水泥混凝土路面板底脫空區域動水壓力分布特性

陳開國

（貴州智恒工程勘察設計咨詢有限公司，貴州貴陽 550004）

水泥混凝土路面板底脫空區域動水壓力分布特性

陳開國

（貴州智恒工程勘察設計咨詢有限公司，貴州貴陽 550004）

為了研究脫空區滯留水產生動水壓力的分布特性，建立含脫空區混凝土路面?滯留水雙向流固耦合計算模型，分析了車輛行車位置、行車速度、軸載、脫空區面積等因素對動水壓力的影響。研究結果表明：動水壓力沿著出口方向呈三次方減小關系；車輛行駛速度、軸載、脫空區面積是影響動水壓力的3個重要因素；動水壓力大小與行駛速度呈二次方增加關系，與軸載呈線性增加關系，與脫空區面積呈三次多項式增加關系。

混凝土路面；板底脫空；滯留水；動水壓力

0 引 言

隨著中國經濟的快速發展，作為一種高等級路面，水泥混凝土路面被廣泛使用［1］。水泥混凝土路面是典型的層狀結構體系，在溫度、濕度和車輛荷載等作用下會產生翹曲變形，反復的翹曲變形后形成卷曲，從而脫離地基頂面形成界面裂縫甚至板底脫空。在雨水豐富或排水不暢地區，水經過接縫或水泥板裂縫滲入到板底，侵入基層頂面形成滯留水。滯留水在車輛荷載的反復作用下形成高速水流，并對基層產生沖刷作用，使基層細集料從接縫處被動水帶出，產生唧泥冒漿現象，從而導致脫空區域不斷擴展，加速混凝土路面水損傷［2］。

車輛荷載與水耦合作用下混凝土路面板底脫空區發展問題，實質上是車輛荷載作用下脫空區域滯留水產生的動水壓力對表面沖刷的問題。國內外學者普遍認為造成這種現象的內因是路面基層材料抗沖刷性能不足，外因是車輛荷載作用產生較大的動水壓力和速度；學者們也相繼開展了基層材料抗沖刷性能和動水壓力的研究［3?6］。

水泥混凝土路面板底脫空問題具有隱蔽性，致使板底滯留水在行車荷載下的運動狀態難以觀察測量。為明確水泥混凝土路面板底脫空區動水壓力分布特性，建立含脫空區水泥混凝土路面?滯留水瞬態雙向流固耦合計算模型，分析車輛荷載特性、脫空區幾何形態等對動水壓力的影響，為合理進行路面板脫空的預防和治理提供參考。

1 動水壓力作用機理與產生機制

1．1 動水壓力的沖刷作用

大量已有研究表明，水損害是造成混凝土路面早期破壞的主要原因之一［7］。由于混凝土路面是層狀結構，層間結合處容易出現裂隙，一旦排水不暢就會形成滯水區。當車輛趨近脫空區時，在荷載作用下，混凝土板擠壓滯留水產生正壓力和流速，進而對脫空區表面顆粒產生擠壓和剪切作用；當車輛遠離脫空區時，混凝土路面板恢復變形，此時由板底的泵吸作用產生負壓力和水流速度，對脫空區表面顆粒產生拉扯和剪切作用。經過動水壓力的反復作用，水損害由混凝土面板底部逐漸向上擴展，最終破壞整個混凝土面層。

此外，混凝土在大氣壓下被水浸泡，材料的空隙通常處于不飽和狀態。在正壓力作用下，水侵入混合料試件空隙中，殘留的空氣被壓縮，自由水進一步侵入混凝土空隙中，此時流動的有壓水流對空隙表面施加法向壓力和切向摩擦力，且有可能侵入黏結面的薄弱處；在負壓力作用下，水從空隙中流出，此時空隙中空氣膨脹，這種膨脹對混合料的黏結力也有一定的破壞作用。

1．2 動水壓力的產生和變化機制

脫空區內動水壓力是由流體黏性、荷載特性、脫空區形態等多因素綜合決定的，其產生與變化機制較為復雜。二維脫空區內動水壓力分布解析式為

式中：px為距離脫空區尖端x處的壓力；ρ為水的密度；F為施加在路面板上的車輛荷載；ωx為脫空區x處的高度；μ為動力黏滯系數；pL為脫空區出口處水的絕對壓力；ωL為脫空區出口處的高度；A（x）、B（x）、C（x）為與脫空形態相關的計算系數。

2 計算模型及參數

模型基于ANSYS Workbench計算平臺的子程序APDL和CFX，分別進行固體域建模和流體域建模，并通過子程序FSI進行流固耦合邊界數據傳遞，從而實現雙向流固耦合求解。

2．1 固體域模型的建立

水泥混凝土路面結構是由水泥混凝土路面、文克勒彈性地基、土基等組成的典型層狀結構體系。以發耳電廠專用公路水泥混凝土路面為例，建立板底脫空狀態下的路面有限元分析模型。發耳電廠專用公路水泥混凝土路面面板尺寸為5 m×3?75 m，其他各層的結構尺寸及材料參數如表1所示。設置脫空區域發生在板角，形狀為等腰直角三角形，高為2 cm，直角邊長為0?5～1?5 m。荷載采用單軸雙輪標準軸載BZZ?100進行加載，具體加載位置見圖1，圖中L為脫空區深度。

表1 水泥混凝土路面板和基層參數

圖1 荷載加載位置

2．2 流體域模型的建立

假設脫空區充滿水且不可壓縮，忽略水沿固體邊界的滲透；在車輛荷載作用下，水僅沿脫空區出口方向流動。水的流動符合k?Epsilon湍流準則，動力黏滯系數為1?003×10－3Pa·s，密度為998?2 kg·m－3。流體的邊界條件有：脫空區水與混凝土路面的接觸面為流固耦合面，與土基的接觸面為流固耦合面，與大氣接觸的自由表面為開放式邊界。水在流固耦合面上不可滑移，在開放式邊界上隨著路面板的擠壓和回彈自由進出。

2．3 有限元計算模型

通過APDL和CFX建立的固體域和流體域有限元耦合計算模型如圖2所示，其中流固耦合面為移動網格邊界。固體區域的單元數為106 232個，節點數為113 969個；流體區域的單元數為1 594個，節點數為1 785個。為了詳細了解脫空區內動水壓力的分布規律，在流體域計算模型中設置了相應的監測點，如圖2中點1～5。

圖2 有限元計算模型及動水壓力監測點布置

3 計算結果及分析

3．1 動水壓力分布特性

當車輛行駛在路面正中央時，在60 kN軸載作用下，0．7 m×0．7 m脫空區內動水壓力分布如圖3、4所示。

圖3 脫空區動水壓力分布

由圖3、4可知，在車輛駛向脫空區時，路面板脫空區與內水的擠壓作用產生正壓力，此壓力沿脫空區域基本呈三次多項式分布，且其最大值發生在脫空區域的內部尖端處。隨著車輛駛離脫空區，車輪

圖4 脫空區動水壓力分布

駛過路面板的接縫時，作用在路面板上的荷載瞬間消失，此時脫空區內流體間失去相互擠壓的驅動力，伴隨路面板回彈變形所給予的吸附力，脫空區內產生負壓力，該負壓力沿著脫空區域基本呈現三次多項式分布，且其最小值發生在脫空區域的內部尖端處。隨后水壓力隨著路面板的振動出現正負交替震蕩現象，并逐漸衰減趨近于零。

3．2 行車位置的影響

車輛在路面行駛的過程中，行車位置是變化的。為了探討行車位置對脫空區動水壓力的影響，采用0．7 m×0．7 m脫空區計算模型，分析0?1、0?175、0．35、0．525、0．7 m五種車輛運行位置的脫空區動水壓力變化規律，結果如圖5所示。

由圖5可知，當混凝土路面板出現板角脫空且充滿滯留水時，隨著行車位置向路面邊界趨近，脫空區域內的動水壓力呈明顯增加趨勢，行駛位置在0?1、0?175、0．35、0．525、0．7 m的動水壓力峰值分別為0．075、0．402、3．212、10．841、25．696 kPa，其中0?7 m行駛位置處的動水壓力最大。這表明，行車位置對脫空區域的動水壓力影響顯著，當車輪在路面邊界時為最不利位置；可采取交通管制措施引導車輛盡量駛向板中，有效減緩動水壓力引起的路面結構破壞。

圖5 車輛行駛位置對動水壓力的影響

3．3 行車速度的影響

為分析行車速度對脫空區動水壓力的影響，在100 kN軸載作用下，采用0．7 m×0．7 m脫空區計算模型，分析計算40、60、80、100、120 km·h－1行駛速度下脫空區動水壓力分布，結果如圖6所示。

由圖6可知，行駛速度為40、60、80、100、120 km·h－1時，動水壓力峰值分別為3．212、5．710、8?922、12?848 kPa。這表明，隨著車輛運行速度的增加，脫空區域內動水壓力呈現明顯的二次方增長關系，即車輛行駛速度是造成混凝土路面結構水損害的一個重要因素。通過采取交通管制措施，降低車輛在脫空區的行駛速度，減小動水壓力，從而減緩動水壓力引起的路面結構破壞。

3．4 車輛軸重的影響

為分析車輛軸重對脫空區動水壓力的影響，在100 km·h－1速度下，采用0．7 m×0．7 m脫空區計算模型，分析計算60、80、100、120 kN軸載作用下的脫空區動水壓力分布，結果如圖7所示。

由圖7可知，60、80、100、120 kN軸載作用下，動水壓力峰值分別為2．1、2．648、3．212、3?85 kPa。

圖6 車輛行駛速度對動水壓力的影響

圖7 車輛軸載對動水壓力的影響

這表明，隨著車輛軸載的增加，脫空區域內動水壓力呈現明顯的線性增長，即車輛軸載是造成混凝土路面結構水損害的一個重要因素。通過采取交通管制措施，降低脫空區內行駛車輛的軸載，減小動水壓力，從而減緩動水壓力引起的路面結構破壞。

3．5 脫空區面積的影響

為分析脫空面積對脫空區動水壓力的影響，在軸載為100 kN、行駛速度為100 km·h－1的條件下，分別對0．5 m×0．5 m、0．7 m×0．7 m、1．0 m×1．0 m、1?5 m×1．5 m四種脫空區內動水壓力分布進行計算，結果如圖8所示。

圖8 脫空區面積對動水壓力的影響

由圖8可知，0?5 m×0?5 m、0?7 m×0?7 m、1?0 m×1?0 m、1?5 m×1?5 m四種脫空區的動水壓力峰值分別為1?171、3?212、9?364、31?605 kPa。這表明，隨著脫空區域面積的增加，脫空區域內動水壓力呈現明顯的三次多項式增加趨勢，此時產生的動水壓力一旦達到脫空區材料破壞的臨界值，結構會迅速發生破壞。

4 結 語

（1）以發耳電廠專用公路水泥混凝土路面為例，基于ANSYS Workbench計算平臺建立混凝土路面?滯留水雙向瞬態流固耦合計算模型，并對車輛行駛位置、車輛軸載、車輛行駛速度、脫空區面積等因素對動水壓力的影響進行分析。結果表明，脫空區內動水壓力是由車輛荷載特征、脫空區形態等多因素綜合決定的。

（2）車輛駛向脫空區時，其內動水壓力沿出口方向呈三次多項式增加關系；車輛駛離脫空區時，其內動水壓力沿出口方向呈三次多項式減小關系；其最大正壓力、最大負壓力均發生在脫空區尖端處。

（4）車輛行駛速度和軸載是影響脫空區域內動水壓力的2個重要因素，動水壓力大小與車輛行駛速度呈二次方增加關系，與車輛軸載呈線性增加關系。采取交通管制措施，降低車輛行駛速度和軸載，可有效減緩動水壓力引起的路面結構破壞。

（5）隨著脫空區域面積的增加，脫空區域內動水壓力呈現明顯的三次多項式關系增加。考慮到動水壓力與脫空面積的關系，當發現路面結構板底脫空病害時，應及時采取灌漿或注漿等修補措施，從根源上消除動水壓力產生的條件，這是目前降低動水壓力對路面結構破壞最有效的措施。

［1］ 廉向東，付其林，陳拴發，等．基于板底脫空的水泥混凝土路面動水壓力試驗研究［J］．武漢理工大學學報，2011，33（5）：1?4．

［2］ 關增智．半剛性基層材料抗沖刷性能的研究［J］．混凝土，2008（3）：48?50．

［3］ 沙愛民．半剛性基層的材料特性［J］．中國公路學報，2008，21（1）：1?5．

［4］ 曾 勝，張顯安．水泥混凝土板下脫空狀況時接縫處彎沉的影響分析［J］．鐵道科學與工程學報，2005，2（6）：31?36．

［5］ 張 寧，錢振動，黃 衛．水泥混凝土路面板下地基脫空狀況的評定與分析［J］．公路交通科技，2004，2（1）：4?8．

［6］ 曹世豪，楊榮山，劉學毅，等．無砟軌道層間裂紋內動水壓力特性分析［J］．西南交通大學學報，2016，51（1）：36?42．

［7］ 曹世豪，楊榮山，劉學毅，等．列車荷載作用下無砟軌道層間裂縫內動水壓力分布［J］．中國鐵道科學，2016，37（3）：9?15．

［責任編輯：杜衛華］

Distribution Characteristics of Hydrodynamic Pressure in Voids Beneath Cement Concrete Pavement Slabs

CHEN Kai?guo
（Guizhou Zhiheng Engineering Investigation，Design and Consulting Co．，Ltd．，Guiyang 550004，Guizhou，China）

In order to study the distribution characteristics of the hydrodynamic pressure caused by retained water in the voids beneath cementconcrete pavementslabs，a two?way fluid?solid coupling model of concrete pavement?retained water was established，and the effect of factors such as vehicle position，driving speed，axle load and void area on the hydrodynamic pressure was analyzed．The results show that the hydrodynamic pressure drops with the third power of distance towards the outlet；the hydrodynamic pressure increases along with the driving speed，axle load and void area，which are the three important factors，following a quadratic，linear and cubic polynomial relationship respectively．

concrete pavement；void under slab；retained water；hydrodynamic pressure

U416．01

B

1000?033X（2017）08?0124?05

2016?12?19

國家自然科學基金（51278431）

陳開國（1969?），男，貴州岑鞏人，高級工程師，研究方向為公路橋梁勘察設計。