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摘 要：随着高等级公路对基层抗冲刷性能要求的提高，水泥混凝土路面越来越多的采用了水稳碎石和贫混凝土基层，在结构层强度提升的同时，模量也较以往大幅提高，基层损坏已成为路面结构破坏的主要类型之一，尤其在重载交通路面。本文在建立Winkler地基上考虑层间接触状况的三维结构模型的基础上，考查基层模量、厚度、面层与基层层间接触状况对水泥混凝土路面面层和基层受力、层间剪切应力及面层翘曲的影响，以期优化基层参数设计。
关键词：道路工程;力学性能;有限元;水泥混凝土路面;基层参数
水泥混凝土路面结构分析采用弹性地基板理论，除粒料类基层外，其它各类基层与混凝土面层按照分离式双层板模型进行结构分析，基层与面层层间光滑、连续但不承受拉力。混凝土板和基层间可视为处于组合与滑动的中间地带。随着混凝土板的服役期增長，以及温度荷载的作用，混凝土板会发生水平伸缩以及垂直方向上的翘曲，基层与面层间会逐渐趋于分离，这些均非分层间光滑、连续能够模拟的。
1 层间接触状态对水泥混凝土路面力学特性的影响分析
1.1 有限元法中间层接触状态的模拟
1.1.1 ANSYS中层间接触的模拟
在ANSYS中，水泥混凝土板面层、基层和土基可用空间20节点6面体单元——solid186单元（三维模型）模拟，层间联系用接触单元targe170和contal174来模拟，Winkler地基采用surface154单元来模拟。
接触单元相当于在上下界面节点对间设置法向和切向弹簧，采用层间法向和切向接触弹簧刚度表征。层间不设夹层，沥青面层与水泥混凝土路面板基层的接触状况有结合、光滑和介于两者之间的半结合等情形。完全结合，层间接触弹簧刚度应为∞，当其在∞到0之间变化时，可模拟层间接触从结合、半结合到光滑的各种状态。层间设置夹层，夹层材料的接触弹簧刚度KN3和KT3计算式为：
式中：E3、μ3和h3——分别为夹层材料的模量、泊松比和厚度。
2 不同层间接触状态下水泥混凝土路面面层拉应力分布特征
2.1 模型的建立和计算方法
2.1.1 结构模型的建立[2]
路面的力学结构模型为Winkler地基上的双层三维模型，如图2-1a所示，h1、E1、μ1分别为面层的厚度、弹性模量、泊松比;h2、E2、μ2分别为基层的厚度、弹性模量、泊松比;k为地基反应模量。面层与基层存在摩阻。
2.1.2 计算与分析方法
计算模型以20 t～30 t的三轴—双轮组作用计算荷载。为明确基层厚度、模量、层间接触状况对水泥混凝土路面面层、基层受力、层间剪切应力和面层翘曲的影响，采用单因素分析法，逐一计算3个因素在各个水平下的结果。其中，基层厚度分为15 cm，20 cm，25 cm等3个水平，接触状况分为A1，A2，A3，B等4 个水平[3]，如表2-1所示，此外考虑到水泥混凝土面层直接浇筑在水泥稳定碎石基层或贫混凝土基层上，两者接近完全黏结的情况，层间接触状况特意考察“bonded”类型，认为两者完全黏结，界面层水平、竖向唯一均连续。
计算软件为Ever FE 2.25，有限元模型中面板、基层及底基层均采用20节点二次实体单元，地基采用8节点二次平面单元;层间接触界面采用零厚度的16节点二次接触单元。面层、基层分别按照25 cm×20 cm×5 cm、25 cm×20 cm
×4 cm进行网格划分。
2.2 车辆荷载和温度荷载耦合作用下层间接触状态对面层底部拉应力的影响规律
车辆荷载和温度荷载耦合作用下，15 cm、20 cm和25 cm三种基层厚度的水泥混凝土路面的面层层底拉应力如图2-2～图2-4所示。
由上图可知，车辆和温度荷载耦合作用下，面层底部拉应力大幅上升，可达3.6 MPa。层间接触状态是影响面层拉应力分布的关键因素，随层间黏结状况的增强，面层底部拉应力大幅降低。最大拉应力发生在纵缝边缘中部的面层底部，即三轴——双轮组的右侧轮组附近。此外，基层厚度对水泥混凝土面层层底拉应力也存在较大影响，尤其是层间黏结状态较强时，随基层厚度的增加，面层层底拉应力不断减小。当接触参数为A1时，基层厚度为25 cm的路面结构的面层最大拉应力较基层厚度为15 cm的降低约2%，而当层间接触参数为B时，这一降低至达到18%。
3 结论
（1）车辆荷载和温度荷载耦合作用下，层间接触状态是影响面层拉应力分布的关键因素，随层间黏结状况的增强，面层底部拉应力大幅降低。最大拉应力发生在纵缝边缘中部的面层底部。
（2）车辆荷载和温度荷载耦合作用下，纵缝边缘中部的翘曲最大，板角处次之，而板中最小。板角处的面层翘曲随层间黏结状态的增强而增加，板中处的翘曲规律则相反，随层间黏结状态的增强而降低，纵缝边缘处的翘曲几乎不随层间状态的改变而发生变化。
参考文献：
[]周健，池永.砂土力学性质的细观模拟[J].岩土力学，2003，24（6）：901-906.
[2]张睿卓，凌天清，袁明.半刚性基层模量对路面结构受力的影响[J].重庆交通大学报（自然科学版），2011，30（4）：755-758.
[3]胡新民.过渡层对水泥混凝土路面板结构的影响[J].长安大学学报（自然科学版），2010，30（3）：37-40.
关键词：道路工程;力学性能;有限元;水泥混凝土路面;基层参数
水泥混凝土路面结构分析采用弹性地基板理论，除粒料类基层外，其它各类基层与混凝土面层按照分离式双层板模型进行结构分析，基层与面层层间光滑、连续但不承受拉力。混凝土板和基层间可视为处于组合与滑动的中间地带。随着混凝土板的服役期增長，以及温度荷载的作用，混凝土板会发生水平伸缩以及垂直方向上的翘曲，基层与面层间会逐渐趋于分离，这些均非分层间光滑、连续能够模拟的。
1 层间接触状态对水泥混凝土路面力学特性的影响分析
1.1 有限元法中间层接触状态的模拟
1.1.1 ANSYS中层间接触的模拟
在ANSYS中，水泥混凝土板面层、基层和土基可用空间20节点6面体单元——solid186单元（三维模型）模拟，层间联系用接触单元targe170和contal174来模拟，Winkler地基采用surface154单元来模拟。
接触单元相当于在上下界面节点对间设置法向和切向弹簧，采用层间法向和切向接触弹簧刚度表征。层间不设夹层，沥青面层与水泥混凝土路面板基层的接触状况有结合、光滑和介于两者之间的半结合等情形。完全结合，层间接触弹簧刚度应为∞，当其在∞到0之间变化时，可模拟层间接触从结合、半结合到光滑的各种状态。层间设置夹层，夹层材料的接触弹簧刚度KN3和KT3计算式为：
式中：E3、μ3和h3——分别为夹层材料的模量、泊松比和厚度。
2 不同层间接触状态下水泥混凝土路面面层拉应力分布特征
2.1 模型的建立和计算方法
2.1.1 结构模型的建立[2]
路面的力学结构模型为Winkler地基上的双层三维模型，如图2-1a所示，h1、E1、μ1分别为面层的厚度、弹性模量、泊松比;h2、E2、μ2分别为基层的厚度、弹性模量、泊松比;k为地基反应模量。面层与基层存在摩阻。
2.1.2 计算与分析方法
计算模型以20 t～30 t的三轴—双轮组作用计算荷载。为明确基层厚度、模量、层间接触状况对水泥混凝土路面面层、基层受力、层间剪切应力和面层翘曲的影响，采用单因素分析法，逐一计算3个因素在各个水平下的结果。其中，基层厚度分为15 cm，20 cm，25 cm等3个水平，接触状况分为A1，A2，A3，B等4 个水平[3]，如表2-1所示，此外考虑到水泥混凝土面层直接浇筑在水泥稳定碎石基层或贫混凝土基层上，两者接近完全黏结的情况，层间接触状况特意考察“bonded”类型，认为两者完全黏结，界面层水平、竖向唯一均连续。
计算软件为Ever FE 2.25，有限元模型中面板、基层及底基层均采用20节点二次实体单元，地基采用8节点二次平面单元;层间接触界面采用零厚度的16节点二次接触单元。面层、基层分别按照25 cm×20 cm×5 cm、25 cm×20 cm
×4 cm进行网格划分。
2.2 车辆荷载和温度荷载耦合作用下层间接触状态对面层底部拉应力的影响规律
车辆荷载和温度荷载耦合作用下，15 cm、20 cm和25 cm三种基层厚度的水泥混凝土路面的面层层底拉应力如图2-2～图2-4所示。
由上图可知，车辆和温度荷载耦合作用下，面层底部拉应力大幅上升，可达3.6 MPa。层间接触状态是影响面层拉应力分布的关键因素，随层间黏结状况的增强，面层底部拉应力大幅降低。最大拉应力发生在纵缝边缘中部的面层底部，即三轴——双轮组的右侧轮组附近。此外，基层厚度对水泥混凝土面层层底拉应力也存在较大影响，尤其是层间黏结状态较强时，随基层厚度的增加，面层层底拉应力不断减小。当接触参数为A1时，基层厚度为25 cm的路面结构的面层最大拉应力较基层厚度为15 cm的降低约2%，而当层间接触参数为B时，这一降低至达到18%。
3 结论
（1）车辆荷载和温度荷载耦合作用下，层间接触状态是影响面层拉应力分布的关键因素，随层间黏结状况的增强，面层底部拉应力大幅降低。最大拉应力发生在纵缝边缘中部的面层底部。
（2）车辆荷载和温度荷载耦合作用下，纵缝边缘中部的翘曲最大，板角处次之，而板中最小。板角处的面层翘曲随层间黏结状态的增强而增加，板中处的翘曲规律则相反，随层间黏结状态的增强而降低，纵缝边缘处的翘曲几乎不随层间状态的改变而发生变化。
参考文献：
[]周健，池永.砂土力学性质的细观模拟[J].岩土力学，2003，24（6）：901-906.
[2]张睿卓，凌天清，袁明.半刚性基层模量对路面结构受力的影响[J].重庆交通大学报（自然科学版），2011，30（4）：755-758.
[3]胡新民.过渡层对水泥混凝土路面板结构的影响[J].长安大学学报（自然科学版），2010，30（3）：37-40.