模量变化对水泥混凝土路面影响分析

张 璇

(沈阳市公路规划设计院)

1 引 言

目前我国《水泥混凝土路面设计》规定设计标准轴载为BZZ－100，由于路面上行驶车辆轴重不同，导致每个车辆对路面的作用效果也不一致，为了研究交通量对路面作用，需将每个车辆荷载对路面的作用效果按照等效疲劳损坏原则换算为标准轴载，水泥混凝土板疲劳破坏不仅与标准轴载作用次数有关系，同时与温差有关，由于一年四季温度变化差异较大，温度变化使混凝土板产生翘曲应力，导致混凝土板承受温度周期性应力变化，在设计年限内如果某种条件达到设计极限值会出现疲劳开裂，因此在混凝土路面设计中考虑温差变化产生的应力和混凝土板产生的翘曲力不大于混凝土抗拉强度。

2 计算路面结构及其参数选取

常规混凝土板长度小于6 m，设计通常采用4 m ×5 m尺寸，设计时拟定水泥混凝土结构层及各个结构层的参数，主要包括弹性模量及厚度，为了研究路面结构参数敏感性，通过控制其他参数不变情况下对某一参数变化进行研究，规范规定基层模量变化范围在1 300 ～1 700 MPa 之间;底基层模量变化范围在400 ～700 MPa 之间，土基回弹模量变化范围在20 ～100 MPa 之间，水泥混凝土板厚度变化范围在20～28 cm 之间，本研究采用参数水泥混凝土板模量Ec=30 000 MPa，厚度hc=24 cm;基层模量E2=1 500 MPa，厚度h2=20 cm;底基层模量E1=500 MPa，厚度h1=15 cm，土基模量E0=50 MPa 进行研究。

3 荷载应力影晌分析

3.1 基层模量变化对混凝土板底荷载应力影响分析

为了研究影响混凝土板荷载应力最不利因素，由于土基、路面基层、路面底基层回弹模量及水泥混凝土板厚度变化对基层顶面当量回弹模量的影响，同时考虑标准轴载在临界荷位处产生应力影响，根据上述路面结构参数，采用Bizar3软件进行力学计算分析，分析土基、路面基层、路面底基层回弹模量及水泥混凝土板厚度变量参数下混凝土板荷载应力分布影响情况，最终确定影响混凝土板荷载应力最不利因素，土基、基层弹性模量对基层顶面当量回弹模量影响分析结果见图1 所示，土基、基层弹性模量对混凝土板荷载应力影响分析见图2 所示。

从图1 可以看出在基层模量值1 500 MPa 和水泥混凝土板厚24 cm 前提下，基层顶面当量回弹模量随着土基回弹模量增加而增加，随着基层模量增加而增加，基层模量保持不变前提下，土基回弹模量对基层顶面当量回弹模量影响较大，当土基回弹模量由20 MPa 增加至100 MPa 时基层顶面当量回弹模量由134.51%增大到348.94%，土基回弹模量不变情况下基层模量对基层顶面当量回弹模量影响变化较小，当基层模量由1 300 MPa 增加至1 700 MPa 时基层顶面当量回弹模量增大6.07% ～10.32%。

图1 土基、基层弹性模量对基层顶面当量回弹模量关系曲线

图2 土基、基层弹性模量对混凝土板荷载应力影响关系曲线

从图2 看出在基层模量值1 500 MPa 和水泥混凝土板厚24 cm 前提下，水泥混凝土板底荷载应力同时随着土基回弹模量、基层模量增大而减小。基层模量不变前提下土基回弹模量对水泥混凝土板底荷载应力影响较大，当土基回弹模量由20 MPa 增加至100 MPa 时板底荷载应力相应减小16%，土基回弹模量不变情况下，基层模量变化对水泥混凝土板底荷载应力影响较小，当基层模量由1 300 MPa 减小到1 700 MPa时板底荷载应力减小约2%。

图3 土基、底基层弹性模量对基层顶面当量回弹模量影响

从图3 看出在底基层模量和水泥混凝土板hc=24 cm不变情况下，基层顶面当量回弹模量随着土基回弹模量、底基层模量增大而增大。底基层模量不变的前提下土基回弹模量对基层顶面当量回弹模量影响较大，当土基回弹模量由20 MPa 增加至100 MPa 时基层顶面当量回弹模量增大148%。土基回弹模量不变的前提下底基层模量对基层顶面当量回弹模量影响变化较小，当底基层模量由300 MPa 增加至700 MPa 时，基层顶面当量回弹模量增大6.16% ～11.14%。

图4 土基、底基层弹性模量对混凝土板荷载应力影响分析

从图4 看出在底基层模量值和水泥混凝土板厚hc=24 cm 不变情况下，水泥混凝土板底荷载应力随着土基回弹模量和底基层模量增大而减小。底基层模量不变前提下，土基回弹模量对水泥混凝土板底荷载应力影响较大，土基回弹模量由20 MPa 增加至100 MPa 时板底荷载应力减小16.6%，土基回弹模量不变前提下底基层模量对水泥混凝土板底荷载应力影响较小，当底基层模量由300 MPa 增加至700 MPa 时板底荷载应力减小2.73%。

3.2 水泥混凝土板厚对板底荷载应力影响分析

为了研究水泥混凝土板厚对板底荷载应力影响，通过改变土基回弹模量、水泥混凝土板厚度，采用Bizar3 软件进行分析土基强度、板厚对路面板底荷载应力影响，计算结果见图5 所示。

图5 不同土基强度及板厚作用板底荷簸应力

从图5 看出在基层模量E2=1 500 MPa 和底基层模量E1=500 MPa 不变情况下采用采用Bizar3 软件计算结果，随着土基模量和混凝土板厚度增大，混凝土板底荷载应力相应变小，在混凝土板厚度不变情况下，土基模量由20 MPa 增加至100 MPa 时板底荷载应力在0.927 ～0.773 MPa 之间变化，在土基模量不变前提下，由于混凝土板厚度变化引起板底荷载应力在0.927 ～1.484 MPa 之间变化。

在基层顶面当量回弹模量和混凝土板厚度变化前提下采用Bizar3 软件进行分析，路基强度和混凝土板厚度对混凝土板底荷载应力影响，应力计算见图6 所示。

图6 不同土基强度及板厚作用板底荷簸应力

由图6 可以看出土基强度对板底荷载应力影响要小于板厚对板底荷载应力影响，在混凝土板厚度不变情况下，土基强度从60 MPa 增加到220 MPa 才能达到设计要求;当土基强度不变、混凝土板厚度增加4 cm 时可以有效降低混凝土板底应力。

4 结 论

底基层模量不变前提下，土基回弹模量对基层顶面当量回弹模量影响比对混凝土板底荷载应力影响要大，随着基层顶面回弹模量和板厚逐渐增大，板底荷载应力不断减小。混凝土板厚较小时地基强度对荷载应力影响要大，随着混凝土板厚增加来减小混凝土板内荷载应力效果不明显。

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