七、嵌擠式道路砌塊結(jié)構受力分析

王景鵬1，王源琳1，黃百花2，郭? 高1

（1.長春市市政工程設計研究院有限責任公司，吉林 長春? 130033；2.長春市意林山水景觀設計咨詢有限公司，吉林 長春? 130000）

（2015-11-10??? 發(fā)表于《市政技術》）

【摘? 要】鑒于傳統(tǒng)道路基層結(jié)構所存在的缺陷，長春市市政工程設計研究院提出了新型組合式道路砌塊結(jié)構并利用有限元軟件midas FEA對其進行受力分析研究。按照不同荷載作用位置、不同嵌擠度組合形成多種工況來分析混凝土砌塊和砂漿的受力特點，從而為實際工程應用提供依據(jù)。????????????

【關鍵詞】道路；基層；混凝土砌塊；砂漿；嵌擠度

? ? ?目前，城市道路多數(shù)仍采用半剛性道路基層結(jié)構，這類基層主要利用石灰、粉煤灰或水泥作為膠結(jié)材料，以碎石作為結(jié)構骨架，按一定配合比形成混合料，通過碾壓、養(yǎng)生成型。半剛性道路基層結(jié)構具有強度高、承載能力大、變形小、分散荷載能力較強等優(yōu)點。由于石灰、粉煤灰類材料需要較長的養(yǎng)生期，工期與質(zhì)量控制之間存在矛盾，因此如何盡量縮短建設工期、保證工程質(zhì)量是市政建設者不斷追求的目標之一。長春市市政工程設計研究院針對此問題展開了研究，采用混凝土預制塊結(jié)構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的道路基層結(jié)構，通過長期地摸索實驗，于2014年研究出一種特殊外形的砌塊，組裝后在縫隙內(nèi)灌注砂漿保證砌塊整體穩(wěn)定性的新結(jié)構。

? ? 筆者針對此種砌塊組合結(jié)構進行受力分析，目標是在實際車輛荷載作用下獲取砌塊組裝式道路結(jié)構的力學數(shù)據(jù)，進而分析該結(jié)構在規(guī)范車輛荷載作用下的強度、剛度、穩(wěn)定性，并確定合理的材料及結(jié)構尺寸，為工程項目提供可靠的參考依據(jù)。

1 ?項目概況

? ? ?“嵌擠混凝土砌塊組裝式道路基層結(jié)構”的科研項目，是針對傳統(tǒng)二灰碎石基層結(jié)構工期長的弊端，在總結(jié)長春市以往采用的“混合石結(jié)構”及水泥混凝土路面白改黑設計經(jīng)驗的基礎上開展的一項研究工作。首先在理論上開展了結(jié)構特性研究，借鑒于北京盧溝橋使用的“銀錠扣”[1]結(jié)構特點，經(jīng)過從“混凝土砌塊組裝式道路結(jié)構”的概念設想，到關鍵技術“嵌擠混凝土砌塊組裝式道路基礎結(jié)構”的突破，進而進行“阻隔混凝土加鋪層反射裂縫結(jié)構”相關技術的研究，逐漸完善并凝練成全新的道路基層結(jié)構——“嵌擠式混凝土砌塊道路基層結(jié)構”。目前，該項研究已具有3項實用新型專利，另有1項發(fā)明專利及多項其他專利正在申報過程中。

1.1 ?砌塊結(jié)構

? ? ?筆者主要介紹砌塊組合結(jié)構的結(jié)構受力分析等相關內(nèi)容。為了保證砌塊組合體的整體性，砌塊采用獨特的具有嵌擠功能的結(jié)構。嵌擠能力通過嵌擠度來實現(xiàn)，嵌擠度即為砌塊立面長邊與短邊長度之差與砌塊厚度的比值。從嵌擠原理角度出發(fā)，結(jié)合模具制造、組裝、吊運及道路線形等因素，砌塊結(jié)構外形最終選為矩形，并對砌塊及砂漿的材料提出特殊要求。嵌擠度不同決定了砌塊組合結(jié)構的整體受力的差異，因此，材料的選擇和嵌擠度的確定需要進行系統(tǒng)的結(jié)構受力分析。

1.2 ?砌塊工藝

? ? ?砌塊下鋪設雙向凸點鋼塑土工格柵、碎石墊層、土基，在邊緣處設置三角穩(wěn)定構架，即格柵與土基及砌塊之間填滿的碎石形成兩個三角形斷面以保證結(jié)構組合體的穩(wěn)定性。道路砌塊由預制廠預制，運至現(xiàn)場拼裝，縫隙內(nèi)灌注砂漿形成道路基層結(jié)構。道路基層上面再鋪瀝青混凝土面層。

2 ?砌塊結(jié)構分析計算

? ? 通常道路結(jié)構可視為半無限彈性多層體系，但是在有限元模擬計算中，模型只能取有限的尺寸。對較大的模型計算要耗費大量時間和內(nèi)存，筆者考慮在不影響計算精度的前提下，采用midas FEA建立5m×5m的實體模型進行仿真分析，主要對結(jié)構塊相對于土基結(jié)構的滑移進行驗算以及對水泥砂漿砌縫和混凝土塊的應力進行驗算。?驗算荷載考慮自重和現(xiàn)行設計規(guī)范[2-3]中100kN的雙輪軸載。為方便有限元建模，按面積等效原則將雙輪荷載作用面轉(zhuǎn)換為矩形作用面，荷載作用位置取兩種：一種在砌塊結(jié)構中心處；一種在砂漿砌縫處。輪間距為1.8m，作用面為60cm×20cm。邊界條件為約束土基底層固結(jié)，土基采用midas FEA中節(jié)點單元來模擬剛度，結(jié)構切斷端做相應方向的約束?；炷翂K和砂漿之間加入界面單元，采用黏結(jié)滑動模型進行非線性計算，采用位移標準作為收斂準則。全模型采用映射網(wǎng)格劃分，六面體單元為主，計算精度高，速度快。

2.1 ?主要材料

??? 1）混凝土

道路砌塊采用C20混凝土，采用midas FEA總應變裂縫本構模型模擬。混凝土指標如表1所示。

表1 ?混凝土指標

2）水泥砂漿

? ? 水泥砂漿砌縫，使用具有較高強度的M10砂漿，采用midas FEA總應變裂縫本構模型模擬，軸心抗壓強度為10MPa，抗拉強度為1MPa。采用midas FEA中界面單元模擬砂漿和混凝土之間的黏結(jié)滑移，建模時界面非線性采用黏結(jié)滑移類型，界面法向剛度模量取界面兩側(cè)較小值（砂漿）的10倍，切向剛度模量取法向0.1個數(shù)量級大小。

?3）土基

? ? 土基采用硬質(zhì)黏土，土基彈性模量擬取值70N/mm2，泊松比取較大值0.25。土基初步采用彈性本構模型模擬。

2.2 ?模型建立

2.2.1 ?模型概況

結(jié)構模型如圖1所示。

圖1? 結(jié)構模型（cm）

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? ? ??路面結(jié)構：5cm中粒式瀝青混凝土，8cm粗粒式瀝青混凝土，40cm混凝土結(jié)構和4cm厚水泥砂漿砌縫，最下面是土基。砌塊尺寸106cm×86cm、嵌擠度1︰4。

? ? ??邊界條件：在土基底層進行固結(jié)，在切斷端上做法向平動約束。

? ? ?荷載模擬：考慮兩種荷載的作用工況，工況1作用砌塊中心位置，工況2作用在砂漿位置。作用荷載類型有自重和100kN軸重荷載。

??? 界面單元：FEA模擬不同材料因彈性模量、泊松比等不同，在彼此的接觸面會產(chǎn)生摩擦和滑移而定義的一種單元，通過定義這個厚度為零的2D單元，可以很好地考慮這些問題，并能準確的計算界面上的力和相對位移。

2.3 ?分析結(jié)果

1）水泥砂漿砌縫主拉應力P1和主壓應力P3結(jié)果。

? ? ?由于砂漿本構模型很難模擬，采用總應變裂縫本構模型對砂漿進行非線性分析，通過分析可知砂漿的最大主拉應力發(fā)生在砂漿底層與土基接觸部位。砂漿的最大主壓應力主要發(fā)生在砂漿頂層與瀝青面層接觸部位。

2）混凝土砌塊結(jié)構主拉應力P1和主壓應力P3結(jié)果。

? ? ?由圖2可見混凝土砌塊的主拉應力分布情況，根據(jù)主拉應力分布可以清楚的看到承擔作用荷載的砌塊應力較大，與此砌塊相鄰的其他砌塊仍有部分應力分布。

圖2? 混凝土砌塊主拉應力P1云圖

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? ? ?由圖3可見混凝土砌塊的主壓應力分布情況，根據(jù)主壓應力分布也可以清楚的看到承擔作用荷載的砌塊應力較大，與此砌塊相鄰的其他砌塊仍有部分應力分布。

圖3 混凝土砌塊主壓應力P3云圖

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? ? ?從混凝土砌塊的主拉應力和主壓應力云圖的分布規(guī)律可以清楚的發(fā)現(xiàn)，此種類型的砌塊由于嵌擠度的存在，實現(xiàn)了砌塊與砌塊之間的力的傳遞。

3）混凝土砌塊結(jié)構相對砂漿的位移結(jié)果。

? ? 通過界面單元可以考慮混凝土和砂漿之間的相對滑移，筆者采用的是滑動黏結(jié)模型。通過分析可知，界面單元相對位移最大值主要分布在砌塊與砂漿黏結(jié)位置底部。

4）多種工況下分析結(jié)果。

? ?上文中只列出嵌擠度為1/4,荷載作用位置為砌塊中心處的工況。其他工況具體結(jié)果數(shù)值見表

表2 ?兩種荷載位置對比結(jié)果

? ? ?根據(jù)嵌擠度為1/4，兩種荷載作用位置對比分析結(jié)果可知:砌塊在100kN軸重作用時，作用在砌塊中心位置處受力較大，砌塊頂角處出現(xiàn)應力集中但未開裂破壞；作用在砂漿縫處時砂漿受力較大，但未開裂破壞。選用不同嵌擠度的計算結(jié)果如表3所示，從表3可以看出嵌擠度較大時砌塊主拉應力較大，但砂漿應力相對較小。

表3 ?不同嵌擠度對比結(jié)果

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3? 結(jié)論

1）水泥砂漿在標準車輛荷載作用下最大主拉應力主要發(fā)生在砂漿底層與土基接觸部位，最大主壓應力主要發(fā)生在砂漿頂層與瀝青面層接觸部位。最大主拉應力、最大主壓應力均未達到設計允許值，結(jié)構均未開裂破壞。

2）該種類型的混凝土砌塊結(jié)構在標準車輛荷載作用下，由于有足夠的嵌擠度，實現(xiàn)了砌塊與砌塊之間的力的傳遞。最大主拉應力、最大主壓應力均未達到設計允許值，結(jié)構均未開裂破壞。

3）兩種作用位置工況下，作用在砌塊中心位置處混凝土砌塊受力較大，砌塊頂角處出現(xiàn)應力集中但未開裂破壞；作用在砂漿縫處時砂漿受力較大，但未開裂破壞。

4）三種嵌擠度工況下，嵌擠度較大時砌塊主拉應力較大，但砂漿應力相對較小。

參考文獻：

[1]郭高，徐儉，趙健淳.嵌擠組裝式混凝土砌塊道路基層的結(jié)構外形及嵌擠度[J].市政技術，2014,32（2）：34-26.

[2]上海市政工程設計研究總院，等． CJJ 11-2011 城市橋梁設計規(guī)范?[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[3]北京市市政工程設計研究總院，等． CJJ 37-2012 城市道路工程設計規(guī)范?[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012．