不同脱空尺寸下水泥混凝土路面应力-弯沉有限元研究

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1、不同脱空尺寸下水泥混凝土路面应力弯沉有限元研究：基层材料冲刷引起的板底脱空、接缝错台等是水泥混凝土路面早期破坏的主要原因，本文分析了脱空产生的机理、脱空区的形状，对脱空下水泥混凝土路面结构进行了三维有限元模拟，计算分析了不同脱空尺寸下水泥混凝土路面弯沉、板底应力。计算结果表明：随着脱空尺寸的增加，板底应力、弯沉迅速增加。　　关键词：水泥混凝土路面；脱空尺寸；有限元　　Abstract:thebasicmaterialsofscourcauseslabsuspendingjointentconcretepavementisthemainreaso

2、nfortheearlydestruction,thispaperanalyzestheemergencemechanism,escapesvoidtheshapeofcementconcretepavementstructureunderthevoid,thethree-dimensionalfiniteelementsimulation,calculatedandanalyzedunderdifferentsizecavitycementconcretepavementdeflection,bottomstress.Thecalculatio

3、nresultsshostress,deflectionincreasingrapidly.　　Keyentconcretepavement;Cavitysize;Finiteelement　　　　　　：[TU528.37]：A：　　　　0前言　　目前，水泥混凝土路面在使用中出现了一些问题，其中基层材料冲刷严重，在荷载反复作用下出现板底脱空、接缝错台等现象，严重影响了水泥路面的使用寿命。　　国内学者对水泥路面荷载应力进行了一系列研究，但现有研究大都假设不存在脱空；而大量的理论计算和调查结果表明：脱空是客观存在的，脱空使得混凝土面板的受力变的极为不

4、利，过早出现面板开裂、断板等破坏，严重影响其使用寿命。因此，有必要对脱空时水泥混凝土路面的板底应力和弯沉进行研究。　　1脱空产生的机理分析　　水泥混凝土路面的板底脱空可分为结构型脱空和唧泥型脱空两大类。在使用过程中，由于自然环境因素和车辆荷载等综合作用，水泥面板出现翘曲变形，或者由于板下基层在荷载的反复作用下产生塑性变形累积，致使混凝土板局部范围内不再与基层保持连续接触，通常把水泥混凝土路面因以上原因产生的脱空称为结构型脱空。由于结构型脱空非常小，故其对面板的受力影响可忽略不计。　　唧泥型脱空的形成和扩展是由于接缝的嵌缝材料失粘脱落，或路肩纵缝边

5、缘存在缝隙，降雨时，雨水沿缝隙下渗并滞留在结构型脱空区，在行车荷载的反复作用下，基层顶面的自由水形成高速流动的有压水，从而对基层进行冲刷，基层细颗粒从接缝或裂缝处喷溅出来进而形成唧泥现象，随着细颗粒的不断带出，脱空面积逐渐增大，在板底形成扩展性的唧泥型脱空，最后使得水泥混凝土面板在荷载作用下产生断裂破坏。　　2板底脱空形状的分析　　影响水泥路面板底脱空形状的因素有很多，如车辆荷载的作用次数、基层材料的性质等。大量的研究表明：脱空主要发生在板角、横缝和板纵缝中部。基层材料的损失是出现板底脱空的主要原因，再加上行车荷载反复作用，脱空面积会逐渐扩大，在

6、荷载的作用下面板受到的应力很大，并最终开裂、断板。　　常用的板角脱空形状的确定方法有以下两种：第一种是通过测量路面板角处断板或裂缝的尺寸和形状；第二种是在板角处脱空区的不同位置进行钻芯。国内许多脱空方面的调查和修补资料表明：路面板角下部的脱空形状近似为等边直角三角形或圆弧形，这一点也可以从角隅的形状来验证（如图1所示）。由于板角处脱空最为严重，因此，本文主要研究板角脱空的情况。　　　　图1面板的角隅　　3不同脱空尺寸下水泥混凝土路面板底应力有限元研究　　3.1有限元模型的建立　　把水泥混凝土路面结构视为弹性层状体系，由水泥混凝土面板、板底脱空部分

7、、基层及路基组成，采用扩大基础尺寸来模拟半无限大空间基础，采用8节点实体单元建立板角脱空的三维有限元模型（如图2所示），并在模型计算中做如下简化和假设：　　1）各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体；　　2）各层层间竖向、水平位移均连续；　　3）无穷远处应力、应变、位移为零；　　4）环境温度和湿度保持恒定；　　5）采用横向和竖向弹簧单元模拟接缝间的传荷能力。　　6）不计结构自重。　　边界条件：　　左右边界为竖向无约束、横向固定；下边界水平向和竖向均固定，即认为距路表足够深处，竖向和径向位移为0；上边界水平向和竖向均自由，接缝处沿X轴方向位移为零。

8、　　　　图2板角脱空模型　　3.2计算参数的确定　　面板尺寸取5×4m，通过试算，在保证结果可靠性的前提下，基础尺寸取7m×6m×6m，