超薄水泥路面修復層受力狀態及力學模擬分析

李 軍，何建彬，楊景權

(1.黑龍江省高速公路管理局,黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；3.黑龍江省遠升工程咨詢有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090；4.中咨公路養護檢測技術有限公司，北京 100089)

1 引 言

超薄水泥路面快速修補技術可以在交通影響較小的情況下，對舊水泥混凝土道面上進行修復層的鋪筑，從而改善路面使用性能和提高耐久性的方法。傳統的公路修補方法修復和養生工期長，對交通影響巨大，而超薄修復層具有施工快、養生時間短、快速通車等優點，因此近些年得到了更多的發展和應用，對于超薄水泥修復層的技術有著越來越高的要求。

因此本文通過構建合理的有限元模型，分析超薄水泥路面結構力學響應影響規律，明確修復層合理厚度、模量、與原路面的粘結關系對修復層的拉應力和剪切應力的影響。對修復層的材料和結構優化具有一定的參考價值。

2 模型建立及參數設置

2.1 荷載參數設置

本文荷載采用單軸雙輪的形式和標準軸載作用，其大小為100 KN，接地壓強為0.7 MPa。荷載作用面積半徑為10.65 cm(即圖7-4中δ=10.65 cm)，兩輪中心距為32 cm(即圖1中r=16 cm)。

圖1 輪載示意圖

在晝夜溫差較大的地區，路面板在熱脹冷縮的作用下，在其內部會產生疲勞破話。因此考慮到修復面層在厚度方向存在著溫差，產生相應的附加溫差應力(水平方向)，另一方面，界面的剪切應力是本文中一個研究重點，因此本文將溫差作用所產生的間接荷載簡化為水平力直接荷載作用，水平作用系數為0.2，緊急制動系數為0.5。

2.2 道面結構模型的建立

由設計規范可知，舊水泥混凝土面層厚度范圍為4～6 m，長寬比不超過1.35，平面面積不大于25 cm2。本文主要研究修復層和原路面板之間的作用，因此盡量減少模型體量，突出研究對象，故采用單塊板進行建模。為了保證計算精度，在單塊板之下的基層及地基尺寸均比板長和板寬拓寬0.5 m。

確定好各結構層尺寸之后，需要對模型中各結構層材料性能參數進行確定。所有結構層均為實體結構層，需要確定的參數為彈性模量及泊松比，參考現有處理，可都采用線彈性模型，各參數均采用典型參數，如表1所示。

表1 各結構層模型尺寸及參數

3 模擬結果及受力分析

3.1 荷載作用位置的影響分析

兩種荷位下的，超薄水泥路面修復層中拉應力和剪應力的受力結果云圖如圖2～3所示。

圖2 荷位Ⅰ下的拉應力與剪應力分布云圖

圖3 荷位Ⅱ下的拉應力與剪應力分布云圖

從圖2～圖3中可見，不同荷載位置產生的拉應力大小均比較接近。最大主應力的最大值位置均在修復層表面。對剪應力而言，第二種荷位(荷位Ⅱ)的剪應力大得多，因此后文均使用第二種荷位進行后續分析。修復層的剪應力比拉應力大，同時抗剪強度比抗拉強度大，因此修復層既可能先剪壞，也可能先拉壞，兩者均需要考慮。

3.2 界面粘結效果的影響分析

針對第二種荷載位置(荷位Ⅱ)，考察修復層和原混凝土板之間的粘結作用的影響。此時不采用tie連接，而使用摩擦系數來表示。摩擦系數考慮選取5、2、0.5、0.1這四種工況。云圖結果如圖4～圖7所示。

圖4 摩擦系數為5時的拉應力與剪應力分布云圖

圖5 摩擦系數為2時的拉應力與剪應力分布云圖

圖6 摩擦系數為0.5時的拉應力與剪應力分布云圖

圖7 摩擦系數為0.1時的拉應力與剪應力分布云圖

根據云圖4～圖7結果作出曲線如圖8所示。

圖8 修復層內應力與摩擦系數關系圖

從圖7中可見，修復層的兩種內應力的大小與修復層與原混凝土路面的摩擦系數有著很大的關系，摩擦系數反應了層間粘結狀態的優劣，層間粘結狀態越好，摩擦系數越大，修復層內應力越??；隨著摩擦系數的減小，拉應力和剪切應力逐漸增大，且應力增加速度逐漸加快，說明界面粘結狀態的降低將會導致超薄磨耗層內部產生較大的拉應力和切應力，加速其破壞。

3.3 超薄修復層厚度的影響分析

為了研究修復層厚度對內應力的影響，改變修復層厚度為0.03 m、0.025 m、0.02 m及0.01 m，在摩擦系數為2，水平力為0.2時進行計算。云圖結果如圖9～12所示。

圖9 修復層厚度為0.03 m時的拉應力和剪應力

圖10 修復層厚度為0.025 m時的拉應力和剪應力

圖11 修復層厚度為0.02 m時的拉應力和剪應力

圖12 修復層厚度為0.01 m時的拉應力和剪應力

根據云圖結果作出曲線如13所示。

圖13 修復層內應力與修復層厚度關系圖

從圖12中可見，修復層的兩種內應力的大小與修復層厚度有著很大的關系；隨著修復層厚度的增加，拉應力和剪切應力逐漸減小，且切應力減小的趨勢更加明顯，說明確保基本厚度是超薄修復層在荷載作用下耐久性的基本保證。

3.4 水平力的影響分析

為了研究汽車的剎車制動時候的水平力對超薄修復層內應力的影響，對其所產生的水平力與豎向力的比值——水平力系數進行研究。對水平力系數取0.2、0.35、0.5時的拉應力和剪應力進行研究(修復層厚度為0.02 m，摩擦系數為2)。根據云圖結果作出曲線如圖14所示。

圖14 修復層內應力與水平力系數關系圖

從圖14中可見，水平力系數增加時，修復層內部的拉應力和剪應力的水平均明顯升高，說明頻繁的剎車制動產生的水平力對修復層內應力都會產生較大的影響。在該地區如何引導通過車輛減速慢行通過是影響薄層修復的一個影響因素。

4 結 論

綜上，超薄水泥路面修復層受力狀態與荷載作用位置、舊水泥路面界面粘結狀態、修復層本身的厚度以及水平力的大小這四個影響因素有關。首先在荷載最不利作用位置下，與舊水泥路面層間粘結狀態越好，摩擦系數越大，修復層內應力越小，而界面粘結狀態的降低將會加速超薄磨耗層的破壞；其次增加修復層的厚度，可以同時降低修復層內部的拉應力和剪切應力，提高修復層的耐久性；最后頻繁的剎車制動產生的水平力對修復層內應力都會產生較大的影響，也是影響修復層使用壽命的關鍵因素。