水泥混凝土面板脱空的有限元模型分析研究.pdf

第 3 5卷 ， 第 5期 2 0 1 0年 1 0 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g = = = =! 一 ) Vo 1 3 5 No 5 Oc t ， 2 0 1 0 水泥混凝土面板脱空的有限元模型分析研 究 翼 啸 ， 龙 劭一 ( 湖南省娄新 高速公路建设开发有限公司 ，湖南 娄底 4 1 7 o 0 O ) l n t e e l e m e n t a n a l y s i s o f t h e c a V i t y f o r mi ng m e c h a I l i s m 。 f c e me n t 0 nc r e t e p a v e m e n t u n d e r ta ffi c l 0 a d s ，。 G ONG Xi a o ，LONG Sha o yi (Hu n a n L 。 u x i n Ex p r e s s wa y，L 。 u d i ，Hu n a n 41 7 O 0 O ，ch i n a) Ke y w 。 r d c e m e n t c o n c r e t e pav ement ； crag l a ct or s 矗n i t e e l e me n t a n a l ， Y ，s i s；di s e n g a g i n g me c h a n i s m ； nf 1 。 “ J ；uI s eng ag l ng 丹 n； 日 m ； nf ， 翅 面板底 脱空 的产生是 一 个复杂 的 髦 因 素 众 多 ， 包 括 有 水 ( 水 的 杀 在 材 料 特 性 ( 基 层 材 料 的 荔 ； 、 冀 箜 载 作 用 ( 重 复 荷 载 的 吴 J 的 挠 曲 变 形 大 小 ) 和 环 境 因 素 ( 温 湿 薹 帕。 量 的关 于脱 空 的现 场 调 查 和测 试资 料 。 土 板底脱 空分 为 2类 ： 、 型 空 。 在 环 境 因 素 作 用 下 薹 萎 化 ) 发 生 翘 曲 变 形 ， 板 的 边 言 璺 。可 能 同 地 基 顶 面 脱 离 盖 载 或 温度翘曲的重复作 ,1阳1 4下 ， 曼 姜 塑 性 变 形 累 积 导 致 板 竺 篓 土 路 面 板 底 因 温 湿 层 墨 积 等 原 因 产 生 的 脱 空 藉 妻 挚 裂 缝 和 板 边 缝 隙 渗 入 到 芸 筹 竺 作 用 下形成有压水在板底 板边高速流动 ，对基层顶面进行冲刷 ， 基 竺 到 路 面 上 产 生 唧 泥 现 象 ， 随 着 细 颗 竺 ： 底 形 成 脱 空 ， 将 唧 泥 弓 磊 磊 空 称 为 唧 泥 型 脱 空 ，见 图 1 。 帆 图 l 水泥混凝土路面板 唧泥示意 图 z 有 限元模型数值计算分析 2 1 路 面结构 分析模 型 计算假设和简化 。 舛 白 曩 、 层 、底 基 层 和 路 基 均 为 均 匀 、 连 续 、各 向同性的性弹性体； ， 凝 土板 、 基 层 、底基层和路基接触条件为 完全连续 ： c 各结构层均不计 自雷 ： 收稿 日期】2 0 1 0 0 8 2 7 作者简介 龚啸( 1 9 7 。 ) ， 男， 湖北天 门人 ，高级工程师 ， 硕士 ，从事高速公司建设管理与研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 龚 啸 ， 等 ： 水泥混凝土面板脱空 的有 限元模型分析研究 l 2 9 d分析中只考虑一块板 ， 即不考虑板间的传荷 的影响 。 单元类型的选取。 混凝 土板 、 基 层 、 底 基 层 和 路 基 均 采 用 s o l i d 9 5 三维实体单元 ， 该单元为 2 0节点高 阶次单元 ， 每个 节点有 3个沿着 、 y和 z方 向的 自由度 ， 具有较高 的计 算精 度 。 材料 及模 型 参数 。 水泥 混凝 土路 面 各结 构层 的材 料 和模 型参 数如 表 1所示 ， 模型尺寸 ：凝土面板 尺寸为 5 3 7 5 0 2 7 m， 考虑到减少边界条件的影响 ， 基层 、 底基层 和路 基采用 扩 大尺 寸 ， 7 5 7 53 3 2 m。 表 1材料和模型参数表 载荷 。 车辆荷 载 分 4种 基 本 类 型 ：单 轴 单 轮 ， 单 轴 双 轮 ， 双 轴双 轮 和三轴 双 轮 ， 载 重 卡车 的双 轮 中心轮 距 变 化 在 2 5 3 4 c m 之 间 ， 轮 距 为 1 6 51 8 6 c m， 轴 距 为 I 1 21 4 0 c m。根据我国水泥路面设计规范中对 车辆荷载的考虑方法 ， 在有限元计算 中采用单轴双 轮荷载， 其具体 的荷载图式如图 2所 示。轮胎接地 面积 采用矩 形 ， 轮胎 接 地 压力 和接 触 面积 边 长 如 表 2所示 ， 整个作用面内载荷均匀分布。轴重级别为： 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0、 2 5 0 、 3 0 0 、 3 5 0 k N 6种情 况 。 单 轴一 双轮组 图 2单轴 双轮荷载图式 ( 单位： e m ) 表 2轴载级别 、 轮胎接地压 力与作用边长 2 2有 限元 分析 结 果 2 2 1 脱 空 域形 成 机理 为探讨水泥混凝土路面板下脱空形成机理 ， 考 虑标准载荷 B Z Z 一 1 0 0 k N作用下 的路面结构弯沉和 拉 应力 。为 了提 高 精 确 度 ， 对 车 辆 载 荷 作 用 区 域 的 网格 划分 较 密 ， 相应 边界 条件 如 图 3所 示 。 由图 4可 知 ， 当 载荷 沿 水 泥 混凝 土 面 板 纵缝 移 动时， 四边 自由的板产生的弯沉最大出现在板角， 而 随着载荷作用位置 向板 中移动时 ， 最大弯沉逐渐减 少且趋于平稳 ， 而板底最大拉应力随着载荷作用位 置也 向板中移动。因此 ， 在不考虑纵横缝传荷时 ， 最 容易 出现脱 空 的位置 在 水泥 混凝 土路 面 的板 角处 。 图 3边界条件和载荷 距 板 角 的 距 离 m 图 4沿板边移动弯沉值 2 2 2 重载脱空耦合分析 基 于水 泥 混凝 土板 底 脱空 的一 般 图式及 其 由小 到大的演化秩序 ， 应用有限元方法 ， 在脱空区节点上 去除地基反力或给地基刚度矩阵中脱空处节点置一 很小数值 ， 详细分析 了荷载作用于弹性半空 间地基 有 限 尺寸板 板 角位 置 的最 大荷 载应 力变 化规 律 。 根据脱 空 域 的理论 分 析与 调查 将板 角脱 空看 作 三 角形 如 图 5所 示 ， 并关 于横 、 纵 缝对 称 。 以下 通 过 分 析 不 同脱 空 面积 和不 同轴 载 作 用 下 的 路 面 结构 ， 得出重载和脱空耦合下路面的破坏机理。图 6图 8 给 出 了轴 载 为3 5 0k N下 ， 不 同脱 空 面 积下 的 位 移 图 5结构分析 脱空图式 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 0 公路工程 3 5卷 板 角 一I 1，1， 口 3 207， 一 1I _+” 1 3B_ 4， 1 ， 。 ， ( a )最大拉应力 ： ： 乎 ： m 订 ： 。： 舞霄 m f b ) 最 大竖 向位移 图 6脱 空 0 ( m l 路 面 板 最 大 拉 应 力 、 最 大 竖 向位 移 ( a )最大拉应力 篓 r 00 黉 ： 一一 ( b ) 最大竖向位移 图 7脱 空 0 5 x0 8 x0 8 ( m l 路 面 板 最 大 拉 应 力 、 最 大竖 向位 移 和路面板的拉应力云图。图 9 、 图 l 0将不 同轴 载作 用和不同脱空面积下 ， 路面板最大弯拉应力和路面 结 构最 大竖 向位移进 行对 比。 蓦 、 辍 昌 暑 吕 一 、 稔 图 9路 面 板 最 大 拉 应 力 图 l 0路面板最大竖向位移 由计算 表 明 ， 当混凝 土板 均匀支 撑 时 ， 即使 轴载 超 载严重 ， 但是 应力 均 比较小 ， 但是一 旦发 生脱 空现 象 ， 荷载所产生的弯拉应力和竖向位移急剧增加 ， 随 静 ： + ； 絮 ， a ) 最大 拉应力 烹 “ 蕊 一 一 。 燃 嚣 ( b )最大竖向位移 图 8路 脱 空 0 51 21 2( 1 1 1 ) 路面 板 最 大 拉 应 力 、 最 大 竖 向 位移 着荷载和脱空面积 的增加 ， 路面板 的最大弯拉应力 超过混凝 土抗拉 强度 5 0 MP a ， 造成 一次 性破坏。 由路面板 的位 移计 算表 明 ， 无 论是脱 空 与否 ， 混 凝土 面板 的板 角 的弯沉 始 终 大 于板 边 的弯 沉 ， 由唧 泥机 理分析可以知， 弯沉越大， 板 的泵 吸力越大， 越容易 产生唧泥， 从而导致脱空， 而脱空导致板角在荷载作 用下弯沉急剧增加 ， 从 而进一步促使 唧泥的发生和 脱空面积的增加 ， 板角应力 的急剧增加最终导致板 角断裂。这也就在一定意义上解释 了重载和脱空作 用下水 泥混凝 土路 面破 坏 的原 因。 2 2 3影响因素分析 以下对路面结构参数和材料参数进行分析 ， 得 出各影 响 因素对路 面结 构 响应 的影 响 。 由图 1 1 ， 图 1 2可知 ， 随着路基土回弹模量 的衰减 ， 路 面弯沉 明 显增加 ， 由于强度的衰减和变形的增加 ， 路基顶面压 应力会相应减小 。从保证路基强度和稳定性出发 ， 应 以控 制路基 顶 面压 应 变 为 准 ， 并 验算 相 应 的路 基 压应力 。计算 表明， 路基对 路表弯沉 的影响较大。 实际运营中， 也正是因为各种因素作用下导致路基 强度 的衰变 ， 从而 进一 步诱 发路面结 构 的破坏 。 由图 1 3 ， 图 1 4可知 ， 随着路 面板 的厚度增加 ， 路表弯沉和路基顶面的压应力随之减少。但是其减 小 趋势最 终趋 于平 稳 。随着 重载交 通所 占比例越来 越多， 加厚路面板对减少路面病害起到一定作用， 但 也 不 是 越 厚 越 好 ， 一 般来 说 3 0 c m 比较合适 。 图 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 龚啸 ， 等 ： 水泥混凝土 面板脱 空的有 限元模 型分析研究 l 3 1 60 5 5 吕 5 O 4 5 兰4 o 姆 3 5 嚣 3 0 2 5 20 15 O 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 距 板 角的距 离 m 图 l l路基 回弹模量对路表弯沉影 响 图 1 2路基 回弹模量对路基顶 面压应力影响 图 1 3 路面板厚对 路表 弯沉影响 图 l 4路 面 板 厚 对 路 基 顶 面 压 应 力 影 响 表 明， 基层模量对路表弯沉 的影响不大。在水泥路 面结构 中， 由于路面板是主要承载结构 ， 路基的主要 官 茸 曼 钟 距 板 角 的 距 离 m 图 1 5 基层模量对路表弯沉影 响 作用是提高路面结构的水稳定性和抗 冲刷能力 ， 同 时 也兼 顾排 水 功能 。 3 结 论 当载荷 沿 水 泥混 凝 土面 板纵 缝 移动 时 ， 四边 自由的板产生的弯沉最大 出现在板 角 ， 而随着载荷 作用位置 向板中移动时 ， 最大弯沉逐渐减少且趋 于 平稳 ， 而板底最大拉应力 随着载荷作用位置也 向板 中移动 。 当混凝土板 均匀 支撑时 ， 即使 轴载超 载严 重 ， 但 是 应力 均 比较 小 ， 但 是一 旦 发 生 脱 空 现 象 ， 荷 载所产生的弯拉应力和竖向位移急剧增加 ， 随着荷 载和脱空面积的增加 ， 路面板 的最大弯拉应力超过 混凝 土抗 拉 强度 5 0 M P a ， 造 成一 次性 破坏 。 随着路面板 的厚度增加 ， 路表弯沉和路基顶 面 的压应 力 随之 减 少 ， 其 减 小 趋 势 最 终 趋 于平 稳 。 随着重载交通所 占比例越来越多 ， 加厚路 面板对减 少路 面病 害起 到 一定 作用 ， 但 也不 是越 厚越 好 ， 一 般 来说 3 0 c m比较合适 。基层模量对路表弯沉的影响 不大 。 参考文献 1 赵军 ， 唐伯明 基于弯沉指数 的水 泥混凝土路 面板 角脱空识 别 J 同济大学学报 ， 2 0 0 6 ，3 4 ( 3 ) ： 3 3 5 3 3 9 2 张宁 ， 钱振东 ， 黄卫 水 泥混凝 土路面 板下地 基脱空 状况 的评定与分析 J 公路交通科技 ， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 1 )： 47 3 张显安 水泥混凝土路面板 下脱 空状况 的分 析与评定 D 长 沙 ： 长沙理工大学 ， 2 0 0 5 4 肖兴强 水 泥混 凝 土路 面板 底 脱 空和 接缝 传 荷能 力 的关 系 D 成都 ： 西南交通大学 ， 2 0 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m