农村公路混凝土路面结构受力分析及优化设计研究

张自柱　钟志钦

摘要：为对农村公路混凝土路面力学性能进行研究，文章基于多组有限元数值仿真计算，通过单因素分析法，研究了不同指标对混凝土路面结构力学性能的影响，并提出优化建议。主要结论有：在车辆载荷作用下，混凝土路面底部所受最大拉应力与板厚度、基层弹性模量、基层厚度以及垫层厚度呈反比，而与混凝土板尺寸、行车载荷呈正比；进行路面设计时，应充分考虑可能出现的重载和超载情况，留出充足强度；路面施工时，应尽量使基层与垫层之间的刚度相近，可有效降低病害的发生。

关键词：农村公路；路面结构；有限元分析；优化方案

0引言

随着我国经济的飞速发展，公路建设已在我国取得了显著成就。农村公路是我国公路建设的重要组成部分，但由于农村公路等级较低、施工技术较为落后、行车条件较差，再加上受气候因素和养护等综合因素的影响，导致车辆-环境综合影响下，混凝土路面结构易出现病害。因此，对农村公路路面结构的力学性能和结构优化的研究是非常必要的。

目前，针对农村公路路面已有不少研究。李姝等［1］对农村公路路面的破坏特征进行了归纳总结，在此基础上研究了路面破坏和基层失效的内在关系；黄雄立等［2］以湖南省某农村公路为研究背景，研究了水泥路面的破损特征和发展规律，并将单块水泥板划分为一个单元，建立了一种准确、简单的水泥路面评价方法；张敏江等［3］针对不同类型的农村公路病害开展了研究工作，基于多指标控制思想提出了一套适应于农村公路沥青路面的设计方法；杜卫卫等［4］针对交通量较低的农村公路水泥混凝土路面厚度进行了研究，结果显示混凝土板宽对厚度的影响较小，在交通量较小的农村公路施工时混凝土板的厚度可以减小到16 cm；黄维蓉等［5］针对农村公路的交通特性和材料的特点，对路面碾压混凝土的配合比进行了研究，提出了适用于农村公路的混合比设计方法；游仕颖［6］针对乡村沥青路面施工中所面临的问题，从混合料配比、混凝土摊铺工法以及接缝处理等角度进行控制，以保障农村公路的施工质量；刘锋锐等［7］基于ADINA有限元软件分析了沥青路面的受力特性，并将计算结果同规范进行了对比，进而得出适用性较好的农村公路的典型路面结构。

本文在前人的研究基础上，详细调研了农村公路路面结构的病害类型，并基于有限元软件ABAQUS对农村公路路面结构进行仿真分析，分析了混凝土路面的力学性能，分别研究了板厚、板面尺寸、超载等因素对混凝土面板底应力的作用效果。此外，还研究了基层、垫层对混凝土板底应力的作用效果，并基于有限元仿真分析结果，对混凝土路面结构进行一定的优化设计。研究结果丰富了农村公路建设的理论依据，能够为相似工程提供参考。

1 农村公路病害分析

1.1 工程概况

某农村公路全长8.5 km，设计时速为40 km/h。通过实地调研统计分析，该段公路主要通行轴载较轻的中小型车，只有部分区域路段可通行设计轴载＞100 kN的货车。该地区四季分明，属于温带大陆性气候，年平均气温达13.5℃，年平均日照时长为1 350～1 450 h。该农村公路主要采取水泥混凝土路面结构，主要由面层、基层以及垫层等构成。

1.2 主要病害

该农村公路在建成通车两年后，陆续出现路面裂缝病害（横、纵向以及交叉裂缝病害）、车辙病害及结构病害，严重影响车辆的行驶安全。因此，针对病害较为严重区域路段进行详细调查（K02+50～K10+50），调查过程中以2 km为一个检测单元，具体调查结果如表1所示。

由表1调查结果可知，该段农村公路裂缝类病害最为严重，占比最大，这可能是受路面结构设计本身的影响和施工技术限制造成的。而路面沉降病害多发育在新旧路基交接位置，路基自身发生的不均匀沉降造成的。

2 基于ABAQUS的路面应力分析

为进一步研究车辆荷载对混凝土板的作用，基于有限元软件ABAQUS对农村公路路面结构进行仿真分析。

2.1 ABAQUS有限元模型的建立

依据实地调查资料，该段农村公路等级低，路面宽度较小，基本是将成块的混凝土板通过横、纵向接缝形成。其中，上部路面模型尺寸为：4 m×5 m（Z向×X向）；下部基层和地基尺寸为：7 m×8 m×3 m（Z向×X向×Y向）。由于本文重点分析的是混凝土面板的受力和变形，因此上部混凝土板的网格划分较密，而下方基础的网格划分则较为稀疏，这样可以在满足计算精度的前提下，大大提升计算机的计算效率。具体的模型以及网格划分如图1所示。

在进行接触设定时，上部混凝土板与下部基础选择面-面接触方式。在进行车辆荷载计算时，混凝土面板与下部基础之间采取无相对运动的连接方式。在该模型中，由于上部混凝土板结构刚性相对较大，因此选取混凝土板下底面作为主面，上表面为从面。模型的具体材料参数如表2所示。

2.2 车辆载荷及作用位置设置

依据我国水泥混凝土路面设计等相关规范，轴载选取100 kN；根据已有研究成果，将车辆载荷换算为矩形荷载，如图2所示。

施加荷载时，选取混凝土板的边缘作为最不利荷载位置（其造成的弯矩最大，最易造成路面开裂），将荷载施加到沿行车方向的边缘中部位置，如图3所示。

2.3 车辆载荷作用下路面结构应力分析

基于ABAQUS求解该路面结构模型的应力解，在车辆荷载作用下路面结构的应力云图如图4所示。由图4分析可知，在最不利荷载作用下，应力和变形最大位置均位于车辆最不利荷载施加的位置附近，而下部的基础部分基本未发生明显的变形。此外，最不利荷載作用下，应力的影响范围主要控制在路面中部，对另一侧道路的影响较小。

3 车辆载荷作用下应力敏感性分析

为深入优化农村公路路面结构，本文选取了板厚、面板尺寸、超载、基层模量、基层厚度、垫层厚度以及土基模量等指标，基于单因素分析法，研究了上述指标对混凝土面板底部应力影响的参数敏感性，为路面结构优化提供一定的参考。

为了使结果更加直观地呈现出来，在进行敏感性分析时，模型基础参数同2.2节一致，在研究不同指标的影响时，只改变该指标的参量，控制其他参数不发生变化。模型计算时，提取混凝土板底部应力的最大值作为评估指标。

3.1 混凝土板厚度对应力的影响

为了研究混凝土板厚对板底部应力的影响，计算时混凝土板的厚度分别取14 cm、16 cm、18 cm、20 cm、22 cm、24 cm等6组工况。路面结构底部最大主应力的变化规律如下页图5所示。由图5可知，混凝土板结构越厚，混凝土板底部应力的最大值则越小（由3.33 MPa，减小到1.45 MPa），减小幅度可以达到56.5%左右。而且当混凝土板厚度超过20 cm之后，应力减小的变化率有所降低。由此可知，该农村公路的路面混凝土厚度宜≥20 cm。

3.2 面板尺寸对应力的影响

计算时共设计6组混凝土板的尺寸，分别为2 m×2 m、2 m×3 m、3 m×3 m、3 m×4 m、4 m×4 m、4 m×5 m。不同混凝土板尺寸对最大主应力的影响如图6所示。由图6分析可知，随着板尺寸的增加，混凝土板底部最大主应力呈现增加的趋势，但是变动幅度较低。根据实地调查可知，农村公路路面结构相对简单，为了便于后期的养护与维修，建议应选取小尺寸的混凝土板。

3.3 车辆荷载对应力的影响

计算时共设计6组不同的车辆荷载，分别为60 kN、80 kN、100 kN、120 kN、140 kN、160 kN。不同车辆荷载作用下，混凝土板底部最大主应力的变化规律如图7所示。由图7分析可知，混凝土板的最大主应力与车辆荷载近似呈线性增长。车辆荷载越大，底板的拉应力也随之增大，混凝土底板的拉应力超过混凝土板的极限拉应力时，路面就会出现裂缝等病害；在车辆荷载的反复作用下，路面损伤会进一步加重，最后导致路面发生塌陷等病害。由于农村的不断建设与发展，因此在进行路面设计时，应当考虑重载车辆的影响，以确保农村公路未来的服役性能。

3.4 基层模量及厚度对应力的影响

在进行基层弹性模量的研究时，共设计200 MPa、600 MPa、1 000 MPa、1 400 MPa、1 800 MPa和2 200 MPa6组工况。进行基层厚度研究时，共设计10 cm、12 cm、14 cm、16 cm、18 cm、20 cm6组工况。基层参数与应力之间的关系分别如图8和9所示。

由图8可知，随着基层弹性模量的增加，最大主应力逐渐呈降低趋势。值得注意的是，在弹性模量增大到一定程度时，基层弹性模量对应力的影响逐渐降低，趋势变得更加平缓。由图9分析可知，基层厚度与应力关系规律与弹性模量基本相同，均随着厚度的增加而减小，且当厚度增大到一定程度时，变化趋势逐渐降低。

3.5 垫层厚度对应力的影响

进行垫层厚度的研究时，共选取6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、18 cm6组工况，垫层厚度对应力的影响如图10所示。由图10可知，垫层厚度对混凝土板底应力影响不大，但当交通量过大时，垫层越厚与地基之间的力的传递关系越好。

4 路面优化设计方案

根据《关于印发农村公路建设指导意见的通知》等相关规范，已对农公路路面结构有了初步建议，指出针对农村普通水泥混凝土路面，面层厚度应≥18 cm，基层厚度≥15 cm。通过第3节的应力敏感性分析可知，该农村公路在进行结构设计时，应设置合理的路面结构形式，另一方面应尽可能减少基层与垫层之间的刚度差，以有效加强路面的整体性，降低和减轻病害的发生。针对该段农村公路，主要提出了3种结构，并对3种结构形式的荷载应力进行了计算。以方案1为例，其荷载应力云图如图11所示。不同方案的应力计算结果如表3所示。根据有限元计算结果可知，方案1的荷载应力最小，方案3的荷载应力最大。相比较而言，方案2的荷载应力比方案1增加了30.6%。因此，方案2和3在行车荷载反复作用下，易产生疲劳破坏，故选择方案1。

5 结语

本文依托某农村公路路面工程，基于有限元软件ABAQUS对该工程进行了数值仿真分析，通过多组工况的数值计算，分析了车辆载荷作用下各指标对应力的敏感性，主要得到以下研究结论：

（1）在车辆载荷作用下，混凝土路面底部所受最大拉应力随着板厚度、基层弹性模量、基层厚度以及垫层厚度的增加而减小，随着混凝土板尺寸、行车载荷的增加而增大。

（2）通过有限元计算分析可知，行车载荷对应力的影响较大。在进行路面设计时，应充分考虑到可能出现的重载和超载情況，事先留出充足的强度储备。

（3）路面施工时，应尽量使基层与垫层之间的刚度相近，以有效降低病害的发生。

参考文献：

［1］李 姝，张荣亮，张敏江.农村公路沥青路面基层状况评价指标研究［J］.中外公路，2018，38（3）：88-91.

［2］黄雄立，朱 欢，李 文，等.农村公路水泥路面破损快简评价方法研究［J］.公路工程，2018，43（3）：190-193，296.

［3］张敏江，高 双.农村公路沥青路面病害分析及典型结构推荐［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2017，33（6）：1 048-1 054.

［4］杜卫卫，吕竞辉.轻交通农村公路水泥混凝土路面厚度研究［J］.公路，2013，58（11）：30-36.

［5］黄维蓉，胥 吉，何兆益.农村公路路面碾压混凝土配合比设计研究［J］.混凝土，2010（6）：137-142.

［6］游仕颖.农村公路工程沥青路面施工技术与质量控制研究［J］.住宅与房地产，2020（12）：162.

［7］刘锋锐，王 勇.泰安市农村公路沥青路面结构有限元分析［J］.山西建筑，2012，38（36）：170-171.

作者简介：张自柱（1978—），工程师，主要从事公路、桥梁建设与管理工作。