移動荷載下設(shè)CA砂漿功能層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)受力分析

趙艷玲

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、溫度穩(wěn)定性好、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而大量早期和近期修建的水泥混凝土路面斷板、錯臺、唧漿、板底脫空等病害嚴(yán)重，翻修改建任務(wù)艱巨，嚴(yán)重制約了水泥混凝土路面的發(fā)展和使用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)水泥混凝土路面斷板、錯臺、唧漿、板底脫空等病害主要是由于基層不良支撐引起的，在面層和基層間設(shè)置功能層是一種行之有效的解決方法[2]。功能層可以防止水泥漿滲入到基層，避免形成薄弱的層間過渡層，使面層與基層更接近連續(xù)接觸狀態(tài)，從而有改善層間受力狀態(tài)，防止水泥混凝土路面過早的出現(xiàn)各種病害。為改善水泥混凝土路面層間的不良接觸狀況，國內(nèi)外的專家學(xué)者進(jìn)行了大量的探索，提出了很多措施，如在層間鋪筑塑料薄膜或土工布隔離層、瀝青混凝土功能層、橡膠瀝青應(yīng)力吸收層等等，這些本質(zhì)上都屬于功能層的范疇。塑料薄膜或土工布隔離層等這一類的材料雖然能防止層間過渡層的產(chǎn)生，但作用有限，施工質(zhì)量難以保證。瀝青混凝土功能層、橡膠瀝青應(yīng)力吸收層等這類的材料，一方面可以防止層間過渡層的產(chǎn)生，一方面可有效保護(hù)基層免受侵蝕，提高水泥路面的長期使用性能，但施工工序復(fù)雜，受溫度影響大，造價(jià)較高[1]。

鑒于現(xiàn)有的層間功能層材料在工程實(shí)踐中并未達(dá)到理想的效果。做出新的嘗試，在水泥混凝土面板和基層間設(shè)置一層水泥乳化瀝青砂漿薄層(CA砂漿功能層)以構(gòu)成一種新型的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)。借助CA砂漿剛?cè)釓?fù)合型材料的特性，改善面板與基層之間的不良接觸問題，防止水泥混凝土面板底部薄弱過渡層的產(chǎn)生，改善層間受力狀況。借助有限元軟件建立移動荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析設(shè)置CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)所受荷載應(yīng)力的變化，探討CA砂漿功能層的作用。

1 有限元模型的建立

1.1 建立路面結(jié)構(gòu)建模

(1)模型假設(shè)

借助有限元軟件建立路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，路面結(jié)構(gòu)由下到上分為地基基礎(chǔ)、基層、CA砂漿功能層、水泥混凝土面板四層結(jié)構(gòu)，假設(shè)各層為均勻、連續(xù)和各向同性的彈性體，層與層間變形協(xié)調(diào)，并且不考慮相鄰板塊間的相互作用[3]。

(2)本構(gòu)關(guān)系

CA砂漿功能層的本構(gòu)關(guān)系為粘彈性，采用Burgers模型來模擬，其他層的本構(gòu)關(guān)系均為線彈性。

(3)網(wǎng)格劃分

路面結(jié)構(gòu)各層均采用C3D8R實(shí)體單元，單元網(wǎng)格劃分時(shí)，按照距離荷載移動帶的遠(yuǎn)近，由疏到密。

(4)邊界條件

將地基視為彈性半空間體，通過收斂性分析，取為有限尺寸，其他各結(jié)構(gòu)層尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求取定。路基底面施加固定約束，路基、基層、CA砂漿功能層四周施加水平方向的約束，面層四周均為自由面[3]。

1.2 移動荷載的施加

移動荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，具體參數(shù)如表1所示。

為了便于分析，將規(guī)范中的圓形輪胎接觸面等效轉(zhuǎn)換成長方形接觸面，轉(zhuǎn)換后單個(gè)輪胎作用面積近似為0.213cm×0.167cm，兩輪中心間距調(diào)整為0.3195m，兩側(cè)輪隙間距調(diào)整為1.8m，這樣就將行駛的車輛輪載等效簡化為移動的垂直均布矩形荷載[4]。在荷載移動方向上設(shè)置橫向的寬度與均布荷載寬度相同荷載移動帶，荷載移動帶的縱向長度為車輛行駛的距離，再將荷載移動帶劃分為許多小矩形，利用Fortran語言編寫VDLOAD用戶子程序，設(shè)置多個(gè)荷載步，每個(gè)荷載步結(jié)束時(shí)，荷載整體向前移動一個(gè)小矩形面積，荷載的移動速度可以通過設(shè)置每個(gè)荷載步的時(shí)間大小來實(shí)現(xiàn)[4]。移動荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)模型圖如圖1所示。

圖1 移動荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)模型

2 移動荷載作用下路面結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析

分別建立了移動荷載作用下設(shè)置和未設(shè)置CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行路面豎向位移、面層應(yīng)力、基層應(yīng)力的動態(tài)響應(yīng)對比分析，研究CA砂漿功能層的作用。

2.1 豎向位移對比分析

設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)豎向位移隨車輛荷載移動的變化情況以及最大彎沉值對比情況分別如圖2、圖3所示。

圖2 路面結(jié)構(gòu)豎向位移變化曲線

圖3 兩種路面結(jié)構(gòu)最大彎沉值

由圖2可知，隨著車輛荷載的移動，設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)豎向位移值變化趨勢基本相同，而在整個(gè)加載過程中，設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)豎向位移值總是要小于不設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出設(shè)CA砂漿功能層后路面結(jié)構(gòu)最大彎沉值由0.845mm變?yōu)?.6409mm，減小了24.2%左右。

2.2 面層應(yīng)力對比分析

設(shè)CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)面層層底最大拉應(yīng)力隨著荷載的移動變化情況如圖4所示。

圖4 面層層底最大拉應(yīng)力的變化曲線

由圖4可知，設(shè)CA砂漿功能層后，面層層底最大拉應(yīng)力較不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)降低，且面層層底最大拉應(yīng)力的波動幅度及波動周期變大，從圖上還可以看出，設(shè)CA砂漿功能層后，面層層底最大拉應(yīng)力峰值由不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)的1.002MPa下降為0.8845MPa，下降了11.7%。

水泥混凝土路面面板的橫向、縱向斷裂一般都是由于拉應(yīng)力超過極限彎拉應(yīng)力造成的，因此分析設(shè)CA砂漿功能層前后水泥混凝土路面面板水平方向上的拉應(yīng)力，對于研究CA砂漿功能層的作用機(jī)理十分必要。設(shè)CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)水平方向的拉應(yīng)力變化情況如圖5、圖6所示。

圖5 面層底沿著荷載移動方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

圖6 面層底垂直荷載移動方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

由圖5、圖6可以看出，隨著荷載的移動，設(shè)CA砂漿功能層后，面層底沿著荷載移動方向上的最大拉應(yīng)力及垂直荷載移動方向上的最大拉應(yīng)力總是低于不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)的值，而變化規(guī)律相似。從圖上還可以看出，在加載過程中，增設(shè)CA砂漿功能后面層垂直荷載移動方向上的拉應(yīng)力峰值由0.5865MPa下降為0.3569MPa，下降了39.1%，而面層沿著荷載移動方向上的拉應(yīng)力峰值由0.9995MPa降低到0.2806MPa，降幅達(dá)71.9%?？梢?，增設(shè)CA砂漿功能層后面層層底水平方向上受拉狀況明顯得到改善。

2.3 基層應(yīng)力對比分析

設(shè)CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)基層層底最大拉應(yīng)力隨著荷載的移動變化情況如圖7所示。

由圖7可知，設(shè)CA砂漿功能層后，基層層底最大拉應(yīng)力降低，基層層底最大拉應(yīng)力的變化規(guī)律與不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)大體相同。由圖還可以看出，在輪載的移動時(shí)間內(nèi)，設(shè)CA砂漿功能層后，基層層底最大拉應(yīng)力峰值由不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)的0.2931MPa下降為0.2017MPa，下降了約31.2%。

設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)基層水平方向的拉應(yīng)力變化情況如圖8、圖9所示。

圖8 基層底沿著荷載移動方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

圖9 基層底垂直荷載移動方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

由圖8、圖9可以看出，設(shè)CA砂漿功能層后，基層底沿著荷載移動方向上的最大拉應(yīng)力及垂直荷載移動方向上的最大拉應(yīng)力均降低，二者的變化規(guī)律變化不大。還可以看出，增設(shè)CA砂漿功能后基層垂直行車方向上的拉應(yīng)力峰值由0.2929MPa下降為0.2016MPa，下降了31.2%，而基層沿著荷載移動方向上的拉應(yīng)力峰值由0.1951MPa降低到0.1147MPa，降幅達(dá)41.2%?？梢娫鲈O(shè)CA砂漿功能層后基層層底水平方向上受拉狀況明顯得到改善，可有效抑制基層裂縫的生成。

3 結(jié)論

(1)設(shè)CA砂漿功能層后路面結(jié)構(gòu)最大彎沉值減小了24.2%左右。可見CA砂漿具有緩沖和擴(kuò)散荷載的作用，有利于減小地基沉降變形，防止層間脫空現(xiàn)象的出現(xiàn)。

(2)設(shè)CA砂漿功能層后，面層層底最大拉應(yīng)力、面層垂直行車方向上的拉應(yīng)力、面層沿著荷載移動方向上的拉應(yīng)力均有所降低，其中沿著荷載移動方向的拉應(yīng)力降幅最大?？梢?，增設(shè)CA砂漿功能層后面層的受力狀況，尤其是面層層底水平方向上受拉狀況明顯得到改善，這將很大程度上降低路面早期開裂的概率，大大延長水泥混凝土路面的使用壽命。

(3)設(shè)CA砂漿功能層后，基層層底最大拉應(yīng)力、基層垂直行車方向上的拉應(yīng)力、基層沿著荷載移動方向上的拉應(yīng)力均有所降低，其中基層沿著荷載移動方向的拉應(yīng)力降幅最大。可見，設(shè)CA砂漿功能層后基層水平方向上受力狀況明顯得到改善，可有效抑制基層反射裂縫的生成。