水泥混凝土路面脱空区域接触补偿求解方法探讨.pdf

水 泥 混凝 土 路 面脱 空 区域 接 触补偿 求解 方法探 讨 刘 强 ，张蓓 ，钟 燕辉 ( 1 _江 苏 中路工 程技 术研 究 院有 限公 司 ， 江 苏 南京 ， 2 1 0 0 1 9 ； 2 郑 州大 学水 利与环 境 学院 ， 河南 郑 州 ， 4 5 0 0 0 2 ) 摘要 ： 针对 水泥混凝 土路面板脱空产生机理 ， 充分考虑实际工况下面板与基层 的接触状态 ， 建立 了脱空分析模 型 。并基于该模 型 首次提 出了“ 接触补偿 ” 的概念 ， 并指 出其为水泥混凝土路 面三点 回归脱 空识别方法 中荷 载弯沉 曲线出现截距 值的根本原 因 。采 用考虑接触 的非线性有 限元方 法对脱空区域面板与基层接触 面进行分 析计算 ， 结果 表 明： 接触补 偿大 小与斜率 差之 间具有非 常好 的相关性 ， 并且脱空区域顶面 曲线形状对接触补偿 大小 的影响不 大 。研究结 果为水 泥混凝 土路面 脱空 的定 量识 别提供理论 基础 ， 对水泥混凝 土路 面的养护 技术发展具有重大工程实用价值 。 关键词 ： 水泥混凝土路面 ； 脱空 ；三点 回归 ；接触补偿 ； 有 限元 0 引 言 在水泥混凝土路面 的使用过程中， 路面板底脱 空 是一种常见的病害 ， 它是造成水泥混凝土路面板断裂 和错 台的直接原因。如何判定水泥混凝土面板下方基 层 的脱 空状况 乃 至 脱 空 范 围 和程 度 ， 对 于水 泥 混凝 土 路 面 的养 护维 修具 有重 要 意义 。 三点 回归 法 最 早 由 NC HR P提 出 ， 其 经 过 大量 的 工程试验和分析经验， 总结认 为其可 以作为水泥混凝 土路面脱空评定的关键依据 ， 也称为截距法 、 分级加载 法等 。三点回归法主要通过 F WD对水泥面板实施 一 定 大 小 的三级 荷载 ， 然后 采用 式 ( 1 ) 对 不 同荷 载下 的 弯 沉值 采用 一次 函数进 行 拟 合 回归 处 理 ， 最 后 通 过 回 归 曲线 的纵 坐标 截 距 值 判 定 板 下 的 脱 空 情 况 。研 究 认 为， 若截距 超过 5 0 m， 则认为板底存在脱空 ； 否则 ， 认 为 不脱 空 ， 如 图 1所 示 _ 1 。采 用 三 点 回 归法 判 定 脱 空， 由于具有操作简便 ， 在工程中被广泛采用。但是考 虑 到该 方法 主 要基 于大 量 的试 验 和经 验 ， 而 且 只能 定 性 地判 定脱 空 与否 ， 并 不 能对脱 空 作 出定量 的识 别 ， 在 近 年来 的水 泥路 面养 护 维修 中应用 的局 限性 也 越来 越 显著。因此 ， 基于既有快速简单的检测手段 ， 来开展对 于脱空 定量 评价 的技 术具 有积 极 的意义 。本 文 针对 三 点 回归法 中截距 值 产 生 的原 因 ， 利 用 接 触 非线 性 有 限 元 方法 对脱 空 区域 的面板 与基 层 的接触 状态 进 行 了分 析 ， 为三点 回归 法 的脱 空 定量 识别 技术 提供 理论 基础 。 训 一 k P + 厂 (1 ) 收 稿 日期 ： 2 O 1 5 0 5 0 8 呈 避 静 荷载P K N 图 1 三点 回归法荷载 弯沉 回归 曲线 1脱 空模型 研究 现有 研究 水泥 混凝 土路 面脱 空 的文 献 大都 假定 如 图 2所示 的脱 空模 型 。结合水 泥 混凝 土路 面结 构 在车 辆荷 载作 用下 的受力 状 况 ， 由于接 缝 位 置 附 近 区域 的 竖 向变形 和应 力 集 中现 象 ， 导致 基 层 顶 面极 易产 生 塑 性变 形 ； 而在 雨水作 用下 ， 接缝 区域面板 底部 与 下 承层 之 间的 细料极 易松 散 ， 并 被雨 水带 走 ， 进 而逐 渐 导致 该 区域 的 面板底 部与 基层 顶部 产生 接触损 失 。在 这种 情 况下路面结构的受力状态接近与悬臂板 。在沿着远离 接缝 的方 向上 ， 板 面顶部 弯沉 逐渐 变小 ， 基层 顶 面 竖 向 压力 也逐 渐 变小 。在 车 辆 荷 载 长期 作 用 下 ， 基 层 顶 面 区域 细料 颗 粒将 逐 渐 剥 落 。 因此 不 难得 出 ， 在 远 离 接 缝位 置 的方 向 上 ， 脱 空 深 度 将 逐 渐 变小 。而在 图 2所 示的脱空模型中 ， A 和 B点 的脱空深度是相同的 ， 所 以 图 2所 示 的脱空模 型是不 符合 实 际情 况 的l_ 1 。 实际上 ， 当水泥 混凝土路 面在车 辆荷载作 用下面板 N o 3 2 0 1 5上踢么缘 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 产 生了变形 ， 导致 在工况下部 分接触 损失 的区域 又重新 发 生了接 触 ， 此 部 分 区域 的接 触 状 态 发 生 了变 化 。因 此 ， 考虑接触 的脱空模型更能体现实际脱空状况。为 此 ， 本 文基于 以上理念 ， 提 出考 虑接触 的脱 空模 型 ， 如 图 3所示 。图 中 A点为脱空 区域边界 ， 当面板 不受 荷载作 用 时 ， B点处 基层顶面 与面板未发生接触 ， 而当有荷载 P 作用 时 A 点和 B点 之间的 区域发生 了接触r 】 。 y c o n c r e t e s l a 1 ) l h a s P A B v o i d r e g i ( I n C O il c r e t e s l a h P A B v o i d r e g i o n 图 2既 有 的脱 空模 型 图 3考虑接触的脱 空模型 2“ 接 触补 偿” 的提 出 2 1 截 距值 产 生原 因分 析 分析截距值产生的原因是研究三点回归法的脱空 定量 识 别技 术 的关键 。对 脱空 的水 泥混凝 土 路 面进行 有 限元 计算 时 ， 现 有文 献 都 是 在 假设 脱 空 面积 不 变 的 情况 下 ， 对脱 空 进 行 不 考虑 接 触 的线 性模 拟 。为 了分 析截 距值 产生 的原 因 ， 本 文 以 wi n k l e r地 基模 型上 的 单块板 为例 ， 分别 对不脱 空板 和脱空 面积 1 0 m 1 0 r n 的板角脱 空板 进行有限元计算 ， 模 型参数见表 1 。计 算 结果 如 图 4所示 。从 图中可 以看 出 ， 不 脱 空板 和脱 空板 计 算 的 三 点 回 归 截 距 值 分 别 为 0 0 0 1 5 m 和 一0 0 0 4 2 k t m， 可 以说 几 乎 为零 ， 也 就是 说 在 此假 设 条件 下 回归 曲线是 不会 出现 截距 值 的 。 表 1 模型参数 板尺 寸 厚 度 l 弹 性 模 量 泊 松比 I 地 基 反 应 模 量 I 4 m3 0 2 5 n l l 3 0 GPa 0 1 5 l 5 0 MPa 1 4 上冯么堍 N 。 3 2 0 1 5 l X X) 8【 x 1 6 oo 4o o 2 O 0 ( ) 一一一一一一 l 脱 夺 板 ， ， 0 2 0 4 60 8 0 l O 0 衙载 k N 图 4不考虑解除的荷载 弯沉三点回归 曲线 在对脱空水泥混凝土路面进行力学计算时， 通常把 脱空 区域的面板 简化成悬臂板模 型 。由考虑接触 的脱 空 界面模型可知： 当脱空板受到荷载作用时， 脱空区域( 即悬 臂长度) 会 变小 。所 以， 为 了得 到并 验证脱空 面板三点 回 归曲线中的截距值 ， 在以上脱空板的算例基础上 ， 通过改 变不同荷载等级下的脱空面积大小来计算弯沉值， 见表 2 ， 计算结果如图 5 所示 。从 图中可 以看出 ， 回归曲线的截 距值为 9 1 0 1 7 m， 也就是说 当脱空 区域大小 随着荷 载变 化时 ， 三点 回归 曲线 中才会产生截距值 。 表 2 荷载等级与脱空面积 荷载等级 4 0 k N 6 0 k N 8 0 k N 脱空面积 0 6 m0 6 m O 5 m0 5 m 0 4 m0 4 m 昌 i 静 图 5考虑解 除的荷载 弯沉 三点 回归曲线图 2 2“ 接 触补 偿” 的提 出 通过 以上 算例 可 知 ， 在 不 脱 空或 者 脱 空 面 积 不 发 生变 化 的力学模 式 中 ， 其 所 计 算 出的 荷 载 弯沉 回归 曲线 都是通 过 原点 的直 线 ， 而 脱 空 面 积 随荷 载 变 化 的 曲线却产生了截距值 。结合前文分析可知 ， 在加载过 程 中 ， 由于水泥 混凝 土 面板 受 到 荷 载 作 用 并产 生 了竖 向挠 度 ， 部 分脱 空 区域 界 面接触 状 况发 生 了变化 ， 即原 先脱 空 区域处 的 面板 与 基 层 又 重新 发 生 了接 触 ， 本 文 把这 种现 象定 义为“ 接 触 补偿 ” l 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m SFC , 一 S C测十 2 1 + 0 5 ( 1) 式 中 ： S FC 标为标 准新 测 试 轮 胎 的 等 效 S FC值 ； S F C 测 为现 场实 际测 试轮 胎 的 S F C测试 值 ； X 为现 场实 际测 试 轮胎 的磨 损程度 ， X3 mm。 实体工程测试前需检测测试轮胎的磨损程度 ， 测 试过 程 中每 1 0 0 k m 重新 检测 测试 轮胎 的磨 损程 度 ； 根 据测 试轮 胎磨 损程 度 ， 按照 测试 轮胎磨 损 修 正公 式 ， 修 正横 向力 系数 S F C测试结 果 。 s 一一 ( 2 ) 测 试位 置 对 S C R I M 系统 测 试结 果 影 响 较 大 ， 建 议采 用 三次连 续 测 试 的方 法 ， 取 最 低 测试 值 作 为 最 终 输 出的测 试结 果 ， 保 证测 试 结果 横 向力 系数 S F C能 代表路 面抗 滑性 能 最不利 状 态 。 ( 3 ) 测 试 轮 胎 磨 损 使 S C R I M 系 统 导 致 测 试 结 果 变 小 ， 建 议 实体工 程测 试前 检测 测试 轮胎 的磨 损 程 度 ， 测试过 程 中每 1 0 0 k m 重新 检测 测试 轮胎 的磨 损程 度 ； 根 据测 试轮 胎磨 损程 度 ， 按 照测 试轮 胎磨 损修 正 公 式 ， 修 正横 向力 系数 S F C测 试结 果 。 6结语 ( 1 ) S C R I M 系统 对 比测 试试 验 结 果 表 明 ： S C RI M 参考 文献 ： 系 统 的稳 定 性 较好 ， 但 水 膜 厚 度 、 测试 位 置 、 轮 胎 磨 损 1 J T G E 6 0 2 0 0 8公路路基路面现场测试规程 s 程度等都在一定程度上影响测试结果 的准确性 。 ( 上接 第 1 6页) 征参 数如 表 4 所 示 。 由表 4计算可知 ， 当其它参数固定不变的情况下， 曲线为 圆弧 形状 时 ， 接触 补偿 A 和斜率 差 是具有 较 好 的相 关 性 ； 当 为 抛 物 线 时 ， 相 关 系 数 并 不 高 ， 这 与 ANS YS抛 物线 由 多个 短 直 线 构 成 的原 因 有 关 ； 当 生 成 三维状 态 下 的接 触 面 时 ， 导 致接 触补 偿 面 积 提 取 的 误差。总体来说 ， 不同的脱空形状曲线对 AA k关 系影 响很 ， J 、 。 4结 语与 展望 ( 1 ) 对脱 空 的水 泥混凝 土路 面进 行有 限元 模 拟 时 ， 使用考虑接触的脱空模型将更符合实际情况。 ( 2 ) 利用 三 点 回归 法 对 水 泥 混 凝 土路 面进 行 脱 空 评定时 ， 回归 曲线 中的截距值是由于脱空 面板与基层 发 生接 触补偿 而 产生 的 。 ( 3 ) 接触补偿和斜率差 具有非 常好的相关 性 ， 采 用斜率差 作为 求解接 触补偿 大小 的指标 是可行 的， 并 且 基 层 脱 空 顶 面 曲 线 形 状 对 接 触 补 偿 的 影 响 不 大 。 ( 4 ) 研究 结果 为水 泥 混 凝 土 路 面脱 空 的定 量 识 别 提 供 了理论 基础 ， 对 于水 泥 混 凝 土 路 面 的检 测 与 养 护 维修具有重要工程应用价值。 ( 5 ) 对 于实 际的水 泥混 凝 土路 面结构 来说 ， 单 块 板 结 构是 一种 理想 的简 化 模 型 ， 考 虑 接缝 传 荷 效 率 的 多 块路面板才符合实际情况 。接触补偿 的大小与接缝传 荷效率之间的关系有待进一步研究 。 参考 文献 ： 1 刘强基 于三点 回归法的水泥混凝土路面脱空识 别方法研 究 D 郑州 大学 ，2 0 0 9 3 2 0 1 5上踢么赡2 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m