混凝土路面結(jié)構(gòu)層間力學(xué)特性研究

胡佳佳

（湖南省醴婁高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 湘潭 411100）

水泥混凝土路面使用中經(jīng)常出現(xiàn)一些嚴(yán)重問題，如基層鋪筑混凝土形成的路面，由于層間結(jié)合問題，剛性大的面層與基層變形所引起的開裂會(huì)導(dǎo)致路面在運(yùn)行過程中產(chǎn)生反射裂紋[1]。因此將隔離層設(shè)置在水泥混凝土路面中，可解決水破壞、基層的不良支撐狀況、水泥混凝土路面的壽命短等常見問題[2]。對(duì)在面層與基層之間設(shè)置隔離層的實(shí)用性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)已有大量研究，但是，很少有人采用數(shù)值模擬的方法研究水泥混凝土面層和基層之間設(shè)置隔離層的力學(xué)性能。

目前學(xué)者尚未在水泥混凝土路面中將結(jié)構(gòu)層間的接觸影響考慮進(jìn)結(jié)構(gòu)受力中。且將蠟制固化劑作為隔離層材料運(yùn)用于水泥穩(wěn)定基層上，尚未對(duì)其進(jìn)行水泥路面結(jié)構(gòu)層間力學(xué)特性的研究。本文結(jié)合實(shí)際工程，采用有限元ANSYS 對(duì)混凝土路面結(jié)構(gòu)層間力學(xué)特性研究，以期為半剛性基層上設(shè)置蠟制隔離層的混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

設(shè)定混凝土面板為長(zhǎng)5m，寬度為4m，厚度為30cm，面層之下隔離層為蠟制隔離層，基層為水泥穩(wěn)定碎石基層，25cm 厚。碎石墊層，為5cm 厚。以層間摩擦來取代層間界面的結(jié)合程度問題，首先在路面結(jié)構(gòu)層間對(duì)接觸面之間的摩擦程度進(jìn)行定義，從而對(duì)界面聯(lián)結(jié)狀態(tài)進(jìn)行模擬[3]。筆者將模型進(jìn)行如下定義，主面為剛性水泥混凝土路面板，從屬面為半剛性基層，在有限元混凝土結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建中，需要將蠟制隔離層作為無厚度隔離層處理，這樣就可以通過改變混凝土路面結(jié)構(gòu)層間接觸參數(shù)分析不同摩擦系數(shù)對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。

在進(jìn)行有限元建模分析時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)層中每種材料根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要采用不同的材料參數(shù)。參照彈性地基上有限尺寸薄板理論及相關(guān)文獻(xiàn)[4]中所述，把混凝土路面結(jié)構(gòu)視作彈性層狀體系，在結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建中，采用混凝土路面中不同的結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)：面層為水泥混凝土，30cm 厚，泊松比0.15，彈性模量32000MPa；基層為水泥穩(wěn)定碎石基層，25cm 厚，泊松比0.3，彈性模量1500MPa；墊層為碎石，25cm 厚，泊松比0.25，彈性模量500MPa；路基厚200cm，泊松比0.35，彈性模量50MPa。

2 混凝土結(jié)構(gòu)模型分析

2.1 建立混凝土路面結(jié)構(gòu)模型

采用有限元ANSYS 軟件建立混凝土結(jié)構(gòu)模型時(shí)，需要注意不同結(jié)構(gòu)層節(jié)點(diǎn)設(shè)置，本文采用模型結(jié)構(gòu)總共建立4 層三維有限元，各層均為8 節(jié)點(diǎn)和45 實(shí)體單元的板體系，為了減少計(jì)算量，單元格尺寸控制在0.1 以內(nèi)[5]。由于采用的是蠟制隔離層，可將蠟制隔離層的厚度設(shè)為0，水混凝土面板直接作用在水泥穩(wěn)定碎石基層上。通過改變層間摩擦系數(shù)、內(nèi)摩擦角、粘聚力來表征層間接觸狀態(tài)?；炷谅访娼Y(jié)構(gòu)層翹曲面板模型如圖1 所示。

圖1 面板產(chǎn)生翹曲變形時(shí)模型

2.2 模擬荷載分析

在進(jìn)行有限元模擬仿真計(jì)算時(shí)，行車作用的水平荷載也需要進(jìn)行考慮，通常采用摩擦系數(shù)與垂直荷載的乘積，其方向與x 軸反向，且采用0.5 作為摩擦系數(shù)，水平荷載計(jì)算如下：

式中：水平荷載為q，單位KN；摩擦系數(shù)為f；垂直荷載為p，通常為0.7Mpa。

2.3 模型驗(yàn)證分析

通過ANSYS 模型計(jì)算面層層底拉應(yīng)力值與公式計(jì)算得到解析值相對(duì)比，公式如（2）、（3）所示。

通過使用混凝土規(guī)范方法與有限元方法計(jì)算水泥混凝土面層層底拉應(yīng)力，得到水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力值，有限元模型計(jì)算解驗(yàn)證具體數(shù)值大小如下:混凝土面層底部拉應(yīng)力的有限元模型計(jì)算解為0.905，小于現(xiàn)行規(guī)范解析解0.946；混凝土路表彎沉為0.392mm。

通過有限元模型建立混凝土路面結(jié)構(gòu)模型計(jì)算得到混凝土面層底部拉應(yīng)力值與實(shí)際水泥混凝土路面計(jì)算得到結(jié)果相接近，兩者計(jì)算結(jié)果相差4.3%。因此采用有限元建立混凝土模型研究有隔離層的力學(xué)方法符合混凝土路面實(shí)際情況。

3 混凝土路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果分析

為了分析混凝土路面結(jié)構(gòu)層間力學(xué)特性，通過改變混凝土結(jié)構(gòu)層間所受粘聚力與內(nèi)摩擦角，分別對(duì)混凝土的面層底部拉應(yīng)力、面層與基層間剪應(yīng)力、基層層底拉應(yīng)力、路表彎沉等對(duì)于不同參數(shù)的層間力學(xué)特性影響進(jìn)行計(jì)算。按建立好的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置的條件因素為內(nèi)摩擦角：0°、10°、30°、50°、70°、80°；粘聚力：0MPa、0.005 MPa、0.01 MPa、0.035 MPa、0.05 MPa。通過有限元模型計(jì)算不同參數(shù)對(duì)混凝土層間力學(xué)特性的影響得到數(shù)值模擬結(jié)果如圖2～圖5 所示。

圖2 不同參數(shù)對(duì)混凝土路表彎沉測(cè)試結(jié)果變化圖

不同參數(shù)對(duì)混凝土路表彎沉測(cè)試結(jié)果變化如圖2 所示，混凝土路表彎沉值與其內(nèi)摩擦角的關(guān)系成反比。當(dāng)內(nèi)摩擦角為0°～30°之中時(shí)，路表彎沉值的曲線較陡，表明下降的幅度在此范圍內(nèi)比較大。當(dāng)內(nèi)摩擦角超過30°時(shí)，路標(biāo)彎沉值的曲線較緩，表明下降的幅度在此角度后幅度變小?？偠灾?，混凝土的路表彎沉值與混凝土的內(nèi)摩擦角成反比關(guān)系，即隨著內(nèi)摩擦角的增大而減少，并且在0°～30°之內(nèi)，內(nèi)摩擦角對(duì)路表彎沉的影響較大，而超過30°之后，內(nèi)摩擦角對(duì)路表彎沉的影響較小。

混凝土面層底最大拉應(yīng)力的不同參數(shù)影響測(cè)試結(jié)果見圖3，當(dāng)內(nèi)摩擦角為0°～50°時(shí)，最大拉應(yīng)力與內(nèi)摩擦角成反比，即內(nèi)摩擦角增大時(shí)，最大拉應(yīng)力在逐漸減??；而當(dāng)混凝土內(nèi)摩擦角為50°時(shí)，最大拉應(yīng)力達(dá)到最小值，大致為0.343MPa；再隨著內(nèi)摩擦角大于50°時(shí)，最大拉應(yīng)力則與內(nèi)摩擦角展現(xiàn)出正比關(guān)系，即隨著內(nèi)摩擦角的增加，最大拉應(yīng)力也增加，且曲線較陡，表明增加幅度明顯。綜上，混凝土粘聚力對(duì)于混凝土面層底最大拉應(yīng)力的影響較為復(fù)雜，內(nèi)摩擦角為0°～50°時(shí)成反比關(guān)系，到達(dá)50°最低點(diǎn)時(shí),混凝土內(nèi)成正比關(guān)系，且影響幅度較大。

圖3 不同參數(shù)對(duì)混凝土面層底最大拉應(yīng)力測(cè)試結(jié)果變化圖

不同參數(shù)對(duì)混凝土面層與基層間最大剪應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，當(dāng)混凝土內(nèi)摩擦角在0°～30°之間增大時(shí)，層間最大剪應(yīng)力曲線較陡，表明增加幅度較大；內(nèi)摩擦角增加至30°～50°時(shí)，可以得出混凝土面層和基層間最大剪應(yīng)力增大較為緩慢；隨著內(nèi)摩擦角繼續(xù)增加至80°，剪應(yīng)力則升至頂峰從而達(dá)到最大值。從圖4 中可以觀察到混凝土面層和基層間剪應(yīng)力隨著混凝土粘聚力的增大而增大，但是不同粘聚力曲線的波動(dòng)較大，混凝土粘聚力在0～0.01Mpa 之間時(shí)，三條曲線走勢(shì)相互接近；當(dāng)粘聚力為0.0.35MPa 和0.05MPa 時(shí)，曲線波動(dòng)較大，表明隨著混凝土粘聚力的增大，混凝土面層和基層間剪應(yīng)力變化較大，但是依舊呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

圖4 不同參數(shù)對(duì)混凝土面層與基層間最大剪應(yīng)力測(cè)試結(jié)果變化圖

不同參數(shù)對(duì)基層底最大拉應(yīng)力測(cè)試結(jié)果變化如圖5所示，可發(fā)現(xiàn)隨著混凝土所受內(nèi)摩擦角增大，基層底部拉應(yīng)力先減小而后逐漸增加，混凝土所受內(nèi)摩擦角為0°～50°之間時(shí)，基層底部拉應(yīng)力曲線十分分散。而且相同的內(nèi)摩擦角在0°～30°范圍內(nèi)，混凝土所受粘聚力越大，最大拉應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，且內(nèi)摩擦角與基層底部拉應(yīng)力成反比，即內(nèi)摩擦角越大最大拉應(yīng)力越小。粘聚力在0～0.01Mpa 以內(nèi)，混凝土內(nèi)摩擦角在50°時(shí)最大拉應(yīng)力約為最小值1.226MPa；內(nèi)摩擦角逐漸增大超過50°時(shí)，最大拉應(yīng)力與內(nèi)摩擦角成正比；粘聚力大于0.01MPa時(shí)，內(nèi)摩擦角與最大拉應(yīng)力成先反比后正比趨勢(shì)，即先隨著內(nèi)摩擦角增大減小，再隨著內(nèi)摩擦角增大而增大。

圖5 不同參數(shù)對(duì)基層底最大拉應(yīng)力測(cè)試結(jié)果變化圖

綜上所述，通過建立三維有限元模型分析行車荷載應(yīng)力對(duì)混凝土層間力學(xué)特性，及混凝土路表彎沉、混凝土面層底最大拉應(yīng)力、混凝土層間最大剪應(yīng)力、混凝土基層底最大拉應(yīng)力與摩擦系數(shù)之間關(guān)系。混凝土面板發(fā)生翹曲時(shí)，混凝土的面板在內(nèi)摩擦角為30°～50°時(shí)更容易承受外在荷載作用，基層同樣適用。隨著內(nèi)摩擦角增至大于50°時(shí)，此狀態(tài)下混凝土路面不利于承受行車荷載的作用，混凝土使用壽命大大降低。此外，混凝土所受內(nèi)摩擦角變動(dòng)對(duì)混凝土路面的影響要大于混凝土所受粘聚力變動(dòng)的影響，通過采用有限元ANASYS 軟件分析混凝土所受粘聚力與內(nèi)摩擦角對(duì)路面層間力學(xué)特性的影響，混凝土面板發(fā)生翹曲時(shí)，當(dāng)混凝土所受粘聚力大于0.035MPa 時(shí)，混凝土內(nèi)摩擦角越大，對(duì)混凝土路面的受力越有利；而在混凝土粘聚力小于0.01MPa 時(shí)，混凝土內(nèi)摩擦角處于30°～50°之間較為合適。

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)體工程中將蠟制固化劑作為水泥混凝土面板和水泥穩(wěn)定碎石基層之間隔離層，采用有限元ANASYS 軟件建立混凝土路面結(jié)構(gòu)間力學(xué)模型，通過改變混凝土路面結(jié)構(gòu)的粘聚力與內(nèi)摩擦角，進(jìn)而分析摩擦系數(shù)對(duì)混凝土路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)特性的影響，研究結(jié)果得出以下結(jié)論：

4.1 建立三維有限元混凝土路面結(jié)構(gòu)模型，分析混凝土路面結(jié)構(gòu)層間力學(xué)特性。通過改變混凝土所受粘聚力和內(nèi)摩擦角來分析摩擦系數(shù)對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響；混凝土面板發(fā)生翹曲時(shí)，最有利于其承受外界荷載的內(nèi)摩擦角范圍在0°～30°內(nèi)。在混凝土道路的結(jié)構(gòu)受力影響因素分析中，粘聚力的影響小于內(nèi)摩擦角。

4.2 在基層施工中，特別是水泥穩(wěn)定碎石基層，應(yīng)通過減少其表面的孔隙來保證其平整度，選擇最利于面板承受外部荷載的內(nèi)摩擦角度，將其控制在0°～30°之間，減少混凝土路面板與基層之間的接觸界面摩擦，并提高混凝土路面整體結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4.3 采用保護(hù)界面的隔離劑，如蠟制隔離劑噴灑在水泥穩(wěn)定碎石基層上可保護(hù)其不受破壞，改善層間界面過渡的性能；在噴灑蠟制隔離劑后，應(yīng)該保持混凝土面層與基層之間的粘聚力應(yīng)大于0.035MPa，但應(yīng)該注意用量，不可過多使用。因此，本研究為混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)置隔離層的設(shè)計(jì)、施工控制提供了科學(xué)參考依據(jù)。