基于路基路面协调变形的水泥混凝土路面设计分析

张鑫淼

（北京城建华威公路工程有限公司，北京 100026）

1 水泥混凝土路面的特征及结构设计

1.1 特征

水泥混凝土路面需要具有一定的抗压、抗弯、抗拉和耐磨损性能，并具备一定的力学强度。一般情况下，沥青路面的使用寿命为10～15 年，而水泥混凝土路面的寿命较长，通常是沥青路面寿命的2 倍左右，长达30 年以上，且本身具备一定的承载能力和扩展能力。另外，水泥混凝土路面的时间稳定性和水稳定性都更长。当环境温度和湿度发生变化时，水泥混凝土路面性能不会受到影响。而且水泥混凝土路面的建造成本低，日常维护管理费用也比沥青路面低很多，汽车行驶过程中可以减少油耗，在目前环保要求进一步提高的环境下，有助于实现节能减排目标。

1.2 水泥混凝土路面结构设计要点

1.2.1 路基设计

路基不均匀甚至变形时，混凝土面层与下卧层之间会出现局部脱空，面层应力由此增加，导致面层板断裂。因此，对路基的基本要求是提供均匀的支撑，在环境和荷载作用发生变化、产生不均匀力度时，路基变形小。混凝土板厚应采用等厚度的方式，根据交通量的多少和轴载大小确定路面厚度，最小为18cm。需要注意的是，地下水位高时应提高路堤设计标高标准；路基土的湿度应与周围环境处于动态平衡状态。

1.2.2 设计垫层

一般情况下，在温度和湿度状况不佳的路段对垫层进行有效设计，目的是发挥路面结构的优势，避免产生较大的风险，从根本上为路面结构提供良好的支撑。

1.2.3 设计基层

建筑领域应用的水泥混凝土路面基层包含刚性基层、半刚性基层和柔性基层。需要结合各路段选择不同高度的基层。例如，承受较重交通荷载而增加了路面荷载量后，应以刚性基层为主，选择刚度非常大、且抗冲刷性能较强的碾压混凝土和水泥稳定粒料。渗入水和路面荷载整体作用形成的板底脱空现象对人们日常行车影响严重，会增加路面板断裂的危险。因此，应增加基层高度，做好基层设计工作，改善路面接缝的负荷能力。

1.2.4 面层设计

使用连续配筋的混凝土面层能够保持路面的平整性和舒适性，适用于高速公路。

2 建立路基路面三维有限元分析模型

2.1 工程案例

以某道路改建工程为例，采用钻孔测量的方法，调查、分析该路段的路基状况。测试钻孔总数为152 孔，其中，北半副和南半副各76 孔。利用检测数据分析该路段的土质变化和含水量变化。

2.2 地质条件

从道路工程实际改造情况可以看出，此阶段的老路填土密实度非常低。以往在道路路基路面下的120cm 区域主要采用低液限黏土，但该道路路基普遍受到多方因素影响（大气条件、降水情况等），路基土过于湿润。由于本工程建设时间较久，使用年限较长，因此，比一般路面受损更严重。在经济进一步发展的背景下，交通量逐渐增多，道路受破坏的速度加快，局部路段的路面服务水平下降，仅简单地采取矫正或者常规养护工作难以满足具体要求。在此情况下，病害扩散的速度特别快，严重影响路面的整体质量，必须结合实际情况加以改进和优化。通过一系列调查研究工作，以及根据交通量增长变化，在全面掌握地质情况的基础上，实施一系列的改造工作，以保证道路工程的整体质量。

2.3 路基路面三维有限元模型

相关研究表明，基于道路模量确定路面协调变形理论中的反弹，能够提高道路设计质量，有利于高质量地开展水泥混凝土路面设计作业。其中，路面载荷应力是影响道路结构表层和基层厚度及弹性模量的基本因素，但该因素对路基响应影响的意义不是特别明确。结合路基和路面协调变形情况，计算典型的水泥混凝土路面结构，通过获取精准的结构参数和材料参数，综合分析路面和路基的影响，为协调变形设计提供有效的依据。路基、路面三维有限元分析模型创建要点为：在路基路面中，路面接缝直接影响水泥混凝土路面的整体性能。具体的水泥混凝土路面材料和结构参数见表1。

表1 水泥混凝土路面材料和结构参数

3 确定路基工作区的深度

在施工期间，为了提升路面结构的稳定性，应加大结构内土体结构强度的控制力度。针对各种现象，施工单位应有效设计路基深度，提高水泥混凝土路面设计的有效性。

3.1 正交试验

应用正交试验的方式分析路面结构厚度和基层模量，两种路面路层厚度是试验指标分析中的要点。根据各车辆载荷应力与路基自重应力间的比值，设计出的路基厚度有一定的差别。例如，当比值是0.1 时，路基厚度必须控制在2.1～2.6m；当比值是0.2 时，应将路基厚度控制在1～1.4m；当路基厚度在1.5m 以下时，车辆载荷应力变化十分明显。表2 为水泥混凝土路面结构正交试验考察及水平设置。通过分析整体因素可知，路基应力普遍受到多项结构因素影响，具体表现为考察因素、路基回弹模量、面板厚度等。因此，应全面掌握这些要素，将其控制在合理范围内，规范地设计混凝土路面结构，进一步弱化其他结构的参数指标，以免产生不良影响。同时，要将路基模量和面层厚度放在首位，为后期路面设计提供良好的依据。

表2 水泥混凝土路面结构正交试验考察及水平设置

3.2 明确路面厚度

随着社会经济的不断发展，路基工作区深度随之加深，出现超载现象。路基工作区土壤的强度和稳定性能够提升路面结构的强度和稳定性，使其从根本上符合基本交通要求。基于此，在路基设计和施工过程中，应进一步确定堤岸工作面的深度。在路基工作区深度与试验指标一致的情况下，路面厚度对路基工作区的深度有极大影响。

4 分析和探究路面的疲劳性能

在水泥混凝土路面设计过程中，有着一系列不良影响因素，路面损坏是路面结构影响的一种体现，一般以疲劳损坏为主。本文主要探究了路面结构层厚度和路基模量设计参数值对路面使用寿命的影响。

4.1 路基模量对路面疲劳性的影响

当前，结合路基模量实际情况，其本身对路面疲劳性有直接影响。如果路基回填模量较小，那么路面疲劳寿命的增长速度会变慢；路基回填模量逐渐增大时，路面疲劳寿命会大范围增长。相关研究表明，如果路基回弹模量不断增加，会全面发挥出路面本身的疲劳性能。

4.2 面层厚度对路面疲劳性能的影响

路面厚度提升后，路面本身的压应力随之降低。相关分析表明，此种现象的主要原因是面层板刚度和扩散性非常强，面层厚度增加后，路基和基层的受力情况明显改变。当面层厚度逐渐增加时，下面层板底的拉应力随之降低，在一定程度上增加了水泥混凝土路面疲劳寿命的次数，非线性关系随之体现出来。同时，面层厚度增加，疲劳寿命次数随之增长，幅度日益扩大。

4.3 路面的厚度

在交通拥堵的状态下，需要适当增加路面的厚度，并强化路径，同时，全面控制路面结构，不可太厚，保持适宜性。道路路面和路面的高模量也不可太大。考虑到经济因素，结合上述分析，需明确水泥混凝土路面的厚度和弹性模量。

5 结语

本文主要探讨了路基路面协调变形的水泥混凝土路面设计要点，通过明确基本路面结构设计参数，了解路基回填弹量和路基面板层厚度。回填量和面板层厚度决定了路基应力性能，应动态分析和探讨该影响因素，为设计水泥混凝土路面提供良好的参考依据，重点判断水泥混凝土路面是否存在超载现象，全面控制路基工作区域的深度。在变化的交通环境下，逐渐提高水泥混凝土路面的弹性模量，保证混凝土路面面层厚度的合理性，进而提高路面的整体性能。