水泥路面板底脫空對路面使用性能的影響

唐 榮 張國雄 李云霞

(1.山東職業學院，山東 濟南 250104； 2.山東省公路設計咨詢有限公司，山東 濟南 250012)

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水泥路面板底脫空對路面使用性能的影響

唐 榮1張國雄2李云霞1

(1.山東職業學院，山東 濟南 250104； 2.山東省公路設計咨詢有限公司，山東 濟南 250012)

利用有限元軟件，分析了脫空狀態下水泥路面的使用性能，并計算了水泥混凝土路面板完好及處于脫空狀態下的疲勞累積作用次數，指出板底脫空的形成會縮減水泥混凝土的使用壽命。

水泥混凝土路面，板底脫空，有限元，荷載

隨著經濟的快速發展，重載、超載車輛比例增大，水泥路面作為一種具有面板剛度大、適用范圍廣、使用時間長等優點的高等級路面越來越多的被使用。但水泥混凝土路面容易出現結構性損壞——斷板，嚴重影響行車的舒適性和安全性。國內外許多研究成果表明板底脫空是造成水泥混凝土路面板早期斷裂的重要原因。本文利用邁達斯FEA軟件，通過有限元對水泥混凝土處于板底脫空下的受力情況進行研究，分析水泥板的荷載應力與脫空尺寸之間的關系；同時根據計算水泥混凝土路面板完好及處于脫空狀態下的疲勞累積作用次數，計算板底脫空狀態下水泥板的使用壽命。

1 板底脫空的產生及發展機理

1.1 脫空區的產生

水泥混凝土路面具有很大的剛度，其彈性模量約為基層材料的20倍，當車輛通過時，水泥板在車輛荷載的作用下向下彎曲，同時基層材料在路面板的作用下會產生一定量的變形(主要為彈性變形和塑性變形)。當車輛駛離后，水泥板回彈至原位置，但由于基層材料存在塑性變形，因此不能恢復原狀。當經過車輛多次作用后，基層殘留的塑性變形量變大，基層與板底出現空隙。同時重型車輛對路面的沖擊作用會使基層中的細小顆粒從基層中脫離，并從接縫處排出，形成脫空。

1.2 脫空區的擴展

隨著路面的使用，降水由裂縫或接縫處滲入板底與基層的空隙處，形成滯留水。當車輛駛過路面時，水泥板會產生向下撓曲和向上回彈的變形，在這過程中會對滯留水產生擠壓和泵吸，形成高速水流。高速水流反復對基層表面進行沖刷，基層中的細集料與粗集料分離，并伴隨著水流從接縫中排出，造成脫空區的不斷擴大。同時隨著脫空區的不斷擴大，滯留水量變大，水壓增強，沖刷效果更加明顯，加快細集料的流失，進而造成脫空區的進一步擴大。當脫空達到一定程度，在車輛荷載的作用下路面板斷裂。

2 有限元分析

2.1 模型建立

采用邁達斯FEA對路面板進行有限元分析。假定公路水泥混凝土路面面板的長寬為5 m×3.75 m，各結構層厚度及相關材料參數見表1。

表1 水泥路面材料參數

選用BZZ-100單軸雙輪組標準軸載作為加載方式。建立模型如圖1所示。

2.2 數據分析

通過模擬分析計算，得到水泥混凝土板在未出現脫空狀態下的荷載應力為1.415 MPa。

未出現脫空狀態下路面板荷載應力分析模型見圖2。

根據經驗，脫空區的形狀近似三角形，為方便計算假定為等腰三角形，脫空間隙為2 cm，直角邊長分別采用0.2 m，0.4 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.5 m。對面層施加車輛荷載，加載位置如圖3所示。

由圖2和圖4可以發現，基層處于脫空狀態下，當有荷載施加在面板上時，面層和基層會出現較大的變形，且以脫空區處的變形最大。

運用有限元模型計算分析脫空尺寸與荷載應力之間的關系，計算結果如表2所示。

表2 不同尺寸下板角荷載應力計算結果表

通過圖5可以得出，荷載應力與脫空尺寸呈線性增長的關系，隨著脫空尺寸的增加，荷載應力線性增長，隨著脫空尺寸由0.2 m增長至1.5 m，荷載應力由1.578 MPa增加至2.953 MPa，增長率達到187%。

路面受到的荷載應力與脫空尺寸之間的關系式為：

y=0.987 1x+1.415

(1)

R2=0.994 9

(2)

3 脫空狀態下水泥混凝土疲勞累積作用次數

3.1 理論分析

假設水泥混凝土路面在標準軸載一次作用下，產生的荷載應力為σp1，在荷載σp1的重復作用下，水泥混凝土路面所能達到的疲勞壽命為N1，作用一次后產生的疲勞損傷為C1，可得：

(3)

當脫空形成后，水泥混凝土路面板的受力狀態發生變化，在標準軸載作用下，混凝土板的荷載應力增大。標準軸載第n次作用時的計算公式：

(4)

當路面達到疲勞斷裂時，有:

C1+C2+…+Cn=1

(5)

即：

(6)

經過計算可得：

(7)

3.2 實例分析

路面結構參數見表1。假定高速公路位于第Ⅱ5a區，取最大溫度梯度83 ℃/m，板長5 m,t=l/(3r)=5/(3×0.744)=2.240，板厚h=0.26 m，高速公路最大溫度梯度時混凝土板的溫度翹曲應力為：

(8)

考慮溫度應力累積疲勞作用的疲勞損傷應力系數為：

(9)

則混凝土的溫度疲勞應力為:

σtr=ktσtm=0.585×1.699=0.994 MPa

(10)

假設該公路在運營過程中一直保持完好狀態，即每次施加標準軸載后產生的荷載應力不變，由上面的公式計算得到公路的疲勞累積作用次數為：

(11)

但在實際運營過程中，在車輛荷載的反復作用下，水泥板不可避免的出現脫空等病害。假定脫空區邊長每增加1 cm需要受到15 000次的標準軸載作用，即軸載每次作用到水泥板時會使脫空區的邊長增加6.7×10-7m，則σpi=0.987 1×6.7×10-7(i-1)+1.415。代入以上公式計算得出脫空狀態下水泥板的疲勞累積作用次數為：Ne=8.85×105次。

通過對比發現，脫空狀態下混凝土的使用壽命顯著下降，僅為基層完好狀態下混凝土壽命的1.04%。

4 結語

1)通過對板底脫空演化機理的研究，發現板底脫空產生的主要原因是車輛荷載及水損害，在脫空區滯留水的作用下，脫空區不斷擴大；

2)通過建立有限元模型進行分析，得出隨著脫空尺寸的增加，荷載應力線性增長；

3)對脫空狀態下的的疲勞累積作用次數進行計算，發現脫空對路面板的疲勞壽命的影響是非常顯著的。

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Impact of hollow bottom slab of cement pavement upon pavement utilization performance

Tang Rong1Zhang Guoxiong2Li Yunxia1

(1.ShandongVocationalCollege,Jinan250104,China; 2.ShandongHighwayDesignConsultingCo.,Ltd,Jinan250012,China)

Through applying finite element software, the article analyzes cement pavement utilization performance under hollow slab condition, calculates fatigue accumulating action times when the cement concrete pavement slab is in good and hollow condition, and finally points out that: hollow bottom slab forming will reduce cement concrete serving life.

cement concrete pavement, hollow bottom slab, finite element, load

1009-6825(2016)26-0153-02

2016-07-07

唐 榮(1987- )，女，助教； 張國雄(1988- )，男，工程師； 李云霞(1976- )，女，講師

U416.2

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