薄层水泥混凝土路肩硬化结构设计.pdf

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1、２０１６年第１４期（总第１９１期）江西建材交通工程薄层水泥混凝土路肩硬化结构设计１２■徐庆军，张双艳■１．黑龙江省牡丹江高速公路管理处，黑龙江牡丹江１５７０２１；２．黑龙江省公路工程造价管理总站，黑龙江哈尔滨１５０００８摘要：农村公路路肩硬化是目前农村公路提档升级工程建设的一项重要措施，薄层水泥混凝土路肩硬化结构是常用的一种形式。本文通过有限元模型计算不同尺寸水泥混凝土面板板底的弯拉应力，从而通过公式计算得到面板的行车荷载疲劳应力与综合疲劳应力；随后通过与低交通下混凝土的弯拉强度标准值比较，得到不同的路肩硬化宽度所对应的水泥混凝土板的合理尺寸，形成了薄层水泥混

2、凝土结构路肩硬化的设计方法，为工程应用提供指导。关键词：薄层水泥混凝土有限元法路肩硬化路肩硬化是对农村公路原有路面的土路肩铺筑足够厚度的铺装层，增强其结构强度，相当于硬路肩，能够提供临时停车及错车，同时承［１］图１结构模型示意图担一定的交通量水平。路肩硬化改造方式主要利用原有老路的土路肩，避免了大填大挖，且不需要征地、拆迁，经济实用，既投入较少，又算得到的不同长度、宽度、厚度的面层板底弯拉应力。能巩固老路，可有效改善农村公路通行条件。根据结构层的最小施工厚度、材料、水文、交通量以及施工机具的功能等因素，做到就地取材，初步确定薄层水泥混凝土路肩硬化结构组［２］合

3、为：Ｃ３０薄层水泥混凝土＋石灰土。本文对薄层水泥混凝土路肩硬化结构进行设计研究，以为相应的工程实践提供参考与指导，为其大范围推广提供基础。１薄层水泥混凝土路面结构力学模型的建立１．１材料参数采用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ计算时，视路面结构为均匀、连续、各项同性的弹性层状体系，研究对象为水泥混凝土面板，进行应力分析。地基和基层用扩大尺寸来模拟，路基为有限大，长８米，宽６米，深５米，［３］路面材料主要计算参数见表１，混凝土板块的初步划分结构见表２。表１路面结构参数表结构层厚度ｈ／ｍ弯拉弹性模量Ｅ／ＭＰａ泊松比／μ图２结构模型应力分析图３薄层水泥混凝土路面疲劳应力分析水

4、泥混凝土面层０１～０２２８００００１５３．１行车荷载疲劳应力石灰土基层０１８１８００２０σｐｒ＝ｋｒσｐｒ＝ｋｒｋｆｋｃσｐｓ（式１）土基５３００３５式中：σｐｒ—行车荷载疲劳应力，ＭＰａ；σｐｓ—标准轴载在四边自由板的临界荷载位置处产生的荷载应力，ＭＰａ；ｋｒ—考虑接缝传荷能力的表２混凝土板块划分应力折减系数，采用薄层混凝土路肩时，ｋｒ＝０９２；ｋｆ—考虑设计基准板宽度（ｍ）０７５１１２５１５２２５期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数，按下式计算；ｋｃ—考虑板长度（ｍ）０７５～１８１～２１２５～２２１５～２５２～３２５～

5、３５计算理论与实际差异以及动载等因素影响的综合系数，ｋｃ＝１。ｋ＝Ｎλ＝１７（式２）１．２临界荷位ｆｅ对水泥混凝土路面四边自由板，选取板的纵向边缘中部作为临界式中：Ｎｅ—设计基准期内设计轴载累计作用次数，１０６９３次；λ—材荷位。车轮荷载采用ＢＺＺ－８０单轴双轮荷载，为了便于建模和计算，将料疲劳系数，λ＝００５７。轮胎与路面的接触面简化为２０×２０ｃｍ的正四边形，加载方式为轮载均其中σｐｓ由有限元软件计算得到。利用公式１、２计算得到薄层水匀分布在简化后的正方形接触面内，双轮组等效为矩形荷载，双轮中心泥混凝土面层的荷载疲劳应力。距取３０ｃｍ，轴距为１８０ｃ

6、ｍ，接地压强０５Ｍｐａ［３］。３．２综合疲劳应力分析１．３单元类型与单元划分水泥混凝土路面结构设计是以混凝土面层的疲劳断裂作为水泥混在建模时采用逐渐变化的网格划分形式：在荷载作用的区域（水泥凝土路面损坏的主要模式。以控制行车荷载反复作用在板内所产生的混凝土板）单元划分相对致密，对于深度较深、荷载作用影响较小的区荷载疲劳应力与温度梯度反复作用在板内所产生的温度疲劳应力之域单元划分则相对稀疏，整体模型的单元逐渐沿深度而扩大，见图１。和，在考虑可靠度系数的情况下不超过混凝土的弯拉强度，根据已有文１．４边界条件献研究成果，薄层水泥混凝土路面的温度应力很小，可以忽略不

7、计，故为了更好的模拟路面在荷载作用下的受力情况，在建模时根据实只考虑荷载疲劳应力，即：际情况选取了有限大的地基模型，认为地基的边界处由于较远较深已σｒ＝γｒσｐｒ≤ｆｒ（式３）不受荷载影响，因此地基的边界面处施加全约束；基层和垫层竖直（Ｚ）式中：γｒ—可靠度系数，乡村道路目标可靠度为８０％、变异水平等［４］方向的四个面也进行全约束；而水泥混凝土面板的边界为自由约束。级为中级，查询《公路水泥混凝土路面设计规范》表３０３查得，取２薄层水泥混凝土板底弯拉应力分析１１１；σｐｒ—行车荷载疲劳应力，ＭＰａ；ｆｒ—混凝土的弯拉强度标准值，通过以上模型计算得到的薄层板

8、底弯拉应力云图如图２所示。计乡村道路规