特重荷载下水泥混凝土路面承载能力有限元仿真分析

杨三强，武文秀，刘娜，范晓雨

(河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002)

特重荷载下水泥混凝土路面承载能力有限元仿真分析

杨三强，武文秀，刘娜，范晓雨

(河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002)

通过借助动力触探、自动落锤等检测手段，采用小挠度弹性薄板理论构建有限元模型进行承载力数值仿真分析.结果表明：相同特重荷载，不同厚度、不同强度等级的水泥混凝土路面在车轮作用处的最大变形量为0.375 4～0.657 9 mm；水泥混凝土道板厚度为10～25 cm、强度等级为C30～C50时，车轮作用处路面最大变形量显著减小；根据路面的全寿命设计周期，采用C40、25 cm厚的水泥混凝土道板.研究成果可为特重荷载下的水泥混凝土路面结构设计提供理论支撑.

特重荷载；水泥混凝土路面；极限承载能力；有限元仿真分析

近年来，随着中国汽车工业的高速发展，重型车辆的保有量逐渐增加，公路交通运输出现了严重的重载、大流量和渠化交通等现象，急需进行相关的路面承载力设计优化，以减少路面病害的发生.陈亚莉[1]采用三维有限元方法，假定路面结构为水泥混凝土面层、水稳碎石基层及土基层，通过控制变量，详细分析了板块几何尺寸、厚度、脱空程度等因素对路面弯沉的影响，研究结果表明当水泥混凝土路面的结构参数、尺寸大小、传力杆性能和荷载大小发生变化时，均会对板块的弯沉值产生变化，因此对水泥混凝土板块设计以及进行脱空判别时，应综合考虑这些因素的影响，从而采取适宜的评定标准.付欣[2]同样应用有限元方法，对水泥混凝土路面结构在动荷载作用下的响应进行了分析，讨论了不同路面结构参数对层底应力的影响.但上述研究在分析过程中并未考虑温度应力的影响，而且只是从理论上分析了各个因素对路面弯沉的影响，缺乏工程应用.基于此，本文开展特重荷载下的水泥混凝土路面的承载能力分析意义重大.

本文依托北京301医院涿州厂区特重荷载水泥混凝土路面承载力咨询项目，借助动力触探、弯沉检测等技术手段，采用小挠度弹性薄板理论构建有限元模型，进行承载力数值仿真分析，旨在为水泥混凝土路面承载力的检测评价提供科学的理论支撑与技术指导，保证水泥混凝土路面在特重荷载下不损坏，延长道路使用寿命.

1 特重荷载刚性路面结构设计理论与基本假设

本项目中水泥混凝土路面板的厚度小于其平面尺寸的1/10，荷载作用下板的挠度又远小于其厚度，因此，水泥混凝土路面的构造和工作状态符合小挠度薄板理论[3].水泥混凝土路面应力分析大多以弹性地基上的弹性薄板为理论基础.

小挠度薄板理论的基本假设：

2)中面内各点无平行于中面的位移，即u0=v0=0.

4)板内各面均平行于中面，互不挤压，即σz=0.

2 工程地质参数和荷载工况

2.1 工程地质参数

位于涿州的北京301医院厂区特重荷载下的水泥混凝土路面场地所属地貌单元为冲积平原地貌，属山前平原区(Ⅱ区).附近无大的断裂通过，未发现隐伏断裂及活动性断裂存在，判定本场地基底稳定性较好，适宜建筑.涿州抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15 g，属设计地震分组第2组，拟建场地为可进行建设的一般地段.本场地可不考虑地震液化影响，建筑场地类别为Ⅲ类.厂区道路设计参照市政道路主干路标准设计，设计基准期为20年.本次勘察工作以钻探为主，采用标准贯入等原位测试手段.根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001，2009版)，沿拟建建筑物周边布置钻孔88个，孔深15.00～45.00 m.采用自由活塞厚壁取土器静力压入法及重锤少击法取原状土样，自动落锤进行标准贯入原位测试.共取原状样479件，扰动样65件，进行标准贯入实验351次.

本次勘察深度内所揭露的地层，地表为素填土及杂填土层，其下为第四系全新统冲积层及上更新统冲积层形成的地层.

2.2 厂区道路特重荷载工况参数分析

北京301医院涿州厂区特重荷载水泥混凝土路面主要承载该医院转运安装的特种大型医疗设备.吊装该设备的起重机重450 t(含配重)，回旋加速器120 t，钢板24 t，总重594 t，该起重机属于超重型起重设备，为保证吊装过程中混凝土路面的完整性及医疗设备的安全，参照公路路面设计规范以及国内外相关文献中关于水泥混凝土路面所能承受的最大荷载的研究[4-6]，该起重机通过橡胶轮胎作用在地面上产生的接地压强为1.2 MPa，属于特重交通荷载.

3 水泥混凝土路面有限元仿真分析方案设计与比选

北京301医院涿州厂区特重荷载下的水泥混凝土道板采用C30混凝土，弹性模量为3×104MPa，泊松比取0.2，铺设厚度为100 mm.为对比设计方案进行科学评估与方案优化，本文采用有限元建模数值仿真分析特重荷载下不同水泥混凝土路面强度、不同水泥混凝土厚度下的路面结构受力变形规律，以期得到适用于特重荷载下的水泥混凝土路面最佳的强度与厚度组合方案.基于该思路，研究应用有限元建模来进行数值仿真分析，采用的不同强度等级混凝土参数如表1所示.

表1 不同强度等级水泥混凝土参数

大量文献资料及其实验结果显示，轮胎接地形状由矩形和2个半圆组成.中国路面设计中，选用双轮组单轴载100 kN作为标准轴载，轮胎接触路面的压强为0.7 MPa，接触面积的当量圆直径为21.3 cm，双轮的中心距为31.95 cm.为了简化计算，将荷载有效地加到各节点上，把轮胎接地形状等效成矩形，边长为18.9 cm，轮心距31.9 cm[7-8].

3.1 标准荷载下的水泥混凝土路面变形仿真分析

水泥混凝土路面有限元模型结构设计参数取值参见表2，实际路面在水平、垂直方向为无限，路面宽度方向为有限，而有限元只能计算有限尺寸下路面结构的力学分析.车轮荷载对路面结构的影响只能作用在一定范围内，超出这个范围，车辆荷载对路面结构的影响很小，可忽略不计，而且由于计算机性能的限制，只能取一定尺寸的路面结构模型进行计算.有限元模型X方向取6 m，Y方向取4.5 m，Z方向取3 m.荷载采用双轮组单轴载100 kN，即BZZ-100.有限元模型的边界条件如下：模型最下面没有任何方向的位移，为完全约束；模型左右面X方向进行约束；模型的前后面Y方向进行约束；模型顶面没有约束，为自由端.有限元分析网格划分如图1所示.荷载形式采用垂直均布标准荷载，接地压强为0.7 MPa，其中水泥混凝土泊松比为0.2，本文模拟效果为温度应力、车辆荷载应力及自重应力的叠加，位移云图如图2所示.

表2 水泥混凝土路面结构设计参数

根据数值仿真模拟可得现有土基承载力参数下，采用标准轴载BZZ-100，厚度为10 cm的C30水泥混凝土路面在车轮作用处承受的最大竖向变形为0.478 6 mm，且在标准轴载作用下，该道路最大变形在中间层，为0.575 4 mm，本文主要研究水泥混凝土路面在车轮作用处承受的最大竖向变形，故下文中不再对中间层的最大变形进行赘述.

图1 网格划分Fig.1 Meshing figure

图2 荷载作用下水泥混凝土路面云图Fig.2 Cement concrete pavement nephogram under tandard load

3.2 相同特重荷载、不同厚度、不同强度等级下的混凝土路面变形规律

北京301医院涿州厂区水泥混凝土路面主要承载该医院转运安装的特种大型医疗设备，为保证混凝土路面及设备的安全性，该作用力等价作用在橡胶轮胎上的接地压强1.2 MPa，利用Abaqus软件模拟相同特重荷载、不同厚度、不同强度等级下的混凝土路面变形云图结果如图3(选取8个具有代表性的云图)及表3所示.

a.C30，10 cm; b.C40，15 cm; c.C50，20 cm; d.C40，25 cm;e.C60，25 cm; f.C60，30 cm; g.C70，35 cm; h.C80，40 cm.图3 不同厚度、不同强度等级下的混凝土路面变形云图Fig.3 Deformation of concrete pavement with different thickness and different strength grades

混凝土强度等级水泥混凝土厚度/cm竖向位移/mm混凝土强度等级水泥混凝土厚度/cm竖向位移/mmC30100．6579(a)C60100．6509C30150．5807C60150．5731C30200．5208C60200．5132C30250．4731C60250．4663(e)C30300．4345C60300．4292(f)C30350．4035C60350．3997C30400．3777C60400．3755C40100．6547C70100．6501C40150．5771(b)C70150．5723C40200．5171C70200．5126C40250．4696(d)C70250．4659C40300．4316C70300．4291C40350．4010C70350．3996(g)C40400．3760C70400．3762C50100．6524C80100．6494C50150．5747C80150．5716C50200．5142(c)C80200．5119C50250．4675C80250．4656C50300．4299C80300．4290C50350．4000C80350．4003C50400．3754C80400．3768(h)

由表3可知，相同特重荷载、不同厚度、不同强度等级下的水泥混凝土路面在车轮作用处的最大变形量为0.375 4～0.657 9 mm，且混凝土强度的逐渐增加对路面变形量影响较小.相同特重荷载、相同强度等级下的水泥混凝土路面最大变形量随着道板厚度的增加逐渐减小，且在25 cm之前变形量显著减小，后期逐步趋于平稳.

为更加清晰地了解水泥混凝土强度等级对路面最大变形量的影响，选取25 cm的水泥混凝土道板厚度，研究其在相同特重荷载作用下的路面最大变形量的关系，其结果如图4所示.

图4 不同厚度、不同强度等级下的混凝土路面变形量分析Fig.4 Concrete pavement deformation analysis under the different thickness and different strength grade

由图4可知，当水泥混凝土道板厚度为25 cm时，在相同特重荷载作用下，水泥混凝土强度由C30过渡到C50时，车轮作用处路面最大变形量显著减小，当水泥混凝土强度由C50过渡到C80时，影响较小.

3.3 最优方案选取

为满足水泥混凝土路面变形量的要求，预估不同厚度、不同强度等级的水泥混凝土道板材料来进行最优方案的选取.考虑到特重荷载下不同厚度、不同强度等级的混凝土路面变形量的适用性，参照表3，可得当采用C40、25 cm水泥混凝土道板厚度时水泥混凝土路面变形量与标准荷载下的路面变形量相当，并根据全寿命设计周期，采用C40、25 cm的水泥混凝土道板厚度.

4 结论

本文通过对特重荷载作用下不同厚度、不同强度等级的水泥混凝土路面在车轮作用处最大变形量的仿真分析，得出以下主要结论：

1)分析表明，相同特重荷载、不同厚度、不同强度等级下的水泥混凝土路面在车轮作用处的最大变形量为0.375 4～0.657 9 mm，且混凝土强度的逐渐增加对路面变形量影响较小.

2)结果显示，相同特重荷载、相同强度等级下的水泥混凝土路面最大变形量随着道板厚度的增加逐渐减小，且在25 cm之前变形量显著减小，后期逐步趋于平稳.

3)当水泥混凝土道板厚度为25 cm时，在相同特重荷载作用下，水泥混凝土强度由C30过渡到C50时，车轮作用处路面最大变形量显著减小，当水泥混凝土强度由C50过渡到C80时，影响较小.

4)根据路面的全寿命设计周期，对比方案可知，特重荷载下采用C40、 25 cm水泥混凝土道板厚度时水泥混凝土路面变形量小生命周期长.

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Ansyssimulationanalysisofcementconcretepavementbearingcapacityunderextraheavyload

YANGSanqiang，WUWenxiu，LIUNa，FANXiaoyu

(College of Architectural Engineering, Hebei University, Baoding 071002, China)

The finite element model of small deflection elastic thin plate was used to carry out the numerical simulation analysis of the bearing capacity by means of dynamic detection, automatic dropping hammer and other testing methods.The results show that the maximum deformation of cement concrete pavement on the wheel is between 0.375 4—0.657 9 mm at the same special heavy load, different thickness and different strength grades. The maximum deformation of the road surface at the wheel will be significantly reduced when the thickness of concrete slab is 10—25 cm and the strength is C30—C50. Thick concrete slab of C40 and 25 cm is used according to the life of the road design cycle . The results can provide theoretical support for the design of cement concrete pavement under extra heavy loads.

heavy load; cement concrete pavement; ultimate bearing capacity; finite element simulation analysis

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.06.001

2016-11-07

河北省教育厅基金重点资助项目(ZD2016073)；教育部中西部能力提升工程高层次引进人才项目

杨三强(1980—),男,四川绵阳人，河北大学教授，博士后，主要从事公路路基、路面材料工程方向研究.

E-mail:ysq0999@163.com

U419.91

A

1000-1565(2017)06-0561-06

王兰英)