不同脱空尺寸下水泥混凝土路面应力弯沉有限元研究

张耀东 刘天福 张冠涛

摘要：基层材料冲刷引起的板底脱空、接缝错台等是水泥混凝土路面早期破坏的主要原因，本文分析了脱空产生的机理、脱空区的形状，对脱空下水泥混凝土路面结构进行了三维有限元模拟，计算分析了不同脱空尺寸下水泥混凝土路面弯沉、板底应力。计算结果表明：随着脱空尺寸的增加，板底应力、弯沉迅速增加。

关键词：水泥混凝土路面；脱空尺寸；有限元

Abstract: the basic materials of scour cause slab suspending joint wrong, the stage of cement concrete pavement is the main reason for the early destruction, this paper analyzes the emergence mechanism, escapes void the shape of cement concrete pavement structure under the void, the three-dimensional finite element simulation, calculated and analyzed under different size cavity cement concrete pavement deflection, bottom stress. The calculation results show that, with the increase of the size of the void, bottom stress, deflection increasing rapidly.

Keywords: cement concrete pavement; Cavity size; Finite element

中图分类号：[TU528.37] 文献标识码：A文章编号：

0前言

目前，水泥混凝土路面在使用中出现了一些问题，其中基层材料冲刷严重，在荷载反复作用下出现板底脱空、接缝错台等现象，严重影响了水泥路面的使用寿命。

国内学者对水泥路面荷载应力进行了一系列研究，但现有研究大都假设不存在脱空；而大量的理论计算和调查结果表明：脱空是客观存在的，脱空使得混凝土面板的受力变的极为不利，过早出现面板开裂、断板等破坏，严重影响其使用寿命。因此，有必要对脱空时水泥混凝土路面的板底应力和弯沉进行研究。

1 脱空产生的机理分析

水泥混凝土路面的板底脱空可分为结构型脱空和唧泥型脱空两大类。在使用过程中，由于自然环境因素和车辆荷载等综合作用，水泥面板出现翘曲变形，或者由于板下基层在荷载的反复作用下产生塑性变形累积，致使混凝土板局部范围内不再与基层保持连续接触，通常把水泥混凝土路面因以上原因产生的脱空称为结构型脱空。由于结构型脱空非常小，故其对面板的受力影响可忽略不计。

唧泥型脱空的形成和扩展是由于接缝的嵌缝材料失粘脱落，或路肩纵缝边缘存在缝隙，降雨时，雨水沿缝隙下渗并滞留在结构型脱空区，在行车荷载的反复作用下，基层顶面的自由水形成高速流动的有压水，从而对基层进行冲刷，基层细颗粒从接缝或裂缝处喷溅出来进而形成唧泥现象，随着细颗粒的不断带出，脱空面积逐渐增大，在板底形成扩展性的唧泥型脱空，最后使得水泥混凝土面板在荷载作用下产生断裂破坏。

2 板底脱空形状的分析

影响水泥路面板底脱空形状的因素有很多，如车辆荷载的作用次数、基层材料的性质等。大量的研究表明：脱空主要发生在板角、横缝和板纵缝中部。基层材料的损失是出现板底脱空的主要原因，再加上行车荷载反复作用，脱空面积会逐渐扩大，在荷载的作用下面板受到的应力很大，并最终开裂、断板。

常用的板角脱空形状的确定方法有以下两种：第一种是通过测量路面板角处断板或裂缝的尺寸和形状；第二种是在板角处脱空区的不同位置进行钻芯。国内许多脱空方面的调查和修补资料表明：路面板角下部的脱空形状近似为等边直角三角形或圆弧形，这一点也可以从角隅的形状来验证（如图1所示）。由于板角处脱空最为严重，因此，本文主要研究板角脱空的情况。

图1面板的角隅

3不同脱空尺寸下水泥混凝土路面板底应力有限元研究

3.1有限元模型的建立

把水泥混凝土路面结构视为弹性层状体系，由水泥混凝土面板、板底脱空部分、基层及路基组成，采用扩大基础尺寸来模拟半无限大空间基础，采用8节点实体单元建立板角脱空的三维有限元模型（如图2所示），并在模型计算中做如下简化和假设：

1）各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体；

2）各层层间竖向、水平位移均连续；

3）无穷远处应力、应变、位移为零；

4）环境温度和湿度保持恒定；

5）采用横向和竖向弹簧单元模拟接缝间的传荷能力。

6）不计结构自重。

边界条件：

左右边界为竖向无约束、横向固定；下边界水平向和竖向均固定，即认为距路表足够深处，竖向和径向位移为0；上边界水平向和竖向均自由，接缝处沿X轴方向位移为零。

图2板角脱空模型

3.2计算参数的确定

面板尺寸取5×4m，通过试算，在保证结果可靠性的前提下，基础尺寸取7 m×6 m×6 m，各结构层计算参数见表1。

表1各结构层计算参数

参数

层位 厚度

cm 弹性模量

MPa 泊松比 密度

面层 水泥混凝土 28 31000 0.15 2400

基层 水泥稳定碎石 20 1500 0.2 2100

路基 土基 300 40 0.35 1900

荷载采用标准轴载BZZ-100，轮胎充气压力为0.707MPa，将轮胎与地面的接触面等效成矩形，矩形加载可以采用正方形接触面法，其边长L=0.2m，因此，计算加载区域为0.2m（如图3所示）。

有限元网格划分时不论采用棱锥形还是圆锥形，脱空形状建模都比较复杂，因此，为了简化建模过程中的网格划分，本文在保证计算精度的前提下划分网格单元。

图3仿真荷载条件有限元模型

3.3计算结果的分析

3.3.1距板角不同距离时的弯沉分析

在水泥混凝土路面的实际使用中，板角和板边车辆荷载作用频率的不同、面板纵横缝的传荷能力有所不同、以及基层材料的特性等都会对脱空区的形状有一定的影响，但大量的检测资料表明：最大弯沉往往发生在板角，且距板角越近，弯沉越大，脱空高度越大；距板角越远，弯沉越小，脱空高度越小。

采用上述水泥路面结构有限元分析模型，按表1选取参数，荷载选用标准荷载，脱空尺寸为0，对荷载作用下水泥路面弯沉进行分析。荷载从板角沿行车方向或垂直行车方向移动时，计算距板角不同距离处的弯沉，弯沉随荷载距板角不同距离时的变化曲线见图4。

图4 距板角不同位置处的弯沉

由图4以看出，无论是沿行车方向还是垂直行车方向，弯沉随荷载距板角距离的增大而减小，当荷载作用在板角时，出现最大弯沉为38（0.01mm），当荷载距板角2m时，弯沉为13（0.01mm），减小了65.7%。这表明：在不考虑纵、横缝传荷能力的差异时，板角处的脱空最大。

3.3.2脱空尺寸对弯沉的影响分析

根据上述分析，将板角脱空看作关于纵、横缝对称的等边直角三角形，参数按表1选取，荷载选用标准荷载BZZ-100，采用上述水泥路面结构有限元分析模型，计算不同脱空尺寸下的板角弯沉，计算结果见图5。

图5不同板角脱空尺寸下的弯沉

由图5以看出，随着板角脱空尺寸的增加，板角弯沉迅速增加。当板角脱空为0m×0m，即没有脱空时的弯沉值最小，为8.6（0.01mm）；当板角脱空为2m×2m时，弯沉值最大，为22.9（0.01mm），增加了166.2%，且板角脱空尺寸较大时，弯沉增加速度较快。因此，在日常养护中，当水泥路面出现脱空时，应及时采取相应的措施加以处理，以防止脱空的进一步扩展而加速路面的破坏。

3.3.3脱空尺寸对面板应力的影响分析

由结构力学知识可知，当荷载作用下路面板的挠度很小时，板下脱空高度对板内结构应力的影响很小，即可以认为板下脱空高度与面板荷载应力无关，因此，本文假设脱空深度为1cm。在此条件下，保持其它计算参数不变，分别计算板角尺寸为0m×0m、0.4m×0.4m、0.8m×0.8m、1.2m×1.2m、1.6m×1.6m、2.0m×2.0m时的水泥混凝土路面临界应力，计算结果见表2。

表2不同的脱空尺寸时水泥混凝土路面应力

脱空尺寸（m2） 0×0 0.4×0.4 0.8×0.8 1.2×1.2 1.6×1.6 2.0×2.0

应力（MPa） 0.945 1.219 1.667 2.235 2.925 3.663

由图6可以看出，水泥混凝土路面荷载应力随着脱空尺寸的增加逐渐增加，且增速越来越快。当脱空尺寸为0m×0m时，水泥混凝土路面荷载应力0.945；当脱空尺寸为2.0m×2.0m时，水泥混凝土路面荷载应力为3.663，增加了287.6%。

图6不同脱空尺寸下的板底应力

4结语

在脱空状况下，旧水泥混凝土板底的应力、弯沉均随脱空尺寸的增加而增加，使得路面板的受力状态变的十分不利。本文虽计算出考虑板角脱空时标准荷载作用下的等效应力、弯沉变化，但由于仅采用有限元模拟水泥混凝土路面结构得到，有待于进一步通过实地验证，以便修正模型，使其更准确地反映路面结构的实际情况。

参考文献：

[1]赵茂才.水泥混凝土路面板下脱空对使用寿命的影响[J].公路交通科技,2004 (2).

[2] 张擎.考虑冲刷脱空的水泥混凝土路面设计研究[D].西安:长安大学,2009.

[3]陈文,廖卫东,朱继东,等.旧混凝土路面板底脱空的有限元分析[J].武汉理工大学学报,2003,25(12).

[4]邱丽章,王端宜.水泥混凝土路面板底脱空的弯沉判据研究[J].公路, 2006(11).

[5]贾玉,陈星光,盛晓军.水泥混凝土路面板的板底脱空及其影响分析[J].现代交通技术,2006(1).

[6]哈斯额尔德尼等.基于ANSYS的水泥路面板底脱空力学模拟分析[J].交通科技,2009(5).

作者简介：张耀东(1978.10--)，男，工程师，天津市海河建设发展投资有限公司，研究方向：道桥专业。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。