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农村公路路面结构设计方案及承载力试验研究

2024-07-05 126 上传者：管理员

摘要：文章以轻型交通量农村公路为对象，基于路面结构设计与承载力问题，采用足尺寸模型实验，研究不同基层材料对水泥混凝土路面结构承载力的影响。结果表明：水稳碎石基层的荷载传递能力优于级配碎石基层，而级配碎石基层的荷载扩散能力优于水稳碎石基层；增加板厚可有效提高路面结构的承载力及稳定性。农村公路路面结构设计时建议采用较高强度的基层类型，调整板厚能有效平衡成本及性能。

关键词：
公路建设
农村公路
承载力
水泥混凝土路面
轻型交通
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农村地区地形复杂且资源有限，如何设计和建设适宜的路面结构已成为农村公路建设的难题之一。以轻型交通量农村公路为对象，采用足尺寸模型实验，对不同基层材料对水泥混凝土路面结构承载力影响进行研究。通过对不同路面结构模型的力学性能进行对比分析，能有效揭示基层材料对路面承载力及稳定性的影响情况[1]，为农村公路建设提供既经济实用又能满足长期使用要求的设计标准和建设方案。

1、材料与结构设计

1.1材料参数

实验采用P·O42.5普通硅酸盐水泥；水泥混凝土配合比为水泥∶10～20 mm碎石∶5～10 mm碎石∶细集料∶水=399.07∶487.16∶698.28∶604.42∶195.00；水稳碎石基层矿料为45%的10～20 mm碎石+23%的5～10 mm碎石+32%的0～5 mm碎石；级配碎石基层集料为38%的10～20 mm碎石+35%的5～10 mm碎石+27%的0～5 mm碎石+5%的水；路基填土为粉质黏土[2]。

1.2结构设计

选择面层厚度和基层形式进行足尺寸模型实验[3]。实验设计如下：采用混凝土面层、20 cm厚基层和30 cm粉质黏土为路基，基层中水稳碎石的加入量为5%。实验方案如下：1#方案，面层厚度20 cm+水稳碎石；2#方案，面层厚度18 cm+水稳碎石；3#方案，面层厚度20 cm+级配碎石；4#方案，面层厚度18 cm+级配碎石。

2、加载方案设计

选用30 k N单轴双轮的四轮低速货车为荷载模型，设计参照四级公路Ⅰ类+Ⅱ类标准。结构板中心施加20 cm×20 cm的局部荷载，测量路面板四周及基层的挠度和板边应变片与板底的传感器响应，模拟实际车辆荷载对路面影响。

2.1加载装置

利用10MN实验压力机加载荷载，对路面结构方案进行单调轴向加载实验，揭示不同路面结构设计在实际荷载作用下的响应特性。该设备通过先进的伺服控制技术，能够实现精细的荷载施加，确保实验条件的精确性和重复性。采用应力应变采集系统实时捕获和记录路面结构在受力过程中的应力和应变数据，为后续数据分析和路面性能评估提供坚实的数据基础。

2.2加载方案

采取竖向集中力分级加载方法，Q235加载钢板大约200 mm×200 mm×20 mm。实验时，应逐步增加荷载速率1 k N/s，每次增幅5 k N，每次增加后保持荷载作用2 min，准确记录路面结构的响应。实时监测荷载曲线，观察到曲线出现明显拐点时，应采用2 mm/min的位移加载方式继续实验。当模型出现路面板底部断裂或荷载—位移（N—s）曲线出现突变时，应停止加载。

2.3监测装置

2.3.1挠度测量

位移计监测路面响应。位移计布设如下：C-Z-1为路面板中心竖向挠度测量点，评估路面板的刚度；Z-BJ1、Z-BJ2为路面板对称角处竖向挠度测量点，评估路面板的跨度差异挠度；Z-JC1、Z-JC2为路面板角基层竖向挠度测量点，评价路面板的支撑条件。

2.3.2应变测量

对称布置应变片以捕捉路面结构的整体变形和应力分布。应变片布设如下：C-X、C-Y分别为沿短边、长边方向布置的应变传感器，测量横向和纵向的应变情况；Y-5、Y-6、Y-11、Y-12为长边中点两侧对称放置的应变传感器，检测不对称的变形情况。

3、试验结果与分析

3.1加载破坏

路面2#方案、3#方案的加载破坏包括三阶段：第一为弹性阶段，加载初期荷载较小，路面面层、基层、路基均遵循弹性力学原理，变形完全可逆，荷载移除后路面结构能够恢复到加载前状态；第二为中间阶段，加载至85～90 k N时，模型箱两侧板横向位移达到3 mm以上，路面结构开始出现明显变形，接近其弹性极限；第三为破坏阶段，随着荷载继续增加，2#方案荷载169 k N、3#方案荷载158 k N时，面层混凝土发生脆性破坏。

4#方案加载破坏过程的弹性阶段与2#、3#方案一致，较低荷载作用下变形完全可逆。在中间阶段，荷载增至110～115 k N时，4#方案的竖向位移变化减小，进一步增加荷载则位移变化较小，此时较软土基层已完成竖向压缩，位移变化减小。在破坏阶段，荷载增加至134 k N时，在高荷载作用下形成脆性破坏，裂缝在板底产生并沿长边扩展至板顶面，与裂缝拓展路径和路面结构的应力分布有关，这是路面结构在承受过度荷载时的典型破坏形式。

3.2挠度特征

由图1可知，路面板中心受局部荷载，加载点处竖向挠度和板对角翘曲量均与荷载成正线性关系，随荷载增加竖向挠度增加、板对角翘曲量增大。路面结构在初期荷载作用下能够保持较好弹性响应，随着荷载增加，路面变形相应增大，进入塑性变形阶段。

(1）受局部荷载作用时，路面结构板角翘曲量始终小于板中心竖向位移，当路面结构中心受到较大荷载时，边缘部分的变形相对较小。4#方案在加载后显示出板中低、两边高的凹陷现象，与板角翘曲量小于板中心竖向位移的观察结果相吻合。

(2）荷载增加后，板角位置翘曲量同步增大，路面板在受力时表现出一种左右倾斜趋势。从1#、2#方案可知，相邻两板角翘曲量相差达到70%左右，为明显不均匀变形；而3#、4#方案则没有出现较大的不均匀翘曲情况。不同材料的基层对路面结构的变形行为有显著影响。级配碎石基层因其良好的荷载扩散能力，有助于减少路面的不均匀变形。

3.3应变特征

路面结构2#、3#方案的荷载-应变关系曲线如图2所示。

由图2板底数据可知，路面结构受到竖向荷载作用时，板底应变表现为纵向拉应变，最大应变集中在板底，与路面板最终断裂形态的观察结果一致，该区域是路面结构的最脆弱部分。Y-6、Y-12应变片随荷载增加显示出线性增长趋势，而Y-5、Y-11的应变变化较小，应变值远小于Y-6、Y-12的应变值，弯拉应变从板底向板顶逐渐减小，距离板底位置最近的应变片能最先感应路面板变形。弯拉应变的这种分布情况与路面板最终断裂形态的观察结果表现一致。

由图2中板边数据可知，水稳碎石和级配碎石基层具有基本一致的板底应变曲线，两种基层材料在板底应变响应上具有相似性；在板边应变曲线上有一定差异，且在荷载扩散能力和边缘部分的应力分布也不同。在加载初期，级配碎石基层路面结构上Y-6/Y-12应变片受荷载影响较大，产生的拉应变随荷载增大而增大，荷载越大增加则速率越大；这表明路面板内部由于弯拉应力的过度积累，导致在板底首先产生裂缝并向上延伸。

图1荷载-位移关系曲线示意图

3.4承载力特征

荷载作用下足尺实验模型力学响应曲线如图3所示。

由图3可知，对比级配碎石基层，水稳碎石基层具有优异的承载力和抗变形能力。1#方案和3#方案的对比分析可知，1#方案的破坏荷载提高幅度高达19%，板底弯拉应变降低了约66.7%，而竖向位移的降低幅度达到35%左右，这表明水稳碎石半刚性基层在分散荷载和提高路面稳定性方面具有更佳表现。研究发现，当基层类型相同时，增加板厚能显著提高路面结构承载力，可见板厚是影响路面结构承载力的重要因素；1#、2#方案的破坏荷载基本一致，对比2#方案，1#方案板底弯拉应变的降低幅度达到36%，而竖向位移的降低幅度达到17%左右，这表明增加板厚能有效提升路面结构的整体性能。

图2荷载-应变关系曲线

图3足尺实验模型力学响应曲线

4、结语

农村公路典型路面结构的足尺承载力实验结论如下：

(1）水泥混凝土路面结构设计的水稳碎石基层，具有对荷载敏感性和有效荷载传递的能力，路面在受荷载作用时将出现较大的竖向挠度和板角翘曲，可能出现不均匀翘曲现象；级配碎石基层具有良好的荷载扩散能力，承受重荷载时可导致路面板整体下沉/裂缝。

(2）水稳碎石基层具有较好的荷载传递能力，有助于保持路面结构完整性；级配碎石基层在荷载扩散方面表现更佳，能减少局部应力集中的可能性，延长路面使用寿命。

(3）水稳碎石基层具有较高的刚性和紧密结构，能提供更优承载力。

(4）农村公路路面结构设计时建议采用较高强度基层类型，通过调整板厚能有效平衡成本及性能。

参考文献:

[1]聂闯.农村公路沥青混凝土路面就地冷再生养护技术[J].交通科技与管理, 2024(4):144-146.

[2]张桓铖.某高速公路路面结构类型比选论证及结构验算[J].交通科技与管理, 2024(4):87-89.

[3]陈亮亮,常赛,苏文韬,等.农村公路水泥混凝土典型路面结构设计和承载力试验[J].福州大学学报(自然科学版), 2023(2):199-204.