舊水泥混凝土板破碎過程對板底脫空的影響

□文/王 亮

在水泥混凝土路面改造中，將原路面打裂后加鋪瀝青面層，既可以消除板內過大的集中應力，減小改造后加鋪層內的溫度應力和車輛荷載應力；同時可以有效地消除板底脫空等病害。但是，打裂過程中如何消除板底脫空、打裂過程中脫空區域的沉降量變化、應力-應變以及裂縫的發展形勢等一直是人們關注的問題，對脫空區域的合理打裂可以有效地改變該區域的受力情況，減小對加鋪層的潛在危害和影響。本文結合HB-XD高速公路、HB-ST高速公路改造工程，對路面打裂過程對板底脫空的影響進行分析研究。

1 基本假定

應用ANSYS有限元軟件建立分析模型，對打裂過程中板底脫空區域進行力學分析。在建立模型和計算時，需作如下假設。

1）假設個結構層為均質、連續、各向同性的線彈性材料。

2）不計路面結構的自重影響。

3）結構層之間完全連續接觸。

4）考慮面板之間的相互作用；

5）建立分析模型時，面板為5 m×4 m×0.25 m，基層為 35 m×28 m×0.30 m，土基為 35 m×28 m×20 m。

6）約束條件：不考慮接縫的傳荷能力，對基層和土基施加各個方向的約束，面板為四周自由不受約束。

2 基本參數和分析模型

2.1 結構層參數

建立ANSYS有限元分析模型，見圖1。

圖1 ANSYS有限元分析模型

其中，對水泥混凝土路面板的模擬采用ANSYS提供的適合于分析三維水泥混凝土開裂模型的concr et e65單元，基層和土基采用sol id45單元。為反映半無限大空間基礎的特性，基礎采用擴大尺寸來模擬。各結構層的材料參數見表1。

表1 結構層材料的物理力學參數

2.2 力學計算模型

選取脫空面積分別為 0、20 cm×20 cm、40 cm×40 cm、60 cm×60 cm時建立模型進行計算。

3 分析計算

通過ANSYS有限元計算模擬打裂過程中脫空區域上部水泥混凝土板的豎向變形，從豎向沉降角度得出水泥路面打裂過程中對消除板底脫空的作用。不同脫空區域面積在打裂過程中的沉降變化情況見表2。

表2 水泥混凝土路面打裂過程中對板底脫空的消除 mm

在對舊水泥混凝土板打裂的過程中，隨著脫空區域面積的增加，脫空區域的沉降量也隨之增加。ANSYS有限元分析脫空區域上部水泥混凝土面板沉降量透視見圖2。

圖2 脫空區域上部水泥混泥土板豎向沉降

由圖2可以看出，與沒有脫空的區域相比，有脫空區域的水泥混凝土板頂的豎向沉降量更加明顯。

在水泥混凝土板打裂的過程中，除了水泥混凝土板接縫位置處最容易打裂外，就是板底脫空部位。在打裂到水泥混凝土板接縫邊緣位置時，裂縫從板底和板頂同時出現并且伴有斜向裂縫的產生，見圖3。在脫空區域尖端（圖3位置1處和位置2處）與水泥混凝土板底部相接部位產生裂縫。此時的裂縫產生于水泥混凝土板底部并向上逐漸發展。在向上發展的過程中，伴有斜向裂縫和交叉裂縫的出現。由于板底脫空大多出現于板角和板邊位置，板角和板邊本來就是車輛荷載作用下剪應力比較集中的部位，加上板底脫空的存在和影響會造成該部位受力更加復雜。因此，如果不對板底脫空及時有效地消除，該區域仍將是加鋪層受力的薄弱環節，將會是路面破壞的突破口。

圖3 脫空區域水泥混凝土裂縫發展

4 結論

1）通過ANSYS有限元分析，從脫空面積為0到60 cm×60 cm的過程中，沖擊碾壓、打裂壓穩、碎石化3種舊水泥路面打裂工藝處理后的水泥混凝土表面沉降量分別增加了177%、260%和423%。可見，舊水泥混凝土路面打裂工藝在消除板底脫空方面的效果還是比較明顯的。

2）在對水泥混凝土路面板打裂的過程中，碎石化消除板底脫空的效果最明顯，在打裂水泥混凝土的過程中，由于其沖擊能量為500 MPa，遠遠大于打裂壓穩4 MPa和沖擊碾壓1.6 MPa的沖擊能量，所以碎石化在將水泥混凝土板打裂的同時，有效地消除了板底脫空等病害。

3）由于板底脫空大多出現于板角和板邊位置，板角和板邊本來就是車輛荷載作用下剪應力比較集中的部位，加上板底脫空會造成該部位受力更加復雜。因此，如果不對板底脫空及時有效地消除，該區域仍將是加鋪層受力的薄弱環節，將會是路面破壞的突破口。

4）通過對打裂過程中脫空區域的應力進行分析，剪應力主要集中在脫空區域尖端與水泥混凝土板相接觸位置，形成了應力集中，與沒有脫空部位的彎拉應力1.62 MPa和剪應力0.214 MPa相比，數值明顯地增大且剪應力數值增大趨勢明顯快于彎拉應力。但是，打裂完成以后，伴隨裂縫的產生和發展，該尖端處的應力集中現象得到明顯緩解。這說明沖擊碾壓過程中可以起到尖端應力釋放的作用和目的。

[1]王松根，張玉宏，黃曉明，等.舊水泥混凝土路面碎石化技術應用指南[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]劉 滎，劉效堯，黃曉明.水泥混凝土路面改建技術[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]胡長斌.沖擊壓路機破碎改建舊水泥混凝土路面技術[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]Yi j iang，R.S.Mcdaniel.Appl icat ion of cr acking and seat ing and use of f ibers t o cont r ol r ef l ective cr acking[J].Tr ansport at ion Resear ch Recor d，1993，（1 388）：150-159.

[5]M.R.Thompson.Breaking/Cr acking and Seat ing Concret e Pavement s[R].Washington,D.C.：Nat ional Resear ch Council，1989.