農村公路路面結構設計方案及承載力試驗研究

摘要 文章以輕型交通量農村公路為對象，基于路面結構設計與承載力問題，采用足尺寸模型實驗，研究不同基層材料對水泥混凝土路面結構承載力的影響。結果表明：水穩碎石基層的荷載傳遞能力優于級配碎石基層，而級配碎石基層的荷載擴散能力優于水穩碎石基層；增加板厚可有效提高路面結構的承載力及穩定性。農村公路路面結構設計時建議采用較高強度的基層類型，調整板厚能有效平衡成本及性能。

關鍵詞 水泥混凝土路面；農村公路；承載力

中圖分類號 U416.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0118-03

0 引言

農村地區地形復雜且資源有限，如何設計和建設適宜的路面結構已成為農村公路建設的難題之一。以輕型交通量農村公路為對象，采用足尺寸模型實驗，對不同基層材料對水泥混凝土路面結構承載力影響進行研究。通過對不同路面結構模型的力學性能進行對比分析，能有效揭示基層材料對路面承載力及穩定性的影響情況[1]，為農村公路建設提供既經濟實用又能滿足長期使用要求的設計標準和建設方案。

1 材料與結構設計

1.1 材料參數

實驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥；水泥混凝土配合比為水泥∶10～20 mm碎石∶5～10 mm碎石∶細集料∶水=399.07∶487.16∶698.28∶604.42∶195.00；水穩碎石基層礦料為45%的10～20 mm碎石+23%的5～

10 mm碎石+32%的0～5 mm碎石；級配碎石基層集料為38%的10～20 mm碎石+35%的5～10 mm碎石+27%的0～5 mm碎石+5%的水；路基填土為粉質黏土[2]。

1.2 結構設計

選擇面層厚度和基層形式進行足尺寸模型實驗[3]。實驗設計如下：采用混凝土面層、20 cm厚基層和30 cm粉質黏土為路基，基層中水穩碎石的加入量為5%。實驗方案如下：1#方案，面層厚度20 cm+水穩碎石；2#方案，面層厚度18 cm+水穩碎石；3#方案，面層厚度20 cm+級配碎石；4#方案，面層厚度18 cm+級配碎石。

2 加載方案設計

選用30 kN單軸雙輪的四輪低速貨車為荷載模型，設計參照四級公路Ⅰ類+Ⅱ類標準。結構板中心施加20 cm×20 cm的局部荷載，測量路面板四周及基層的撓度和板邊應變片與板底的傳感器響應，模擬實際車輛荷載對路面影響。

2.1 加載裝置

利用10MN實驗壓力機加載荷載，對路面結構方案進行單調軸向加載實驗，揭示不同路面結構設計在實際荷載作用下的響應特性。該設備通過先進的伺服控制技術，能夠實現精細的荷載施加，確保實驗條件的精確性和重復性。采用應力應變采集系統實時捕獲和記錄路面結構在受力過程中的應力和應變數據，為后續數據分析和路面性能評估提供堅實的數據基礎。

2.2 加載方案

采取豎向集中力分級加載方法，Q235加載鋼板大約200 mm×200 mm×20 mm。實驗時，應逐步增加荷載速率1 kN/s，每次增幅5 kN，每次增加后保持荷載作用2 min，準確記錄路面結構的響應。實時監測荷載曲線，觀察到曲線出現明顯拐點時，應采用2 mm/min的位移加載方式繼續實驗。當模型出現路面板底部斷裂或荷載—位移（N—s）曲線出現突變時，應停止加載。

2.3 監測裝置

2.3.1 撓度測量

位移計監測路面響應。位移計布設如下：C-Z-1為路面板中心豎向撓度測量點，評估路面板的剛度；Z-BJ1、Z-BJ2為路面板對稱角處豎向撓度測量點，評估路面板的跨度差異撓度；Z-JC1、Z-JC2為路面板角基層豎向撓度測量點，評價路面板的支撐條件。

2.3.2 應變測量

對稱布置應變片以捕捉路面結構的整體變形和應力分布。應變片布設如下：C-X、C-Y分別為沿短邊、長邊方向布置的應變傳感器，測量橫向和縱向的應變情況；Y-5、Y-6、Y-11、Y-12為長邊中點兩側對稱放置的應變傳感器，檢測不對稱的變形情況。

3 試驗結果與分析

3.1 加載破壞

路面2#方案、3#方案的加載破壞包括三階段：第一為彈性階段，加載初期荷載較小，路面面層、基層、路基均遵循彈性力學原理，變形完全可逆，荷載移除后路面結構能夠恢復到加載前狀態；第二為中間階段，加載至85～90 kN時，模型箱兩側板橫向位移達到3 mm以上，路面結構開始出現明顯變形，接近其彈性極限；第三為破壞階段，隨著荷載繼續增加，2#方案荷載169 kN、3#方案荷載158 kN時，面層混凝土發生脆性破壞。

4#方案加載破壞過程的彈性階段與2#、3#方案一致，較低荷載作用下變形完全可逆。在中間階段，荷載增至110～115 kN時，4#方案的豎向位移變化減小，進一步增加荷載則位移變化較小，此時較軟土基層已完成豎向壓縮，位移變化減小。在破壞階段，荷載增加至134 kN時，在高荷載作用下形成脆性破壞，裂縫在板底產生并沿長邊擴展至板頂面，與裂縫拓展路徑和路面結構的應力分布有關，這是路面結構在承受過度荷載時的典型破壞形式。

3.2 撓度特征

由圖1可知，路面板中心受局部荷載，加載點處豎向撓度和板對角翹曲量均與荷載成正線性關系，隨荷載增加豎向撓度增加、板對角翹曲量增大。路面結構在初期荷載作用下能夠保持較好彈性響應，隨著荷載增加，路面變形相應增大，進入塑性變形階段。

（1）受局部荷載作用時，路面結構板角翹曲量始終小于板中心豎向位移，當路面結構中心受到較大荷載時，邊緣部分的變形相對較小。4#方案在加載后顯示出板中低、兩邊高的凹陷現象，與板角翹曲量小于板中心豎向位移的觀察結果相吻合。

（2）荷載增加后，板角位置翹曲量同步增大，路面板在受力時表現出一種左右傾斜趨勢。從1#、2#方案可知，相鄰兩板角翹曲量相差達到70%左右，為明顯不均勻變形；而3#、4#方案則沒有出現較大的不均勻翹曲情況。不同材料的基層對路面結構的變形行為有顯著影響。級配碎石基層因其良好的荷載擴散能力，有助于減少路面的不均勻變形。

3.3 應變特征

路面結構2#、3#方案的荷載-應變關系曲線如圖2所示。

由圖2板底數據可知，路面結構受到豎向荷載作用時，板底應變表現為縱向拉應變，最大應變集中在板底，與路面板最終斷裂形態的觀察結果一致，該區域是路面結構的最脆弱部分。Y-6、Y-12應變片隨荷載增加顯示出線性增長趨勢，而Y-5、Y-11的應變變化較小，應變值遠小于Y-6、Y-12的應變值，彎拉應變從板底向板頂逐漸減小，距離板底位置最近的應變片能最先感應路面板變形。彎拉應變的這種分布情況與路面板最終斷裂形態的觀察結果表現一致。

由圖2中板邊數據可知，水穩碎石和級配碎石基層具有基本一致的板底應變曲線，兩種基層材料在板底應變響應上具有相似性；在板邊應變曲線上有一定差異，且在荷載擴散能力和邊緣部分的應力分布也不同。在加載初期，級配碎石基層路面結構上Y-6/Y-12應變片受荷載影響較大，產生的拉應變隨荷載增大而增大，荷載越大增加則速率越大；這表明路面板內部由于彎拉應力的過度積累，導致在板底首先產生裂縫并向上延伸。

3.4 承載力特征

荷載作用下足尺實驗模型力學響應曲線如圖3所示。

由圖3可知，對比級配碎石基層，水穩碎石基層具有優異的承載力和抗變形能力。1#方案和3#方案的對比分析可知，1#方案的破壞荷載提高幅度高達19%，板底彎拉應變降低了約66.7%，而豎向位移的降低幅度達到35%左右，這表明水穩碎石半剛性基層在分散荷載和提高路面穩定性方面具有更佳表現。研究發現，當基層類型相同時，增加板厚能顯著提高路面結構承載力，可見板厚是影響路面結構承載力的重要因素；1#、2#方案的破壞荷載基本一致，對比2#方案，1#方案板底彎拉應變的降低幅度達到36%，而豎向位移的降低幅度達到17%左右，這表明增加板厚能有效提升路面結構的整體性能。

4 結語

農村公路典型路面結構的足尺承載力實驗結論如下：

（1）水泥混凝土路面結構設計的水穩碎石基層，具有對荷載敏感性和有效荷載傳遞的能力，路面在受荷載作用時將出現較大的豎向撓度和板角翹曲，可能出現不均勻翹曲現象；級配碎石基層具有良好的荷載擴散能力，承受重荷載時可導致路面板整體下沉/裂縫。

（2）水穩碎石基層具有較好的荷載傳遞能力，有助于保持路面結構完整性；級配碎石基層在荷載擴散方面表現更佳，能減少局部應力集中的可能性，延長路面使用壽命。

（3）水穩碎石基層具有較高的剛性和緊密結構，能提供更優承載力。

（4）農村公路路面結構設計時建議采用較高強度基層類型，通過調整板厚能有效平衡成本及性能。

參考文獻

[1]聶闖. 農村公路瀝青混凝土路面就地冷再生養護技術[J]. 交通科技與管理， 2024（4）： 144-146.

[2]張桓鋮. 某高速公路路面結構類型比選論證及結構驗算[J]. 交通科技與管理， 2024（4）： 87-89.

[3]陳亮亮， 常賽， 蘇文韜， 等. 農村公路水泥混凝土典型路面結構設計和承載力試驗[J]. 福州大學學報（自然科學版）， 2023（2）： 199-204.

收稿日期：2024-04-18

作者簡介：袁利平（1985—），男，本科，工程師，從事農村公路建設及管理養護工作。