CRCP沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂及影響因素分析

趙全滿， 張洪亮， 高江平， 周　浩

(1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院， 濟(jì)南　250101； 2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安　710064)

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CRCP沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂及影響因素分析

趙全滿1,2， 張洪亮2， 高江平2， 周浩1

(1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院， 濟(jì)南250101； 2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安710064)

為了對(duì)沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂產(chǎn)生原因及影響因素進(jìn)行研究，首先考慮水泥混凝土細(xì)觀上是由膠凝材料、集料及其界面組成的非均勻材料，采用PFC2D軟件從細(xì)觀尺度上進(jìn)行水泥混凝土抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度數(shù)值模擬試驗(yàn)，得到水泥混凝土的彈性模量和彎拉強(qiáng)度；然后考慮連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)沖斷區(qū)域特點(diǎn)，利用有限元軟件建立CRCP宏觀受力分析模型，結(jié)合混凝土細(xì)觀研究所得彈性模量和彎拉強(qiáng)度，對(duì)車輛荷載、濕度梯度和溫度梯度作用下的沖斷區(qū)域路面板后續(xù)開(kāi)裂進(jìn)行研究；最后分析水泥混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成參數(shù)和宏觀影響因素對(duì)沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂的影響. 研究結(jié)果表明：水泥摻量、水泥強(qiáng)度及集料和膠凝材料界面剛度對(duì)沖斷區(qū)域路面板后續(xù)開(kāi)裂影響較大，車輛超載和板底脫空是沖斷區(qū)域路面板后續(xù)開(kāi)裂的主要原因.

道路工程； 連續(xù)配筋混凝土路面； 沖斷； 兩尺度； 離散元； 有限元； 后續(xù)開(kāi)裂； 影響因素

連續(xù)配筋混凝土路面(CRCP)具有使用壽命長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低及行車舒適性高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已大量應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)和干線道路上，具有良好的應(yīng)用前景. CRCP的主要病害形式是沖斷，沖斷是指由間距很小(小于0.6 m)的2個(gè)橫向裂縫與路面邊緣(或縱向裂縫)和縱向裂縫所圍成的區(qū)域，AASHTO 2002設(shè)計(jì)指南將沖斷作為CRCP的基本設(shè)計(jì)指標(biāo)之一[1].

沖斷區(qū)域形成初期時(shí)，路面平整度狀況良好，對(duì)行車舒適性影響不大，隨著外部荷載的不斷作用，沖斷區(qū)域出現(xiàn)后續(xù)開(kāi)裂及混凝土剝落，嚴(yán)重影響行車舒適性，需要對(duì)路面進(jìn)行適當(dāng)維修. 但目前對(duì)于沖斷區(qū)域的后續(xù)開(kāi)裂問(wèn)題研究甚少.

CRCP的使用性能受混凝土影響極大，從細(xì)觀尺度上考慮，水泥混凝土是由膠凝材料、集料及其界面組成的復(fù)合材料，細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成決定了宏觀力學(xué)性能. 離散軟件PFC2D是將材料離散化的一種軟件，通過(guò)材料細(xì)觀組成結(jié)構(gòu)(離散化的圓形顆粒體)的相互作用體現(xiàn)材料的宏觀力學(xué)特性. 國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者利用離散元方法從細(xì)觀尺度對(duì)瀝青混凝土的黏彈性特性[2-3]、蠕變特性[4-6]、間接拉伸強(qiáng)度[7-8]、路面疲勞損傷性能[9]等方面進(jìn)行了研究；陳俊等[10]運(yùn)用離散元軟件進(jìn)行了瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)，對(duì)混凝土的斷裂機(jī)理進(jìn)行了研究；蔣瑋等[11]利用離散元軟件對(duì)級(jí)配不同但孔隙率接近的PAC- 13進(jìn)行了CBR虛擬試驗(yàn)，對(duì)瀝青混合料級(jí)配進(jìn)行了比選和優(yōu)化. 可見(jiàn)，采用離散元軟件對(duì)混凝土進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)是可行的.

宏觀尺度上，水泥混凝土可被視為均一材料，其受力可用彈性力學(xué)方法進(jìn)行求解(大多數(shù)理論分析中均將混凝土視為彈性體). 彈性力學(xué)中，多采用薄板理論對(duì)CRCP進(jìn)行受力分析，但沖斷區(qū)域板厚與板塊尺寸相差不大，采用傳統(tǒng)的小撓度薄板理論對(duì)CRCP進(jìn)行受力分析顯然不太合理，同時(shí)，裂縫的存在使沖斷區(qū)域受力的解析解很難得到. 而有限元方法是一種發(fā)展比較完善的數(shù)值計(jì)算方法[12]，本文擬采用有限元方法對(duì)荷載作用下沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行研究.

另一方面，CRCP在車輛荷載和外部環(huán)境的不斷影響下，其彈性模量、彎拉強(qiáng)度等宏觀力學(xué)性能必然逐漸衰退，進(jìn)而加速路面的破壞. 但是，現(xiàn)有有限元方法和理論方法多將水泥混凝土宏觀力學(xué)參數(shù)視為固定值，忽略了混凝土力學(xué)性能衰減對(duì)路面受力及破壞的影響. 而且，沖斷區(qū)域與正常路段相比，具有邊界條件特殊、尺寸小、易形成板底脫空及沖擊荷載等特點(diǎn). 因而，本文采用離散元PFC2D軟件從細(xì)觀尺度上進(jìn)行混凝土彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度數(shù)值模擬試驗(yàn)，代替室內(nèi)試驗(yàn)得到混凝土彈性模量和彎拉強(qiáng)度，將彈性模量用于CRCP路面有限元建模，彎拉強(qiáng)度用于與沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力對(duì)比分析其是否開(kāi)裂. 然后建立CRCP沖斷區(qū)域有限元模型，建模時(shí)充分考慮其周邊裂縫的存在，分析其在車輛荷載、濕度梯度和溫度梯度作用下的受力狀態(tài). 最后，分析宏、細(xì)觀參數(shù)對(duì)沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂的影響.

1　水泥混凝土細(xì)觀數(shù)值模擬試驗(yàn)

進(jìn)行的數(shù)值模擬試驗(yàn)包括抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度試驗(yàn). 但在進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)前，首先應(yīng)當(dāng)知道混凝土的材料組成，才能得到與實(shí)際情況相符的水泥混凝土數(shù)值模擬試件. 因而，在進(jìn)行數(shù)值模擬之前，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn).

試驗(yàn)時(shí)配制的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》中混凝土配合比的計(jì)算方法，計(jì)算所得每立方米水泥混凝土中砂、粗集料、水泥和水的用量分別為596、1 211、398、195 kg，粗集料中5～10 mm擋料和10～20 mm擋料的比例為3∶7.

首先，按照上述級(jí)配成型10 cm×10 cm×40 cm和15 cm×15 cm×15 cm兩組試件，每組3個(gè)；然后，將所有試件放在養(yǎng)生室養(yǎng)生28 d；最后，對(duì)2組試件分別進(jìn)行彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)所得彎拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為4.76、38.7 MPa. 將所得室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模擬試驗(yàn)的可行性，其中數(shù)值模擬試驗(yàn)所用級(jí)配與室內(nèi)試驗(yàn)相同.

1.1抗壓強(qiáng)度細(xì)觀數(shù)值模擬試驗(yàn)

進(jìn)行水泥混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)值模擬試驗(yàn)時(shí)，首先應(yīng)按照室內(nèi)試驗(yàn)的級(jí)配生成模型試件，然后對(duì)生成顆粒賦予參數(shù)以模擬膠凝材料的黏結(jié)作用，最后對(duì)生成試件進(jìn)行加載以模擬抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).

1.1.1模型的建立

1) 模型參數(shù)

在離散元軟件PFC2D中，材料的宏觀力學(xué)參數(shù)是由細(xì)觀顆粒間的相互作用決定，但細(xì)觀參數(shù)無(wú)法通過(guò)宏觀力學(xué)試驗(yàn)獲得，需要不斷調(diào)試獲得. 參考相應(yīng)文獻(xiàn)[3]中的模型參數(shù)，經(jīng)過(guò)調(diào)試后推薦模型參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　文獻(xiàn)中模型參數(shù)推薦值

2) 試件的生成

按照室內(nèi)試驗(yàn)的級(jí)配生成數(shù)值試件，用半徑為4.750～9.500 mm和2.375～4.750 mm的顆粒分別模擬9.50～19.00 mm和4.75～9.50 mm兩檔集料，用半徑為0.5～1.0 mm的顆粒模擬膠凝材料和砂，生成試件大小為15 cm×15 cm，用平行黏結(jié)模型模擬膠凝材料的黏結(jié)特性，生成試件見(jiàn)圖1，平均不平衡力監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2. 由圖2可知，平均不平衡力接近于零，模型達(dá)到平衡，此時(shí)可對(duì)試件進(jìn)行加載.

1.1.2試驗(yàn)結(jié)果

加載時(shí)，通過(guò)伺服機(jī)制控制墻體的速度對(duì)試件進(jìn)行加載，加載所得應(yīng)力- 應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3. 由圖可得，混凝土抗壓強(qiáng)度為38.0 MPa，彈性模量為29.4 GPa.

1.1.3混凝土不同強(qiáng)度等級(jí)下的細(xì)觀參數(shù)推薦值

數(shù)值模擬試驗(yàn)時(shí)顆粒間細(xì)觀參數(shù)不同則抗壓強(qiáng)度亦不同，因而可通過(guò)改變細(xì)觀參數(shù)改變混凝土的抗壓強(qiáng)度. 在離散元中，顆粒及顆粒間相互作用的細(xì)觀參數(shù)必須進(jìn)行標(biāo)定，本文參考相應(yīng)文獻(xiàn)進(jìn)行了大量的混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)定試驗(yàn)，給出水泥混凝土不同強(qiáng)度等級(jí)下的細(xì)觀參數(shù)推薦值，如表2所示. 考慮到集料的模量在20 GPa左右，因而標(biāo)定時(shí)顆粒剛度不變. 推薦值可作為彎拉強(qiáng)度數(shù)值模擬試驗(yàn)的細(xì)觀參數(shù).

表2　模擬試驗(yàn)所得混凝土細(xì)觀參數(shù)推薦值

1.2彎拉強(qiáng)度細(xì)觀數(shù)值模擬試驗(yàn)

以表1中給出的細(xì)觀參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行水泥混凝土彎拉強(qiáng)度數(shù)值模擬試驗(yàn)，得到水泥混凝土的彎拉強(qiáng)度.

1.2.1彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

進(jìn)行彎拉強(qiáng)度數(shù)值模擬試驗(yàn)時(shí)，顆粒的生成、級(jí)配、模型基本參數(shù)等與抗壓強(qiáng)度數(shù)值模擬試驗(yàn)相同，試件大小為10 cm×40 cm. 加載時(shí)，采用墻體控制應(yīng)變的方式，建立的模型見(jiàn)圖4，達(dá)到平衡后對(duì)試件進(jìn)行加載.

1.2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)生成的試件采用控制墻體速度的方式進(jìn)行加載，得到的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線見(jiàn)圖5. 由圖可知，試件的彎拉強(qiáng)度為4.89 MPa. 由抗壓強(qiáng)度模擬試驗(yàn)可知，其抗壓強(qiáng)度為38.0 MPa，對(duì)于強(qiáng)度為38.0 MPa的水泥混凝土，其彎拉強(qiáng)度一般為4.5～5.0 MPa，同種級(jí)配下室內(nèi)試驗(yàn)所得抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度分別為38.7 MPa和4.76 MPa，可見(jiàn)數(shù)值模擬試驗(yàn)是十分可信的.

1.3基于離散元的水泥混凝土彈性模量和彎拉強(qiáng)度推薦值

以表2所得細(xì)觀參數(shù)為基礎(chǔ)，分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度數(shù)值模擬試驗(yàn)，所得彈性模量和彎拉強(qiáng)度見(jiàn)表3(路用混凝土的強(qiáng)度等級(jí)一般在C40以上，考慮水泥混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減，僅給出C20以上混凝土的彈性模量和彎拉強(qiáng)度).

2　CRCP沖斷區(qū)域受力分析

2.1模型的參數(shù)及建立

采用有限元軟件ABAQUS對(duì)CRCP沖斷區(qū)域進(jìn)行受力分析，受力分析時(shí)施加荷載為標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN，輪胎胎壓為707 kPa，輪胎加載模型見(jiàn)圖6[13].

表3水泥混凝土彈性模量和彎拉強(qiáng)度推薦值

Table 3Recommendation value of elasticity modulus and flexural strength for cement concrete

面層采用C40水泥混凝土，由離散元細(xì)觀數(shù)值模擬試驗(yàn)可知，有限元模型參數(shù)為：彈性模量29.8 GPa，密度2 400 kg/m3，泊松比0.15，熱膨脹系數(shù)1×10-5/℃，溫度梯度50 ℃/m，彎拉強(qiáng)度4.95 MPa；基層彈性模量300 MPa，泊松比0.25；路基回彈模量54 MPa，泊松比0.35；面層與基層間的摩阻系數(shù)0.5，裂縫傳荷系數(shù)50%，路肩與路面間的傳荷系數(shù)30%[13]；沖斷區(qū)域?yàn)檎叫危呴L(zhǎng)為0.6 m，位于路面邊緣處.

有限元模擬時(shí)，路面結(jié)構(gòu)包括面層、基層和路基，面層長(zhǎng)、寬、厚分別為5.0、4.0、0.2 m，基層長(zhǎng)、寬、厚分別為10.00、10.00、0.15 m，路基長(zhǎng)、寬、厚分別為10、10、6 m. 面層、基層和路基四周受水平約束，路基底部為固定約束[14]. 沖斷區(qū)域位于路面邊緣，由2條橫向裂縫、1條縱向裂縫和路面邊緣圍成，假定裂縫已貫穿整個(gè)路面厚度，并近似為直線，用縱、橫向彈簧模擬裂縫的傳荷能力，參考相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算彈簧剛度[13]，鋼筋模擬時(shí)用等效厚度的方法將

鋼筋等效成一定厚度的混凝土[13].

2.2沖斷區(qū)域受力分析

進(jìn)行沖斷區(qū)域受力分析時(shí)，考慮車輛荷載、濕度梯度、溫度梯度的綜合作用(計(jì)算時(shí)溫度梯度在路面厚度內(nèi)的分布近似為線性，將濕度梯度換算成溫度梯度[13])，荷載作用位置為沖斷區(qū)域縱向邊緣中部，計(jì)算所得沖斷區(qū)域彎拉應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7(為清晰顯示沖斷區(qū)域受力狀態(tài)，只顯示沖斷區(qū)域，路面其余部分隱去). 由圖可知，在車輛荷載、濕度梯度和溫度梯度綜合作用下沖斷區(qū)域板底受拉，板頂受壓，最大彎拉應(yīng)力為1.52 MPa，彎拉強(qiáng)度為4.95 MPa，在車輛的重復(fù)荷載作用下發(fā)生疲勞斷裂.

3　影響因素分析

3.1水泥混凝土細(xì)觀組成參數(shù)對(duì)沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂的影響

集料特性、水泥強(qiáng)度、水泥摻量、孔隙率等對(duì)混凝土的宏觀力學(xué)特性有較大的影響. 反映到離散元中，可用平行黏結(jié)模型表征混凝土的一些細(xì)觀特性：平行黏結(jié)半徑代表著水泥摻量，平行黏結(jié)強(qiáng)度代表著水泥強(qiáng)度大小，平行黏結(jié)剛度代表著膠凝材料和集料黏結(jié)界面的剛度，顆粒摩擦系數(shù)代表著集料表面粗糙程度，孔隙率代表著混凝土試件的孔隙狀況. 在具體分析某個(gè)細(xì)觀參數(shù)對(duì)沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂的影響時(shí)，保持其余參數(shù)不變，改變?cè)搮?shù)，通過(guò)離散元抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度細(xì)觀數(shù)值模擬試驗(yàn)所得混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量和彎拉強(qiáng)度，以及通過(guò)有限元計(jì)算所得板底彎拉應(yīng)力見(jiàn)表4.

表4　細(xì)觀參數(shù)對(duì)沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力的影響

由表4可以看出：

1) 隨著混凝土中水泥摻量的減少(平行黏結(jié)半徑從0.6減小為0.3時(shí))，荷載作用下沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力減小5.2%，但混凝土彎拉強(qiáng)度減小29.4%. 可見(jiàn)，減小水泥摻量導(dǎo)致沖斷區(qū)域在荷載作用下更易開(kāi)裂.

2) 隨著混凝土中水泥強(qiáng)度的降低(平行黏結(jié)強(qiáng)度從700 MPa/m減小為400 MPa/m時(shí))，荷載作用下沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力基本不變，但混凝土彎拉強(qiáng)度減小43.8%. 可見(jiàn)，水泥強(qiáng)度的降低使沖斷區(qū)域在外荷載作用下更易開(kāi)裂.

3) 隨著混凝土中集料和膠凝材料界面剛度的降低(平行黏結(jié)剛度從7 000 GN/m減小為4 000 GN/m時(shí))，荷載作用下沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力減小3.3%，但混凝土彎拉強(qiáng)度減小18.1%. 可見(jiàn)，集料和膠凝材料界面剛度的降低使沖斷區(qū)域在外荷載作用下更易開(kāi)裂.

4) 隨著混凝土中集料粗糙度的降低(摩擦系數(shù)從0.8減小為0.2時(shí))，沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力及彎拉強(qiáng)度變化不大，集料粗糙度對(duì)沖斷區(qū)域在外部荷載作用下的開(kāi)裂影響不大.

5) 隨著孔隙率的降低(孔隙率由0.14減小到0.08時(shí))，沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力及彎拉強(qiáng)度變化不大. 可見(jiàn)，混凝土孔隙率對(duì)沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂影響不大.

3.2宏觀影響因素對(duì)沖斷區(qū)域開(kāi)裂的影響

沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂受一些宏觀因素的影響，包括基層類型、板底脫空、面層強(qiáng)度、沖斷區(qū)域尺寸、沖擊荷載、裂縫處傳荷能力等. 相關(guān)文獻(xiàn)[15-16]已經(jīng)證明，隨著面層厚度和基層厚度的增加，路面板底彎拉應(yīng)力逐漸減小，因而本文不再對(duì)其進(jìn)行分析，相關(guān)影響因素及改變宏觀參數(shù)所得板底彎拉應(yīng)力見(jiàn)表5.

表5　宏觀參數(shù)對(duì)沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力的影響

由表5可以看出：

1) 當(dāng)沖斷區(qū)域板底脫空尺寸從0 m增加為0.6 m時(shí)，沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力增加了148.7%，分析可知，對(duì)于C40水泥混凝土其彎拉強(qiáng)度為4.95 MPa，可見(jiàn)在板底脫空后沖斷區(qū)域極易在一次重載作用下發(fā)生斷裂.

2) 基層模量增加時(shí)，板底縱向彎拉應(yīng)力先減小后增加，板底橫向彎拉應(yīng)力逐漸減小，分析原因主要是因?yàn)槁芳缣巶骱上禂?shù)小于裂縫處傳荷系數(shù)，當(dāng)基層模量較大時(shí)，板底縱向彎拉應(yīng)力明顯大于板底橫向彎拉應(yīng)力，沖斷區(qū)域以產(chǎn)生橫向裂縫為主.

3) 當(dāng)路基模量從30 MPa增加為200 MPa時(shí)，板底縱向彎拉應(yīng)力減小了51.5%. 可見(jiàn)，穩(wěn)定的路基對(duì)減小沖斷區(qū)域后續(xù)開(kāi)裂影響很大.

4) 混凝土強(qiáng)度衰減時(shí)往往伴隨著混凝土模量的降低，由表5可知：混凝土模量減小時(shí)，沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力變化不大. 但由表3可知，面層模量為29.8 GPa和21.8 GPa對(duì)應(yīng)混凝土彎拉強(qiáng)度分別為4.95 MPa和3.11 MPa. 可見(jiàn)，混凝土強(qiáng)度衰減對(duì)路面受力影響不大，但混凝土本身強(qiáng)度的衰減將導(dǎo)致沖斷區(qū)域板底更易開(kāi)裂.

5) 當(dāng)沖斷區(qū)域尺寸從0.4 m增加為0.8 m時(shí)，板底縱向和橫向彎拉應(yīng)力分別增加了13.6%和12.9%. 可見(jiàn)，更大尺寸的沖斷區(qū)域更易產(chǎn)生二次開(kāi)裂.

6) 當(dāng)荷載從80 kN增加為160 kN時(shí)，沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力增加了97.6%，可見(jiàn)較大的荷載是沖斷區(qū)域二次開(kāi)裂的重要原因.

7) 隨著基層摩阻系數(shù)的增加，板底縱向彎拉應(yīng)力減小緩慢，但橫向彎拉應(yīng)力減小較快，分析原因主要是由于沖斷區(qū)域尺寸及所處位置導(dǎo)致的. 摩阻系數(shù)對(duì)沖斷區(qū)域二次開(kāi)裂影響較大，合適的摩阻系數(shù)可有效減少?zèng)_斷區(qū)域路面的開(kāi)裂.

8) 當(dāng)傳荷系數(shù)降低時(shí)，沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力反而減少，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)沖斷區(qū)域的Mise應(yīng)力明顯增加，此時(shí)沖斷區(qū)域以受壓為主，彎拉應(yīng)力較小. 同時(shí)，裂縫傳荷能力降低時(shí)，在外荷載作用下沖斷區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致基層變形過(guò)大，產(chǎn)生脫空，加之路面不平整使車輛經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生沖擊荷載，導(dǎo)致沖斷區(qū)域路面更易開(kāi)裂.

4　結(jié)論

1) 對(duì)水泥混凝土抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度細(xì)觀數(shù)值進(jìn)行了模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著加載墻體位移的增加，試件內(nèi)部應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)達(dá)到試件抗壓強(qiáng)度或彎拉強(qiáng)度時(shí)，試件內(nèi)部應(yīng)力迅速降低. 通過(guò)模擬可知，混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量和彎拉強(qiáng)度分別為38.0 MPa、29.4 GPa和4.89 MPa.

2) 在車輛荷載、濕度梯度和溫度梯度綜合作用下，CRCP沖斷區(qū)域板底縱向彎拉應(yīng)力為1.52 MPa，與其彎拉強(qiáng)度4.95 MPa單位相當(dāng)，在車輛的重復(fù)荷載作用下易發(fā)生疲勞斷裂.

3) 對(duì)水泥混凝土細(xì)觀組成參數(shù)對(duì)沖斷區(qū)域路面板開(kāi)裂的影響進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)：水泥強(qiáng)度、水泥摻量及膠凝材料和集料界面剛度對(duì)沖斷區(qū)域路面板的開(kāi)裂影響較大，混凝土孔隙率及集料粗糙度對(duì)沖斷區(qū)域路面板的開(kāi)裂影響不大. 因而在路面設(shè)計(jì)時(shí)，選擇合適的水泥摻量、高強(qiáng)度水泥及潔凈的集料十分重要.

4) 對(duì)宏觀影響因素對(duì)沖斷區(qū)域路面板斷裂的影響進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)：隨著車輛荷載和板底脫空的增加，沖斷區(qū)域板底彎拉應(yīng)力迅速增加，車輛超載和板底脫空是沖斷區(qū)域路面開(kāi)裂的主要原因；隨著沖斷區(qū)域尺寸的增加，板底彎拉應(yīng)力逐漸增加，較大尺寸的沖斷區(qū)域更易發(fā)生二次開(kāi)裂；隨著路基模量的增加，板底彎拉應(yīng)力逐漸減小，穩(wěn)定的路基可有效減少?zèng)_斷區(qū)域路面板的二次開(kāi)裂；混凝土強(qiáng)度的衰減、裂縫處傳荷系數(shù)的降低，加快了沖斷區(qū)域路面板的斷裂.

5) 本文在對(duì)水泥混凝土進(jìn)行離散元細(xì)觀數(shù)值模擬試驗(yàn)時(shí)采用的是二維模型，與三維實(shí)體存在一定的差別，建議在以后的研究中建立三維模型對(duì)混凝土性能進(jìn)行研究. 同時(shí)，路面受力分析時(shí)使用的荷載為靜載，可考慮使用動(dòng)載對(duì)CRCP沖斷區(qū)域進(jìn)行受力分析.

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(責(zé)任編輯鄭筱梅)

Analysis of Subsequent Cracking of CRCP Punch-out Area and Influence Factors

ZHAO Quanman1,2, ZHANG Hongliang2, GAO Jiangping2, ZHOU Hao1

(1.School of Transportation Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China；2.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to study the reasons and influence factors of subsequent cracking in punch-out areas, cement concrete which is constituted by cementing materials, aggregates and their interfaces were taken into consideration. Firstly, compressive strength test and flexural tensile strength test in meso-scale were simulated by using PFC2D software, and elastic modulus and flexural tensile strength were obtained. Secondly, considering the characteristics of continuously reinforced concrete pavement (CRCP) punch-out area and combining the elastic modulus and flexural tensile strength which were obtained from compressive strength test and flexural tensile strength test, the mechanics model of CRCP in macro-scale was established by the finite element method software and the subsequent cracking of CRCP punch-out area under vehicle load, temperature and moisture gradient was analyzed. Lastly, influence factors of the constitution factors of concrete in meso-scale and pavement factors in macro-scale on subsequent cracking of CRCP punch-out area were analyzed.The results based on the study of two scale model for macro-scale and meso-scale indicate that cement content, cement strength and interface stiffness of aggregate and cementing materials have large influence on subsequent cracking of CRCP punch-out area, vehicle overload and void at the bottom of pavement are the main reasons for subsequent cracking of CRCP punch-out area.

road engineering; continuously reinforced concrete pavement (CRCP); punch-out; two scale; discrete element method; finite element method; subsequent cracking; influence factors

2015- 10- 23

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CHD2011ZD010)

趙全滿(1987—)， 男， 講師，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究，E-mail：bestcupid@163.com

U 416

A

0254-0037(2016)05-0753-09

10.11936/bjutxb2015100068