水泥混凝土路面不同層間接觸狀態力學特性影響分析

馮強 宋蕾

摘 要：隨著高等級公路對基層抗沖刷性能要求的提高，水泥混凝土路面越來越多的采用了水穩碎石和貧混凝土基層，在結構層強度提升的同時，模量也較以往大幅提高，基層損壞已成為路面結構破壞的主要類型之一，尤其在重載交通路面。本文在建立Winkler地基上考慮層間接觸狀況的三維結構模型的基礎上，考查基層模量、厚度、面層與基層層間接觸狀況對水泥混凝土路面面層和基層受力、層間剪切應力及面層翹曲的影響，以期優化基層參數設計。

關鍵詞：道路工程;力學性能;有限元;水泥混凝土路面;基層參數

水泥混凝土路面結構分析采用彈性地基板理論，除粒料類基層外，其它各類基層與混凝土面層按照分離式雙層板模型進行結構分析，基層與面層層間光滑、連續但不承受拉力。混凝土板和基層間可視為處于組合與滑動的中間地帶。隨著混凝土板的服役期增長，以及溫度荷載的作用，混凝土板會發生水平伸縮以及垂直方向上的翹曲，基層與面層間會逐漸趨于分離，這些均非分層間光滑、連續能夠模擬的。

1 層間接觸狀態對水泥混凝土路面力學特性的影響分析

1.1 有限元法中間層接觸狀態的模擬

1.1.1 ANSYS中層間接觸的模擬

在ANSYS中，水泥混凝土板面層、基層和土基可用空間20節點6面體單元——solid186單元（三維模型）模擬，層間聯系用接觸單元targe170和contal174來模擬，Winkler地基采用surface154單元來模擬。

接觸單元相當于在上下界面節點對間設置法向和切向彈簧，采用層間法向和切向接觸彈簧剛度表征。層間不設夾層，瀝青面層與水泥混凝土路面板基層的接觸狀況有結合、光滑和介于兩者之間的半結合等情形。完全結合，層間接觸彈簧剛度應為∞，當其在∞到0之間變化時，可模擬層間接觸從結合、半結合到光滑的各種狀態。層間設置夾層，夾層材料的接觸彈簧剛度KN3和KT3計算式為：

式中：E3、μ3和h3——分別為夾層材料的模量、泊松比和厚度。

2 不同層間接觸狀態下水泥混凝土路面面層拉應力分布特征

2.1 模型的建立和計算方法

2.1.1 結構模型的建立[2]

路面的力學結構模型為Winkler地基上的雙層三維模型，如圖2-1a所示，h1、E1、μ1分別為面層的厚度、彈性模量、泊松比;h2、E2、μ2分別為基層的厚度、彈性模量、泊松比;k為地基反應模量。面層與基層存在摩阻。

2.1.2 計算與分析方法

計算模型以20 t～30 t的三軸—雙輪組作用計算荷載。為明確基層厚度、模量、層間接觸狀況對水泥混凝土路面面層、基層受力、層間剪切應力和面層翹曲的影響，采用單因素分析法，逐一計算3個因素在各個水平下的結果。其中，基層厚度分為15 cm，20 cm，25 cm等3個水平，接觸狀況分為A1，A2，A3，B等4 個水平[3]，如表2-1所示，此外考慮到水泥混凝土面層直接澆筑在水泥穩定碎石基層或貧混凝土基層上，兩者接近完全黏結的情況，層間接觸狀況特意考察“bonded”類型，認為兩者完全黏結，界面層水平、豎向唯一均連續。

計算軟件為Ever FE 2.25，有限元模型中面板、基層及底基層均采用20節點二次實體單元，地基采用8節點二次平面單元;層間接觸界面采用零厚度的16節點二次接觸單元。面層、基層分別按照25 cm×20 cm×5 cm、25 cm×20 cm

×4 cm進行網格劃分。

2.2 車輛荷載和溫度荷載耦合作用下層間接觸狀態對面層底部拉應力的影響規律

車輛荷載和溫度荷載耦合作用下，15 cm、20 cm和25 cm三種基層厚度的水泥混凝土路面的面層層底拉應力如圖2-2～圖2-4所示。

由上圖可知，車輛和溫度荷載耦合作用下，面層底部拉應力大幅上升，可達3.6 MPa。層間接觸狀態是影響面層拉應力分布的關鍵因素，隨層間黏結狀況的增強，面層底部拉應力大幅降低。最大拉應力發生在縱縫邊緣中部的面層底部，即三軸——雙輪組的右側輪組附近。此外，基層厚度對水泥混凝土面層層底拉應力也存在較大影響，尤其是層間黏結狀態較強時，隨基層厚度的增加，面層層底拉應力不斷減小。當接觸參數為A1時，基層厚度為25 cm的路面結構的面層最大拉應力較基層厚度為15 cm的降低約2%，而當層間接觸參數為B時，這一降低至達到18%。

3 結論

（1）車輛荷載和溫度荷載耦合作用下，層間接觸狀態是影響面層拉應力分布的關鍵因素，隨層間黏結狀況的增強，面層底部拉應力大幅降低。最大拉應力發生在縱縫邊緣中部的面層底部。

（2）車輛荷載和溫度荷載耦合作用下，縱縫邊緣中部的翹曲最大，板角處次之，而板中最小。板角處的面層翹曲隨層間黏結狀態的增強而增加，板中處的翹曲規律則相反，隨層間黏結狀態的增強而降低，縱縫邊緣處的翹曲幾乎不隨層間狀態的改變而發生變化。

參考文獻：

[]周健，池永.砂土力學性質的細觀模擬[J].巖土力學，2003，24（6）：901-906.

[2]張睿卓，凌天清，袁明.半剛性基層模量對路面結構受力的影響[J].重慶交通大學報（自然科學版），2011，30（4）：755-758.

[3]胡新民.過渡層對水泥混凝土路面板結構的影響[J].長安大學學報（自然科學版），2010，30（3）：37-40.