混凝土路面板角斷裂的力學(xué)機(jī)理研究

梁立軍+向中富+周銘+張亮+翟永強(qiáng)+曹晨光

摘 要：鑒于板角斷裂是混凝土路面最常見的破壞形式，分析板角斷裂的原因，用數(shù)值模擬方法分析了完全接觸和脫空條件下板角的應(yīng)力變化。結(jié)果表明，由于板角部位滲水、基層滲入、唧泥脫空，脫空后板角應(yīng)力迅速增大，使脫空條件下的板角在大應(yīng)力作用下迅速斷裂。說明混凝土路面板角的工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)的完全接觸狀態(tài)不相符是導(dǎo)致其斷裂破壞的主要原因。

關(guān)鍵詞：混凝土路面板角；脫空；斷裂；力學(xué)機(jī)理

中圖分類號(hào)：U416.216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2016）05-0055-04

Abstract： The causes of slab corner fracture were analyzed given that it is the most common damage form of concrete pavement. Numerical simulation was applied to analyze the change of stress at slab corner between the states of total contact and disengaging. The results show that because of the water seepage at slab corner， foundation penetration and the pumping， stress at the slab corner soars and then causes the fracture， suggesting that the unmatched state of slab corner at work and in design stage is the main reason for the fracture at slab corner of concrete pavement.

Key words： slab corner of concrete pavement； disengaging； fracture； mechanism

0 引 言

本文針對(duì)混凝土路面板角斷裂破壞現(xiàn)象[1-4]，分析了發(fā)生板角斷裂的原因，用有限元方法計(jì)算了不同接觸和脫空量條件下板角的應(yīng)力變化規(guī)律，初步建議了避免混凝土路面板角斷裂破壞的對(duì)策，有利于增強(qiáng)人們對(duì)板角防水與板角脫空斷裂關(guān)系問題的認(rèn)識(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)中給予足夠重視。

1 水泥混凝土路面板角斷裂破壞原因分析

目前水泥混凝土路面容易產(chǎn)生板角斷裂的原因有以下幾方面。

1.1 混凝土板的設(shè)計(jì)狀態(tài)與實(shí)際工作狀態(tài)不符

現(xiàn)行混凝土路面設(shè)計(jì)是基于完全接觸條件下的小撓度彈性地基薄板理論，板在臨界荷位的應(yīng)力是混凝土板與基礎(chǔ)（基層）完全接觸條件下的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力。然而，在實(shí)際路面結(jié)構(gòu)中，由于板厚較薄，板角處的滲水遠(yuǎn)大于接縫中部，在重車和滲水的作用下，板角處容易產(chǎn)生大的撓度使板角下基層和路基產(chǎn)生塑性變形積累，導(dǎo)致板角唧泥脫空。板角脫空后的工作狀態(tài)為非設(shè)計(jì)模型的完全接觸，即使沒有脫空，浸水后的基層強(qiáng)度也非模型的均勻強(qiáng)度，這使得混凝土路面板的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)不符。在脫空或基層濕軟條件下，板的荷載應(yīng)力大大增加，導(dǎo)致板角斷裂，這就是目前混凝土路面斷裂破壞以板角斷裂破壞為主要破壞形式的原因；相比之下，臨界荷位處的路面板很少脫空，這是由于臨界荷位處的板滲水較少，很少脫空，在荷載作用下始終與基層完全接觸，板的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)較一致[5-8]。

1.2 重載作用

目前中國國省干線公路和高速公路的交通軸載組成復(fù)雜，有些軸載遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軸載，而混凝土路面由于剛性大、對(duì)土基不均勻變形和對(duì)重載作用敏感，當(dāng)路面板的厚度較小時(shí)，“薄”和“脆”的脫空板角更容易斷裂。

1.3 接縫滲水

在實(shí)際工程中，施工單位較重視路面板的強(qiáng)度，卻常常忽視接縫防水施工，導(dǎo)致接縫防水質(zhì)量難以控制；養(yǎng)護(hù)過程中也很難對(duì)接縫進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，不能定期更換接縫的材料。當(dāng)接縫滲水現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，基層濕軟，強(qiáng)度不均，在車輛荷載作用下，板底基層在泵吸作用和水的沖刷作用下產(chǎn)生唧泥脫空，隨即造成斷裂破壞。因此，要解決混凝土路面提前出現(xiàn)斷板的問題，必須重視防止板角的斷裂和接縫防水，盡量使混凝土路面的實(shí)際工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，減少板角的脫空斷裂破壞，延長(zhǎng)路面使用壽命。

2 水泥混凝土路面板角應(yīng)力變化規(guī)律的有限元分析

模擬計(jì)算不同結(jié)構(gòu)厚度的混凝土路面板角、板的縱向邊緣中部臨界荷位的應(yīng)力，分析了完全接觸與不同脫空長(zhǎng)度條件下，不同厚度板角的應(yīng)力變化規(guī)律、脫空對(duì)板角應(yīng)力的影響及不同荷載下板角和臨界荷位應(yīng)力差異。

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算模型的建立

應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，建立不同接觸條件下的水泥混凝土路面板的三維模型，計(jì)算不同板厚和軸載作用下，完全接觸和不同脫空條件下長(zhǎng)度的板角表面最大應(yīng)力。模型由路面板和地基2部分組成，路面板采用四面體Solid95單元模擬，加載面采用適合各種變化荷載和表面效應(yīng)的8節(jié)點(diǎn)SURF154單元模擬。

建模型的基本假設(shè)：面層、基層和墊層材料為線彈性材料，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合廣義胡克定律；路基土為彈塑性體，遵循Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，服從相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則；面層與基層間為非光滑接觸外，其余各層之間為完全連續(xù)的光滑接觸，位移完全連續(xù)。

模型邊界條件：路基一定深度（z方向）的底面為固定面，左右2個(gè)與z平行的面沒有x方向（行車方向）的位移；前后2個(gè)與z軸垂直的面沒有z方向的位移；前后2個(gè)與y軸（路寬方向）垂直的面沒有y方向的位移，模型如圖1所示。

圖1 模型坐標(biāo)系及網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?

荷載計(jì)算參數(shù)采用矩形接觸面荷載計(jì)算，矩形尺寸參考標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用面積，等效換算成矩形荷載作用面積為210.0 mm×170.0 mm，按標(biāo)準(zhǔn)軸載中心距雙輪中心距取320.0 mm，應(yīng)力取0.7 MPa。其他軸重的換算方法是作用面積不變，把軸重?fù)Q算成相應(yīng)壓力。荷載作用于板中臨界荷位和板角2個(gè)部位。

模型結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如下，基層及以下長(zhǎng)7 m，寬6 m；面板長(zhǎng)5 m，寬4 m，位于基層中央。板底與基層間的摩擦系數(shù)取0.4，其余各層層間連續(xù)。路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)如表1所示。

脫空板尺寸與完全接觸板相同，板角脫空尺寸按板的邊緣尺寸計(jì)算（即脫空0.75 m是指板角的直角邊脫空了0.75 m），脫空直角三角形的斜邊為脫空與完全接觸的界限，脫空直角三角形斜邊中垂線與水泥穩(wěn)定碎石基層1/2厚度連線形成的斜坡為脫空基層的范圍，如圖2所示。

2.2 混凝土路面臨界荷位和板角的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析

表2是標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，不同厚度板在臨界荷位的板底拉應(yīng)力和板角最大應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。

從表2可以看出。

（1）在板與基層完全接觸板條件下，臨界荷位板底拉應(yīng)力大于板角表面最大拉應(yīng)力，表明在完全接觸條件下，選擇板的縱向邊長(zhǎng)中點(diǎn)作為臨界荷位是合理的。

（2）在完全接觸條件下，荷載臨界荷位的板底應(yīng)力和板角表面最大拉應(yīng)力隨板厚和基層厚度的增加逐漸減小，板厚從18 cm增加到26 cm時(shí)，板底最大應(yīng)力減小了35%，板角最大應(yīng)力減小了52%。表明與臨界荷位板底拉應(yīng)力相比，板角表面最大拉應(yīng)力對(duì)板厚的變化較為敏感，板厚增加，板角的應(yīng)力將快速減小，即在相同軸載作用下，厚度較小的板更容易產(chǎn)生板角斷裂破壞，而不容易產(chǎn)生中部斷裂。

2.3 脫空對(duì)板角應(yīng)力影響的計(jì)算結(jié)果及分析

為找出路面板板厚、完全接觸與脫空條件下板角的應(yīng)力變化規(guī)律和影響因素，分析了完全接觸和不同脫空量的不同厚度混凝土板在標(biāo)準(zhǔn)軸載和重載作用下，混凝土路面板角表面沿45° 角平分線方向的應(yīng)力變化及最大應(yīng)力變化。計(jì)算結(jié)果如表3和圖3所示。

從表3和圖3可以看出。

（1）脫空和完全接觸板角的應(yīng)力變化規(guī)律不同。在脫空長(zhǎng)度小于1.5 m時(shí)，不同板角脫空長(zhǎng)度的板角表面應(yīng)力沿角平分線方向的變化呈拋物線變化；板角脫空后，沿板角平分線方向，板表面應(yīng)力逐漸增加到最大，然后逐漸減小，最大應(yīng)力位于脫空與接觸的交界附近。而完全接觸板角應(yīng)力變化不同，在0.5～0.75 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)快速增大，然后逐漸增大，但增大的幅度很小，應(yīng)力曲線變化平緩。而且，無論脫空大小，板角脫空后的應(yīng)力都遠(yuǎn)大于完全接觸的應(yīng)力。

（2）重載對(duì)脫空板角的應(yīng)力有顯著影響。在100 kN軸載作用下，完全接觸板角的最大主應(yīng)力為0.535 MPa，在200 kN荷載作用下，板角的最大應(yīng)力增加92%；脫空0.5 m后，在100 kN荷載作用下，應(yīng)力增加超過60%，在200 kN 軸載作用下，最大主應(yīng)力為2.187 MPa，增加308%。因此脫空板角在重載條件下更容易斷裂破壞。

（3）在100 kN軸載條件下，板厚由25 cm增加到35 cm時(shí)，完全接觸板的板角應(yīng)力減小7.2%，脫空0.5 m后，板角的應(yīng)力減小36% 以上，因此增加板厚可以有效減小板角應(yīng)力，從而避免由于脫空引起的板角斷板破壞。

3 結(jié) 語

（1）板角斷裂是混凝土路面最常見和最多的破壞病害，產(chǎn)生板角斷裂破壞的主要原因是由于板角滲水、基層濕軟和唧泥脫空，使混凝土路面板的脫空工作狀態(tài)與設(shè)計(jì)的完全接觸狀態(tài)不一致，脫空后的板角應(yīng)力遠(yuǎn)大于完全接觸狀態(tài)的應(yīng)力。

（2）混凝土板角脫空前后的應(yīng)力分布和變化規(guī)律不同。脫空前板角應(yīng)力先增大然后逐漸變得平緩，而脫空后的板角應(yīng)力呈拋物線變化，最大應(yīng)力位于脫空與接觸的交界附近。脫空后板角應(yīng)力快速增大，在重載作用下更容易斷裂破壞。

（3）基于增加板厚可以顯著降低脫空板角應(yīng)力的結(jié)論，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在板中臨界荷位計(jì)算的板厚基礎(chǔ)上，進(jìn)行板角脫空應(yīng)力驗(yàn)算，確定出滿足臨界荷位應(yīng)力和板角脫空應(yīng)力要求的板厚。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)混凝土路面接縫防水處理的施工工藝與質(zhì)量控制和養(yǎng)護(hù)管理，增強(qiáng)接縫的防水性，避免板角在滲水和荷載作用下的斷裂破壞。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]