唐 荣 张国雄 李云霞
(1.山东职业学院，山东 济南 250104； 2.山东省公路设计咨询有限公司，山东 济南 250012)
水泥路面板底脱空对路面使用性能的影响
唐 荣1张国雄2李云霞1
(1.山东职业学院，山东 济南 250104； 2.山东省公路设计咨询有限公司，山东 济南 250012)
利用有限元软件，分析了脱空状态下水泥路面的使用性能，并计算了水泥混凝土路面板完好及处于脱空状态下的疲劳累积作用次数，指出板底脱空的形成会缩减水泥混凝土的使用寿命。
水泥混凝土路面，板底脱空，有限元，荷载
随着经济的快速发展，重载、超载车辆比例增大，水泥路面作为一种具有面板刚度大、适用范围广、使用时间长等优点的高等级路面越来越多的被使用。但水泥混凝土路面容易出现结构性损坏——断板，严重影响行车的舒适性和安全性。国内外许多研究成果表明板底脱空是造成水泥混凝土路面板早期断裂的重要原因。本文利用迈达斯FEA软件，通过有限元对水泥混凝土处于板底脱空下的受力情况进行研究，分析水泥板的荷载应力与脱空尺寸之间的关系；同时根据计算水泥混凝土路面板完好及处于脱空状态下的疲劳累积作用次数，计算板底脱空状态下水泥板的使用寿命。
1 板底脱空的产生及发展机理
1.1 脱空区的产生
水泥混凝土路面具有很大的刚度，其弹性模量约为基层材料的20倍，当车辆通过时，水泥板在车辆荷载的作用下向下弯曲，同时基层材料在路面板的作用下会产生一定量的变形(主要为弹性变形和塑性变形)。当车辆驶离后，水泥板回弹至原位置，但由于基层材料存在塑性变形，因此不能恢复原状。当经过车辆多次作用后，基层残留的塑性变形量变大，基层与板底出现空隙。同时重型车辆对路面的冲击作用会使基层中的细小颗粒从基层中脱离，并从接缝处排出，形成脱空。
1.2 脱空区的扩展
随着路面的使用，降水由裂缝或接缝处渗入板底与基层的空隙处，形成滞留水。当车辆驶过路面时，水泥板会产生向下挠曲和向上回弹的变形，在这过程中会对滞留水产生挤压和泵吸，形成高速水流。高速水流反复对基层表面进行冲刷，基层中的细集料与粗集料分离，并伴随着水流从接缝中排出，造成脱空区的不断扩大。同时随着脱空区的不断扩大，滞留水量变大，水压增强，冲刷效果更加明显，加快细集料的流失，进而造成脱空区的进一步扩大。当脱空达到一定程度，在车辆荷载的作用下路面板断裂。
2 有限元分析
2.1 模型建立
采用迈达斯FEA对路面板进行有限元分析。假定公路水泥混凝土路面面板的长宽为5 m×3.75 m，各结构层厚度及相关材料参数见表1。
表1 水泥路面材料参数
选用BZZ-100单轴双轮组标准轴载作为加载方式。建立模型如图1所示。
2.2 数据分析
通过模拟分析计算，得到水泥混凝土板在未出现脱空状态下的荷载应力为1.415 MPa。
未出现脱空状态下路面板荷载应力分析模型见图2。
根据经验，脱空区的形状近似三角形，为方便计算假定为等腰三角形，脱空间隙为2 cm，直角边长分别采用0.2 m，0.4 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.5 m。对面层施加车辆荷载，加载位置如图3所示。
由图2和图4可以发现，基层处于脱空状态下，当有荷载施加在面板上时，面层和基层会出现较大的变形，且以脱空区处的变形最大。
运用有限元模型计算分析脱空尺寸与荷载应力之间的关系，计算结果如表2所示。
表2 不同尺寸下板角荷载应力计算结果表
通过图5可以得出，荷载应力与脱空尺寸呈线性增长的关系，随着脱空尺寸的增加，荷载应力线性增长，随着脱空尺寸由0.2 m增长至1.5 m，荷载应力由1.578 MPa增加至2.953 MPa，增长率达到187%。
路面受到的荷载应力与脱空尺寸之间的关系式为：
y=0.987 1x+1.415
(1)
R2=0.994 9
(2)
3 脱空状态下水泥混凝土疲劳累积作用次数
3.1 理论分析
假设水泥混凝土路面在标准轴载一次作用下，产生的荷载应力为σp1，在荷载σp1的重复作用下，水泥混凝土路面所能达到的疲劳寿命为N1，作用一次后产生的疲劳损伤为C1，可得：
(3)
当脱空形成后，水泥混凝土路面板的受力状态发生变化，在标准轴载作用下，混凝土板的荷载应力增大。标准轴载第n次作用时的计算公式：
(4)
当路面达到疲劳断裂时，有:
C1+C2+…+Cn=1
(5)
即：
(6)
经过计算可得：
(7)
3.2 实例分析
路面结构参数见表1。假定高速公路位于第Ⅱ5a区，取最大温度梯度83 ℃/m，板长5 m,t=l/(3r)=5/(3×0.744)=2.240，板厚h=0.26 m，高速公路最大温度梯度时混凝土板的温度翘曲应力为：
(8)
考虑温度应力累积疲劳作用的疲劳损伤应力系数为：
(9)
则混凝土的温度疲劳应力为:
σtr=ktσtm=0.585×1.699=0.994 MPa
(10)
假设该公路在运营过程中一直保持完好状态，即每次施加标准轴载后产生的荷载应力不变，由上面的公式计算得到公路的疲劳累积作用次数为：
(11)
但在实际运营过程中，在车辆荷载的反复作用下，水泥板不可避免的出现脱空等病害。假定脱空区边长每增加1 cm需要受到15 000次的标准轴载作用，即轴载每次作用到水泥板时会使脱空区的边长增加6.7×10-7m，则σpi=0.987 1×6.7×10-7(i-1)+1.415。代入以上公式计算得出脱空状态下水泥板的疲劳累积作用次数为：Ne=8.85×105次。
通过对比发现，脱空状态下混凝土的使用寿命显著下降，仅为基层完好状态下混凝土寿命的1.04%。
4 结语
1)通过对板底脱空演化机理的研究，发现板底脱空产生的主要原因是车辆荷载及水损害，在脱空区滞留水的作用下，脱空区不断扩大；
2)通过建立有限元模型进行分析，得出随着脱空尺寸的增加，荷载应力线性增长；
3)对脱空状态下的的疲劳累积作用次数进行计算，发现脱空对路面板的疲劳寿命的影响是非常显著的。
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Impact of hollow bottom slab of cement pavement upon pavement utilization performance
Tang Rong1Zhang Guoxiong2Li Yunxia1
(1.ShandongVocationalCollege,Jinan250104,China; 2.ShandongHighwayDesignConsultingCo.,Ltd,Jinan250012,China)
Through applying finite element software, the article analyzes cement pavement utilization performance under hollow slab condition, calculates fatigue accumulating action times when the cement concrete pavement slab is in good and hollow condition, and finally points out that: hollow bottom slab forming will reduce cement concrete serving life.
cement concrete pavement, hollow bottom slab, finite element, load
1009-6825(2016)26-0153-02
2016-07-07
唐 荣(1987- )，女，助教； 张国雄(1988- )，男，工程师； 李云霞(1976- )，女，讲师
U416.2
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