基于弹性层状体系水泥路面应力研究

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1、基于弹性层状体系水泥路面应力研究摘要本文借助河南省某国道水泥混凝土路面的组合形式，以弹性层状体系半空间地基理论为基础，分析了沿水泥混凝土路面深度方向双圆荷载作用下拉应力以及剪应力的变化情况。在得出应力变化规律的同时，以westergaad公式为参考，对比分析了弹性层状体系半空间地基与Winkler地基模型下水泥混凝土面板应力分布的差异与相同点。文中还针对弹性层状体系下，垫层刚度以及厚度的变化对水泥混凝土面板应力的影响进行了系统的对比分析，得出了两者变化对水泥混凝土面板应力的影响规律。关键词水泥混凝土路面；弹性层状体系；Winkl

2、er地基；弯拉应力中图分类号U416.2文献标识码A文章编号1674-6708(2012)80-0126-030引言在以往水泥混凝土路面的应力分析中，人们通常借助于Winkler地基假定，即认为地基某一点的沉陷取决于作用于该点的力，而和邻近的地基不发生任何关系，以此来计算刚性路面某点的地基反力与路面结构的弯沉值。然而实际情况却与Winkler地基假定存在有较大的差异，除了荷载作用下竖向的制约作用外，地基内土体或材料颗粒之间有一定的横向联系，地基表面一点的压力必然引起周围区域内产生一定的下沉，在横向也受到相互牵连相互制约的影响［1

3、］。人们进一步提出了考虑地基横向联系的双参数地基模型，弹性层状体系半空间地基模型作为双参数模型的一种，认为除了直接铺设在土体上的水泥混凝土路面外，只要设有垫层的水泥混凝土路面，都认为是弹性层状体系半空间地基上的板体。弹性层状体系半空间地基在沿路面深度分为若干层，每层之间符合一定的连续条件，每一层由不同的材料组成，且每层材料符合连续、弹性、均质、各向同性的基本假定［2］。如1所示。本文依据弹性层状体系半空间地基理论，针对双圆轴对称荷载作用下的水泥混凝土路面，借助于由东京电机大学松井教授等人于2004年开发的电算化有限元分析软件GA

4、MES(GerneralAnalysisofMultiayeredElasticSystems),通过采用改进的层间滑动模型以及同时考虑零阶、一阶、二阶贝塞尔函数和DE积分，有效解决传统路面有限元分析软件部分缺陷的基础上，对水泥混凝土路面的内部应力及位移进行系统分析，在验证弹性层状体系半空间理论的同时，找到水泥混凝土路面内部应力的作用规律，为以后水泥混凝土路面的优化设计奠定理论基础。1路面结构计算模型选取按照我国《公路水泥混凝土路面设计规范》的要求，采用轴载为lOOkN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载，大小为0.7MPa[3]o双

5、轮组荷载当量圆半径R=10.65cm，X方向为道路纵向，Y方向为道路横向。依次布置路面结构应力分析兴趣点，在平面XOY内，各兴趣点坐标为A(0,5.325)、B(9.585,15.975)、D(0，26.625)、F(0，23.075)、02(0，15.975)(单位：cm)[4]，如图3所示。2路面应力计算结果与分析依据上述情况对该路面结构进行分析，路面各结构层材料的取值如表1所示。分析发现，该类型水泥混凝土路面最大弯拉应力出现在深度方向27cm处，A点水泥混凝土面板板底的位置，最大拉应力0.5517MPa，最大剪应力值0.2

6、953MPa,处于双轮荷载作用下的中心。本文中计算模型采用双圆荷载，作用下的最大值出现位置同样出现在荷载即最大弯拉应力发生在荷载中心处的底板，与westergaad公式在无限大或半无限大板上进行荷载计算过程中所采用的单圆荷载分析结果相吻合[5]，如图4所示。利用westergaad理论参考级数解所得出的提度以及应力计算公式与所得出的数据进行对比分析。圆形荷载作用下板中最大拉应力为：并应用1933年改进修正后韦斯特卡德公式进行验算：其中，1一一为板的相对刚度半径k——Winkler地基反应模量向距离C——最大挠度值减小的比值，变化

7、范围去0〜0.39Ec，pc水泥混凝土面板弹性模量和泊松比h__水泥混凝土面板厚度b一一当量圆计算半径，D水泥混凝土面板弯曲刚度，经计算，运用传统Winkler地基模型计算出来的最大拉应力以及修正后的最大拉应力如表2中所示，弹性层状体系计算出的最大拉应力值与其相比减小19.86%。究其原因，Winkler地基假定仅考虑了土体的竖向制约作用，为此，我国的学术界普遍认为，Winkler地基假定是粗糙的，对于刚性面板下有一定凝聚性的地基，只能得到近似的解答，并且得出的弯沉值和应力值通常偏大［6］。如图5所示。果3垫层变化对水泥混凝土面

8、板应力的影响水泥混凝土板下垫层刚度以及厚度的变化并未引起面板中最大应力作用位置的变化。本文中针对双圆荷载作用下最大拉应力及剪应力最大点A，依次分析其在垫层刚度变化以及垫层厚度变化下的最大弯拉应力变化趋势。3.1垫层刚度变化的影响根据垫层材料选择空间，在垫层厚度保