水泥路面板底脫空對(duì)路面使用性能的影響

唐 榮 張國雄 李云霞

(1.山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104； 2.山東省公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250012)

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水泥路面板底脫空對(duì)路面使用性能的影響

唐 榮1張國雄2李云霞1

(1.山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104； 2.山東省公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250012)

利用有限元軟件，分析了脫空狀態(tài)下水泥路面的使用性能，并計(jì)算了水泥混凝土路面板完好及處于脫空狀態(tài)下的疲勞累積作用次數(shù)，指出板底脫空的形成會(huì)縮減水泥混凝土的使用壽命。

水泥混凝土路面，板底脫空，有限元，荷載

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，重載、超載車輛比例增大，水泥路面作為一種具有面板剛度大、適用范圍廣、使用時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的高等級(jí)路面越來越多的被使用。但水泥混凝土路面容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞——斷板，嚴(yán)重影響行車的舒適性和安全性。國內(nèi)外許多研究成果表明板底脫空是造成水泥混凝土路面板早期斷裂的重要原因。本文利用邁達(dá)斯FEA軟件，通過有限元對(duì)水泥混凝土處于板底脫空下的受力情況進(jìn)行研究，分析水泥板的荷載應(yīng)力與脫空尺寸之間的關(guān)系；同時(shí)根據(jù)計(jì)算水泥混凝土路面板完好及處于脫空狀態(tài)下的疲勞累積作用次數(shù)，計(jì)算板底脫空狀態(tài)下水泥板的使用壽命。

1 板底脫空的產(chǎn)生及發(fā)展機(jī)理

1.1 脫空區(qū)的產(chǎn)生

水泥混凝土路面具有很大的剛度，其彈性模量約為基層材料的20倍，當(dāng)車輛通過時(shí)，水泥板在車輛荷載的作用下向下彎曲，同時(shí)基層材料在路面板的作用下會(huì)產(chǎn)生一定量的變形(主要為彈性變形和塑性變形)。當(dāng)車輛駛離后，水泥板回彈至原位置，但由于基層材料存在塑性變形，因此不能恢復(fù)原狀。當(dāng)經(jīng)過車輛多次作用后，基層殘留的塑性變形量變大，基層與板底出現(xiàn)空隙。同時(shí)重型車輛對(duì)路面的沖擊作用會(huì)使基層中的細(xì)小顆粒從基層中脫離，并從接縫處排出，形成脫空。

1.2 脫空區(qū)的擴(kuò)展

隨著路面的使用，降水由裂縫或接縫處滲入板底與基層的空隙處，形成滯留水。當(dāng)車輛駛過路面時(shí)，水泥板會(huì)產(chǎn)生向下?lián)锨拖蛏匣貜椀淖冃?，在這過程中會(huì)對(duì)滯留水產(chǎn)生擠壓和泵吸，形成高速水流。高速水流反復(fù)對(duì)基層表面進(jìn)行沖刷，基層中的細(xì)集料與粗集料分離，并伴隨著水流從接縫中排出，造成脫空區(qū)的不斷擴(kuò)大。同時(shí)隨著脫空區(qū)的不斷擴(kuò)大，滯留水量變大，水壓增強(qiáng)，沖刷效果更加明顯，加快細(xì)集料的流失，進(jìn)而造成脫空區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)脫空達(dá)到一定程度，在車輛荷載的作用下路面板斷裂。

2 有限元分析

2.1 模型建立

采用邁達(dá)斯FEA對(duì)路面板進(jìn)行有限元分析。假定公路水泥混凝土路面面板的長(zhǎng)寬為5 m×3.75 m，各結(jié)構(gòu)層厚度及相關(guān)材料參數(shù)見表1。

表1 水泥路面材料參數(shù)

選用BZZ-100單軸雙輪組標(biāo)準(zhǔn)軸載作為加載方式。建立模型如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過模擬分析計(jì)算，得到水泥混凝土板在未出現(xiàn)脫空狀態(tài)下的荷載應(yīng)力為1.415 MPa。

未出現(xiàn)脫空狀態(tài)下路面板荷載應(yīng)力分析模型見圖2。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，脫空區(qū)的形狀近似三角形，為方便計(jì)算假定為等腰三角形，脫空間隙為2 cm，直角邊長(zhǎng)分別采用0.2 m，0.4 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.5 m。對(duì)面層施加車輛荷載，加載位置如圖3所示。

由圖2和圖4可以發(fā)現(xiàn)，基層處于脫空狀態(tài)下，當(dāng)有荷載施加在面板上時(shí)，面層和基層會(huì)出現(xiàn)較大的變形，且以脫空區(qū)處的變形最大。

運(yùn)用有限元模型計(jì)算分析脫空尺寸與荷載應(yīng)力之間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同尺寸下板角荷載應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

通過圖5可以得出，荷載應(yīng)力與脫空尺寸呈線性增長(zhǎng)的關(guān)系，隨著脫空尺寸的增加，荷載應(yīng)力線性增長(zhǎng)，隨著脫空尺寸由0.2 m增長(zhǎng)至1.5 m，荷載應(yīng)力由1.578 MPa增加至2.953 MPa，增長(zhǎng)率達(dá)到187%。

路面受到的荷載應(yīng)力與脫空尺寸之間的關(guān)系式為：

y=0.987 1x+1.415

(1)

R2=0.994 9

(2)

3 脫空狀態(tài)下水泥混凝土疲勞累積作用次數(shù)

3.1 理論分析

假設(shè)水泥混凝土路面在標(biāo)準(zhǔn)軸載一次作用下，產(chǎn)生的荷載應(yīng)力為σp1，在荷載σp1的重復(fù)作用下，水泥混凝土路面所能達(dá)到的疲勞壽命為N1，作用一次后產(chǎn)生的疲勞損傷為C1，可得：

(3)

當(dāng)脫空形成后，水泥混凝土路面板的受力狀態(tài)發(fā)生變化，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，混凝土板的荷載應(yīng)力增大。標(biāo)準(zhǔn)軸載第n次作用時(shí)的計(jì)算公式：

(4)

當(dāng)路面達(dá)到疲勞斷裂時(shí)，有:

C1+C2+…+Cn=1

(5)

即：

(6)

經(jīng)過計(jì)算可得：

(7)

3.2 實(shí)例分析

路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。假定高速公路位于第Ⅱ5a區(qū)，取最大溫度梯度83 ℃/m，板長(zhǎng)5 m,t=l/(3r)=5/(3×0.744)=2.240，板厚h=0.26 m，高速公路最大溫度梯度時(shí)混凝土板的溫度翹曲應(yīng)力為：

(8)

考慮溫度應(yīng)力累積疲勞作用的疲勞損傷應(yīng)力系數(shù)為：

(9)

則混凝土的溫度疲勞應(yīng)力為:

σtr=ktσtm=0.585×1.699=0.994 MPa

(10)

假設(shè)該公路在運(yùn)營過程中一直保持完好狀態(tài)，即每次施加標(biāo)準(zhǔn)軸載后產(chǎn)生的荷載應(yīng)力不變，由上面的公式計(jì)算得到公路的疲勞累積作用次數(shù)為：

(11)

但在實(shí)際運(yùn)營過程中，在車輛荷載的反復(fù)作用下，水泥板不可避免的出現(xiàn)脫空等病害。假定脫空區(qū)邊長(zhǎng)每增加1 cm需要受到15 000次的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用，即軸載每次作用到水泥板時(shí)會(huì)使脫空區(qū)的邊長(zhǎng)增加6.7×10-7m，則σpi=0.987 1×6.7×10-7(i-1)+1.415。代入以上公式計(jì)算得出脫空狀態(tài)下水泥板的疲勞累積作用次數(shù)為：Ne=8.85×105次。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，脫空狀態(tài)下混凝土的使用壽命顯著下降，僅為基層完好狀態(tài)下混凝土壽命的1.04%。

4 結(jié)語

1)通過對(duì)板底脫空演化機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)板底脫空產(chǎn)生的主要原因是車輛荷載及水損害，在脫空區(qū)滯留水的作用下，脫空區(qū)不斷擴(kuò)大；

2)通過建立有限元模型進(jìn)行分析，得出隨著脫空尺寸的增加，荷載應(yīng)力線性增長(zhǎng)；

3)對(duì)脫空狀態(tài)下的的疲勞累積作用次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)脫空對(duì)路面板的疲勞壽命的影響是非常顯著的。

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Impact of hollow bottom slab of cement pavement upon pavement utilization performance

Tang Rong1Zhang Guoxiong2Li Yunxia1

(1.ShandongVocationalCollege,Jinan250104,China; 2.ShandongHighwayDesignConsultingCo.,Ltd,Jinan250012,China)

Through applying finite element software, the article analyzes cement pavement utilization performance under hollow slab condition, calculates fatigue accumulating action times when the cement concrete pavement slab is in good and hollow condition, and finally points out that: hollow bottom slab forming will reduce cement concrete serving life.

cement concrete pavement, hollow bottom slab, finite element, load

1009-6825(2016)26-0153-02

2016-07-07

唐 榮(1987- )，女，助教； 張國雄(1988- )，男，工程師； 李云霞(1976- )，女，講師

U416.2

A