水泥混凝土路面斷裂破壞研究

呂惠卿，張湘?zhèn)?，張榮輝

（1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州 510090;2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510090）

水泥混凝土路面斷裂破壞研究

呂惠卿1，張湘?zhèn)?，張榮輝1

（1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東廣州 510090;2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510090）

水泥混凝土路面板的斷裂行為是由宏-細(xì)-微觀諸層次下多種破壞機(jī)制相耦合而發(fā)生，將水泥混凝土試驗(yàn)路分塊編號(hào)，對(duì)路面板的斷裂破損狀況進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，測(cè)量了裂縫的尺寸及其斷裂位置，繪制了路面板的斷裂平面圖，統(tǒng)計(jì)分析了斷裂位置與行車方向接縫的距離，通過分析找到了路面板在隨機(jī)的車輛荷載和環(huán)境荷載作用下斷裂位置的分布規(guī)律，研究了其斷裂物理成因，為新建水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)和破損水泥混凝土路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供了理論基礎(chǔ)。

道路工程;斷裂破壞;統(tǒng)計(jì)分析;水泥混凝土路面

斷裂是水泥混凝土路面（CCP）最主要的結(jié)構(gòu)損壞形式，它破壞了路面結(jié)構(gòu)的整體性，為表面水提供了下滲通道，使路面結(jié)構(gòu)迅速降低或喪失承載能力。路面斷裂是多種因素綜合作用的結(jié)果，它受荷載、氣候、材料變異性、施工操作、養(yǎng)護(hù)維修、路面設(shè)計(jì)理論和方法等多種因素的影響。路面的斷裂行為是由宏-細(xì)-微觀諸層次下多種破壞機(jī)制相耦合而發(fā)生。

人們對(duì)路面結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)（Macro-mechanics）性能的劣化直至破壞的全過程的機(jī)理、本構(gòu)關(guān)系、力學(xué)模型和計(jì)算方法采用了各種理論和方法進(jìn)行研究［1-4］。宏觀力學(xué)把實(shí)際路面結(jié)構(gòu)經(jīng)過一系列的簡(jiǎn)化假定，建立水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)在荷載和環(huán)境因素作用下，力學(xué)響應(yīng)的定量模型，經(jīng)過推演后得到力學(xué)響應(yīng)的解析解或數(shù)值解，為混凝土路面結(jié)構(gòu)分析提供了強(qiáng)有力的工具。這種研究不考慮混凝土內(nèi)部多組相分的影響，把具有多相、非均勻的材料理想化為均質(zhì)連續(xù)體建模，這種簡(jiǎn)化盡管在一定程度上滿足了工程實(shí)踐的需要，但是不能充分表現(xiàn)混凝土變形整個(gè)過程所表現(xiàn)的復(fù)雜性，且數(shù)值解和理論解解算的路面力學(xué)響應(yīng)與實(shí)際均有一定得偏離。

細(xì)觀力學(xué)（Meso-mechanics）將混凝土看作由粗骨料、硬化水泥膠體以及兩者之間的界面黏結(jié)帶組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料。細(xì)觀力學(xué)以實(shí)際實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在細(xì)觀層次上建立數(shù)值模型［5-8］，對(duì)混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、損傷力學(xué)與計(jì)算力學(xué)相結(jié)合分析細(xì)觀尺度的變形、損傷和破壞過程，研究混凝土細(xì)觀單元的本構(gòu)關(guān)系及混凝土損傷與斷裂破壞的物理機(jī)制。但迄今為止，對(duì)混凝土的數(shù)值模擬僅限于少級(jí)配小尺寸試件，多數(shù)文獻(xiàn)都是注重對(duì)破壞過程的數(shù)值模擬，還不能代替部分實(shí)驗(yàn)。

水泥混凝土路面在我國(guó)鋪裝公路路面中有64.64萬 km［9］，約占 65% 左右，廣東省是我國(guó)修建水泥混凝土路面最多的省份。從真實(shí)路面的破壞情況，對(duì)其斷裂破壞進(jìn)行研究于新建CCP的設(shè)計(jì)和破損CCP的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)具有重要理論和實(shí)踐意義。

1 試驗(yàn)路段的情況

試驗(yàn)路段G321線位于東南濕熱自然分區(qū)的廣東省，不僅降雨和濕度很大，而且氣溫和地溫也較高。1.2 km的試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)形式為25 cm水泥混凝土面層 +20 cm碎礫石墊層，雙向四車道，是廣東省高等級(jí)水泥路面的典型結(jié)構(gòu)形式。

試驗(yàn)路段在1995年鋪設(shè)水泥混凝土路面通車后，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是由于設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)等原因以及在交通量和超載車輛增長(zhǎng)較快的情況下，路面狀況日益下降，路面損壞不斷加劇。部分水泥混凝土路面板出現(xiàn)大量病害和缺陷，主要有面板破碎、角隅斷裂、交叉縱橫向裂縫、錯(cuò)臺(tái)、脫空、唧泥等，嚴(yán)重影響了道路的使用性能。試驗(yàn)路段水泥混凝土路面板的平均尺寸為5 m×3.75 m，共有960塊板。

2 試驗(yàn)路段水泥混凝土路面的斷裂統(tǒng)計(jì)分析

以國(guó)道321線水泥混凝土路面改造工程為研究對(duì)象，將1.2 km的試驗(yàn)路逐塊編號(hào)，對(duì)路面破損狀況進(jìn)行調(diào)查，繪制板的斷裂平面圖，統(tǒng)計(jì)斷裂位置與行車方向接縫的距離，通過統(tǒng)計(jì)分析找到路面在隨機(jī)的車輛荷載和環(huán)境荷載作用下橫向斷裂的規(guī)律，為新建水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)和破損水泥混凝土路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)提供理論、實(shí)踐基礎(chǔ)。

2.1 各種裂縫統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)試驗(yàn)路路面板中各種形式的裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找到其斷裂位置分布的概況。選取每條裂縫的起點(diǎn)、中點(diǎn)和終點(diǎn)，還有1/4點(diǎn)和3/4點(diǎn)，用EXCEL進(jìn)行匯總，用數(shù)學(xué)軟件MATLAB進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別做出裂縫離散點(diǎn)在整個(gè)板面的三維分布直方圖，對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行研究分析。

首先把混凝土板5 m×3.5 m分成10×7個(gè)小方塊，為了得到更精確的結(jié)果，也可以取得更密;然后計(jì)算裂縫離散點(diǎn)在每個(gè)小方塊中的數(shù)量，此過程在數(shù)學(xué)軟件MATLAB中用M文件編程序完成。

裂縫離散點(diǎn)在整個(gè)板面的三維分布圖如圖1～圖4。

由裂縫散點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)分析圖可以看出，主車道裂縫點(diǎn)數(shù)的峰值比超車道要大20左右，而且平均值也較大，這是由于主車道重車流量大，車速比較慢的原因。同時(shí)對(duì)裂縫在整塊板的統(tǒng)計(jì)分析，混凝土板的斷裂位置集中在距離行車方向接縫（0.9，2.4］m范圍之內(nèi)。由于上行車道為從廣州到廣西的方向，下行車道為從廣西到廣州的方向，下行車道的重車和超重車的作用次數(shù)較多，造成下行主車道破損比較嚴(yán)重。

圖1 下行主車道裂縫分布離散Fig.1 Crack distribution in down nearside lane

圖2 下行超車道裂縫分布離散Fig.2 Crack distribution in down overtaking lane

圖3 上行主車道裂縫分布離散Fig.3 Crack distribution in up nearside lane

圖4 上行超車道裂縫分布離散Fig.4 Crack distribution in up overtaking lane

2.2 橫向裂縫的斷裂統(tǒng)計(jì)

垂直或斜向路面中心線的橫向或斜向裂縫為橫向裂縫。橫向或斜向裂縫［9］，通常是由于重載反復(fù)作用，溫度或濕度梯度產(chǎn)生的翹曲應(yīng)用力或者干縮應(yīng)力等因素單獨(dú)或綜合作用引起的，有裂縫板在基層和路基浸水軟化及重載反復(fù)作用進(jìn)一步斷裂，便形成交叉裂縫和破碎板。當(dāng)路面出現(xiàn)橫向裂縫時(shí)，應(yīng)該及時(shí)地確定合理的修復(fù)方法，否則裂縫的出現(xiàn)將加快路面的破壞，基于橫向裂縫的成因及其對(duì)路面破壞的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)路中的橫向裂縫進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從路面實(shí)際使用性能中獲得知識(shí)，完善水泥混凝土路面設(shè)計(jì)和預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理論水平。

首先對(duì)整塊板中的橫向裂縫且裂縫在板塊左右兩端的距離小于0.4 m的斷裂板進(jìn)行統(tǒng)計(jì)?；炷潦怯纱止橇?、硬化水泥膠體以及兩者之間的界面黏結(jié)帶組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料。骨料的存在使混凝土的應(yīng)力分布很不均勻，它是應(yīng)力集中的主要根源。骨料本身強(qiáng)度高，因而骨料又可能起到阻止裂縫擴(kuò)展的作用。同時(shí)混凝土的非均質(zhì)性導(dǎo)致實(shí)際的斷裂面的不規(guī)則性。在統(tǒng)計(jì)過程中，為了忽略材料的非均勻性導(dǎo)致的裂縫不規(guī)則性，認(rèn)為裂縫在板塊左右兩端的距離小于0.4 m的裂縫為一條橫向裂縫，取其平均值作為與行車方向接縫的距離。裂縫位置與行車方向接縫的距離X統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1。

表1 裂縫位置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.1 Statistical data of the position of crack

（續(xù)表1）

2.3 橫向裂縫斷裂位置的數(shù)據(jù)分析

假設(shè)路面統(tǒng)計(jì)中斷裂位置與行車方向接縫的距離X服從H0:X～（μ，σ2）由表1中的數(shù)據(jù)得μ和σ2的極大似然估計(jì):==1.943 3，=s2=0.409 28。

原假設(shè)分布表示為:H0:X ～（1.943，0.409 28）。

構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，如果H0為真，實(shí)際頻數(shù)fi應(yīng)靠近理論頻數(shù)npi，即︱fi-npi︱不應(yīng)該太大，卡爾·皮爾遜（K·Pearson）證明了當(dāng)n→∞時(shí):

式中:r是被估計(jì)的參數(shù)個(gè)數(shù)。

從數(shù)據(jù)中找出最小值x（1）=0.3和最大值xmax=3.9，將區(qū)間［0.3，3.9］12 等分作為初始劃分，計(jì)算出相應(yīng)的fi和npi列入表2。

表2 區(qū)間分布Tab.2 Interval distribution

由 m=12，r=2，查表得:

由于 χ2=45.518 1 ＞ 14.684 ，故不接收 H0，即斷板與行車方向接縫的距離不符合X～N（1.943 3，0.409 28）。

由最復(fù)雜原理推導(dǎo)出來的正態(tài)分布公式，對(duì)于確定的標(biāo)準(zhǔn)差，隨機(jī)變量可以有很多種分布函數(shù)，但是復(fù)雜程度最大（信息熵最大）的分布函數(shù)只可能是正態(tài)分布。裂縫位置與行車方向接縫的距離X不符合正態(tài)分布，由最復(fù)雜原理得，路面斷裂形成的物理原因有可能（不見得全部）就是客觀事物的隨機(jī)性（伴隨著最復(fù)雜原理有效），因此路面斷裂形成可能有著其明顯的物理原因。

路面板在車輛沖擊荷載和氣候荷載的作用，板的斷裂位置與行車方向接縫的距離的概率密度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到板的斷裂位置X的概率分布F（X）如表3。

表3 裂縫位置X的概率分布Tab.3 Probability distribution of the position of crack

由數(shù)據(jù)可知，混凝土板的斷裂位置在離行車方向接縫的距離［0.3，2.4］m 的概率為 0.80;斷裂位置在離行車方向接縫的距離［0.9，2.4］m的概率為0.77。綜合以上可以看出混凝土板的斷裂位置集中在［0.9，2.4］m。

3 斷裂分布的物理成因

該試驗(yàn)路原路面結(jié)構(gòu)為25 cm水泥混凝土面層+20 cm碎礫石墊層，由貝克曼梁檢測(cè)的彎沉數(shù)據(jù)表明該路段存在不同程度的脫空現(xiàn)象。由路面鉆芯取樣結(jié)果表明，部分路段基層厚度變異很大，小于路面設(shè)計(jì)厚度，且發(fā)現(xiàn)有的路段為土基。通過分析得出，路面橫向斷裂破壞主要是由于路面面層厚度不足而強(qiáng)度不足、基層的厚度不足和抗沖刷能力不足、唧泥和沖刷等造成的脫空斷裂以及超載等原因引起。

影響唧泥和沖刷的因素包括水的存在、水自板下擠出的速度、底基層材料的耐沖刷性、重復(fù)荷載的大小和次數(shù)，以及板撓度的大小。造成唧泥的過程為:板的溫度翹曲和土基的塑性變形使路面板下形成空隙，水進(jìn)入后，泥水?dāng)D出，空隙擴(kuò)大，最后車輪前的板產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)和斷裂;當(dāng)車輪后的板回彈時(shí)，形成真空，將前板下的細(xì)粒料抽入，前板下即發(fā)生唧泥。

唧泥和錯(cuò)臺(tái)的形成相輔相承，加速路面的破壞，同時(shí)橫縫錯(cuò)臺(tái)是導(dǎo)致有接縫混凝土路面嚴(yán)重不平整的重要原因。車輛以一定的速度在道路上行駛時(shí)，由于路面的不平整度，不可避免地會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生沖擊作用，而車輛本身也將發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，即以一定的頻率和振幅在路上跳動(dòng)。汽車在路面沉陷區(qū)行駛過程中的瞬間超重形成正動(dòng)載，對(duì)路面產(chǎn)生有不利的影響;汽車在路面拱起區(qū)域行駛過程中的瞬間失重形成負(fù)動(dòng)載，對(duì)路面較有利。

在正常情況下，面板均勻支承時(shí)，無論荷載作用位置，應(yīng)力都比較小。而一旦脫空，板塊由于基礎(chǔ)支撐的喪失處于懸臂狀態(tài)，板內(nèi)將產(chǎn)生過大的應(yīng)力、剪力，水泥混凝土板很快達(dá)到極限壽命?；鶎臃蔷鶆蛑魏兔摽盏乃嗷炷谅访姘宥伎梢詫?dǎo)致水泥混凝土路面板的早期斷裂;斷裂后的路面板，在地表水和車輛荷載的共同作用下又重新加速了新的脫空和新的斷裂產(chǎn)生。結(jié)果路面板由整塊板變?yōu)榇髩K板，再變?yōu)樾K板;裂縫由微小裂縫發(fā)展到寬大裂縫，嚴(yán)重惡化了行車路況。

4 斷裂統(tǒng)計(jì)的意義

由斷裂位置與行車方向接縫距離的統(tǒng)計(jì)結(jié)果及以上的分析可以看出，當(dāng)車輛荷載特別是重型荷載重復(fù)作用、溫度梯度、唧泥和錯(cuò)臺(tái)等造成的路面不平整度產(chǎn)生的正動(dòng)載的綜合作用下，路面結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力處集中在（0.9，2.4］m 處，且其概率為77%。

4.1 對(duì)新建路面設(shè)計(jì)方法的意義

由路面斷裂統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析得出，主車道由于重車流量大，裂縫點(diǎn)數(shù)的峰值比超車道要大20左右，而且平均值也較大。同時(shí)路面板的斷裂位置集中在距離行車方向接縫的（0.9，2.4］m處的概率為77%。盡管現(xiàn)行的路面力學(xué)設(shè)計(jì)方法中考慮了車輛荷載的動(dòng)載效應(yīng)而造成的沖擊破壞，但在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)路面典型結(jié)構(gòu)的實(shí)際破壞觀測(cè)和研究的較少。根據(jù)路面在隨機(jī)的車輛荷載和環(huán)境荷載作用下斷裂位置分布統(tǒng)計(jì)分析得出的斷裂規(guī)律，考慮車流量和動(dòng)力學(xué)因素法，應(yīng)該進(jìn)一步完善水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)方法。隨著路面使用經(jīng)驗(yàn)的不斷擴(kuò)展及其使用性能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不斷累計(jì)，應(yīng)逐步改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，逐步提高結(jié)構(gòu)的可靠度。

4.2 對(duì)破損路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的意義

水泥混凝土路面的特點(diǎn)是在養(yǎng)護(hù)良好的條件下，使用年限比其它路面長(zhǎng)。水泥混凝土路面使用性能隨著使用年限的增長(zhǎng)而逐漸衰退，一旦開始破壞，破損就會(huì)迅速發(fā)展，因此必須做好預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，保持良好的路面狀況，改進(jìn)行車舒適性，提高通車能力。

處理路面與路床之間、水泥混凝土面層與基層之間存在的空隙（板底脫空），能有效地將水泥混凝土路面板底空隙填充密實(shí)，提高路面基層強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)水泥混凝土面板的使用壽命和恢復(fù)行車的舒適。目前穩(wěn)固面層下松散的基層、為面層提供均勻的支撐、防止唧泥和錯(cuò)臺(tái)等主要病害繼續(xù)惡化產(chǎn)生的主要措施為灌漿。目前灌漿的方法存在很多不足，灌漿達(dá)到的實(shí)際效果也不很理想。由分析結(jié)果，距離行車方向接縫處2.4 m以內(nèi)的范圍是路面板斷裂集中部位，也是面板下脫空的集中部位，灌漿修復(fù)可以參考該統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，提高其穩(wěn)固基層的效果。

5 結(jié)論

1）由試驗(yàn)路段水泥混凝土路面板斷裂位置與行車方向接縫距離的統(tǒng)計(jì)分析，得出主車道由于重車流量大，裂縫點(diǎn)數(shù)的峰值比超車道要大20左右，而且平均值也較大?；炷涟宓臋M向斷裂位置在離行車方向接縫的距離（0.3，2.4］m的概率為0.80，斷裂位置在離行車方向接縫的距離（0.9，2.4］m 的概率為 0.77。

2）斷板與行車方向接縫的距離不符合正態(tài)分布，由最復(fù)雜原理得路面斷裂形成可能有著其明顯的物理原因;試驗(yàn)路段這種典型路面結(jié)構(gòu)的路面斷裂破壞主要是由路面面層厚度不足而強(qiáng)度不足、基層的厚度不足和抗沖刷能力不足、唧泥和沖刷等造成的脫空以及超載等原因引起。新建水泥混凝土路面設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)一步充分考慮各種因素的影響，完善水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)方法。破損水泥混凝土路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)中灌漿修復(fù)可以參考該統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，提高其穩(wěn)固基層的效果。

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Crack Damage of Cement Concrete Pavement

LV Hui-qing1，ZHANG Xiang-wei2，ZHANG Rong-hui1
（1.School of Civil Engineering ＆ Transportation，Guangdong University of Technology，Guangdong Guangzhou 510090，China;
2.School of Electronic-Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangdong Guangzhou 510090，China）

The crack of the cement concrete pavement（CCP）is caused by the coupling of various damage effects from macroscopic，meso，and microcosmic levels.Initially，the cement concrete pavement slabs in the test road are numbered and the crack damages of pavement are investigated in detail.The size and location of every crack in each pavement slab are measured and drawn in a plane map of cracking.Through the statistical analysis of crack distribution in every pavement slab，the distribution rule of pavement cracks under stochastic vehicle and environmental load is obtained.The physical reasons causing the cracks are discussed.With the results of crack distribution study，the theory of designing newly-constructed CCP，as well as the theory of the preventive maintenance of damaged CCP is developed and improved.

road engineering;crack damage;statistical analysis;cement concrete pavement

U416.217

A

1674-0696（2010）01-0054-04

2009-08-04;

2009-08-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50775044）;廣東省公路管理局科技項(xiàng)目（200801）

呂惠卿（1976-），女，河北保定人，講師，工學(xué)博士，主要從事道路工程等方面的研究工作。E-mail:lhuiqing@163.com。