農村水泥混凝土路面破壞原因及數值模擬

鄧杰 印秋晗 陳陽 肖珍

（湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421216）

0 引言

水泥混凝土路面具有建設費用低，耐久性好，使用壽命長，養護費用低等諸多優點，因而在農村公路建設中得到了廣泛應用。但是，往往使用不到幾年時間水泥混凝土就會暴露許多病害，如路面板斷縫、斷板和坑洼等，嚴重影響道路使用質量和效益。衡陽市某段農村水泥混凝土路面，就出現了類似的問題。部分混凝土板塊破壞嚴重，裂縫甚至寬達幾厘米，斷板、沉陷等現象也十分嚴重。鑒于該路面破壞情況具有一定的普遍性，通過現場調查，研究破壞原因，對農村水泥混凝土公路的建設提出建議，改善路面的使用性能，延長路面的使用年限，具有十分重要的工程實踐意義。

1 調查路段基本情況

本文調查對象是衡陽市某段農村水泥混凝土公路。所調查路段為三級公路，水泥混凝土路面，雙車道，雙幅路，中央未設分隔帶，兩側設有分隔帶。單塊路面板長度5m，寬度4.0m，設計車速為40km/h，全長4.6公里。路段基層為兩層水泥混凝土路面結構，分別為穩定土質路基和水泥混凝土面板層。

2 調查結果

根據現場調查，此路段存在如下病害：

1）橫向裂縫、縱向裂縫。該路段縱向裂縫一般為縱向通長的裂縫，把水泥混凝土板塊分成兩塊。橫向裂縫一般出現在縱向通長裂縫和縱向施工縫之間。縱橫向裂縫寬度都較大。

2）交叉裂縫。交叉裂縫把混凝土板分成三塊以上，也稱破碎板。交叉裂縫可能由縱橫向裂縫不規則發展形成，縫寬也較大。

3）角隅裂縫。混凝土路面出現邊角破損或缺角、斷裂現象，其剝落面垂直并貫穿于整個板厚。角隅裂縫常常伴隨接縫破壞、沉陷等多重破壞。

4）輕微裂縫。這里把縫寬在3mm以下的歸為輕微裂縫，經常出現在裂縫的一側或末端。

5）填縫料丟失、接縫碎裂。填縫料丟失，接縫被砂石等硬物占據。在溫度作用下，接縫邊緣路面板被擠碎。

6）沉陷。路面板出現裂縫并分成多板塊，各板塊出現不同程度的高差即為沉陷。

7）露骨。水泥混凝土骨料出現在表面，影響行車的平穩性。

3 破壞原因分析

根據調查結果和查閱相關文獻資料，導致該路段路面破壞的原因主要有以下幾個方面：

1）路面設計不合理

根據現場調查結果，該路段路面只有兩個結構層，穩定土基和面板層，缺少基層。缺少基層，混凝土面層則直接作用于土基上，由于土基塑性變形量大、抗沖刷能力低、細料含量多而極易產生唧泥現象。在唧泥作用下，伴隨著填縫料失效、接縫破壞、面層失去防水能力等系列問題，導致面板板角開裂等病害。在雨水和地下水的共同作用下，細料很容易被帶出去，土基局部會被掏空，從而進一步產生錯臺、斷裂等病害。此外，缺少基層的路面，土基頂面壓力大，造成土基頂面開裂，并反射到路面面層，形成反射裂縫。

2）路面施工原因

填縫料缺失直接導致接縫處破壞。缺失填縫料，雨水、路面積水很容易通過接縫滲入基層，當車輛通過接縫位置，可能會導致基層出現汲泥作用，頻繁汲泥作用會淘空基層材料，使路面板在接縫處發生斷裂破壞?，F場檢測發現該路段路面多處接縫已經被小砂石等填滿，當小砂石等硬物進入接縫位置后，將占據接縫空間，在大幅度升溫條件下，可能會導致接縫處板塊邊緣爆裂、破碎或隆起。

根據現場檢測結果，水泥混凝土路面板的厚度和抗壓強度都存在一定范圍的波動。厚度較薄、抗壓強度較弱的地方，路面板就較弱；厚度較大、抗壓強度較強的地方，路面板就較強。強弱交界位置，容易產生局部應力集中，形成裂縫，這種裂縫在車輛荷載的反復作用下會擴展。這也可能是部分板塊完好無損，部分板塊破壞嚴重的原因。而混凝土表面砂漿不足或表面耐磨性差，導致了水泥混凝土路面露骨現象。

3）超載

超載也是路面破壞的重要原因之一。剛性路面達到相同疲勞開裂時各種軸載等效換算系數為（Pi/PS）16，即重車軸載與標準軸載換算成16次方的關系，可見超載對路面壽命影響很大。該段路段曾作為315省道的部分路段，據調查資料顯示，常有載重20t的貨車，裝載至50t，嚴重超載。根據軸載等效換算系數公式，50t的貨車對路面作用一次相當于20t的貨車對路面作用2.3×106次，超載已嚴重影響了該路段路面壽命。

4 有限元模擬分析

通過分析，未設計基層、施工質量差和超載是導致該路段路面破壞的主要原因。本文為進一步研究該段路面破壞機理，本文采用ANSYS有限元軟件對該段路面混凝土路面受載情況進行模擬分析。

1）現場破壞現象

據觀察，破壞的主要現象是路面板帶有縱向通長裂縫，通長裂縫距中間縱向施工縫為1.10-2.40m不等，通長縱向裂縫和中間縱向施工縫間有數量不等的橫向裂縫，如圖1所示。

圖1 典型裂縫

2）有限元模型

本文水泥混凝土面板采用solid45實體單元，路基層采用combine14線性阻尼彈簧單元，相對地基彈性模量為9.2×106Pa。建立雙層（面板層和土質路基層）混凝土路面有限元模型。在路面板邊緣中間加載，輪壓取0.15m×0.2m，軸重取100kN，每軸4個輪，每輪25kN。并將輪壓均布荷載簡化成集中力進行加載。模型加載情況如圖2所示。

圖2 有限元模型

3）模擬結果

該模型加載后的等效應力圖如圖3所示，其輪載附近出現應力極大值，加輪載一側的板塊應力水平比另外一側高，板塊四個角的應力值較小。

圖3 等效應力等值圖

圖4 路徑1等效應力分布

分析不同路徑上應力的分布情況。取三條路徑，縱向一條（路徑1）：從（0.3，0.2，0）到（0.3，0.2，5）；橫向兩條（路徑2和路徑3）：從（0，0.2，0.5）到（4.5，0.2，0.5）和從（0，0.2，2）到（4.5，0.2，2）。三條路徑上的等效應力分布情況分別如圖4、5、6所示。

根據路徑1應力分布情況，可知在靠近中間縱向施工縫、輪載附近，有效應力出現峰值，混凝土彎拉應力大，容易出現開裂現象。在此處出現裂縫后，就會繼續橫向發展。向通長縱向裂縫方向繼續發展，形成典型裂縫中的橫向裂縫。

根據路徑2、3應力分布情況，可知除了加載處有峰值應力外，橫方向上1.35m處等效應力出現峰值，容易產生開裂。此位置與路面現場的縱向通長裂縫位置相近。

圖5 路徑2等效應力分布

圖6 路徑3等效應力分布

5 結語

水泥混凝土路面破壞嚴重地影響公路服務質量和使用效益。本文通過對衡陽市某段農村水泥道路路面破壞形態進行調查，發現該段路面存在橫向裂縫、縱向裂縫，交叉裂縫，角隅裂縫，輕微裂縫，填縫料丟失、接縫碎裂，沉陷，露骨等破壞現象。通過分析，得出未設計基層、施工質量差和超載是導致該段路面破壞的主要原因。此外，為進一步嚴重該段路面的破壞機理，本文采用ANSYS有限元軟件對該段路面混凝土路面受載情況進行模擬，模擬裂縫與現場檢測結果一致。