層間不同接觸狀況的水泥路面應力分析

張 巍

(邢臺市公路勘測設計處，河北 邢臺 054000)

層間不同接觸狀況的水泥路面應力分析

張 巍

(邢臺市公路勘測設計處，河北 邢臺 054000)

為研究水泥混凝土路面層間不同接觸狀況對面層內部水平應力的影響，利用有限元原理建立三維數值模型，路面結構材料選用彈性層狀體系作為本構模型。面層和基層之間選用完全光滑和完全粘結兩種接觸方式，在50 kN、75 kN、100 kN三種荷載下對面層水平應力計算結果進行對比分析。同時修筑試驗路面進行現場檢測，對檢測數據對比分析；對試驗路面一年后的使用情況回訪調查。通過計算分析和試驗檢測相結合的方式，得出層間粘結可以有效降低層底拉應力，減少路面破壞的結論。

水泥路面；粘結；水平應力；有限元；彈性體系

1 數值模型

1.1 本構模型和材料參數

為分析水泥路面內部應力的分布規律，將水泥路面視為彈性層狀體系。彈性層狀體系理論屬于彈性理論的范疇，應用彈性力學方法求解彈性層狀體系的應力、應變和位移等分量時，引入如下一些假設：

(1)各層是連續的、完全彈性的、均質的、各向同性的，以及位移和變形是微小的；

(2)最下一層在水平方向和垂直向下方向為無限大，其上各層厚度為有限、水平方向無限大；

(3)各層在水平方向無限遠處及最下一層同下無限深處，其應力、變形和位移為零；

(4)層間接觸條件，或者應力和位移連續(稱連續體系)，或者層間僅豎向應力和位移連續而無摩阻力(稱滑動體系)；

彈性體的形變分量和位移分量應滿足式(1)(2)，

(1)

(2)

各向同性體的形變分量和應力分量之間應該滿足式(3)(4)

(3)

(4)

式中：E、μ為分別為材料的彈性模量和泊松比。

路面結構組合及材料參數見表1。

表1 路面結構層材料及力學參數

1.2 幾何模型

車輛荷載一般有4種類型，單軸單輪、單軸雙輪、雙軸雙輪和三軸雙輪。本模型分析中，選用直徑為31 cm的圓形荷載進行等效。選取平面5 m×5 m范圍建立三維數值模型。為保證計算精度，單元網格剖分采用放射狀，比例因子為1∶1.05。荷載附近網格較小，遠離荷載位置網格較大。

1.3 邊界條件和計算模型

邊界約束條件，考慮到選取計算范圍相對于荷載面積足夠大，四個側面豎向邊界約束水平位移，其他為自由；底部邊界約束豎向位移，其他方向為自由。

輪胎與路面之間荷載重量選用50 kN、75 kN、100 kN三種荷載，面層和基層之間分別采用完全粘結和完全滑動兩種接觸方式分別進行計算。

1.4 計算結果分析

水平方向應力Sxx。

由計算結果可知，層間充分粘結狀態下，不論荷載大小，水平應力在面層表面為最大壓應力，沿深度方向壓應力減小，在中性軸位置水平應力為零，中性軸以下水平拉應力先增大后減小，水平拉應力最大值在深度23 cm的位置，距離面層底部3 cm。

層間完全滑動狀態下，水平應力在面層表面為最大壓應力，沿深度方向壓應力減小，在中性軸位置水平應力為零，中性軸以下水平拉應力沿深度方向一致增大，水平拉應力最大值在深度26 cm的位置，正是面層底部。

層間不同粘結狀態水平應力極值和位置如表2所示。

表2 水平應力極值和深度

水泥路面的破壞主要是面層底部水平彎拉應力造成的斷裂，面層和基層之間的完全光滑導致水平應力不能往下一層傳遞，往下傳遞的只有豎向應力，因此水平拉應力就留在了面層底部，而且比較集中；面層和基層之間的完全粘結時，水平和豎向應力都可以很好地往下一層傳遞，在變形協調的情況下，水泥面層水平應變能夠通過層間粘結層往下傳遞，從而分散水泥面層應力的集中，可以達到減小水泥面層層底彎拉應力的目的。

2 試驗路驗證

為了對車輛荷載下水泥路面在層間粘結和光滑兩種狀態下的水平應力進行對比研究。2011年秋季在邢臺市道路開發中心羊范基地院內修筑試驗路。路面結構：底基層采用30 cm石灰土，基層采用18 cm水泥穩定碎石，面層30 cm水泥板。設定面層底部光滑和粘結兩種接觸方案，每一種方案有連續3塊板，每塊板中心、沿縱向前后距中心各50 cm處板底埋設振弦式應變計(每塊板至少埋3個)。用100 kN、200 kN兩種軸載作用于試驗路面上，測得每塊板上的應力值。先計算每塊板上的每個應變計得到應力值的平均值，然后計算相同厚度的三塊板的平均值，最后得到不同荷載下與厚度一一對應的數據，根據試驗路面應力檢測數據，分析規范給定的路面臨界荷位處荷載應力。如表3所示。

表3 水平拉應力檢測值 /MPa

從表3結果可知，板底與基層粘結后，基層底面的荷載拉應力沒有增加，反而有減小的趨勢。粘結后，路面板底面的荷載彎拉應力只有不粘結時的30%左右；粘結后，路面板頂面荷載壓應力也有明顯減小。由此檢測數據分析可知面層和基層的粘結可以有效降低面層底部的水平應力。

為研究水泥路面層底粘結對道路使用性能的影響，我們于2014年在國道107線內丘城北2 km處西半幅做了70 m長的試驗路。路面結構：底基層采用30 cm石灰土，基層采用18 cm水泥穩定碎石，基層頂面回彈彎沉值在20(1/0.01 mm)左右，水泥板每5.0 m劃分一塊，方案一：從起點劃分7塊板在澆筑混凝土前鋪一層塑料膜，實現層間滑動狀態；方案二：之后劃分7塊板在澆筑混凝土前灑水泥漿，使其水泥面層能夠和基層充分粘結。

經過整一年運營期，在2015年年底，對試驗路進行回訪和鉆芯取樣。層間粘結的水泥路面狀況良好，沒有裂縫；層間光滑的水泥路面破壞很嚴重。從兩種方案的鉆芯取樣可以看出，層間光滑的芯樣底部完全和基層分開，底部截面很平整；層間粘結的芯樣底部斷面粗糙，說明面層和基層粘結充分，取樣時底部折斷。

3 結 論

通過有限元模型和鋪筑試驗路的方式對水泥混凝土路面的內部應力進行分析，在層間光滑和粘結兩種情況下面層底部的水平拉應力比較，得出面層和基層充分粘結可以大幅度降低水泥面層底部的水平拉應力，從而很大程度的提高水泥路面的使用性能和耐久性。

[1] 吳國雄.水泥混凝土路面開裂機理及破壞過程研究[D].西南交通大學，2003.

[2] 蔣應軍,戴學臻,陳忠達.重載水泥混凝土路面損壞機理及對策研究[J].公路交通科技,2005,22(7):31-35.

[3] 陳劍,王浩.水泥混凝土路面基層剛度對路面受力影響分析[J].中外公路,2012,32(1):93-97.

2016-09-26

張巍(1981-)，男，河北人，工程師，研究方向：路面結構。

U416.216

：B

：1008-3383(2017)06-0023-02