七、嵌挤式道路砌块结构受力分析

王景鹏1，王源琳1，黄百花2，郭  高1

（1.长春市市政工程设计研究院有限责任公司，吉林 长春  130033；2.长春市意林山水景观设计咨询有限公司，吉林 长春  130000）

（2015-11-10    发表于《市政技术》）

【摘  要】鉴于传统道路基层结构所存在的缺陷，长春市市政工程设计研究院提出了新型组合式道路砌块结构并利用有限元软件midas FEA对其进行受力分析研究。按照不同荷载作用位置、不同嵌挤度组合形成多种工况来分析混凝土砌块和砂浆的受力特点，从而为实际工程应用提供依据。            

【关键词】道路；基层；混凝土砌块；砂浆；嵌挤度

     目前，城市道路多数仍采用半刚性道路基层结构，这类基层主要利用石灰、粉煤灰或水泥作为胶结材料，以碎石作为结构骨架，按一定配合比形成混合料，通过碾压、养生成型。半刚性道路基层结构具有强度高、承载能力大、变形小、分散荷载能力较强等优点。由于石灰、粉煤灰类材料需要较长的养生期，工期与质量控制之间存在矛盾，因此如何尽量缩短建设工期、保证工程质量是市政建设者不断追求的目标之一。长春市市政工程设计研究院针对此问题展开了研究，采用混凝土预制块结构代替传统的道路基层结构，通过长期地摸索实验，于2014年研究出一种特殊外形的砌块，组装后在缝隙内灌注砂浆保证砌块整体稳定性的新结构。

    笔者针对此种砌块组合结构进行受力分析，目标是在实际车辆荷载作用下获取砌块组装式道路结构的力学数据，进而分析该结构在规范车辆荷载作用下的强度、刚度、稳定性，并确定合理的材料及结构尺寸，为工程项目提供可靠的参考依据。

1  项目概况

     “嵌挤混凝土砌块组装式道路基层结构”的科研项目，是针对传统二灰碎石基层结构工期长的弊端，在总结长春市以往采用的“混合石结构”及水泥混凝土路面白改黑设计经验的基础上开展的一项研究工作。首先在理论上开展了结构特性研究，借鉴于北京卢沟桥使用的“银锭扣”[1]结构特点，经过从“混凝土砌块组装式道路结构”的概念设想，到关键技术“嵌挤混凝土砌块组装式道路基础结构”的突破，进而进行“阻隔混凝土加铺层反射裂缝结构”相关技术的研究，逐渐完善并凝练成全新的道路基层结构——“嵌挤式混凝土砌块道路基层结构”。目前，该项研究已具有3项实用新型专利，另有1项发明专利及多项其他专利正在申报过程中。

1.1  砌块结构

     笔者主要介绍砌块组合结构的结构受力分析等相关内容。为了保证砌块组合体的整体性，砌块采用独特的具有嵌挤功能的结构。嵌挤能力通过嵌挤度来实现，嵌挤度即为砌块立面长边与短边长度之差与砌块厚度的比值。从嵌挤原理角度出发，结合模具制造、组装、吊运及道路线形等因素，砌块结构外形最终选为矩形，并对砌块及砂浆的材料提出特殊要求。嵌挤度不同决定了砌块组合结构的整体受力的差异，因此，材料的选择和嵌挤度的确定需要进行系统的结构受力分析。

1.2  砌块工艺

     砌块下铺设双向凸点钢塑土工格栅、碎石垫层、土基，在边缘处设置三角稳定构架，即格栅与土基及砌块之间填满的碎石形成两个三角形断面以保证结构组合体的稳定性。道路砌块由预制厂预制，运至现场拼装，缝隙内灌注砂浆形成道路基层结构。道路基层上面再铺沥青混凝土面层。

2  砌块结构分析计算

    通常道路结构可视为半无限弹性多层体系，但是在有限元模拟计算中，模型只能取有限的尺寸。对较大的模型计算要耗费大量时间和内存，笔者考虑在不影响计算精度的前提下，采用midas FEA建立5m×5m的实体模型进行仿真分析，主要对结构块相对于土基结构的滑移进行验算以及对水泥砂浆砌缝和混凝土块的应力进行验算。 验算荷载考虑自重和现行设计规范[2-3]中100kN的双轮轴载。为方便有限元建模，按面积等效原则将双轮荷载作用面转换为矩形作用面，荷载作用位置取两种：一种在砌块结构中心处；一种在砂浆砌缝处。轮间距为1.8m，作用面为60cm×20cm。边界条件为约束土基底层固结，土基采用midas FEA中节点单元来模拟刚度，结构切断端做相应方向的约束。混凝土块和砂浆之间加入界面单元，采用黏结滑动模型进行非线性计算，采用位移标准作为收敛准则。全模型采用映射网格划分，六面体单元为主，计算精度高，速度快。

2.1  主要材料

    1）混凝土

道路砌块采用C20混凝土，采用midas FEA总应变裂缝本构模型模拟。混凝土指标如表1所示。

表1  混凝土指标

2）水泥砂浆

    水泥砂浆砌缝，使用具有较高强度的M10砂浆，采用midas FEA总应变裂缝本构模型模拟，轴心抗压强度为10MPa，抗拉强度为1MPa。采用midas FEA中界面单元模拟砂浆和混凝土之间的黏结滑移，建模时界面非线性采用黏结滑移类型，界面法向刚度模量取界面两侧较小值（砂浆）的10倍，切向刚度模量取法向0.1个数量级大小。

 3）土基

    土基采用硬质黏土，土基弹性模量拟取值70N/mm2，泊松比取较大值0.25。土基初步采用弹性本构模型模拟。

2.2  模型建立

2.2.1  模型概况

结构模型如图1所示。

图1  结构模型（cm）

 

      路面结构：5cm中粒式沥青混凝土，8cm粗粒式沥青混凝土，40cm混凝土结构和4cm厚水泥砂浆砌缝，最下面是土基。砌块尺寸106cm×86cm、嵌挤度1︰4。

      边界条件：在土基底层进行固结，在切断端上做法向平动约束。

     荷载模拟：考虑两种荷载的作用工况，工况1作用砌块中心位置，工况2作用在砂浆位置。作用荷载类型有自重和100kN轴重荷载。

    界面单元：FEA模拟不同材料因弹性模量、泊松比等不同，在彼此的接触面会产生摩擦和滑移而定义的一种单元，通过定义这个厚度为零的2D单元，可以很好地考虑这些问题，并能准确的计算界面上的力和相对位移。

2.3  分析结果

1）水泥砂浆砌缝主拉应力P1和主压应力P3结果。

     由于砂浆本构模型很难模拟，采用总应变裂缝本构模型对砂浆进行非线性分析，通过分析可知砂浆的最大主拉应力发生在砂浆底层与土基接触部位。砂浆的最大主压应力主要发生在砂浆顶层与沥青面层接触部位。

2）混凝土砌块结构主拉应力P1和主压应力P3结果。

     由图2可见混凝土砌块的主拉应力分布情况，根据主拉应力分布可以清楚的看到承担作用荷载的砌块应力较大，与此砌块相邻的其他砌块仍有部分应力分布。

图2  混凝土砌块主拉应力P1云图

 

     由图3可见混凝土砌块的主压应力分布情况，根据主压应力分布也可以清楚的看到承担作用荷载的砌块应力较大，与此砌块相邻的其他砌块仍有部分应力分布。

图3 混凝土砌块主压应力P3云图

 

     从混凝土砌块的主拉应力和主压应力云图的分布规律可以清楚的发现，此种类型的砌块由于嵌挤度的存在，实现了砌块与砌块之间的力的传递。

3）混凝土砌块结构相对砂浆的位移结果。

    通过界面单元可以考虑混凝土和砂浆之间的相对滑移，笔者采用的是滑动黏结模型。通过分析可知，界面单元相对位移最大值主要分布在砌块与砂浆黏结位置底部。

4）多种工况下分析结果。

   上文中只列出嵌挤度为1/4,荷载作用位置为砌块中心处的工况。其他工况具体结果数值见表

表2  两种荷载位置对比结果

     根据嵌挤度为1/4，两种荷载作用位置对比分析结果可知:砌块在100kN轴重作用时，作用在砌块中心位置处受力较大，砌块顶角处出现应力集中但未开裂破坏；作用在砂浆缝处时砂浆受力较大，但未开裂破坏。选用不同嵌挤度的计算结果如表3所示，从表3可以看出嵌挤度较大时砌块主拉应力较大，但砂浆应力相对较小。

表3  不同嵌挤度对比结果

 

3  结论

1）水泥砂浆在标准车辆荷载作用下最大主拉应力主要发生在砂浆底层与土基接触部位，最大主压应力主要发生在砂浆顶层与沥青面层接触部位。最大主拉应力、最大主压应力均未达到设计允许值，结构均未开裂破坏。

2）该种类型的混凝土砌块结构在标准车辆荷载作用下，由于有足够的嵌挤度，实现了砌块与砌块之间的力的传递。最大主拉应力、最大主压应力均未达到设计允许值，结构均未开裂破坏。

3）两种作用位置工况下，作用在砌块中心位置处混凝土砌块受力较大，砌块顶角处出现应力集中但未开裂破坏；作用在砂浆缝处时砂浆受力较大，但未开裂破坏。

4）三种嵌挤度工况下，嵌挤度较大时砌块主拉应力较大，但砂浆应力相对较小。

参考文献：

[1]郭高，徐俭，赵健淳.嵌挤组装式混凝土砌块道路基层的结构外形及嵌挤度[J].市政技术，2014,32（2）：34-26.

[2]上海市政工程设计研究总院，等． CJJ 11-2011 城市桥梁设计规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2011．

[3]北京市市政工程设计研究总院，等． CJJ 37-2012 城市道路工程设计规范 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012．