農村公路板角脫空應力分析★

潘向軍 馬濤 何平

(1.安徽省公路管理局農村公路管理處，安徽合肥 230022;2.江蘇省東南大學交通學院，江蘇南京 210096)

0 引言

安徽省農村公路水泥混凝土路面自2006年開始建設以來，逐漸開始出現一些早期病害，其中板角脫空現象比較普遍，這也成為路面板斷裂的主要原因。在實際運行過程中，由于車輛荷載的重復作用以及水流的沖刷，水泥混凝土板下局部出現脫空，如不對其進行有效治理，板角裂縫將會進一步發展，導致板角斷裂，影響路面的行車狀況[1，2]。

1 板角脫空應力分析模型建立

1.1 路面結構

以阜陽市為例，村村通公路形式主要采用18cm的水泥混凝土板+20cm的石灰土的結構組成形式，如圖1所示。

1.2 地基選擇

傳統的路面設計所使用的地基類型一般有Winkler地基和彈性半空間體地基。Winkler地基簡單實用，以反力模量K表征，通常與實際情況有一定的出入;彈性半空間體地基是以彈性模量和泊松比表征的彈性地基，本文采用5m×5m×5m的擴大地基。經過反復的試算證明，當考慮脫空產生的應力集中時，兩種地基的影響較小。而采用半空間體地基運算時，運算時間較Winkler地基長很多，因此，本節運算時均采用Winkler地基。

采用Winkler地基分析板角脫空，形狀為邊長1.5m的直角三角形時，當地基反應模量K從25mPa/m增長到125mPa/m，板角的最大主應力只改變了0.013mPa，地基反應模量K的取值對應力集中的影響很小，因此，脫空一節的計算采用的地基反應模量K均取50mPa/m。

1.3 荷載形式

在進行產生脫空引起應力集中的力學分析之前，首先必須明確車輪與路面的接觸輪跡，提出簡化方法。本文為了考慮建模的簡化，采用正方形荷載，經過試算發現和矩形荷載相差較小，具有一定的適用性[3]。

本文行車計算荷載采用規范規定的標準雙輪軸載100kN，胎壓為700kPa，接觸面積Ac由每個輪胎承受的荷載除以胎壓求得，則:

1.4 脫空形式

由于農村公路橫縫設置不采用傳力桿，主要依靠嵌縫料傳荷。當產生脫空時，嵌縫料也會有一定程度的破壞，總體傳荷能力較小，并且我們考慮的是最不利狀態，所以采用單塊板計算。

眾多對水泥混凝土路面板彎沉值的實測資料表明，距板中愈近脫空高度愈小，且為近似的三角形楔形體，距板角愈近脫空高度愈大。本文假設脫空區域在平面上為等腰三角形，在垂直方向上假設脫空量足夠大且均勻，本文取5cm，以至于在荷載作用下板與基層仍不會接觸[4]，如圖3所示。

2 板角脫空應力分析

2.1 計算參數

面層板平面尺寸取為4m×4m;水泥混凝土彈性模量E=27000mPa，泊松比 μ=0.15;基層泊松比 μ=0.3，地基反應模量取50mPa/m;分析中考慮的因素如表1所示。

表1 分析因素一覽表

2.2 應力分析

2.2.1 不同脫空寬度的影響分析

固定基層模量500mPa，面層厚度18cm，在標準軸載作用下，不同脫空寬度B對板角最大拉應力的影響，結果見圖4，圖5。

由圖4可以看出，隨著脫空寬度不斷地增加，板角的最大拉應力也相應增加，脫空三角形邊長從0.2m增加到1.5m時，最大拉應力由1.68mPa增加到4.155mPa，而農村公路水泥混凝土的設計抗折強度為4.0mPa，也就表明當脫空寬度達到1.5m時，標準軸載的一次作用就會使得水泥混凝土板角斷裂。由圖5可以看出，應力集中發生在脫空的內邊緣，斷裂也往往產生于這個部位，與調查所得實際情況相符合。

2.2.2 不同基層模量的影響分析

固定面層厚度18cm，脫空寬度1.5m，標準軸載作用下，討論基層模量的改變對板角最大拉應力的影響，結果見圖6。

由圖6可以看出，當發生脫空時，基層產生的影響很小，也就是說水穩碎石和石灰土在相同的脫空條件下，板角產生的最大拉應力相當。但是基層的選擇對是否易于產生脫空有著很大的聯系，水穩碎石整體性好，抗沖刷能力較天然砂礫以及石灰土都強。因此正確的基層選擇對防治脫空具有一定的作用。

2.2.3 不同軸載的影響分析

固定基層模量500mPa，面層厚度18cm，脫空寬度1.5m，討論不同軸載作用下對板角最大拉應力的影響，結果見圖7。

由圖7可以看出，隨著軸載的增加，板角最大拉應力呈線性增長，農村公路上最常見的手扶拖拉機滿載情況下軸重也就2t左右，作用于這樣的脫空板角產生的最大拉應力也不到0.5mPa，遠沒有達到水泥混凝土抗折強度。而10t的重車則可能一次性破壞，因此，農村公路必須加強對重載交通的管理。

2.2.4 板厚的影響分析

固定基層模量500MPa，脫空寬度為1.5m，標準軸載下，討論增加板厚對板角最大拉應力的影響，結果見圖8。

由圖8可以看出，增加板厚能顯著減少脫空引起的應力集中，平均每增加2cm就能增強20%的抗折能力。因此，建議農村公路建設時，不能盲目參考最低標準設計施工，適當增加板厚對水泥混凝土的使用壽命有著很大的幫助。

3 設計施工要點分析

基于對板角脫空的分析，可以看出當板角出現脫空時，應力集中現象十分明顯，板的受力情況極為不利，很容易產生板角斷裂，進而影響到整塊板的使用。如何通過強化設計與施工控制減少脫空的產生以及改善產生脫空后的應力集中是急需解決的問題。

3.1 設計要點

脫空通常是在溫度和車輛荷載的共同作用下由于不均勻地基支撐以及基層被水沖刷侵蝕產生的，因此減少脫空在設計時應注意以下三點:

1)加強排水設計，應設置橫坡，特別是降雨量充沛的地區;

2)合理設置接縫處，避免水沿接縫處下滲產生唧泥;

3)增強基層抗沖刷性能，通過有限元的計算分析可以知道，合理增加板厚、限制重載對產生脫空的應力集中有很大的緩解作用，從而避免出現一次性斷板。

3.2 施工控制要點

農村公路另一個重要的弊病在于施工質量得不到有效的保證，整體施工水平較低，從而很大程度上影響了水泥混凝土的抗脫空能力。其中主要應該控制以下幾個方面:

1)嚴格控制面板厚度;

2)嚴格控制水泥的質量以及水泥摻量，增強水泥混凝土的抗折能力;

3)基層以及路基的壓實控制，減少沖刷和不均勻支撐的出現[5];

4)提高灌縫水平，減少路表水下滲。通過以上的控制要點能夠有效地減少脫空的出現。

4 結語

板角脫空一直以來都是農村公路水泥混凝土路面的一個重要研究內容，通過對板角脫空的有限元模擬，分析了板厚、脫空大小等要素對板角脫空應力集中的影響。提出了針對防止脫空的設計施工要點，為后續農村公路的建設施工提供一定的依據和建議，旨在提高農村公路水泥混凝土路面的整體服務水平。

[1]馬彥兵.水泥混凝土路面面板脫空判定及壓漿治理方法研究[D].重慶:重慶交通大學，2010:10-11.

[2]蔣習偉，黃 剛.水泥混凝土路面板底脫空機理分析[J].安徽建筑，2009，166(3):75-76.

[3]張 磊.考慮溫度與荷載耦合作用的連續配筋混凝土復合式路面損傷分析[J].土木工程學報，2011，44(1):111-112.

[4]石春香，楊 群，郭忠印.公路隧道水泥路面板底脫空有限元分析[J].公路交通科技，2008，25(11):6-10.

[5]張 擎.考慮沖刷脫空的水泥混凝土路面設計研究[D].西安:長安大學，2009:108-109.