层间脱空时水泥混凝土路面的荷载应力特征.pdf

第 4 O卷 ， 第 3期 2 0 1 5年 6月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i ng Vo 1 4 0，No 3 J u n， 2 0 1 5 层 间脱空时水泥 混凝土路面的荷载应力特征 张艳聪 ， 刘少文 ，申俊敏。 ， 高玲玲 ( 1 山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设 与养 护技 术交 通行业重 点实验室 ，山西 太原0 3 0 0 0 6 ； 2 山西水 利职业技术学院 道路 与桥 梁工程系 ，山西 运城0 4 4 0 0 4 ) 摘要针对水泥混凝土路面层间脱空问题 ， 采用有限元方法 ， 建立了弹性 半空间地基 上考虑脱空 的三维路 面结构模型 ， 计算了板角 、 接缝 和板 中 3种脱空位 置处 脱空 面积对 面层荷 载应 力的影 响。结 果表 明 ： 对 于板 角脱 空 ， 脱空长度与宽度接近时 ， 面层荷 载应 力最大 ； 对于接缝 中部 脱空 ， 平行于接缝方 向的脱空越 多 ， 面层应 力分布越 不利； 对于板中脱空 ， 面层应力对脱空形状 的敏感性较低 。无论脱空位置如何 ， 面层底部最大 弯拉应力均 随脱空面 积 、 荷载大小的增加而增大 ， 但与板角脱空和接缝脱空相 比， 板 中脱 空对 面层应 力的影 响较小 。 【 关键词 道路工程 ； 荷 载应 力；有限元 ； 脱空 中图分类号u 4 1 6 2 1 6 文献标识码 】A 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 2 5 0 3 Lo a d S t r e s s Ch a r a c t e r i s t i c s o f Ce me n t Co n c r e t e Pa v e me n t wh e n I n t e r l a y e r Di s e n g a g i n g ZH ANG Ya nc o ng ，LI U Shao we n ，S HEN J u n mi n ，GAO Li n g l i n g ( 1 K e y L a b o f Hi g h w a y C o n s t r u c t i o n& Ma i n t e n a n c e T e c h n o l o g y i n L o e s s R e g i o n 。 Mi n i s t r y o f T r a n s p o r t ， S h a n x i T r a n s p o r t a t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e，T a i y u a n，S h a i x i 03 00 0 6，Chi n a； 2 De p a rtme n t o f Ro a d s a n d B r i d g e s E n g i n e e r i n g ， S h a n x i C o n s e r v a n c y T e c h n i c a l C o l l e g e ， Y u n c h e n g ， S h a n x i 0 4 4 0 0 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t T o d e a l w i t h t h e p r o b l e m i n t e r l a y e r d i s e n g a g i n g i n c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t ， 3 D m o d - e l o f t h e p a v e me n t s t r u c t ur e o n e l a s t i c h a l f - s p a c e f o u nd a t i o n c o n s i d e r d i s e n g a g i n g wa s e s t a b l i s h e d b y FEMTh e e f f e c t o f di s e n g a g i ng a r e a o n l o a d s t r e s s o f s urfa c e wa s c a l c u l a t e d wh e n d i s e n g a g i n g p o s i t i o n a t s l a b c o r n e r ， j o i n t a n d s l a b c e n t e r T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t ：f o r s l a b c o r n e r d i s e n g a g i n g ，l o a d s t r e s s o f s u r f a c e o b t a i n e d t h e ma x i mu m s t r e s s w h e n d i s e n g a g i n g l e n g t h w a s e q u a l t o w i d t h F o r j o i n t d i s e n g a g i n g ， w h e n a mo u n t o f d i s e n g a g i n g t h a t p a r a l l e l t o t h e j o i n t d i r e c t i o n w a s l a r g e r ，s H r f a c e fl e x u r a l t e n s i l e s t r e s s wa s bi g g e r Fo r s l a b c e n t e r d i s e n g a g i n g，d i s e n g a g i n g s h a p e h a d l i t t l e i n f l u e n c e o n l o a d s t r e s s o f s u r f a c e No ma t t e r whe r e t h e d i s e n g a g i n g p o s i t i o n，t h e ma x i mu m s t r e s s o f s ur f a c e i n c r e a s e d wi t h di s e ng a g i n g a r e a a n d v e h i c l e l o a d Ho we v e r ，t h e e f f e c t o f s l a b c e n t e r d i s e n g a g i n g w a s n o t a s g o o d a s s l a b c o r n e r a n d j o i n t di s e n g a g i n g bi g i n flu e n c e o n s u rfa c e s t r e s s e s Ke y w o r d s r o a d e n g i n e e r i n g ； l o a d s t r e s s ； f i n i t e e l e m e n t ；d i s e n g a g i n g 0 引言 我国高速、 一级公路水泥混凝土路 面的设计使 用基准期为 3 0年 ， 但许多路面在使用 5 、 6 a 后就 出现 了大量病 害 。这与设计 方法中路 面结构模 型 的缺憾关 系 密切 ， 即 ： 水 泥混 凝土 面层并 非一 直处 于基层提供的均匀支撑之上。在使用过程 中， 由于 车辆 、 温度、 水分等影响 ， 层 间会 逐步出现冲刷 、 唧 泥 、 脱空等问题 ， 从而 改变 了面板 的支承条件， 导致 面层实际受力状态与未脱空的设计状态有 较大偏 离 ， 甚至出现受压区域转变为局部受弯的情况 ， 严重 影响了路面使用安全。为此 ， 国内外许 多学者对水 泥混凝 土 面层底 部脱 空 的形 成 、 发 展 以及 对 路 面结 构 的影响作 了大量 的研究。王选仓 、 黄勇等人基于 F WD、 H WD 提 出 了 面 层 脱 空 的 评 判 方 法 和 依 据 ； 吴新 民、 阳宏毅等人采用 A B A Q U S有限元软 【 收稿 E t 期 】2 0 1 4 0 4 - 0 2 基金项 目国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 0 8 3 2 9 ) ； 山西省 自然科学基 金项 目( 2 0 1 3 0 1 1 0 2 71 ) ； 山西省交通厅科技项 目( 2 0 1 311 0 ) 【 作者简介】张艳聪 ( 1 9 8 5 -) ， 男 ， 河南鲁山人 ， 工程 师， 工学硕士 ， 从事路面结构与新材料方 面的研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 公路工程 4 0卷 件计算了三角形脱空对路面典型位置受力特征的影 响， 并认为相对于脱空范围而言 ， 脱空高度的影响不 大 ； 杨斌等 人基于 C P A P通过面积坐标求解位 移函数的方法说明了局部脱空对路面接缝传荷能力 的不利 影响 。 本文 在上 述研究 的基础 上 ， 基 于 A N S Y S有 限元 软件 ， 借助生死单元技术 ， 建立弹性半空间地基上三 维路面结构模型， 计算不同荷载作用下脱空位置、 面 积对水泥混凝土面层荷载应力的影响。 1 考虑脱 空的三维有限元模型 1 1模 型 的建立 对 于地 基 ， 采 用 弹性 半 空 间地 基 ， 即 ： 地基 顶 面 任一点的挠度不仅与作用于该点的压力有关 ， 也 与 附近点位上的压力有关 ， 采用弹性模量 和泊松比 来表征其性质。对于脱空部分 ， 采用直接在基层 上挖 除相应 区域 的方 式 实 现。 为使 模 型 简 单 方便 ， 假设在厚度方 向上脱 空区域 内面层 与基层完全分 离 ， 即 ： 忽略基层对面层的支承作用。此外 ， 在分析 时还需做以下假定 ： 各结构层均为线弹性体 ； 脱空区域除外 ， 基 一 面层间完全连续 ；忽略各结 构层 自重 。 在此基础上， 采用通用有 限元 软件 A N S Y S ， 借 助生死单元技术 ， 建立存在脱空的路面三维有限元 模型， 如图 1所示。模型为三层 弹性体系， 即： 有限 尺寸的四边 自由板( 面层)+周边加宽 的四边 自由 板( 基层)+扩大尺寸的弹性地基。其中 ， 地基底面 约束三向位移约束 ， 侧面约束水平位移。车辆荷载 为 B Z Z l 0 0作用 于 临界荷位 。 圈 1 三 维 有 限 元模 型 Fi g ur e 1 3- d i men s i o n f i n i t e e l e me nt mo de l 1 2参数 的选择 一 般 参 数 选取 如 下 ： 水 泥混 凝 土 面层 的 平 面尺 寸为 5 m 4 m、 厚度为 2 6 c m、 弹性模 量 E 。为 3 1 G P a 、 泊松 比 为0 1 5 ； 基层周边加宽为 0 5 m、 厚 度 h 为 0 2 m、 弹 性 模 量 为 1 5 0 0 MP a ， 泊 松 比 为 0 2 0 ； 地基周边加宽为 1 m、 厚度 h 。为 5 m、 模 量 层 。 为 1 2 0 MP a ， 泊松比 为 0 3 5 。其中， 地基加 宽尺寸和厚度的取值由收敛性分析确定。为计算简 便 ， B Z Z 一 1 0 0单轴 双轮组荷 载简化 为 4个 面积为 0 2 m 0 2 m 的正方 形 面荷载 。 1 3收 敛性 分析 由于水泥 混凝 土面层 、 基 层的平 面尺寸 已知 ， 文 中以面层厚度 2 4( 3 m、 轴重 B Z Z - 1 0 0为例， 采用临界 荷位处的弯拉应力对地基加宽尺寸、 地基厚度的取 值进行收敛性分析 。地基周边加宽、 地基厚度对 面 层底部最大弯拉应力 的影响结果如表 1所示 ， 对 比 理论计算值 1 0 1 6 MP a可知 ： 地基周边加宽取 1 m、 厚度取 5 m足以满足精度要求。 表 1 地基周边加宽、 厚度的收敛性分析 Ta b l e 1 As t r i n g e n c y a na l y s i s o f f o u n da t i o n wi dt h a n d t h i c k n e s s 周边地基 弯拉 周边地基 弯拉 周边地基 弯拉 加宽厚度 应力 加宽厚度 应力 加宽厚度 应力 ， ， ， ， ， ， m m MP a m m MP a n l m MP a O 4 0 9 6 4 l 4 0 9 6 1 2 4 0 9 5 9 0 5 0 9 6 2 l 5 0 9 5 8 2 5 0 9 5 7 0 6 0 9 6 2 l 6 0 9 5 8 2 6 0 9 5 6 0 7 0 9 6 1 l 7 0 95 7 2 7 0 9 5 6 2 层 间脱 空对水 泥混凝 土面层应力的影响 统计资料表明， 水泥混凝土路面的脱空区域通 常为楔形 ， 边缘脱空高度较大 ， 向面层中部逐渐减小 为零。但楔形体积内单元划分难度较大 ， 且 已有研 究 表 明脱 空 高度对 路 面 结 构受 力 影响 较小 ， 因 此 ， 将楔形脱空简化为在高度恒定、 范围不变的脱空 区 ， 如 图 2所示 ， 脱 空 范 围 由脱 空 长 度 和宽 度 表 征 。 经试算 ， 恒定脱空高度由 1 0 m m变化到 5 0 m m过程 中， 面层底 部最 大 弯拉 应 力 仅 改 变 1 6 ， 因 此 ， 结 合调查数据 ， 取脱空区恒定脱空高度为4 0 m m。 图 2 层间脱空示意 Fi g u r e 2 I n t e r l a y e r di s e n g a g i n g s c he ma t i c d i a g r a m 2 1 实验 方法 考查不同荷载级位下脱空位置对水泥混凝土面 层荷 载应 力 的影响 时 ， 将 B Z Z 一 1 0 0的单侧 轮 载作 用 于脱空位置中心。结合工程调研结果 ， 将脱空位置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 张艳聪 ， 等 ： 层 间脱空时水 泥混凝 土路 面的荷载应力特征 2 7 设定为板角脱空、 接缝脱空 ( 横缝中部和纵缝 中部) 和板中脱空三类。脱空位置确定后 ， 脱空面积和形 状仍然会对面层荷载应力产生干扰 ， 在计算时首先 假 定脱 空范 围是 面 积 为 0 1 8 n l 的 三 角形 区域 ， 通 过调整脱空长度 和宽度 来调节脱空区域， 具体 平面尺寸如表 2所示 ， 进而得到该脱空位置处 最不 利的脱空平面布置。 表 2脱空区域的平面尺寸 Ta b l e 2 Pl a ne s i z e o f di s e n g a g i n g a r e a i n 考查不 同荷载级位下脱空面积对水泥混凝土面 层荷载应力 的影响时 ， 仍然假定脱空高度恒定为 4 0 m m， 脱空区形状 由面层取得最大弯拉应力的长宽比 确定 ， 通过调整脱空长度来调节脱空面积。同时考 虑到车辆超载的影响 ， 轴重分为 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0 、 2 5 0 、 3 0 0 k N共 5级施 加 。 2 2 计 算 结果 与分析 2 2 1 脱空位置对面层荷载应力的影响 标准轴 载作用下 ， 不同位置处脱空时面层底部 弯拉应力的最大值如表 3所示 。由表 3可知 ：当板 角脱空时 ， 脱空长度越接近宽度面层应力越大 ， 即 ： 脱空处为等腰直角三角形时为最 为不利 ； 当横缝 中 部脱空时， 脱空宽度越大面层应力越大 ， 类似的纵缝 中部脱空时 ， 脱空长度越大面层应力越大， 即： 平行 于接缝方向的脱空越 多， 对面层荷载的应力分布越 不利 ； 与板角 、 接缝脱空相 比， 板中脱空对面层荷载 应 力 的影响 较小 ， 同 时 脱 空形 状 不 同 引起 的差 别 也 可 以忽 略 。 表 3不 同脱空形状 时面层底部最大弯拉应力 T a b l e 3 Ma x fle x u r a l t e n s i l e s t r e s s of s l a b un de r d i ffe r e n t di s e n g a g i n g a r e a 脱 空 位 置 导 案 詈 篱 板角1 0 6 5 1 3 2 3 1 8 8 8 1 5 1 3 I 1 2 2 横缝 中部 1 4 7 2 1 2 3 0 1 1 1 9 0 9 6 8 0 8 0 9 纵缝 中部0 7 5 8 0 9 5 4 1 1 0 3 1 1 9 6 1 4 1 3 堡! 竺 ： ! ! ! ： 竺 ： ! ! ： ： ! 2 2 。 2 脱空面积对 面层荷载应力的影响 板角脱空时， 脱空形状接近等腰直角三角形时 面层应力最 大。因此， 将板角脱空面积设定 为 0 5 0 5 、 1 01 0 、 1 51 5 、 2 0 2 0 m 共 4种 ， 相 应计算结果如图 3所示。轴载相同时， 面层底部最 大弯拉应力随板角脱空面积的增加近似线性增长 ， 且脱空面积越大， 应力增速越快 。同时， 随轴载的增 加 ， 面层底部最大弯拉应力也迅速攀升。 当轴载为 2 5 0 k N的单轴双轮组 的一侧 轮载作 用于板角脱 空处 中心 时， 脱 空面积大 于 1 01 0 m 的面板底部弯拉应力均超过 4 0 MP a ， 可能超 出 面层混凝土的抗弯拉强度。当轴载达到 3 0 0 k N后 ， 板角处出现的些许脱空都将给面板带来角隅断裂的 风 险 。 。 。 。 皇 、 程 静 斗 略 世 衄 0 5 ： 一 一 一= 0 50 5 1 01 0 1 51 5 2 02 0 板角脱 空面积 0 5m 2 图 3板 角脱 空 时 面 屡 的 荷 载 应 力 F i g u r e 3 Lo a d s t r e s s o f s u r f a c e wh e n s l a b c o r ne r d i s e n g a g i n g 接缝脱空时， 平行于接缝方向的脱空越多， 对面 层荷载应力的分布越不利。因此 ， 以横缝脱空为例 ， 将脱空 面积设定为 0 20 8 、0 41 。 6 、 0 6 2 4 、 0 8 3 2 、1 0 4 0 r f l 共 5种 ， 相应计算 结 果如图4所示。轴载相 同时 ， 面层底部最大弯拉应 力随横缝中部脱空面积 的增加呈二次函数增长， 与 板角脱空时相似 ， 脱空面积越大应力增速越快 。同 时 ， 面层应力也随轴载的增加而增大。此外 ， 当横缝 处的脱空贯穿整个板时 ， 即脱空平面形状为 1 0 4 0 I n 时 ， 大于 1 5 0 k N的轴载均能使面层底部产生 大于等于 4 0 MP a的弯拉应力 。 一 重 0 20 8 0 41 6 0 62 4 0 83 2 1 04 0 横缝中部脱空面积 0 5 m2 图 4 横 缝 脱 空 时 面层 的荷 载 应 力 F i g u r e 4 L o a d s t r e s s o f s u r f a c e wh e n t r a n s v e r s e j o i n t di s e ng a g i n g 分析板中脱空面积对面层应力 的影响时 ， 取脱 空形状为正方形 ， 脱空面积设定为 0 5 0 5 、1 0 1 0 、1 51 5 、2 0 2 0 m 共 4种， 相应计算结 果如图 5所示。面层底部 最大弯拉应力 随脱空面 积、 荷载大小的增加而增大。与板角脱空和接缝脱 空相比， 板中脱空对 面层应力的影响较小。但轴载 ( 下转第 3 6页) 5 5 5 5 5 5 5 5 5 8 7 6 5 4 3 2 l O 苫、 辍静K略世嗵 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 公路工程 4 0卷 ( 上接 第 2 7页) 达到 2 5 0 k N后 ， 较大面积的板 中脱空依然会在面层 底部产生大于 4 0 MP a的弯拉应力 ， 影响面层的使 用安全。 5 5 兰4 5 菩 ， 2 5 霪1 5 硼 1 0 5 一 - 1 UU k E 卜 -1 ，U kN ZOU kN 一 一 一 。 。 。 = = = 二 ： = = = = 一 _ r 一 _1 0 50 5 1 0 x1 0 1 5 x1 5 2 0 x 2 0 板 中脱空 面积 0 5 m 2 图 5 板 中脱空时面层的荷载应 力 Fi g u r e 5 Lo a d S 1 r e s s o f s u r f a c e wh e n s l a b c e n t e r di s e ng a g i n g 3 结语 采用 A N S Y S有限元软件 ， 借助生死单元技术 ， 建立 了弹性半空间地基上的三维路面结构模型， 计 算了板角、 接缝和板 中 3种脱空位置处脱空面积对 面层荷 载应 力 的影响 ， 得到 以下结 论 ： 板角脱空时 ， 脱空长度与脱空宽度接近时 ， 面层荷载应力最大； 接缝 中部脱空时， 平行于接缝方 向的脱空越多 ， 面层应力分布越不利 ； 板 中脱空时， 脱空形状对面层应力分布影响较小 ， 可以忽略。 无论脱空位置如何 ， 面层底部最大弯拉应力 均随脱 空 面积 、 荷 载 大小 的增 加 而增 大 。但 与板 角 脱空和接缝脱空相 比， 板中脱空对面层应力 的影响 较小 。 当荷载达到 2 5 0 k N后 ， 大于 1 01 0 m 的 板角脱空或大于 0 41 6 m 的横缝脱空都将引发 面层底部产生不小 于 3 5 MP a的弯拉应力 ， 对路面 结 构安全 产生威 胁 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 参考文献 J T G 1 ) 4 0 2 0 1 1 ， 公路水泥混凝士路 面施工技术规范 s 刘少文， 申俊敏 ， 周玉民山西运 煤专线水 泥混凝土试验路 结 构分析【 J 公路交通科技 ， 2 0 0 9 ( 0 9 ) ： 3 23 6 王芳， 王选仓 ， 刘凯同板动 弯沉差脱空判别方法 和标 准 J 土木建筑与环境工程， 2 0 1 0( 0 3 ) ： 7 5 8 2 黄 勇， 袁捷 ， 谭悦 ， 等机场 水泥混凝 土道面脱空判定 及影 响 J 同济大学学报(自然科学版 ) ， 2 0 1 2 ( 0 6 ) ： 8 6 1 8 6 6 张志清， 张际春 ， 傅海滨沥青路 面结构早 期破坏的动力 特性 分析 J 辽宁工程技术大学 学报 (自然科学版 ) ， 2 0 0 8( 0 4) ： 5 4I一5 4 3 王爱红高强度混凝 土路面板 配合 比设计 及其 抗开裂性能 研 究 J 山西交通科技 ， 2 0 0 7 ( o 1 ) ： 4 7+ 2 2 杨斌 接缝具有传荷 能力 的混凝 土路面有 限元分 析方 法 J 公路交通科技， 2 0 0 2 ( 0 5 ) ： 1 4 Ha n s e n B C c t a 1 Fie l d o f I n flu e n c e o f wa t e r p u mp i n g b e - n e a t h c o n c r e t e p a v e me n t s l a b s J J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n En g i n e e r i n g， l 9 91 ， 1 1 7： 4 5 5 8 吕连君， 王来贵重载作 用下路 面结构 不均匀破 坏特性 J 辽宁工程技术大学学报( 自然科学版 ) ， 2 0 0 8 ( s 1 )： 8 58 7 ， 张艳聪 ， 高玲玲不 同养生方式下 水泥混凝土路 面早期 开裂 风险 j 辽宁工程技 术大学学报 ( 自然科学版)， 2 0 l 3 ( 1 2 ) ： I 6 7 7 一l 6 8 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m