農(nóng)村水泥混凝土路面破壞原因及數(shù)值模擬

鄧杰 印秋晗 陳陽(yáng) 肖珍

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421216）

0 引言

水泥混凝土路面具有建設(shè)費(fèi)用低，耐久性好，使用壽命長(zhǎng)，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在農(nóng)村公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但是，往往使用不到幾年時(shí)間水泥混凝土就會(huì)暴露許多病害，如路面板斷縫、斷板和坑洼等，嚴(yán)重影響道路使用質(zhì)量和效益。衡陽(yáng)市某段農(nóng)村水泥混凝土路面，就出現(xiàn)了類(lèi)似的問(wèn)題。部分混凝土板塊破壞嚴(yán)重，裂縫甚至寬達(dá)幾厘米，斷板、沉陷等現(xiàn)象也十分嚴(yán)重。鑒于該路面破壞情況具有一定的普遍性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，研究破壞原因，對(duì)農(nóng)村水泥混凝土公路的建設(shè)提出建議，改善路面的使用性能，延長(zhǎng)路面的使用年限，具有十分重要的工程實(shí)踐意義。

1 調(diào)查路段基本情況

本文調(diào)查對(duì)象是衡陽(yáng)市某段農(nóng)村水泥混凝土公路。所調(diào)查路段為三級(jí)公路，水泥混凝土路面，雙車(chē)道，雙幅路，中央未設(shè)分隔帶，兩側(cè)設(shè)有分隔帶。單塊路面板長(zhǎng)度5m，寬度4.0m，設(shè)計(jì)車(chē)速為40km/h，全長(zhǎng)4.6公里。路段基層為兩層水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，分別為穩(wěn)定土質(zhì)路基和水泥混凝土面板層。

2 調(diào)查結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，此路段存在如下病害：

1）橫向裂縫、縱向裂縫。該路段縱向裂縫一般為縱向通長(zhǎng)的裂縫，把水泥混凝土板塊分成兩塊。橫向裂縫一般出現(xiàn)在縱向通長(zhǎng)裂縫和縱向施工縫之間?？v橫向裂縫寬度都較大。

2）交叉裂縫。交叉裂縫把混凝土板分成三塊以上，也稱(chēng)破碎板。交叉裂縫可能由縱橫向裂縫不規(guī)則發(fā)展形成，縫寬也較大。

3）角隅裂縫。混凝土路面出現(xiàn)邊角破損或缺角、斷裂現(xiàn)象，其剝落面垂直并貫穿于整個(gè)板厚。角隅裂縫常常伴隨接縫破壞、沉陷等多重破壞。

4）輕微裂縫。這里把縫寬在3mm以下的歸為輕微裂縫，經(jīng)常出現(xiàn)在裂縫的一側(cè)或末端。

5）填縫料丟失、接縫碎裂。填縫料丟失，接縫被砂石等硬物占據(jù)。在溫度作用下，接縫邊緣路面板被擠碎。

6）沉陷。路面板出現(xiàn)裂縫并分成多板塊，各板塊出現(xiàn)不同程度的高差即為沉陷。

7）露骨。水泥混凝土骨料出現(xiàn)在表面，影響行車(chē)的平穩(wěn)性。

3 破壞原因分析

根據(jù)調(diào)查結(jié)果和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，導(dǎo)致該路段路面破壞的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1）路面設(shè)計(jì)不合理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，該路段路面只有兩個(gè)結(jié)構(gòu)層，穩(wěn)定土基和面板層，缺少基層。缺少基層，混凝土面層則直接作用于土基上，由于土基塑性變形量大、抗沖刷能力低、細(xì)料含量多而極易產(chǎn)生唧泥現(xiàn)象。在唧泥作用下，伴隨著填縫料失效、接縫破壞、面層失去防水能力等系列問(wèn)題，導(dǎo)致面板板角開(kāi)裂等病害。在雨水和地下水的共同作用下，細(xì)料很容易被帶出去，土基局部會(huì)被掏空，從而進(jìn)一步產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)、斷裂等病害。此外，缺少基層的路面，土基頂面壓力大，造成土基頂面開(kāi)裂，并反射到路面面層，形成反射裂縫。

2）路面施工原因

填縫料缺失直接導(dǎo)致接縫處破壞。缺失填縫料，雨水、路面積水很容易通過(guò)接縫滲入基層，當(dāng)車(chē)輛通過(guò)接縫位置，可能會(huì)導(dǎo)致基層出現(xiàn)汲泥作用，頻繁汲泥作用會(huì)淘空基層材料，使路面板在接縫處發(fā)生斷裂破壞?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該路段路面多處接縫已經(jīng)被小砂石等填滿(mǎn)，當(dāng)小砂石等硬物進(jìn)入接縫位置后，將占據(jù)接縫空間，在大幅度升溫條件下，可能會(huì)導(dǎo)致接縫處板塊邊緣爆裂、破碎或隆起。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，水泥混凝土路面板的厚度和抗壓強(qiáng)度都存在一定范圍的波動(dòng)。厚度較薄、抗壓強(qiáng)度較弱的地方，路面板就較弱；厚度較大、抗壓強(qiáng)度較強(qiáng)的地方，路面板就較強(qiáng)。強(qiáng)弱交界位置，容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，形成裂縫，這種裂縫在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下會(huì)擴(kuò)展。這也可能是部分板塊完好無(wú)損，部分板塊破壞嚴(yán)重的原因。而混凝土表面砂漿不足或表面耐磨性差，導(dǎo)致了水泥混凝土路面露骨現(xiàn)象。

3）超載

超載也是路面破壞的重要原因之一。剛性路面達(dá)到相同疲勞開(kāi)裂時(shí)各種軸載等效換算系數(shù)為（Pi/PS）16，即重車(chē)軸載與標(biāo)準(zhǔn)軸載換算成16次方的關(guān)系，可見(jiàn)超載對(duì)路面壽命影響很大。該段路段曾作為315省道的部分路段，據(jù)調(diào)查資料顯示，常有載重20t的貨車(chē)，裝載至50t，嚴(yán)重超載。根據(jù)軸載等效換算系數(shù)公式，50t的貨車(chē)對(duì)路面作用一次相當(dāng)于20t的貨車(chē)對(duì)路面作用2.3×106次，超載已嚴(yán)重影響了該路段路面壽命。

4 有限元模擬分析

通過(guò)分析，未設(shè)計(jì)基層、施工質(zhì)量差和超載是導(dǎo)致該路段路面破壞的主要原因。本文為進(jìn)一步研究該段路面破壞機(jī)理，本文采用ANSYS有限元軟件對(duì)該段路面混凝土路面受載情況進(jìn)行模擬分析。

1）現(xiàn)場(chǎng)破壞現(xiàn)象

據(jù)觀察，破壞的主要現(xiàn)象是路面板帶有縱向通長(zhǎng)裂縫，通長(zhǎng)裂縫距中間縱向施工縫為1.10-2.40m不等，通長(zhǎng)縱向裂縫和中間縱向施工縫間有數(shù)量不等的橫向裂縫，如圖1所示。

圖1 典型裂縫

2）有限元模型

本文水泥混凝土面板采用solid45實(shí)體單元，路基層采用combine14線性阻尼彈簧單元，相對(duì)地基彈性模量為9.2×106Pa。建立雙層（面板層和土質(zhì)路基層）混凝土路面有限元模型。在路面板邊緣中間加載，輪壓取0.15m×0.2m，軸重取100kN，每軸4個(gè)輪，每輪25kN。并將輪壓均布荷載簡(jiǎn)化成集中力進(jìn)行加載。模型加載情況如圖2所示。

圖2 有限元模型

3）模擬結(jié)果

該模型加載后的等效應(yīng)力圖如圖3所示，其輪載附近出現(xiàn)應(yīng)力極大值，加輪載一側(cè)的板塊應(yīng)力水平比另外一側(cè)高，板塊四個(gè)角的應(yīng)力值較小。

圖3 等效應(yīng)力等值圖

圖4 路徑1等效應(yīng)力分布

分析不同路徑上應(yīng)力的分布情況。取三條路徑，縱向一條（路徑1）：從（0.3，0.2，0）到（0.3，0.2，5）；橫向兩條（路徑2和路徑3）：從（0，0.2，0.5）到（4.5，0.2，0.5）和從（0，0.2，2）到（4.5，0.2，2）。三條路徑上的等效應(yīng)力分布情況分別如圖4、5、6所示。

根據(jù)路徑1應(yīng)力分布情況，可知在靠近中間縱向施工縫、輪載附近，有效應(yīng)力出現(xiàn)峰值，混凝土彎拉應(yīng)力大，容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。在此處出現(xiàn)裂縫后，就會(huì)繼續(xù)橫向發(fā)展。向通長(zhǎng)縱向裂縫方向繼續(xù)發(fā)展，形成典型裂縫中的橫向裂縫。

根據(jù)路徑2、3應(yīng)力分布情況，可知除了加載處有峰值應(yīng)力外，橫方向上1.35m處等效應(yīng)力出現(xiàn)峰值，容易產(chǎn)生開(kāi)裂。此位置與路面現(xiàn)場(chǎng)的縱向通長(zhǎng)裂縫位置相近。

圖5 路徑2等效應(yīng)力分布

圖6 路徑3等效應(yīng)力分布

5 結(jié)語(yǔ)

水泥混凝土路面破壞嚴(yán)重地影響公路服務(wù)質(zhì)量和使用效益。本文通過(guò)對(duì)衡陽(yáng)市某段農(nóng)村水泥道路路面破壞形態(tài)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該段路面存在橫向裂縫、縱向裂縫，交叉裂縫，角隅裂縫，輕微裂縫，填縫料丟失、接縫碎裂，沉陷，露骨等破壞現(xiàn)象。通過(guò)分析，得出未設(shè)計(jì)基層、施工質(zhì)量差和超載是導(dǎo)致該段路面破壞的主要原因。此外，為進(jìn)一步嚴(yán)重該段路面的破壞機(jī)理，本文采用ANSYS有限元軟件對(duì)該段路面混凝土路面受載情況進(jìn)行模擬，模擬裂縫與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果一致。