混凝土道路荷载传递规律及荷载场形态分析_刘俊峰.pdf

-106-混凝土道路荷载传递规律及荷载场形态分析刘俊峰1，顾欣欣2（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.山东省交通规划设计院集团有限公司，山东 济南 250101）摘要：为了研究混凝土道路荷载传递规律及应力场形态，以各道路结构层材料强度相同，但各层厚度不同的混凝土道路为研究对象，通过理论推导和Midas GTS NX 数值分析，对混凝土道路在荷载作用下的传递规律以及荷载作用下的应力场的三维形态进行了分析。通过分析发现：当集中力作用在路面上时，应力响应随着深度的增加呈衰减趋势，面层中应力衰减慢，而在基层中应力衰减速度快；车荷载作用下道路中的应力场形态为三维近似半圆体；应力大小和深度为非线性关系，当应力衰减到垫层时接近零，变化规律为水平方向远离车荷载应力越来越小，垂直方向随着深度增加应力也越来越小。关键词：道路；传递规律；数值分析；混凝土路面；荷载 中图分类号：U414 文献标识码：AAnalysis of load transfer law and load field form of concrete road LIU Junfeng1,GU Xinxin2（1.CCCC First Highway Consultants Co.,Ltd.,Shaanxi Xian 710065 China;2.Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co.,Ltd.,Shandong Jinan 250101 China）Abstract:In order to study the concrete road load transfer rule and stress field of form,to the road of the same but different thickness structure layer material strength concrete road as the research object,through theoretical derivation and Midas GTS NX numerical analysis,the concrete road under the load transfer law and loads of stress field of three-dimensional forms are analyzed.The results show that when the concentrated force is applied to the pavement,the stress response attenuates with the increase of the depth.The stress attenuates slowly in the surface layer,but fast in the base layer.The stress field on the road under vehicle load is a three-dimensional approximate semicircle.The relationship between stress and depth is nonlinear.When the stress attenuates to the cushion,it approaches zero.The variation rule is that the stress in the horizontal direction is less and less away from the vehicle load,and the stress in the vertical direction is less and less with the increase of depth.Key words:way;transfer law;numerical analysis;concrete pavement;load引言关于混凝土道路荷载传递深度的研究，国内外学者做了大量研究，杨强强等1通过研究车辆荷载作用下黄土路基竖向土压力传递与扩散规律，发现在一定范围内应力衰减速度较快；刘大维等2-3通过研究重型车辆多轮动荷载产生的柔性沥青路面应力，发现衡动荷载和变动荷载作用下路面各层的各向应力变化基本一致；魏星和王刚4通过研究车辆动荷载下路基土竖向动应力及扩散规律，发现随着深度的增加，路基中竖向动应力减少，并且随着路基深度的进一步增加，路基中的竖向动应力小于路面的 10%。目前国内外混凝土道路荷载传递的影响分析主要集中在静荷载或动荷载传递深度，荷载大小的分布规律和大小分布情况，路基中一定范围内应力衰减速度递减的分布规律和车辆动荷载作用下附加地基应力的变化情况等1-6。对于道路荷载传递随着深度增加的变化路径，以及荷载作用下应力场的形态研究尚缺。1 理论分析1.1 建立模型某二级混凝土道路不同厚度的道路结构见图 1，道路宽均为 8 m，面层为入骨料透水混凝土、基层为C20透水混凝土、垫层为级配碎石，路基为黄土路基，收稿日期：2022-08-18作者简介：刘俊峰（1990）男，山西吕梁人，硕士研究生，工程师，研究方向为交通运输工程。2022 年第 6 期山东交通科技-107-道路结构（a）为原道路。为了研究不同层厚的路面结构，道路结构（b）、（c）作为参照，道路结构（b）、（c）是将原结构面层厚度分别先增加 20 mm 和 40 mm，然后基层、垫层、路基按比例增大后的结构。1.2 建立理论分析模型车载传递给轮压的荷载可根据弹性半空间理论方法以及 Boussinesq 法进行计算7，弹性半空间表面见图 2。根据理论计算方法可得到荷载在混凝土道路结构中的传递深度，假设路面施加一车轮轮压为分布荷载 P1，分布荷载对路面的作用见图 3，集中荷载作用在路面上的平面作用点为（x，y），车轮与路面接触的微面积为 dxdy，假设车前进方向为 Y，由于车轮为圆环，圆环的接触面与路面接触面可视作一条线，所以 dy 可用单位长度 1 表示，其中集中力为 P1。弹性半空间表面YZXP1xyzrR 图 2 弹性半空间表面 80 mm 入骨料透水混凝土150 mmC20 透水混凝土100 mm 级配碎石垫层1 000 mm 土路基面层基层垫层路基（a）原道路结构 100 mm 入骨料透水混凝土188 mmC20 透水混凝土125 mm 级配碎石垫层1 250 mm 土路基（b）道路结构面层基层垫层路基120 mm 入骨料透水混凝土235 mmC20 透水混凝土150 mm 级配碎石垫层1 500 mm 土路基（c）道路结构面层基层垫层路基图 1 路面结构YPPP2dxdy0ZX（x，y，z）图 3 集中荷载对路面的作用2 数值分析2.1 建立数值模型选用 Midas GTS NX 模拟软件建立模型，模型中的各部分材料属性见表 28，材料的各部分属性由勘察设计资料得到。表 2 材料属性参数材料名称弹性模量/MPa泊松比容重/（kNm-3）黏聚力/kPa摩擦角/（）类型本构关系面层1.201040.2218825453D弹性基层2.551040.2720.51 000363D弹性垫层2.041040.3024530323D弹性土路基1.401040.211910203D莫尔-库伦建立道路结构（a）、（b）、（c）三种不同厚度道路数值模型。数值模型由四部分组成，第一部分为入骨料透水混凝土，第二部分为 C20 透水混凝土，第三部分为级配碎石垫层，第四部分为土路基。模型的网格尺寸约为 50 mm，网格类型为混合网格，边界约束为底部和四周固定，上部为自由面。3 个模型分别施加 100 kN、150 kN、200 kN 的荷载值进行静力分析。刘俊峰，顾欣欣：混凝土道路荷载传递规律及荷载场形态分析-108-2.2 数值模拟荷载传递深度分析数值分析不考虑模型的自重，并且只施加竖向荷载。模型的应力数据通过后处理进行提取，每个模型提取 4 组沿道路竖向分布的 26 个节点应力值进行分析。道路结构模型施加竖向荷载得到应力随深度变化云图和应力分布曲线见图 4，从曲线中可以看出应力和深度的为非线性关系，当应力衰减到垫层时接近零，变化规律为水平方向远离车荷载应力越来越小，垂直方向随着深度增加应力也越来越小，这与理论分析得到的应力变化规律相似，但是数值模拟得到的应力曲线在面层和基层中衰减速度更快，这是由于在数值分析中各部分材料都是理想的均质材料，导致当应力在结构中传递时衰减程度更加均匀。（a）第 1、2、3、4 组深度所对应的应力曲线（b）第 5、6、7、8 组深度所对应的应力曲线图 4 数值模拟应力云图及应力分布曲线（c）第 9、10、11、12 组深度所对应的应力曲线2.3 数值模拟位移场形态分析由于荷载作用下路面以及路面以下会产生微小的位移，该位移也与应力作用有直接的关系，所以位移场能直接体现应力场，从位移云图中可以得到荷载作用下应力场的分布近似一个椭球体，见图 5，道路结构（a）、（b）、（c）在荷载作用下位移场三维形态云图，该形态也可以由图 4 数值模拟应力分布曲线水平旋转 360后得到，其形态依然为近似半圆实体，说明车荷载作用下道路中的应力场为三维近似半椭圆体。道路结构（a）、（b）、（c）共同特征为位移场一直延伸到路基，最后逐渐减为零，从而可以得到面层、基层和垫层不能完全把荷载作用下产生的应力消耗完，为此进一步说明了路基符合设计要求，以及根据应力场的形态，选择合适的设计深度和宽度的重要性。+4.442 69e+0020.0%0.0%0.1%0.1%0.2%0.3%0.6%0.9%1.6%3.3%8.5%84.3%+4.072 47e+002+3.702 25e+002+3.332 02e+002+2.961 80e+002+2.591 57e+002+2.221 35e+002+1.851 12e+002+1.480 90e+002+1.110 67e+002+7.404 49e+001+3.702 25e+001+0.000 00e+000+5.506 79e+005+5.047 89e+005+4.588 99e+005+4.130 09e+005+3.671 19e+005+3.212 29e+005+2.753 39e+005+2.294 49e+005+1.835 60e+005+1.376 70e+005+9.177 98e+004+4.588 99e+004+0.000 00e+0000.0%0.1%0.1%0.2%0.3%0.4%0.7%1.2%2.2%4.4%11.1%79.2%+7.149 37e+000+6.553 59e+000+5.957 81e+000+5.362 03e+000+4.766 25e+000+4.170 47e+000+3.574 69e+000+2.978 90e+000+2.383 12e+000+1.787 34e+000+1.191 56e+000+5.957 81e+000+0.000 00e+0000.0%0.1%0.2%0.3%0.4%0.7%1.1%1.8%3.2%6.0%13.7%72.5%图 5 道路结构（a）、（c）、（b）位移场形态3 结语（1）通过理论计算发现，当集中力作用在路面上时，应力响应随着深度的增加呈衰减趋势，面层中应力衰减的慢，而在基层中应力衰减速度快。为了使荷载产生的应力在道路结构中均匀传递，建议设计时在面层和垫层之间设置一层缓冲层，防止应力突变对道路造成破环。（2）当集中荷载作用在路（下转第 117 页）2022 年第 6 期山东交通科技-117-同时采用高配筋率的钢筋布置形式提高钢筋混凝土桥面板的抗裂性能。在距离中支点两侧各 0.3 L（L为主跨跨