水泥混凝土路面坑洞修復有限元分析

羅 祺，郭 懿，黃 浩

(1.廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

水泥混凝土路面坑洞修復有限元分析

羅 祺1，2，郭 懿1，黃 浩1

(1.廣西壯族自治區交通規劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

水泥混凝土路面作為高級路面的重要結構形式，憑借其剛度大、承載能力強、耐水，耐高溫性強、材料易得，使用壽命長、維護費用低等優勢得到了史無前例的快速發展。但是水泥混凝土路面在使用過程中會產生各種各樣的病害，其中路面坑洞病害成為當前水泥路面亟待解決的主要問題之一。文章提出利用超短超細鋼纖維進行水泥混凝土路面坑洞病害處治，并且通過大型通用有限元軟件ANSYS對路面坑洞修復的實際情況進行有限元分析，驗證超短超細鋼纖維作為路面坑洞修復材料的優越性，同時對不同工況下已修復路面實際承受的車輛荷載進行力學分析，研究其受力規律。

水泥混凝土路面；坑洞；超短超細鋼纖維；有限元分析

0 引言

自1990年以來，隨著我國經濟的不斷提升，基礎設施建設也呈一番熱火朝天之勢，水泥混凝土路面作為高級路面的重要結構形式，憑借其剛度大、良好的承載能力以及耐水、耐高溫性能和材料來源豐富、設計使用壽命長、維護費用低等優勢得到了史無前例的快速發展。截至2010年年底，我國已經建成的水泥混凝土路面約為170萬公里。在總里程約為285萬公里的高級路面(瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面)公路中，水泥混凝土路面占到了60%。中國已經成為當今世界上擁有水泥混凝土路面里程最多的國家之一[1]。

隨著水泥混凝土公路里程的逐年增加，加上早期修建的水泥混凝土路面已接近使用年限，目前我國水泥混凝土路面面臨的養護維修任務越來越重。路面由于長期暴露在自然環境中遭受日曬雨淋、凍融溫差和各種各樣化學物質的不停侵蝕，同時長期經受車輛的沖擊荷載、循環荷載及車輪的磨耗，必然產生不同程度的損壞。如果破損水泥混凝路面沒能得到及時有效的修復，將大大影響路面的工作狀況，從而降低水泥混凝土路面的使用年限。其中水泥混凝土路面坑洞病害成為當前水泥路面亟待解決的主要問題之一。

1 水泥混凝土路面坑洞修復材料研究

研究與應用表明，雖然水泥混凝土路面坑洞修復材料種類眾多，但這些材料都具有一些缺陷，也沒有形成國家規范以指導工程技術人員進行坑洞修補的設計和施工。通過對比不同種類的修補材料在實際工程中的應用結果能夠看出，鋼纖維增強混凝土在公路水泥混凝土路面坑洞快速修復中擁有廣闊的應用前景和重要的現實意義[2-3]。

然而就傳統鋼纖維混凝土在水泥混凝土路面坑洞修復上仍存在著一些問題：(1)基本力學特性有待進一步提升：傳統普通鋼纖維直徑、體積較大因此摻入量由于受到混凝土結團的影響，一般只能摻入體積率的2%～3%的鋼纖維，影響了攪拌工藝因此無法進一步提高鋼纖維的體積摻量，導致鋼纖維改善混凝土的力學性能有所限制。(2)施工性能有待改善：普通鋼纖維的長度(20～40 mm)偏大，施工和易性差，如果在攪拌時鋼纖維分布不夠均勻，那么會造成混凝土強度局部偏弱。因此，在設計坑洞修復新材料時筆者提出了使用超短超細鋼纖維增強混凝土進行坑洞修復，通過增大了鋼纖維的體積摻量，使得鋼纖維混凝土在各方面的性能上都有很大的提升。本文通過大型通用有限元軟件ANSYS對路面坑洞修復的實際情況進行有限元分析，進一步驗證超短超細鋼纖維作為路面坑洞修復材料的優越性。同時對不同工況下已修復路面實際承受車輛荷載進行力學進行分析并找出其受力規律。

2 水泥混凝土路面坑洞有限元模擬

2.1 路面結構參數及基本假定

路面模型將下部地基用彈性地基代替，從而將研究對象簡化為由水泥混凝土面層、貧混凝土基層、彈性地基組成的彈性層狀體系，各層結構參數取值如表1所示。

表1 各結構層參數表

為了使構建的三維有限元模型更好地符合水泥混凝土路面實際情況，對材料的性質和各層結構邊界條件作如下基本假定：

(1)各結構層為均勻、連續、各向同性的連續彈性體；

(2)水泥混凝土面層與貧混凝土基層以及面層與修補塊層間完全連續，彈性地基與貧混凝土基層之間接觸狀況為絕對光滑；

(3)彈性地基底面各向位移和轉角為零，地基側面水平方向位移為零，水泥混凝土路面層各橫截面無約束，兩側側面法向位移為零，貧混凝土基層橫截面及側面法向位移為零；

(4)不計路面各層結構自重，且不考慮接縫處填縫材料的傳荷能力。

2.2 模型建立及工況

為保證運算結果的精度，采用精確性較高的六面體單元solid 65來模擬水泥混凝土路面面層、貧混凝土路面基層、鋼纖維修補層；采用四面體單元solid 92來模擬彈性地基層；考慮層間接觸狀態時，采用8節點目標元targe170和8節點面面元conta174來模擬，整個模型采用映射網格劃分方式。在靠近面層部分加密。模型總計劃分42 201單元，54 276節點。劃分單元后的有限元模型如圖1所示。其中，X方向為路面橫向；Y方向為路面厚度方向；Z方向為路面板行車方向。

圖1 單元網格劃分示意圖

荷載施加：由于有限元計算中，荷載最終等效為施加在節點上的節點力，因此，根據實際加載形式，按照等效原則，直接將荷載加載節點上來模擬實際加載情況。根據軸型的不同，汽車荷載一般可以分為單軸單輪、單軸雙輪及雙軸雙輪等，本文只考慮單軸雙輪的情況，車輛荷載采用標準軸BZZ-100，軸重為100kN，垂直荷載為P=0.7MPa，為便于有限元分析，本文輪壓作用范圍簡化為20cm×20cm的正方形，雙輪中心距為30cm，兩側輪隙間距為180cm。

(1)輪胎作用在坑洞邊緣，坑洞深度為10cm。對比坑洞修補前后，水泥混凝土路面板底的應力情況。坑洞布置情況及車輛荷載施加情況如圖2所示：

圖2 坑洞工況及車輛荷載施加情況示意圖

2.3 計算結果分析

在實際路面坑洞病害的發展過程中，由于養護不及時，路面坑洞出現后往往不能得到及時的修復。因此水泥混凝土路面存在帶坑洞服役的工況，在載荷的不停作用下路面坑洞病害會進一步擴大和加深。因此比較水泥混凝土路面修補前與修補后的兩種不同工況，對路面養護修復具有重要的指導作用。

表2 不同坑洞位置計算結果表

圖3 坑洞修補前后板底應力柱狀圖

從表2和圖3中可以看到，當路面板出現坑洞以后，如果未能及時修補，將會對板底造成很大的影響。通過用鋼纖維混凝土進行坑洞修補后，可以看到，板底的剪應力比未修補前減小了21.97%、板底沿厚度方向的拉應力更是明顯降低，幅度達到13倍左右，板底最大主應力和等效應力比修補前減小了50%左右。由此通過計算可知，當路面出現坑洞以后，應該第一時間進行坑洞的修復，否則路面將在更為不利的條件下工作。通過坑洞的修補，能夠使得路面恢復正常的受力情況，以此來增加路面使用的壽命。

(2)因為實際路面上的修補塊深淺不一，這里可通過改變修復坑洞的厚度，進一步研究不同深度修補對坑洞受力情況的影響規律。不同厚度坑洞計算數據見表3：

表3 不同厚度坑洞計算結果表

為了更直觀地查看數據，將上述數據繪制成圖，如圖4～6所示：

圖4 底部應力隨厚度變化圖

圖5 橫截面應力隨厚度變化圖

圖6 橫截面應力隨厚度變化圖

從表3及圖4～6，可以得到以下幾點結論：

(1)通過對比坑洞底面、橫截面、側面的最大主應力可以看到，坑洞側面的最大主應力均大于底面以及橫截面的最大主應力，因此可以判斷如果實際路面發生模型模擬的荷載情況，其側面最容易發生破壞。因此，在進行水泥混凝土路面坑洞修復施工的過程中，坑洞側面必須進行鑿毛處理，以加強新舊混凝土之間的機械咬合力。

(2)通過圖4可以看到，隨著坑洞深度的逐漸加深，其底部受到的應力呈現逐漸減小的趨勢，其中等效應力σe減小的幅度最大，全厚度修補(30cm)的坑洞等效應力比5cm厚度修補的等效應力減小了50%左右。

(3)通過圖5可以看到，隨著坑洞厚度的逐漸加深，橫截面所受應力逐漸增大。

(4)通過圖6可以看到，坑洞厚度變化對坑洞側面應力幾乎沒有影響。

綜上所述，盡管厚度加深對底部受力有利，對橫截面受力不利，但就影響而言，底部受力使得坑洞更容易發生破壞，因此可以判斷，在相同的情況下，加大坑洞修補的厚度會得到更好的修補效果。但是由于考慮到實際的施工工藝以及造價方面的要求，坑洞的深度并不是越厚越好。在坑洞修復設計時，應在考慮受力情況的前提下，綜合施工以及造價方面的要求進行合理的設計。

3 結語

本文通過有限元軟件對路面坑洞修復的實際情況進行有限元分析，同時對不同工況下已修復路面實際承受車輛荷載進行力學分析。得到以下結論：

(1)水泥混凝土路面坑洞修復后板底受到的應力比修復前大大減小，因此在發現水泥混凝土路面坑洞病害時，應第一時間進行修復，以此保持路面良好的使用狀況和壽命；

(2)在相同的情況下，加大坑洞修補的厚度會得到更好的修補效果。但是由于考慮到實際的施工工藝以及造價方面的要求，在坑洞修復設計時應在考慮受力情況的前提下，綜合施工以及造價方面的要求進行合理的設計。

[1]易志堅，黃宗明.路面破壞與防治—設置隔離層的水泥混凝土路面[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]謝勇成.水泥混凝土路面超薄層快速修補技術[J].公路，2000.7：62-65.

[3]廖福勇.水泥混凝土路面局部破壞快速修補技術探究[J].沿海企業與科技，2005.10：121-149.

Finite Element Analysis of Cement Concrete Pavement Potholes Repair

LUO Qi1，2，GUO Yi1，HUANG Hao1

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.School of Civil Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004)

The cement concrete pavement as an important structure form for advanced pavement has ob-tained the unprecedented rapid development by virtue of its large stiffness，strong bearing capacity，water resistance，strong temperature resistance，readily available materials，long life，low maintenance cost and other advantages.However，during the use，the cement concrete pavement will produce a variety of diseases，among which the pavement potholes disease has become one of main problems to be solved for current ce-ment pavement.This article proposed using the ultra-short superfine steel fiber for the treatment of cement concrete pavement potholes disease，and through the large-scale finite element software ANSYS，it conduc-ted the finite element analysis on the actual situation of pavement potholes repair and validated the superior-ity of ultra-short superfine steel fibers as pavement potholes repair material，meanwhile it conducted the me-chanical analysis on the actually incurred vehicle load of repaired pavement under different conditions to identify its force regularity.

Cement concrete pavement；Potholes；Ultra-short superfine steel fiber；Finite element analysis

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.011

1673-4874(2015)04-0039-04

2015-03-01

羅 祺，博士，主要從事道路與橋梁設計研究工作。