水泥混凝土路面板底脫空區(qū)域動(dòng)水壓力分布特性

陳開國

（貴州智恒工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，貴州貴陽 550004）

水泥混凝土路面板底脫空區(qū)域動(dòng)水壓力分布特性

陳開國

（貴州智恒工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，貴州貴陽 550004）

為了研究脫空區(qū)滯留水產(chǎn)生動(dòng)水壓力的分布特性，建立含脫空區(qū)混凝土路面?滯留水雙向流固耦合計(jì)算模型，分析了車輛行車位置、行車速度、軸載、脫空區(qū)面積等因素對動(dòng)水壓力的影響。研究結(jié)果表明：動(dòng)水壓力沿著出口方向呈三次方減小關(guān)系；車輛行駛速度、軸載、脫空區(qū)面積是影響動(dòng)水壓力的3個(gè)重要因素；動(dòng)水壓力大小與行駛速度呈二次方增加關(guān)系，與軸載呈線性增加關(guān)系，與脫空區(qū)面積呈三次多項(xiàng)式增加關(guān)系。

混凝土路面；板底脫空；滯留水；動(dòng)水壓力

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，作為一種高等級路面，水泥混凝土路面被廣泛使用［1］。水泥混凝土路面是典型的層狀結(jié)構(gòu)體系，在溫度、濕度和車輛荷載等作用下會(huì)產(chǎn)生翹曲變形，反復(fù)的翹曲變形后形成卷曲，從而脫離地基頂面形成界面裂縫甚至板底脫空。在雨水豐富或排水不暢地區(qū)，水經(jīng)過接縫或水泥板裂縫滲入到板底，侵入基層頂面形成滯留水。滯留水在車輛荷載的反復(fù)作用下形成高速水流，并對基層產(chǎn)生沖刷作用，使基層細(xì)集料從接縫處被動(dòng)水帶出，產(chǎn)生唧泥冒漿現(xiàn)象，從而導(dǎo)致脫空區(qū)域不斷擴(kuò)展，加速混凝土路面水損傷［2］。

車輛荷載與水耦合作用下混凝土路面板底脫空區(qū)發(fā)展問題，實(shí)質(zhì)上是車輛荷載作用下脫空區(qū)域滯留水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力對表面沖刷的問題。國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為造成這種現(xiàn)象的內(nèi)因是路面基層材料抗沖刷性能不足，外因是車輛荷載作用產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力和速度；學(xué)者們也相繼開展了基層材料抗沖刷性能和動(dòng)水壓力的研究［3?6］。

水泥混凝土路面板底脫空問題具有隱蔽性，致使板底滯留水在行車荷載下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難以觀察測量。為明確水泥混凝土路面板底脫空區(qū)動(dòng)水壓力分布特性，建立含脫空區(qū)水泥混凝土路面?滯留水瞬態(tài)雙向流固耦合計(jì)算模型，分析車輛荷載特性、脫空區(qū)幾何形態(tài)等對動(dòng)水壓力的影響，為合理進(jìn)行路面板脫空的預(yù)防和治理提供參考。

1 動(dòng)水壓力作用機(jī)理與產(chǎn)生機(jī)制

1．1 動(dòng)水壓力的沖刷作用

大量已有研究表明，水損害是造成混凝土路面早期破壞的主要原因之一［7］。由于混凝土路面是層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合處容易出現(xiàn)裂隙，一旦排水不暢就會(huì)形成滯水區(qū)。當(dāng)車輛趨近脫空區(qū)時(shí)，在荷載作用下，混凝土板擠壓滯留水產(chǎn)生正壓力和流速，進(jìn)而對脫空區(qū)表面顆粒產(chǎn)生擠壓和剪切作用；當(dāng)車輛遠(yuǎn)離脫空區(qū)時(shí)，混凝土路面板恢復(fù)變形，此時(shí)由板底的泵吸作用產(chǎn)生負(fù)壓力和水流速度，對脫空區(qū)表面顆粒產(chǎn)生拉扯和剪切作用。經(jīng)過動(dòng)水壓力的反復(fù)作用，水損害由混凝土面板底部逐漸向上擴(kuò)展，最終破壞整個(gè)混凝土面層。

此外，混凝土在大氣壓下被水浸泡，材料的空隙通常處于不飽和狀態(tài)。在正壓力作用下，水侵入混合料試件空隙中，殘留的空氣被壓縮，自由水進(jìn)一步侵入混凝土空隙中，此時(shí)流動(dòng)的有壓水流對空隙表面施加法向壓力和切向摩擦力，且有可能侵入黏結(jié)面的薄弱處；在負(fù)壓力作用下，水從空隙中流出，此時(shí)空隙中空氣膨脹，這種膨脹對混合料的黏結(jié)力也有一定的破壞作用。

1．2 動(dòng)水壓力的產(chǎn)生和變化機(jī)制

脫空區(qū)內(nèi)動(dòng)水壓力是由流體黏性、荷載特性、脫空區(qū)形態(tài)等多因素綜合決定的，其產(chǎn)生與變化機(jī)制較為復(fù)雜。二維脫空區(qū)內(nèi)動(dòng)水壓力分布解析式為

式中：px為距離脫空區(qū)尖端x處的壓力；ρ為水的密度；F為施加在路面板上的車輛荷載；ωx為脫空區(qū)x處的高度；μ為動(dòng)力黏滯系數(shù)；pL為脫空區(qū)出口處水的絕對壓力；ωL為脫空區(qū)出口處的高度；A（x）、B（x）、C（x）為與脫空形態(tài)相關(guān)的計(jì)算系數(shù)。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

模型基于ANSYS Workbench計(jì)算平臺(tái)的子程序APDL和CFX，分別進(jìn)行固體域建模和流體域建模，并通過子程序FSI進(jìn)行流固耦合邊界數(shù)據(jù)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)雙向流固耦合求解。

2．1 固體域模型的建立

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)是由水泥混凝土路面、文克勒彈性地基、土基等組成的典型層狀結(jié)構(gòu)體系。以發(fā)耳電廠專用公路水泥混凝土路面為例，建立板底脫空狀態(tài)下的路面有限元分析模型。發(fā)耳電廠專用公路水泥混凝土路面面板尺寸為5 m×3?75 m，其他各層的結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)如表1所示。設(shè)置脫空區(qū)域發(fā)生在板角，形狀為等腰直角三角形，高為2 cm，直角邊長為0?5～1?5 m。荷載采用單軸雙輪標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ?100進(jìn)行加載，具體加載位置見圖1，圖中L為脫空區(qū)深度。

表1 水泥混凝土路面板和基層參數(shù)

圖1 荷載加載位置

2．2 流體域模型的建立

假設(shè)脫空區(qū)充滿水且不可壓縮，忽略水沿固體邊界的滲透；在車輛荷載作用下，水僅沿脫空區(qū)出口方向流動(dòng)。水的流動(dòng)符合k?Epsilon湍流準(zhǔn)則，動(dòng)力黏滯系數(shù)為1?003×10－3Pa·s，密度為998?2 kg·m－3。流體的邊界條件有：脫空區(qū)水與混凝土路面的接觸面為流固耦合面，與土基的接觸面為流固耦合面，與大氣接觸的自由表面為開放式邊界。水在流固耦合面上不可滑移，在開放式邊界上隨著路面板的擠壓和回彈自由進(jìn)出。

2．3 有限元計(jì)算模型

通過APDL和CFX建立的固體域和流體域有限元耦合計(jì)算模型如圖2所示，其中流固耦合面為移動(dòng)網(wǎng)格邊界。固體區(qū)域的單元數(shù)為106 232個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為113 969個(gè)；流體區(qū)域的單元數(shù)為1 594個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 785個(gè)。為了詳細(xì)了解脫空區(qū)內(nèi)動(dòng)水壓力的分布規(guī)律，在流體域計(jì)算模型中設(shè)置了相應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)，如圖2中點(diǎn)1～5。

圖2 有限元計(jì)算模型及動(dòng)水壓力監(jiān)測點(diǎn)布置

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3．1 動(dòng)水壓力分布特性

當(dāng)車輛行駛在路面正中央時(shí)，在60 kN軸載作用下，0．7 m×0．7 m脫空區(qū)內(nèi)動(dòng)水壓力分布如圖3、4所示。

圖3 脫空區(qū)動(dòng)水壓力分布

由圖3、4可知，在車輛駛向脫空區(qū)時(shí)，路面板脫空區(qū)與內(nèi)水的擠壓作用產(chǎn)生正壓力，此壓力沿脫空區(qū)域基本呈三次多項(xiàng)式分布，且其最大值發(fā)生在脫空區(qū)域的內(nèi)部尖端處。隨著車輛駛離脫空區(qū)，車輪

圖4 脫空區(qū)動(dòng)水壓力分布

駛過路面板的接縫時(shí)，作用在路面板上的荷載瞬間消失，此時(shí)脫空區(qū)內(nèi)流體間失去相互擠壓的驅(qū)動(dòng)力，伴隨路面板回彈變形所給予的吸附力，脫空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓力，該負(fù)壓力沿著脫空區(qū)域基本呈現(xiàn)三次多項(xiàng)式分布，且其最小值發(fā)生在脫空區(qū)域的內(nèi)部尖端處。隨后水壓力隨著路面板的振動(dòng)出現(xiàn)正負(fù)交替震蕩現(xiàn)象，并逐漸衰減趨近于零。

3．2 行車位置的影響

車輛在路面行駛的過程中，行車位置是變化的。為了探討行車位置對脫空區(qū)動(dòng)水壓力的影響，采用0．7 m×0．7 m脫空區(qū)計(jì)算模型，分析0?1、0?175、0．35、0．525、0．7 m五種車輛運(yùn)行位置的脫空區(qū)動(dòng)水壓力變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)混凝土路面板出現(xiàn)板角脫空且充滿滯留水時(shí)，隨著行車位置向路面邊界趨近，脫空區(qū)域內(nèi)的動(dòng)水壓力呈明顯增加趨勢，行駛位置在0?1、0?175、0．35、0．525、0．7 m的動(dòng)水壓力峰值分別為0．075、0．402、3．212、10．841、25．696 kPa，其中0?7 m行駛位置處的動(dòng)水壓力最大。這表明，行車位置對脫空區(qū)域的動(dòng)水壓力影響顯著，當(dāng)車輪在路面邊界時(shí)為最不利位置；可采取交通管制措施引導(dǎo)車輛盡量駛向板中，有效減緩動(dòng)水壓力引起的路面結(jié)構(gòu)破壞。

圖5 車輛行駛位置對動(dòng)水壓力的影響

3．3 行車速度的影響

為分析行車速度對脫空區(qū)動(dòng)水壓力的影響，在100 kN軸載作用下，采用0．7 m×0．7 m脫空區(qū)計(jì)算模型，分析計(jì)算40、60、80、100、120 km·h－1行駛速度下脫空區(qū)動(dòng)水壓力分布，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，行駛速度為40、60、80、100、120 km·h－1時(shí)，動(dòng)水壓力峰值分別為3．212、5．710、8?922、12?848 kPa。這表明，隨著車輛運(yùn)行速度的增加，脫空區(qū)域內(nèi)動(dòng)水壓力呈現(xiàn)明顯的二次方增長關(guān)系，即車輛行駛速度是造成混凝土路面結(jié)構(gòu)水損害的一個(gè)重要因素。通過采取交通管制措施，降低車輛在脫空區(qū)的行駛速度，減小動(dòng)水壓力，從而減緩動(dòng)水壓力引起的路面結(jié)構(gòu)破壞。

3．4 車輛軸重的影響

為分析車輛軸重對脫空區(qū)動(dòng)水壓力的影響，在100 km·h－1速度下，采用0．7 m×0．7 m脫空區(qū)計(jì)算模型，分析計(jì)算60、80、100、120 kN軸載作用下的脫空區(qū)動(dòng)水壓力分布，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，60、80、100、120 kN軸載作用下，動(dòng)水壓力峰值分別為2．1、2．648、3．212、3?85 kPa。

圖6 車輛行駛速度對動(dòng)水壓力的影響

圖7 車輛軸載對動(dòng)水壓力的影響

這表明，隨著車輛軸載的增加，脫空區(qū)域內(nèi)動(dòng)水壓力呈現(xiàn)明顯的線性增長，即車輛軸載是造成混凝土路面結(jié)構(gòu)水損害的一個(gè)重要因素。通過采取交通管制措施，降低脫空區(qū)內(nèi)行駛車輛的軸載，減小動(dòng)水壓力，從而減緩動(dòng)水壓力引起的路面結(jié)構(gòu)破壞。

3．5 脫空區(qū)面積的影響

為分析脫空面積對脫空區(qū)動(dòng)水壓力的影響，在軸載為100 kN、行駛速度為100 km·h－1的條件下，分別對0．5 m×0．5 m、0．7 m×0．7 m、1．0 m×1．0 m、1?5 m×1．5 m四種脫空區(qū)內(nèi)動(dòng)水壓力分布進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

圖8 脫空區(qū)面積對動(dòng)水壓力的影響

由圖8可知，0?5 m×0?5 m、0?7 m×0?7 m、1?0 m×1?0 m、1?5 m×1?5 m四種脫空區(qū)的動(dòng)水壓力峰值分別為1?171、3?212、9?364、31?605 kPa。這表明，隨著脫空區(qū)域面積的增加，脫空區(qū)域內(nèi)動(dòng)水壓力呈現(xiàn)明顯的三次多項(xiàng)式增加趨勢，此時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力一旦達(dá)到脫空區(qū)材料破壞的臨界值，結(jié)構(gòu)會(huì)迅速發(fā)生破壞。

4 結(jié) 語

（1）以發(fā)耳電廠專用公路水泥混凝土路面為例，基于ANSYS Workbench計(jì)算平臺(tái)建立混凝土路面?滯留水雙向瞬態(tài)流固耦合計(jì)算模型，并對車輛行駛位置、車輛軸載、車輛行駛速度、脫空區(qū)面積等因素對動(dòng)水壓力的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明，脫空區(qū)內(nèi)動(dòng)水壓力是由車輛荷載特征、脫空區(qū)形態(tài)等多因素綜合決定的。

（2）車輛駛向脫空區(qū)時(shí)，其內(nèi)動(dòng)水壓力沿出口方向呈三次多項(xiàng)式增加關(guān)系；車輛駛離脫空區(qū)時(shí)，其內(nèi)動(dòng)水壓力沿出口方向呈三次多項(xiàng)式減小關(guān)系；其最大正壓力、最大負(fù)壓力均發(fā)生在脫空區(qū)尖端處。

（4）車輛行駛速度和軸載是影響脫空區(qū)域內(nèi)動(dòng)水壓力的2個(gè)重要因素，動(dòng)水壓力大小與車輛行駛速度呈二次方增加關(guān)系，與車輛軸載呈線性增加關(guān)系。采取交通管制措施，降低車輛行駛速度和軸載，可有效減緩動(dòng)水壓力引起的路面結(jié)構(gòu)破壞。

（5）隨著脫空區(qū)域面積的增加，脫空區(qū)域內(nèi)動(dòng)水壓力呈現(xiàn)明顯的三次多項(xiàng)式關(guān)系增加?？紤]到動(dòng)水壓力與脫空面積的關(guān)系，當(dāng)發(fā)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)板底脫空病害時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取灌漿或注漿等修補(bǔ)措施，從根源上消除動(dòng)水壓力產(chǎn)生的條件，這是目前降低動(dòng)水壓力對路面結(jié)構(gòu)破壞最有效的措施。

［1］ 廉向東，付其林，陳拴發(fā)，等．基于板底脫空的水泥混凝土路面動(dòng)水壓力試驗(yàn)研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（5）：1?4．

［2］ 關(guān)增智．半剛性基層材料抗沖刷性能的研究［J］．混凝土，2008（3）：48?50．

［3］ 沙愛民．半剛性基層的材料特性［J］．中國公路學(xué)報(bào)，2008，21（1）：1?5．

［4］ 曾 勝，張顯安．水泥混凝土板下脫空狀況時(shí)接縫處彎沉的影響分析［J］．鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，2（6）：31?36．

［5］ 張 寧，錢振動(dòng)，黃 衛(wèi)．水泥混凝土路面板下地基脫空狀況的評定與分析［J］．公路交通科技，2004，2（1）：4?8．

［6］ 曹世豪，楊榮山，劉學(xué)毅，等．無砟軌道層間裂紋內(nèi)動(dòng)水壓力特性分析［J］．西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，51（1）：36?42．

［7］ 曹世豪，楊榮山，劉學(xué)毅，等．列車荷載作用下無砟軌道層間裂縫內(nèi)動(dòng)水壓力分布［J］．中國鐵道科學(xué)，2016，37（3）：9?15．

［責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華］

Distribution Characteristics of Hydrodynamic Pressure in Voids Beneath Cement Concrete Pavement Slabs

CHEN Kai?guo
（Guizhou Zhiheng Engineering Investigation，Design and Consulting Co．，Ltd．，Guiyang 550004，Guizhou，China）

In order to study the distribution characteristics of the hydrodynamic pressure caused by retained water in the voids beneath cementconcrete pavementslabs，a two?way fluid?solid coupling model of concrete pavement?retained water was established，and the effect of factors such as vehicle position，driving speed，axle load and void area on the hydrodynamic pressure was analyzed．The results show that the hydrodynamic pressure drops with the third power of distance towards the outlet；the hydrodynamic pressure increases along with the driving speed，axle load and void area，which are the three important factors，following a quadratic，linear and cubic polynomial relationship respectively．

concrete pavement；void under slab；retained water；hydrodynamic pressure

U416．01

B

1000?033X（2017）08?0124?05

2016?12?19

國家自然科學(xué)基金（51278431）

陳開國（1969?），男，貴州岑鞏人，高級工程師，研究方向?yàn)楣窐蛄嚎辈煸O(shè)計(jì)。