水泥混凝土路面斷裂破壞研究

呂惠卿，張湘偉，張榮輝

（1.廣東工業大學土木與交通工程學院，廣東廣州 510090;2.廣東工業大學 機電學院，廣東 廣州 510090）

水泥混凝土路面斷裂破壞研究

呂惠卿1，張湘偉2，張榮輝1

（1.廣東工業大學土木與交通工程學院，廣東廣州 510090;2.廣東工業大學 機電學院，廣東 廣州 510090）

水泥混凝土路面板的斷裂行為是由宏-細-微觀諸層次下多種破壞機制相耦合而發生，將水泥混凝土試驗路分塊編號，對路面板的斷裂破損狀況進行了詳細的調查，測量了裂縫的尺寸及其斷裂位置，繪制了路面板的斷裂平面圖，統計分析了斷裂位置與行車方向接縫的距離，通過分析找到了路面板在隨機的車輛荷載和環境荷載作用下斷裂位置的分布規律，研究了其斷裂物理成因，為新建水泥混凝土路面的設計和破損水泥混凝土路面的預防性養護提供了理論基礎。

道路工程;斷裂破壞;統計分析;水泥混凝土路面

斷裂是水泥混凝土路面（CCP）最主要的結構損壞形式，它破壞了路面結構的整體性，為表面水提供了下滲通道，使路面結構迅速降低或喪失承載能力。路面斷裂是多種因素綜合作用的結果，它受荷載、氣候、材料變異性、施工操作、養護維修、路面設計理論和方法等多種因素的影響。路面的斷裂行為是由宏-細-微觀諸層次下多種破壞機制相耦合而發生。

人們對路面結構的宏觀力學（Macro-mechanics）性能的劣化直至破壞的全過程的機理、本構關系、力學模型和計算方法采用了各種理論和方法進行研究［1-4］。宏觀力學把實際路面結構經過一系列的簡化假定，建立水泥混凝土路面結構在荷載和環境因素作用下，力學響應的定量模型，經過推演后得到力學響應的解析解或數值解，為混凝土路面結構分析提供了強有力的工具。這種研究不考慮混凝土內部多組相分的影響，把具有多相、非均勻的材料理想化為均質連續體建模，這種簡化盡管在一定程度上滿足了工程實踐的需要，但是不能充分表現混凝土變形整個過程所表現的復雜性，且數值解和理論解解算的路面力學響應與實際均有一定得偏離。

細觀力學（Meso-mechanics）將混凝土看作由粗骨料、硬化水泥膠體以及兩者之間的界面黏結帶組成的三相非均質復合材料。細觀力學以實際實驗為基礎，在細觀層次上建立數值模型［5-8］，對混凝土進行試驗研究和數值模擬，將連續介質力學、損傷力學與計算力學相結合分析細觀尺度的變形、損傷和破壞過程，研究混凝土細觀單元的本構關系及混凝土損傷與斷裂破壞的物理機制。但迄今為止，對混凝土的數值模擬僅限于少級配小尺寸試件，多數文獻都是注重對破壞過程的數值模擬，還不能代替部分實驗。

水泥混凝土路面在我國鋪裝公路路面中有64.64萬 km［9］，約占 65% 左右，廣東省是我國修建水泥混凝土路面最多的省份。從真實路面的破壞情況，對其斷裂破壞進行研究于新建CCP的設計和破損CCP的預防性養護具有重要理論和實踐意義。

1 試驗路段的情況

試驗路段G321線位于東南濕熱自然分區的廣東省，不僅降雨和濕度很大，而且氣溫和地溫也較高。1.2 km的試驗路段結構形式為25 cm水泥混凝土面層 +20 cm碎礫石墊層，雙向四車道，是廣東省高等級水泥路面的典型結構形式。

試驗路段在1995年鋪設水泥混凝土路面通車后，取得了良好的經濟效益和社會效益。但是由于設計、施工和養護等原因以及在交通量和超載車輛增長較快的情況下，路面狀況日益下降，路面損壞不斷加劇。部分水泥混凝土路面板出現大量病害和缺陷，主要有面板破碎、角隅斷裂、交叉縱橫向裂縫、錯臺、脫空、唧泥等，嚴重影響了道路的使用性能。試驗路段水泥混凝土路面板的平均尺寸為5 m×3.75 m，共有960塊板。

2 試驗路段水泥混凝土路面的斷裂統計分析

以國道321線水泥混凝土路面改造工程為研究對象，將1.2 km的試驗路逐塊編號，對路面破損狀況進行調查，繪制板的斷裂平面圖，統計斷裂位置與行車方向接縫的距離，通過統計分析找到路面在隨機的車輛荷載和環境荷載作用下橫向斷裂的規律，為新建水泥混凝土路面的設計和破損水泥混凝土路面的預防性養護提供理論、實踐基礎。

2.1 各種裂縫統計分析

對試驗路路面板中各種形式的裂縫進行統計分析，找到其斷裂位置分布的概況。選取每條裂縫的起點、中點和終點，還有1/4點和3/4點，用EXCEL進行匯總，用數學軟件MATLAB進行統計，分別做出裂縫離散點在整個板面的三維分布直方圖，對所得結果進行研究分析。

首先把混凝土板5 m×3.5 m分成10×7個小方塊，為了得到更精確的結果，也可以取得更密;然后計算裂縫離散點在每個小方塊中的數量，此過程在數學軟件MATLAB中用M文件編程序完成。

裂縫離散點在整個板面的三維分布圖如圖1～圖4。

由裂縫散點分布統計分析圖可以看出，主車道裂縫點數的峰值比超車道要大20左右，而且平均值也較大，這是由于主車道重車流量大，車速比較慢的原因。同時對裂縫在整塊板的統計分析，混凝土板的斷裂位置集中在距離行車方向接縫（0.9，2.4］m范圍之內。由于上行車道為從廣州到廣西的方向，下行車道為從廣西到廣州的方向，下行車道的重車和超重車的作用次數較多，造成下行主車道破損比較嚴重。

圖1 下行主車道裂縫分布離散Fig.1 Crack distribution in down nearside lane

圖2 下行超車道裂縫分布離散Fig.2 Crack distribution in down overtaking lane

圖3 上行主車道裂縫分布離散Fig.3 Crack distribution in up nearside lane

圖4 上行超車道裂縫分布離散Fig.4 Crack distribution in up overtaking lane

2.2 橫向裂縫的斷裂統計

垂直或斜向路面中心線的橫向或斜向裂縫為橫向裂縫。橫向或斜向裂縫［9］，通常是由于重載反復作用，溫度或濕度梯度產生的翹曲應用力或者干縮應力等因素單獨或綜合作用引起的，有裂縫板在基層和路基浸水軟化及重載反復作用進一步斷裂，便形成交叉裂縫和破碎板。當路面出現橫向裂縫時，應該及時地確定合理的修復方法，否則裂縫的出現將加快路面的破壞，基于橫向裂縫的成因及其對路面破壞的影響，對實驗路中的橫向裂縫進行了統計分析，從路面實際使用性能中獲得知識，完善水泥混凝土路面設計和預防性養護理論水平。

首先對整塊板中的橫向裂縫且裂縫在板塊左右兩端的距離小于0.4 m的斷裂板進行統計。混凝土是由粗骨料、硬化水泥膠體以及兩者之間的界面黏結帶組成的三相非均質復合材料。骨料的存在使混凝土的應力分布很不均勻，它是應力集中的主要根源。骨料本身強度高，因而骨料又可能起到阻止裂縫擴展的作用。同時混凝土的非均質性導致實際的斷裂面的不規則性。在統計過程中，為了忽略材料的非均勻性導致的裂縫不規則性，認為裂縫在板塊左右兩端的距離小于0.4 m的裂縫為一條橫向裂縫，取其平均值作為與行車方向接縫的距離。裂縫位置與行車方向接縫的距離X統計數據如表1。

表1 裂縫位置統計數據Tab.1 Statistical data of the position of crack

（續表1）

2.3 橫向裂縫斷裂位置的數據分析

假設路面統計中斷裂位置與行車方向接縫的距離X服從H0:X～（μ，σ2）由表1中的數據得μ和σ2的極大似然估計:==1.943 3，=s2=0.409 28。

原假設分布表示為:H0:X ～（1.943，0.409 28）。

構造檢驗統計量，如果H0為真，實際頻數fi應靠近理論頻數npi，即︱fi-npi︱不應該太大，卡爾·皮爾遜（K·Pearson）證明了當n→∞時:

式中:r是被估計的參數個數。

從數據中找出最小值x（1）=0.3和最大值xmax=3.9，將區間［0.3，3.9］12 等分作為初始劃分，計算出相應的fi和npi列入表2。

表2 區間分布Tab.2 Interval distribution

由 m=12，r=2，查表得:

由于 χ2=45.518 1 ＞ 14.684 ，故不接收 H0，即斷板與行車方向接縫的距離不符合X～N（1.943 3，0.409 28）。

由最復雜原理推導出來的正態分布公式，對于確定的標準差，隨機變量可以有很多種分布函數，但是復雜程度最大（信息熵最大）的分布函數只可能是正態分布。裂縫位置與行車方向接縫的距離X不符合正態分布，由最復雜原理得，路面斷裂形成的物理原因有可能（不見得全部）就是客觀事物的隨機性（伴隨著最復雜原理有效），因此路面斷裂形成可能有著其明顯的物理原因。

路面板在車輛沖擊荷載和氣候荷載的作用，板的斷裂位置與行車方向接縫的距離的概率密度統計數據，得到板的斷裂位置X的概率分布F（X）如表3。

表3 裂縫位置X的概率分布Tab.3 Probability distribution of the position of crack

由數據可知，混凝土板的斷裂位置在離行車方向接縫的距離［0.3，2.4］m 的概率為 0.80;斷裂位置在離行車方向接縫的距離［0.9，2.4］m的概率為0.77。綜合以上可以看出混凝土板的斷裂位置集中在［0.9，2.4］m。

3 斷裂分布的物理成因

該試驗路原路面結構為25 cm水泥混凝土面層+20 cm碎礫石墊層，由貝克曼梁檢測的彎沉數據表明該路段存在不同程度的脫空現象。由路面鉆芯取樣結果表明，部分路段基層厚度變異很大，小于路面設計厚度，且發現有的路段為土基。通過分析得出，路面橫向斷裂破壞主要是由于路面面層厚度不足而強度不足、基層的厚度不足和抗沖刷能力不足、唧泥和沖刷等造成的脫空斷裂以及超載等原因引起。

影響唧泥和沖刷的因素包括水的存在、水自板下擠出的速度、底基層材料的耐沖刷性、重復荷載的大小和次數，以及板撓度的大小。造成唧泥的過程為:板的溫度翹曲和土基的塑性變形使路面板下形成空隙，水進入后，泥水擠出，空隙擴大，最后車輪前的板產生錯臺和斷裂;當車輪后的板回彈時，形成真空，將前板下的細粒料抽入，前板下即發生唧泥。

唧泥和錯臺的形成相輔相承，加速路面的破壞，同時橫縫錯臺是導致有接縫混凝土路面嚴重不平整的重要原因。車輛以一定的速度在道路上行駛時，由于路面的不平整度，不可避免地會對路面產生沖擊作用，而車輛本身也將發生機械振動，即以一定的頻率和振幅在路上跳動。汽車在路面沉陷區行駛過程中的瞬間超重形成正動載，對路面產生有不利的影響;汽車在路面拱起區域行駛過程中的瞬間失重形成負動載，對路面較有利。

在正常情況下，面板均勻支承時，無論荷載作用位置，應力都比較小。而一旦脫空，板塊由于基礎支撐的喪失處于懸臂狀態，板內將產生過大的應力、剪力，水泥混凝土板很快達到極限壽命。基層非均勻支撐和脫空的水泥混凝土路面板都可以導致水泥混凝土路面板的早期斷裂;斷裂后的路面板，在地表水和車輛荷載的共同作用下又重新加速了新的脫空和新的斷裂產生。結果路面板由整塊板變為大塊板，再變為小塊板;裂縫由微小裂縫發展到寬大裂縫，嚴重惡化了行車路況。

4 斷裂統計的意義

由斷裂位置與行車方向接縫距離的統計結果及以上的分析可以看出，當車輛荷載特別是重型荷載重復作用、溫度梯度、唧泥和錯臺等造成的路面不平整度產生的正動載的綜合作用下，路面結構的最大應力處集中在（0.9，2.4］m 處，且其概率為77%。

4.1 對新建路面設計方法的意義

由路面斷裂統計結果分析得出，主車道由于重車流量大，裂縫點數的峰值比超車道要大20左右，而且平均值也較大。同時路面板的斷裂位置集中在距離行車方向接縫的（0.9，2.4］m處的概率為77%。盡管現行的路面力學設計方法中考慮了車輛荷載的動載效應而造成的沖擊破壞，但在實際應用中，對路面典型結構的實際破壞觀測和研究的較少。根據路面在隨機的車輛荷載和環境荷載作用下斷裂位置分布統計分析得出的斷裂規律，考慮車流量和動力學因素法，應該進一步完善水泥混凝土路面的設計方法。隨著路面使用經驗的不斷擴展及其使用性能監測數據的不斷累計，應逐步改進設計方法，逐步提高結構的可靠度。

4.2 對破損路面預防性養護的意義

水泥混凝土路面的特點是在養護良好的條件下，使用年限比其它路面長。水泥混凝土路面使用性能隨著使用年限的增長而逐漸衰退，一旦開始破壞，破損就會迅速發展，因此必須做好預防性養護，保持良好的路面狀況，改進行車舒適性，提高通車能力。

處理路面與路床之間、水泥混凝土面層與基層之間存在的空隙（板底脫空），能有效地將水泥混凝土路面板底空隙填充密實，提高路面基層強度，從而延長水泥混凝土面板的使用壽命和恢復行車的舒適。目前穩固面層下松散的基層、為面層提供均勻的支撐、防止唧泥和錯臺等主要病害繼續惡化產生的主要措施為灌漿。目前灌漿的方法存在很多不足，灌漿達到的實際效果也不很理想。由分析結果，距離行車方向接縫處2.4 m以內的范圍是路面板斷裂集中部位，也是面板下脫空的集中部位，灌漿修復可以參考該統計分析結果，提高其穩固基層的效果。

5 結論

1）由試驗路段水泥混凝土路面板斷裂位置與行車方向接縫距離的統計分析，得出主車道由于重車流量大，裂縫點數的峰值比超車道要大20左右，而且平均值也較大。混凝土板的橫向斷裂位置在離行車方向接縫的距離（0.3，2.4］m的概率為0.80，斷裂位置在離行車方向接縫的距離（0.9，2.4］m 的概率為 0.77。

2）斷板與行車方向接縫的距離不符合正態分布，由最復雜原理得路面斷裂形成可能有著其明顯的物理原因;試驗路段這種典型路面結構的路面斷裂破壞主要是由路面面層厚度不足而強度不足、基層的厚度不足和抗沖刷能力不足、唧泥和沖刷等造成的脫空以及超載等原因引起。新建水泥混凝土路面設計應進一步充分考慮各種因素的影響，完善水泥混凝土路面的設計方法。破損水泥混凝土路面的預防性養護中灌漿修復可以參考該統計分析結果，提高其穩固基層的效果。

［1］ 姚祖康.水泥混凝土路面設計理論和分法［M］.北京:人民交通出版社，2003.

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Crack Damage of Cement Concrete Pavement

LV Hui-qing1，ZHANG Xiang-wei2，ZHANG Rong-hui1
（1.School of Civil Engineering ＆ Transportation，Guangdong University of Technology，Guangdong Guangzhou 510090，China;
2.School of Electronic-Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangdong Guangzhou 510090，China）

The crack of the cement concrete pavement（CCP）is caused by the coupling of various damage effects from macroscopic，meso，and microcosmic levels.Initially，the cement concrete pavement slabs in the test road are numbered and the crack damages of pavement are investigated in detail.The size and location of every crack in each pavement slab are measured and drawn in a plane map of cracking.Through the statistical analysis of crack distribution in every pavement slab，the distribution rule of pavement cracks under stochastic vehicle and environmental load is obtained.The physical reasons causing the cracks are discussed.With the results of crack distribution study，the theory of designing newly-constructed CCP，as well as the theory of the preventive maintenance of damaged CCP is developed and improved.

road engineering;crack damage;statistical analysis;cement concrete pavement

U416.217

A

1674-0696（2010）01-0054-04

2009-08-04;

2009-08-26

國家自然科學基金資助項目（50775044）;廣東省公路管理局科技項目（200801）

呂惠卿（1976-），女，河北保定人，講師，工學博士，主要從事道路工程等方面的研究工作。E-mail:lhuiqing@163.com。