施一系列的改造工作，以保證道路工程的整體質量。

2.3 路基路面三維有限元模型

相關研究表明，基于道路模量確定路面協調變形理論中的反彈，能夠提高道路設計質量，有利于高質量地開展水泥混凝土路面設計作業。其中，路面載荷應力是影響道路結構表層和基層厚度及彈性模量的基本因素，但該因素對路基響應影響的意義不是特別明確。結合路基和路面協調變形情況，計算典型的水泥混凝土路面結構，通過獲取精準的結構參數和材料參數，綜合分析路面和路基的影響，為協調變形設計提供有效的依據。路基、路面三維有限元分析模型創建要點為：在路基路面中，路面接縫直接影響水泥混凝土路面的整體性能。具體的水泥混凝土路面材料和結構參數見表1。

表1 水泥混凝土路面材料和結構參數

3 確定路基工作區的深度

在施工期間，為了提升路面結構的穩定性，應加大結構內土體結構強度的控制力度。針對各種現象，施工單位應有效設計路基深度，提高水泥混凝土路面設計的有效性。

3.1 正交試驗

應用正交試驗的方式分析路面結構厚度和基層模量，兩種路面路層厚度是試驗指標分析中的要點。根據各車輛載荷應力與路基自重應力間的比值，設計出的路基厚度有一定的差別。例如，當比值是0.1 時，路基厚度必須控制在2.1～2.6m；當比值是0.2 時，應將路基厚度控制在1～1.4m；當路基厚度在1.5m 以下時，車輛載荷應力變化十分明顯。表2 為水泥混凝土路面結構正交試驗考察及水平設置。通過分析整體因素可知，路基應力普遍受到多項結構因素影響，具體表現為考察因素、路基回彈模量、面板厚度等。因此，應全面掌握這些要素，將其控制在合理范圍內，規范地設計混凝土路面結構，進一步弱化其他結構的參數指標，以免產生不良影響。同時，要將路基模量和面層厚度放在首位，為后期路面設計提供良好的依據。

表2 水泥混凝土路面結構正交試驗考察及水平設置

3.2 明確路面厚度

隨著社會經濟的不斷發展，路基工作區深度隨之加深，出現超載現象。路基工作區土壤的強度和穩定性能夠提升路面結構的強度和穩定性，使其從根本上符合基本交通要求。基于此，在路基設計和施工過程中，應進一步確定堤岸工作面的深度。在路基工作區深度與試驗指標一致的情況下，路面厚度對路基工作區的深度有極大影響。

4 分析和探究路面的疲勞性能

在水泥混凝土路面設計過程中，有著一系列不良影響因素，路面損壞是路面結構影響的一種體現，一般以疲勞損壞為主。本文主要探究了路面結構層厚度和路基模量設計參數值對路面使用壽命的影響。

4.1 路基模量對路面疲勞性的影響

當前，結合路基模量實際情況，其本身對路面疲勞性有直接影響。如果路基回填模量較小，那么路面疲勞壽命的增長速度會變慢；路基回填模量逐漸增大時，路面疲勞壽命會大范圍增長。相關研究表明，如果路基回彈模量不斷增加，會全面發揮出路面本身的疲勞性能。

4.2 面層厚度對路面疲勞性能的影響

路面厚度提升后，路面本身的壓應力隨之降低。相關分析表明，此種現象的主要原因是面層板剛度和擴散性非常強，面層厚度增加后，路基和基層的受力情況明顯改變。當面層厚度逐漸增加時，下面層板底的拉應力隨之降低，在一定程度上增加了水泥混凝土路面疲勞壽命的次數，非線性關系隨之體現出來。同時，面層厚度增加，疲勞壽命次數隨之增長，幅度日益擴大。

4.3 路面的厚度

在交通擁堵的狀態下，需要適當增加路面的厚度，并強化路徑，同時，全面控制路面結構，不可太厚，保持適宜性。道路路面和路面的高模量也不可太大。考慮到經濟因素，結合上述分析，需明確水泥混凝土路面的厚度和彈性模量。

5 結語

本文主要探討了路基路面協調變形的水泥混凝土路面設計要點，通過明確基本路面結構設計參數，了解路基回填彈量和路基面板層厚度。回填量和面板層厚度決定了路基應力性能，應動態分析和探討該影響因素，為設計水泥混凝土路面提供良好的參考依據，重點判斷水泥混凝土路面是否存在超載現象，全面控制路基工作區域的深度。在變化的交通環境下，逐漸提高水泥混凝土路面的彈性模量，保證混凝土路面面層厚度的合理性，進而提高路面的整體性能。