海绵城市透水水泥混凝土路面结构力学响应特征研究

王亚升 王 玉 任芬莹

（陕西交通职业技术学院， 陕西 710018）

0 引言

海绵城市指的就是在城市中通过大量建造绿地、湿地等，并在广场。道路下建造透水、渗水铺装，形成的海绵体可以加大雨水的回收率，实现雨水的综合管理和利用，有利于保护环境。透水铺装在海绵城市建设过程中受到广泛关注和推广，适用范围为城市的停车场、广场等人流量较大的地方。透水铺装的主要类型有三种，并且因为承载能力和渗透性的不同，应用场所也略有差别。多孔混凝土值得就是孔隙率在30 左右的水泥混凝土，适用于降雨量较大的城市道路。目前国际上在研究海绵城市时多偏向各类铺装的适用性，车辆荷载作用下透水铺装结构的受力分析缺少相关的分析和研究，基于此，本文将从车辆荷载作用下对透水水泥混凝土铺装路面结构力学响应特征进行深入的研究。

1 透水水泥混凝土路面分类

透水水泥混凝土路面主要是以多孔混凝土建造而成，渗透性较强，能够减少路面雨水堆积，另外按照透排水方式主要分为以下几种：

1.1 表层排水型

此类型混凝土路面排水功能一般，并且仅有部分面层或者是整个面层排水，若交通量较大，还要在此基础上增加防磨能力较强的透水沥青功能层。表层排水层在设计过程中分为两种结构，部分面层排水路面主要使用的是I 结构，整个面层排水路面在设计时主要采用的是则是II 型。多孔混凝土A 类粒径在10mm 左右，主要应用于面层混凝土路面。祥见表 1、图 1。

表1 典型结构

图 1 表典型结构示意图

1.2 基层储排水型透水水泥混凝土路面

此类型混凝土路面排水类型分类两种，一是整个路面排水，二是基层排水，又分为整个基层排水和部分基层排水。在此基础山还要根据路段的行车量确定是否增加透水沥青功能层。部分基层排水路面结构采用的是I 结构，整个基层路面排水采用的是II 结构。透水路面层主要使用的混凝土类型是A 类多孔混凝土，粒径大小在16mm 左右，透水基层采用的混凝土类型主要是b 类多孔混凝土，粒径大小约为30mm。详见表2 图2.

表 2 路面典型结构

图 2 路面典型结构示意

1.3 全透型透水水泥混凝土路面

此类型混凝土路面排水类型分类两种，一种是整个面层排水，另外一种是基层排水，在雨季降水量较大时雨水会从路面渗透到基层。并且按照基层类型的差别将其分为两种结构，一种是I 型，使用的材料主要是B 类多孔混凝土，稳定碎石，底基层使用的材料为粒料类；另外一种是II 型，使用的材料仅为粒料类一种。全透型透水水泥混凝土路面典型结构见表3，结构示意图见图3 。

表 3 典型结构

图 3 全典型结构示意

2 路面结构有限元模型建立

2.1 模型建立

在分析不同路面结构的受力情况时可以建立有限元ANSYS 模型，并在此过程中利用弹性层状体系理论对路面结构的受力情况进行深入分析。此理论包括五方面的假设：第一，路面结构移动以及形状变化幅度较小；第二，最底层路面结构的水平与垂直两个方向无穷大，除最底层之外的各个结构层厚度需控制在一定范围之内，水平方向则无限制；第三，路面结构各个结构层的水平方向极远，它们的应力与形状变化基本为零；第四，路面的各个层面无摩擦力；第五，忽略本身重量。

弹性层体系的基本元素为无数弹性层，其中最底层是弹性半空间体，除底层之外的其他各层厚度具有一定的标准。不同结构层的使用材料和厚度各不相同，它们组合在一起形成了路面结构复合弹性体。本文在构建模型时参考对象为铺设沥青功能层的表层排水型混凝土路面。模型路面长度为 6.0 m ×5.4 m ，地基深度为7.0 米，x 轴表示形成方向，z 轴表示横向，y 轴表示深度方向。

2.2 荷载加载位置

对双圆均布荷载进行简化，使之变为双矩形均布荷载，长度是20x20cm，地面压强约为0.63MPa，车辆两轮之间的距离约为32cm，边界条件：地基四周水平方向上的位移由其自身进行控制，路面板四周不设置约束。

为了确定路面的最大承载力，深入分析板体不同位置的承受压力，一般板中、板角、纵边的中部等属于典型位置。表4 是板的不同位置的受力情况。

表4 板的不同位置的受力情况

由表4 结果可知，最不利加栽的位置是纵边中部，也就是临界荷位。

3 路面结构层参数与路面结构力学的响应分析

3.1 表层排水型透水水泥混凝土路面

表层排水型透水水泥混凝土路面有限元结构及参数如表5 所示。

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下文将对路面结构力学相应特征与路面各个结构层的参数不同指标变化情况进行具体分析。

图4 路面结构层参数与路面结构力学响应特征的关系图

从上表中可以看出，此类型混凝土路面上面层中采用的多孔混凝土的厚度和模量对各项指标的影响与下面层混凝土相比，影响较小，也就是说下面层对路面断裂情况的影响较大。基层路面厚度在增加时，各个指标随之减小；基层厚度越大，其拉应力变化越小；基层模量增加或减小与各项指标的效果并无明显的关系，但是对本层具有非常明显的影响，所以基层模量的数值应进行相应的控制。综上所述，多孔混凝土上面层的厚度可以根据施工方案的具体要求进行选择，但至少为10cm，而下面层的厚度以及基层厚度应当按照适用的场合以及成本等因素进行综合考量。地基模量大于50 MPa 后，对各个指标的作用较小，但是在车辆载荷作用下，路面结构力学响应会随着轴载的增加而增加。

3.2 基层储排水型透水水泥混凝土路面

此类型路面在建造时主要使用的材料有以下几种，一种是A 类、B 类多孔混凝土，另外一种是骨架空隙型无机结合料稳定类，将几种建筑材料混合在一起共同建造基层储排水型透水水泥混凝土路面。此类型路面的结构与上文中提到的表层排水型路面具有很大的相似性，但是两种路面的各结构层的模量略微不同。

各结构层材料对比，见表 6。

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由表6 结果可知: 多孔混凝土层模量的变化对各个指标的影响较小；基层模量的变化基本不影响路面各个指标。所以，基层储排水型路面相关数据可以参照上文中介绍的表层排水型路面，不再一一赘述。

3.3 全透型透水水泥混凝土路面

全透型透水水泥混凝土路面有限元结构及参数，见表7。

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对此类型路面层的厚度、模量、基层厚度、基层模量以及地基模量这几个数据进行深入讨讨，分析这些数据对多孔混凝土层底最大拉应力、路表弯沉等路面结构力学相应特征有何影响。

全透型路面结构层参数与路面结构力学响应的关系图，见图5。

分析图5 各项数据可知，面层、基层厚度以及地基模量越大对各项指标的影响越明显，影响最大的是中层面厚度；同时面层模量以及基层模量的增加与减少对各项指标的影响较小，但对本层的不利影响较为明显；所以，在此类型路面的具体施工中，尽量降低地基模量，增加路面的厚度，采用这种设计方式安全性较高，比较适用于建造乘载量较低的道路。在施工时考虑成本问题，可将面层和基层二者的厚度尽量控制在20cm 以上。

4 结束语

本文结合弹性层状体系理论，通过建立ANSYS 有限元模型，详细阐述了三种类型的透水水泥混凝土路面的力学响应特征，并对各项力学指标的变化规律进行分析。