基于脫空的水泥混凝土路面的應(yīng)力有限元研究

天津市東麗區(qū)公路管理局 工程處 武玉剛

基于脫空的水泥混凝土路面的應(yīng)力有限元研究

天津市東麗區(qū)公路管理局 工程處 武玉剛

近年來(lái)，我國(guó)水泥混凝土路面的鋪筑面積不斷增加，但在高等級(jí)公路中的比例卻在不斷減小。究其原因，主要是半剛性基層上的水泥混凝土路面沖刷脫空嚴(yán)重，且病害出現(xiàn)后難以維修，不僅沒(méi)有體現(xiàn)出水泥混凝土路面使用壽命長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，反而凸顯了其維修困難的弱點(diǎn)。因此，有必要對(duì)脫空下的水泥混凝土路面進(jìn)行研究。

一、板底脫空的產(chǎn)生原因

造成水泥混凝土路面板底脫空的原因復(fù)雜多樣，主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、養(yǎng)護(hù)管理水平差、不良環(huán)境因素影響、車(chē)輛荷載重復(fù)作用等。

二、板底脫空的形狀

水泥混凝土路面板底脫空現(xiàn)象主要出現(xiàn)在板角、板縱縫邊緣及板橫縫端部等處。確定水泥混凝土路面板底脫空形狀的方法有兩種：一種是在板角易脫空區(qū)的不同位置鉆芯，另一種是測(cè)量板板角處斷板或裂縫的形狀及尺寸。大量調(diào)查表明：板角下部脫空的形狀接近于圓弧形直角三角形。由于實(shí)踐中板角處的脫空最為嚴(yán)重，因此，本文，筆者只研究板角處的脫空。

三、有限元模型的建立

1.基本假設(shè)。采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建立板角脫空三維有限元模型，并在模型計(jì)算中作如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：路面各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體，水泥混凝土板的溫度沿著板厚方向呈線(xiàn)性分布，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載，水泥混凝土板的翹曲變形屬于小撓度彎曲問(wèn)題，采用橫向和豎向彈簧單元模擬橫向接縫間的傳荷能力，不計(jì)結(jié)構(gòu)自重。

2.路面結(jié)構(gòu)尺寸及邊界條件。通過(guò)試算，在保證結(jié)果可靠的前提下，路面結(jié)構(gòu)尺寸取5 m×4 m，基礎(chǔ)尺寸取7 m×6 m×6 m，路面結(jié)構(gòu)層采用“28 cm水泥面板+20 cm水穩(wěn)+土基”的形式。

3.不同脫空尺寸下的應(yīng)力和彎沉分析。由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，當(dāng)荷載作用下路面板撓度很小時(shí)，板下脫空高度對(duì)板內(nèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響很小，可以認(rèn)為板下脫空高度與面板荷載應(yīng)力無(wú)關(guān)，本文，筆者假設(shè)脫空深度為1 cm。在此條件下，保持其他參數(shù)不變，分別計(jì)算不同脫空尺寸下板角的臨界應(yīng)力和彎沉。計(jì)算出的荷載應(yīng)力和板角彎沉隨脫空尺寸的變化曲線(xiàn)如圖1所示。

由圖1可知，荷載應(yīng)力和板角彎沉均隨脫空尺寸的增加而逐漸增加，且增速越來(lái)越快。當(dāng)脫空尺寸為0 m×0 m時(shí)，即沒(méi)有脫空時(shí)，水泥混凝土路面的荷載應(yīng)力和彎沉分別為0.945 MPa和0.076 mm；當(dāng)脫空尺寸為2.0 m×2.0 m時(shí)，水泥混凝土路面荷載應(yīng)力和彎沉分別為為3.663 MPa和0.092 mm，分別增加了287.6%和226.3%。

一方面水泥路面板底脫空后，水泥面板受力近似于懸臂板結(jié)構(gòu)，在行車(chē)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的撓曲變形和拉應(yīng)力，水泥面板會(huì)很快產(chǎn)生斷角、裂縫等；另一方面，板底脫空后，水泥路面上產(chǎn)生的斷角、錯(cuò)臺(tái)和裂縫，會(huì)成為雨水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)的通道，從而沖刷基層，產(chǎn)生更為嚴(yán)重的病害。

4.距板角不同距離時(shí)的彎沉分析。其他參數(shù)不變，分別取混凝土板厚h = 20，22，24，26，28，30，32 cm，脫空尺寸0.4 m×0.4m，對(duì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下水泥混凝土路面的板底最大拉應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，一是在相同脫空尺寸下，水泥面板的最大拉應(yīng)力隨著板厚的增加而減小，板厚為20 cm、板長(zhǎng)為5 m時(shí)，最大拉應(yīng)力為1.475 MPa，板厚為30 cm、板長(zhǎng)為5 m時(shí)，最大拉應(yīng)力為0.836 MPa，后者比前者減小了43.3%；這說(shuō)明適當(dāng)增加板厚可以減輕脫空帶來(lái)的危害。二是相同脫空尺寸下，水泥面板的最大拉應(yīng)力隨著板長(zhǎng)的增加而增加。板長(zhǎng)為4 m、板厚為26 cm時(shí)，最大拉應(yīng)力為0.958 MPa；板長(zhǎng)為6 m、板厚為26 cm時(shí)，最大拉應(yīng)力為1.236 MPa；后者比前者增加了29.1%。這表明適當(dāng)減小板長(zhǎng)可以減輕脫空的影響，延長(zhǎng)道路的使用年限。