超薄水泥路面修復(fù)層受力狀態(tài)及力學(xué)模擬分析

李 軍，何建彬，楊景權(quán)

(1.黑龍江省高速公路管理局,黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100089；3.黑龍江省遠(yuǎn)升工程咨詢(xún)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090；4.中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測(cè)技術(shù)有限公司，北京 100089)

1 引 言

超薄水泥路面快速修補(bǔ)技術(shù)可以在交通影響較小的情況下，對(duì)舊水泥混凝土道面上進(jìn)行修復(fù)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(tǒng)的公路修補(bǔ)方法修復(fù)和養(yǎng)生工期長(zhǎng)，對(duì)交通影響巨大，而超薄修復(fù)層具有施工快、養(yǎng)生時(shí)間短、快速通車(chē)等優(yōu)點(diǎn)，因此近些年得到了更多的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)于超薄水泥修復(fù)層的技術(shù)有著越來(lái)越高的要求。

因此本文通過(guò)構(gòu)建合理的有限元模型，分析超薄水泥路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)影響規(guī)律，明確修復(fù)層合理厚度、模量、與原路面的粘結(jié)關(guān)系對(duì)修復(fù)層的拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力的影響。對(duì)修復(fù)層的材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 荷載參數(shù)設(shè)置

本文荷載采用單軸雙輪的形式和標(biāo)準(zhǔn)軸載作用，其大小為100 KN，接地壓強(qiáng)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(qū)，路面板在熱脹冷縮的作用下，在其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生疲勞破話(huà)。因此考慮到修復(fù)面層在厚度方向存在著溫差，產(chǎn)生相應(yīng)的附加溫差應(yīng)力(水平方向)，另一方面，界面的剪切應(yīng)力是本文中一個(gè)研究重點(diǎn)，因此本文將溫差作用所產(chǎn)生的間接荷載簡(jiǎn)化為水平力直接荷載作用，水平作用系數(shù)為0.2，緊急制動(dòng)系數(shù)為0.5。

2.2 道面結(jié)構(gòu)模型的建立

由設(shè)計(jì)規(guī)范可知，舊水泥混凝土面層厚度范圍為4～6 m，長(zhǎng)寬比不超過(guò)1.35，平面面積不大于25 cm2。本文主要研究修復(fù)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(duì)象，故采用單塊板進(jìn)行建模。為了保證計(jì)算精度，在單塊板之下的基層及地基尺寸均比板長(zhǎng)和板寬拓寬0.5 m。

確定好各結(jié)構(gòu)層尺寸之后，需要對(duì)模型中各結(jié)構(gòu)層材料性能參數(shù)進(jìn)行確定。所有結(jié)構(gòu)層均為實(shí)體結(jié)構(gòu)層，需要確定的參數(shù)為彈性模量及泊松比，參考現(xiàn)有處理，可都采用線(xiàn)彈性模型，各參數(shù)均采用典型參數(shù)，如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)層模型尺寸及參數(shù)

3 模擬結(jié)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(fù)層中拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的受力結(jié)果云圖如圖2～3所示。

圖2 荷位Ⅰ下的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分布云圖

圖3 荷位Ⅱ下的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分布云圖

從圖2～圖3中可見(jiàn)，不同荷載位置產(chǎn)生的拉應(yīng)力大小均比較接近。最大主應(yīng)力的最大值位置均在修復(fù)層表面。對(duì)剪應(yīng)力而言，第二種荷位(荷位Ⅱ)的剪應(yīng)力大得多，因此后文均使用第二種荷位進(jìn)行后續(xù)分析。修復(fù)層的剪應(yīng)力比拉應(yīng)力大，同時(shí)抗剪強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大，因此修復(fù)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(jié)效果的影響分析

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

圖4 摩擦系數(shù)為5時(shí)的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分布云圖

圖5 摩擦系數(shù)為2時(shí)的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分布云圖

圖6 摩擦系數(shù)為0.5時(shí)的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分布云圖

圖7 摩擦系數(shù)為0.1時(shí)的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分布云圖

根據(jù)云圖4～圖7結(jié)果作出曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 修復(fù)層內(nèi)應(yīng)力與摩擦系數(shù)關(guān)系圖

從圖7中可見(jiàn)，修復(fù)層的兩種內(nèi)應(yīng)力的大小與修復(fù)層與原混凝土路面的摩擦系數(shù)有著很大的關(guān)系，摩擦系數(shù)反應(yīng)了層間粘結(jié)狀態(tài)的優(yōu)劣，層間粘結(jié)狀態(tài)越好，摩擦系數(shù)越大，修復(fù)層內(nèi)應(yīng)力越小；隨著摩擦系數(shù)的減小，拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力逐漸增大，且應(yīng)力增加速度逐漸加快，說(shuō)明界面粘結(jié)狀態(tài)的降低將會(huì)導(dǎo)致超薄磨耗層內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力和切應(yīng)力，加速其破壞。

3.3 超薄修復(fù)層厚度的影響分析

為了研究修復(fù)層厚度對(duì)內(nèi)應(yīng)力的影響，改變修復(fù)層厚度為0.03 m、0.025 m、0.02 m及0.01 m，在摩擦系數(shù)為2，水平力為0.2時(shí)進(jìn)行計(jì)算。云圖結(jié)果如圖9～12所示。

圖9 修復(fù)層厚度為0.03 m時(shí)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力

圖10 修復(fù)層厚度為0.025 m時(shí)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力

圖11 修復(fù)層厚度為0.02 m時(shí)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力

圖12 修復(fù)層厚度為0.01 m時(shí)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力

根據(jù)云圖結(jié)果作出曲線(xiàn)如13所示。

圖13 修復(fù)層內(nèi)應(yīng)力與修復(fù)層厚度關(guān)系圖

從圖12中可見(jiàn)，修復(fù)層的兩種內(nèi)應(yīng)力的大小與修復(fù)層厚度有著很大的關(guān)系；隨著修復(fù)層厚度的增加，拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力逐漸減小，且切應(yīng)力減小的趨勢(shì)更加明顯，說(shuō)明確保基本厚度是超薄修復(fù)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(chē)的剎車(chē)制動(dòng)時(shí)候的水平力對(duì)超薄修復(fù)層內(nèi)應(yīng)力的影響，對(duì)其所產(chǎn)生的水平力與豎向力的比值——水平力系數(shù)進(jìn)行研究。對(duì)水平力系數(shù)取0.2、0.35、0.5時(shí)的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)行研究(修復(fù)層厚度為0.02 m，摩擦系數(shù)為2)。根據(jù)云圖結(jié)果作出曲線(xiàn)如圖14所示。

圖14 修復(fù)層內(nèi)應(yīng)力與水平力系數(shù)關(guān)系圖

從圖14中可見(jiàn)，水平力系數(shù)增加時(shí)，修復(fù)層內(nèi)部的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的水平均明顯升高，說(shuō)明頻繁的剎車(chē)制動(dòng)產(chǎn)生的水平力對(duì)修復(fù)層內(nèi)應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。在該地區(qū)如何引導(dǎo)通過(guò)車(chē)輛減速慢行通過(guò)是影響薄層修復(fù)的一個(gè)影響因素。

4 結(jié) 論

綜上，超薄水泥路面修復(fù)層受力狀態(tài)與荷載作用位置、舊水泥路面界面粘結(jié)狀態(tài)、修復(fù)層本身的厚度以及水平力的大小這四個(gè)影響因素有關(guān)。首先在荷載最不利作用位置下，與舊水泥路面層間粘結(jié)狀態(tài)越好，摩擦系數(shù)越大，修復(fù)層內(nèi)應(yīng)力越小，而界面粘結(jié)狀態(tài)的降低將會(huì)加速超薄磨耗層的破壞；其次增加修復(fù)層的厚度，可以同時(shí)降低修復(fù)層內(nèi)部的拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，提高修復(fù)層的耐久性；最后頻繁的剎車(chē)制動(dòng)產(chǎn)生的水平力對(duì)修復(fù)層內(nèi)應(yīng)力都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，也是影響修復(fù)層使用壽命的關(guān)鍵因素。