水泥混凝土路面板底脱空的数值模拟.pdf

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1、水泥混凝土路面板底脱空的数值模拟常国兴(河南省人民胜利渠管理局，~rt,j郑州450000)摘要：水泥混凝土路面板底脱空是早期病害的主要形式，由于基层的不均匀沉降、车辆荷载反复作用的塑性变形等因素导致面层底脱空，地面水沿着接缝下渗而积聚在脱空的空隙内，在车轮荷载作用下变成动水冲刷作用，进而造成脱空加剧，从而导致水泥混凝土面板的断裂。通过数值分析对路面板角脱空形成机理以及在行车荷载与脱空导致面层板的断裂机理进行分析，同时讨论了路面厚度、路基土和基层模量变化对路面结构的应力状态的影响。关键词：水泥混凝土路面；脱空机理；三维有限元中图分类

2、号：IJ416．2文献标识码：B水泥混凝土路面具有刚度大，强度高，分散荷载车辆行驶方向能力强，对油类等大多数化学物质不敏感，而且水稳定性好，耐久性优良，无车辙和推移拥包，有利于夜间行车等优点。然而，随着路面里程的不断增长和使用年限的延长，暴露出我国水泥混凝土路面结构设(b)板角+横边脱空(c)板角+横边+纵边脱空(a)板角脱空计、修筑技术和养护管理出现的诸多问题。这些问题造成部分水泥混凝土路面在远没有达到其设计年限时图1单块板板底脱空图示就出现了不同程度的损坏，板底脱空就是其中的一见图1(a)，板横边和纵边脱空区连通后视为矩形，种。

3、大量的试验表明，服务中的混凝土路面，基础的纵边脱空尺寸见图1(c)。局部脱空现象是大量存在的，特别是修筑在细粒材料(2)板底竖向脱空量足够大(如2～3mm)，足基层上的水泥混凝土路面。水泥混凝土路面在荷载作以使荷载作用下路面板与地基不会接触。在分析板角用下，其受力相当复杂，只有经过一系列的简化，才和纵缝边缘板底脱空对路面板荷载应力的影响时发能建立起符合实际的力学模型，对不同水泥混凝土路现，邻旁脱空区的影响有限，可不予考虑，因此，随面板角处有脱空发育的水泥混凝土路面板的力学分析后的荷载应力分析按单个板角、板边底部脱空进行。可视为部分非

4、脱空区有弹性支撑的弹性薄板的受力水泥混凝土路面板底脱空的发展过程通常是先由问题基层均匀支承过渡到非均匀支承，进而发展到局部支承的水泥混凝土板，并最终导致面板断裂；断裂后的1水泥混凝土路面板底脱空机理路面板板体，在地表水和车辆荷载的共同作用下又重1．1脱空机理分析新加速了新的脱空和新的断裂的产生，结果导致路面水泥混凝土路面板底脱空可分为因温湿度翘曲变板由整块板变为大块板，再变为小块板，裂缝由微小形及基层塑性变形累计形成的结构性脱空和基层冲蚀裂缝发展到宽大裂缝。引起的唧泥型脱空2类。并且根据对行车荷载及温度1．2脱空形成因素分析梯度作用

5、下路面板的弯沉分布规律的分析，以及路面板底脱空的原因可概括分为：结构设计原因、施板现场观测到的所谓前冲后淤现象，可以推定横缝不工质量原因、养护管理水平和车辆荷载等4类。设传力杆路面的板底脱空的一般演变发展规律是先板(1)结构设计原因角后横缝，然后形成四边脱空状，且行车方向的前板路基强度不足，出现不均匀沉陷；路基路面排水板底脱空区明显大于后板，如图1所示。不畅，被水浸泡；设计厚度不足，没有解决水稳性不当分析板底脱空对路面板荷载应力的影响规律良或防冻的问题；填缝料选择不当造成基层进水软时，对脱空区的图示作如下基本假设：化，随之产生变形或

6、唧泥而形成脱空。(1)板角隅脱空区为等腰三角形，脱空尺寸(2)施工质量原因2262012年9期(总第93期)3．2脱空面积对横缝边缘应力的影响其斜率越大，增速越快；横缝边缘应力随脱空尺寸的(1)脱空区未贯穿板宽增大呈非线性增加，且轴载越大，其应力与脱空尺水泥混凝土路面板横缝边缘脱空区沿板横缝近似寸关系曲线的斜率越大；脱空尺寸为0．2mX0．8m，呈对称分布，板端脱空采用边长为0．0mX0．0m、面层厚度小于28cm时，横缝边缘最大拉应力大于0．2m×0．8m、0．4m×1．6m、0．6m×2．4m、0．8m×临界荷位处面板应力；面层

7、厚度大于28em时，横3．2m的脱空区。缝边缘最大拉应力小于临界荷位处面板应力；横缝通过分析图5可知，随着荷载的增大，横缝边缘边缘应力随板厚变化趋势与板角应力随板厚变化趋脱空区面板最大拉应力成线性增长，且脱空尺寸越大势相似。4·54·03．5∞室3．o。2．52．o1．55O5O如50加551·0O．5轴载P／kN板角脱空尺寸／m~m水泥混凝土路面板厚度／cm(a)应力与轴载关系(b)应力与脱空尺寸关系(c)应力与板厚关系(^=26cm)(-26cm)(P=150lr1)图5轴载、脱空尺寸、板厚对横缝边缘应力的影响(2)脱空区贯穿板

8、宽未贯穿整个板宽时类似。随着载P的增大，横缝边当脱空区域进一步扩展，板端脱空区可能贯穿整缘脱空区面板最大拉应力成线性增长，且脱空尺寸越个板宽，脱空区面板由三边支撑板，变为悬臂板，受大其斜率越大，增速越快；横缝边缘应力随d自脱苣空。R尺