層間不同接觸狀況的水泥路面應力分析

張 巍

(邢臺市公路勘測設計處，河北 邢臺 054000)

層間不同接觸狀況的水泥路面應力分析

張 巍

(邢臺市公路勘測設計處，河北 邢臺 054000)

為研究水泥混凝土路面層間不同接觸狀況對面層內(nèi)部水平應力的影響，利用有限元原理建立三維數(shù)值模型，路面結(jié)構(gòu)材料選用彈性層狀體系作為本構(gòu)模型。面層和基層之間選用完全光滑和完全粘結(jié)兩種接觸方式，在50 kN、75 kN、100 kN三種荷載下對面層水平應力計算結(jié)果進行對比分析。同時修筑試驗路面進行現(xiàn)場檢測，對檢測數(shù)據(jù)對比分析；對試驗路面一年后的使用情況回訪調(diào)查。通過計算分析和試驗檢測相結(jié)合的方式，得出層間粘結(jié)可以有效降低層底拉應力，減少路面破壞的結(jié)論。

水泥路面；粘結(jié)；水平應力；有限元；彈性體系

1 數(shù)值模型

1.1 本構(gòu)模型和材料參數(shù)

為分析水泥路面內(nèi)部應力的分布規(guī)律，將水泥路面視為彈性層狀體系。彈性層狀體系理論屬于彈性理論的范疇，應用彈性力學方法求解彈性層狀體系的應力、應變和位移等分量時，引入如下一些假設：

(1)各層是連續(xù)的、完全彈性的、均質(zhì)的、各向同性的，以及位移和變形是微小的；

(2)最下一層在水平方向和垂直向下方向為無限大，其上各層厚度為有限、水平方向無限大；

(3)各層在水平方向無限遠處及最下一層同下無限深處，其應力、變形和位移為零；

(4)層間接觸條件，或者應力和位移連續(xù)(稱連續(xù)體系)，或者層間僅豎向應力和位移連續(xù)而無摩阻力(稱滑動體系)；

彈性體的形變分量和位移分量應滿足式(1)(2)，

(1)

(2)

各向同性體的形變分量和應力分量之間應該滿足式(3)(4)

(3)

(4)

式中：E、μ為分別為材料的彈性模量和泊松比。

路面結(jié)構(gòu)組合及材料參數(shù)見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)層材料及力學參數(shù)

1.2 幾何模型

車輛荷載一般有4種類型，單軸單輪、單軸雙輪、雙軸雙輪和三軸雙輪。本模型分析中，選用直徑為31 cm的圓形荷載進行等效。選取平面5 m×5 m范圍建立三維數(shù)值模型。為保證計算精度，單元網(wǎng)格剖分采用放射狀，比例因子為1∶1.05。荷載附近網(wǎng)格較小，遠離荷載位置網(wǎng)格較大。

1.3 邊界條件和計算模型

邊界約束條件，考慮到選取計算范圍相對于荷載面積足夠大，四個側(cè)面豎向邊界約束水平位移，其他為自由；底部邊界約束豎向位移，其他方向為自由。

輪胎與路面之間荷載重量選用50 kN、75 kN、100 kN三種荷載，面層和基層之間分別采用完全粘結(jié)和完全滑動兩種接觸方式分別進行計算。

1.4 計算結(jié)果分析

水平方向應力Sxx。

由計算結(jié)果可知，層間充分粘結(jié)狀態(tài)下，不論荷載大小，水平應力在面層表面為最大壓應力，沿深度方向壓應力減小，在中性軸位置水平應力為零，中性軸以下水平拉應力先增大后減小，水平拉應力最大值在深度23 cm的位置，距離面層底部3 cm。

層間完全滑動狀態(tài)下，水平應力在面層表面為最大壓應力，沿深度方向壓應力減小，在中性軸位置水平應力為零，中性軸以下水平拉應力沿深度方向一致增大，水平拉應力最大值在深度26 cm的位置，正是面層底部。

層間不同粘結(jié)狀態(tài)水平應力極值和位置如表2所示。

表2 水平應力極值和深度

水泥路面的破壞主要是面層底部水平彎拉應力造成的斷裂，面層和基層之間的完全光滑導致水平應力不能往下一層傳遞，往下傳遞的只有豎向應力，因此水平拉應力就留在了面層底部，而且比較集中；面層和基層之間的完全粘結(jié)時，水平和豎向應力都可以很好地往下一層傳遞，在變形協(xié)調(diào)的情況下，水泥面層水平應變能夠通過層間粘結(jié)層往下傳遞，從而分散水泥面層應力的集中，可以達到減小水泥面層層底彎拉應力的目的。

2 試驗路驗證

為了對車輛荷載下水泥路面在層間粘結(jié)和光滑兩種狀態(tài)下的水平應力進行對比研究。2011年秋季在邢臺市道路開發(fā)中心羊范基地院內(nèi)修筑試驗路。路面結(jié)構(gòu)：底基層采用30 cm石灰土，基層采用18 cm水泥穩(wěn)定碎石，面層30 cm水泥板。設定面層底部光滑和粘結(jié)兩種接觸方案，每一種方案有連續(xù)3塊板，每塊板中心、沿縱向前后距中心各50 cm處板底埋設振弦式應變計(每塊板至少埋3個)。用100 kN、200 kN兩種軸載作用于試驗路面上，測得每塊板上的應力值。先計算每塊板上的每個應變計得到應力值的平均值，然后計算相同厚度的三塊板的平均值，最后得到不同荷載下與厚度一一對應的數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗路面應力檢測數(shù)據(jù)，分析規(guī)范給定的路面臨界荷位處荷載應力。如表3所示。

表3 水平拉應力檢測值 /MPa

從表3結(jié)果可知，板底與基層粘結(jié)后，基層底面的荷載拉應力沒有增加，反而有減小的趨勢。粘結(jié)后，路面板底面的荷載彎拉應力只有不粘結(jié)時的30%左右；粘結(jié)后，路面板頂面荷載壓應力也有明顯減小。由此檢測數(shù)據(jù)分析可知面層和基層的粘結(jié)可以有效降低面層底部的水平應力。

為研究水泥路面層底粘結(jié)對道路使用性能的影響，我們于2014年在國道107線內(nèi)丘城北2 km處西半幅做了70 m長的試驗路。路面結(jié)構(gòu)：底基層采用30 cm石灰土，基層采用18 cm水泥穩(wěn)定碎石，基層頂面回彈彎沉值在20(1/0.01 mm)左右，水泥板每5.0 m劃分一塊，方案一：從起點劃分7塊板在澆筑混凝土前鋪一層塑料膜，實現(xiàn)層間滑動狀態(tài)；方案二：之后劃分7塊板在澆筑混凝土前灑水泥漿，使其水泥面層能夠和基層充分粘結(jié)。

經(jīng)過整一年運營期，在2015年年底，對試驗路進行回訪和鉆芯取樣。層間粘結(jié)的水泥路面狀況良好，沒有裂縫；層間光滑的水泥路面破壞很嚴重。從兩種方案的鉆芯取樣可以看出，層間光滑的芯樣底部完全和基層分開，底部截面很平整；層間粘結(jié)的芯樣底部斷面粗糙，說明面層和基層粘結(jié)充分，取樣時底部折斷。

3 結(jié) 論

通過有限元模型和鋪筑試驗路的方式對水泥混凝土路面的內(nèi)部應力進行分析，在層間光滑和粘結(jié)兩種情況下面層底部的水平拉應力比較，得出面層和基層充分粘結(jié)可以大幅度降低水泥面層底部的水平拉應力，從而很大程度的提高水泥路面的使用性能和耐久性。

[1] 吳國雄.水泥混凝土路面開裂機理及破壞過程研究[D].西南交通大學，2003.

[2] 蔣應軍,戴學臻,陳忠達.重載水泥混凝土路面損壞機理及對策研究[J].公路交通科技,2005,22(7):31-35.

[3] 陳劍,王浩.水泥混凝土路面基層剛度對路面受力影響分析[J].中外公路,2012,32(1):93-97.

2016-09-26

張巍(1981-)，男，河北人，工程師，研究方向：路面結(jié)構(gòu)。

U416.216

：B

：1008-3383(2017)06-0023-02