（岩土工程专业论文）水泥混凝土路面分析与研究.pdf

水泥混凝土路面分析与研究摘要水泥混凝土路面是适应载重大、速度高、密度大的车辆运输需要的高等级路面，具有强度高，稳定性好，使用寿命长，维修养护费用少等许多优点。然而，由于设计、施工、养护、环境污染及长期超负荷使用等诸多因素，致使道路路面产生种种病害，这些都成为影响混凝土路面发展的一个关键性技术问题，分析混凝土板的这些破坏现象及其产生原因，将有利于正确的设计和施工混凝土路面，对保证水泥混凝土路面质量并促进其发展具有重要的意义。水泥混凝土路面在使用过程中，由于受到车辆荷载等作用，板底将产生脱空现象。而脱空状态下混凝土板的受力是极为不利的。混凝土路面的缝边板角处，由于基础脱空，在荷载作用下，水泥混凝土路面板的工作状态近似于悬臂梁，角或板边产生过量的弯沉和应力。在重复荷载作用下，最终导致水泥混凝土板的疲劳断裂、破碎。前人对于混凝土板脱空时的研究也较多，他们分别提出了不同的力学模型，以及由此提出的荷载应力、荷载挠度、温度应力。而脱空的形状多为不规则的，但可以把脱空形状归纳为三角形、矩形、梯形这三种典型形式进行力学和挠度分析。而影响荷载应力和挠度的原因很多。本文研究脱空板的荷载应力和挠度受脱空面积、横边长度、板厚的影响的变化关系，以及在不同脱空形状、相同的脱空面积下板的荷载应力和挠度的之间的大小关系。实际使用中的水泥混凝土路面其应力值和挠度值受地基的均匀程度、温度的高低、荷载的大小等因素影响。可针对在不同荷载、不同温度下的受力分析，得到可能的最大应力，从而为混凝土路面控制奠定基础。关键词：水泥混凝土路面应力分析脱空a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta b s t r a c tc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta r es e t t oa d a p tt oam a jo r ，h i g h - s p e e d ，h i g hd e n s i t ya n dv e h i c l et r a n s p o r tn e e d so fh i g h - g r a d er o a ds u r f a c e ，w i t hh i g hi n t e n s i t y ，g o o ds t a b i l i t y ，l o n gl i f e ，l o wm a i n t e n a n c ec o s t s ，s u c ha sr e p a i rm a n ya d v a n t a g e s h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o n ，c o n s e r v a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n dl o n g t e r mo v e r l o a dt h eu s eo fo t h e rf a c t o r s ，w i t ht h er e s u l tt h a tt h er o a d sh a v ea l lk i n d so fd i s e a s e s ，w h i c ha r ea f f e c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fc o n c r e t ep a v e m e n tak e yt e c h n i c a li s s u e s ，a n a l y s i so fc o n c r e t es l a ba n dt h es i t u a t i o no ft h e s ed a m a g ec a u s e sw i l lb eb e n e f i c i a lt oc o r r e c td e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fc o n c r e t ep a v e m e n t ，c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tt oe n s u r eq u a l i t ya n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fg r e a ts i g n i f i c a n c e c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti nt h eu s eo fp r o c e s s ，d u et ot h er o l eo fv e h i c l el o a d ，e t c ，w i l lh a v eab o a r da tt h ee n do fv o i dp h e n o m e n o n a n di n t e r s p a c i n gs t a t u su n d e rt h ec o n c r e t es l a ba n da i rf o r c ei se x t r e m e l yu n f a v o r a b l e c o n c r e t ep a v e m e n th e m m e rp l a t ea n g l e ，t h ef o u n d a t i o nb e c a u s eo fv o i d ，i nt h el o a do fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tjo bs t a t u sp a n e li ss i m i l a rt oac a n t i l e v e rb e a m ，a n g l eo re d g eb o a r dg e n e r a t i n ge x c e s s i v ed e f l e c t i o na n ds t r e s s d u p l i c a t ea tl o a d ，w h i c he v e n t u a l l yl e dt ot h ec e m e n tc o n c r e t es l a bo ft h ef a t i g u ef r a c t u r e ，b r o k e n p r e d e c e s s o r sf o rt h ec o n c r e t es l a bf r o mt h es t u d yo fs p a c e t i m em o r e ，t h e yw e r ep u tf o r w a r dav a r i e t yo fm e c h a n i c a lm o d e l ，a n dt h er e s u l t i n gl o a ds t r e s s ，l o a dd e f l e c t i o n ，t h e r m a ls t r e s s a n di n t e r s p a c i n gf o rm a n yi r r e g u l a rs h a p e s ，b u tc a nb ep u to f fi n t os p a c ef o rt h et r i a n g u l a rs h a p e ，r e c t a n g u l a r ，t r a p e z o i d a lf o r mo ft h et h r e et y p i c a lm e c h a n i c sa n dd e f l e c t i o na n a l y s i s a f f e c t i n go fl o a ds t r e s sa n dd i s t a n c ea r eal o to fr e a s o n s i nt h i sp a p e r ，c a v i t yp l a t el o a ds t r e s sa n dd e f l e c t i o nb yt h ec a v i t ys i z e ，t h el e n g t ho fh o r i z o n t a le d g e ，a n dt h ei m p a c to fc h a n g e si nt h i c k n e s s ，a sw e l la sa td i f f e r e n tc a v i t ys h a p e s ，t h es a m ev o i da r e au n d e rt h ep l a t el o a ds t r e s sa n dd e f l e c t i o nb e t w e e ns i z er e l a t i o n s a c t u a lu s eo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tt h es t r e s sv a l u ea n dt h ed e f l e c t i o nb yt h eu n i f o r m i t yo ft h ef o u n d a t i o n ，t h eh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r e ，t h es i z eo fl o a df a c t o r s c a nb et a r g e t e da td i f f e r e n tl o a d s t h em e c h a n i c a la n a l y s i sa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s ，h a sb e e np r o b a b l yt h eg r e a t e s ts t r e s s ，s oa st ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rc o n c r e t ep a v e m e n tc o n t r o l 。k e y w o r d s ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts t r e s sa n a l y s i sv o i d插图清单图2 - 1 文克勒地基模型1 0图2 - 2 弹性层状地基半空间模型。1 1图2 3 接缝力学模型1 2图2 4 路面板与地基脱开1 2图2 - 5 荷载位置图1 2图2 6 板中的板底最大应力修正系数。1 7图2 7 凯利修正公式l8图2 8 脱空区为三角形下路面板示意图1 9图2 9 脱空区为矩形下路面板示意图2 1图2 1 0 脱空区为梯形下路面板示意图2 l图3 1 板底脱空面积对最大附加应力的影响3 1图3 2 板底脱空面积对最大附加挠度的影响3 1图3 - 3 板底脱空面积对最大附加应力的影响3 2图3 - 4 板底脱空面积对最大附加挠度的影响3 3图3 - 5 在脱空区为梯形不同面积下的最大应力3 4图3 - 6 在脱空区为梯形不同面积下的最大附加挠度3 4图3 7 脱空区为三角形不同板厚的应力3 5图3 - 8 脱空区为三角形不同板厚的挠度3 6图3 - 9 脱空区为矩形不同板厚的应力3 7图3 - 1 0 脱空区为矩形不同板厚的最大挠度3 7图3 一1 1 在脱空区为梯形不同板厚最大应力3 8图3 1 2 在脱空区为梯形不同板厚最大挠度3 9图3 1 3 在脱空区为三角形不同横边长度最大应力4 0图3 1 4 在脱空区为三角形不同横长最大挠度4 0图3 一1 5 在脱空区为矩形不同横边长度最大应力4 l图3 - 1 6 在脱空区为矩形不同横长最大挠度4 1图3 - 1 7 在脱空区为梯形不同横边长度最大应力4 2图3 - 1 8 在脱空区为梯形不同横边长度最大挠度4 3图4 - 1 轴载谱4 7图4 - 2 轮迹横向分布频率曲线( 单向行驶一个车道) 4 8图4 - 3 轮迹横向分布频率曲线( 混合行驶双车道) 4 8图4 - 4 刚性路面板承载示意图4 9图4 - 5 车辆荷载计算图示5l图4 - 6 晴天水泥混凝土面层的温度日变化曲线5 3图4 7 晴天水泥混凝土面层的温度梯度日变化曲线5 4图4 8 单轴一双轮组5 7图4 - 9 荷载应力和综合应力随轴载的增加而变化5 9表l - i表2 - i表3 一l表3 - 2表3 - 3表3 - 4表3 - 5表3 - 6表3 - 7表3 - 8表3 - 9表3 - 1 0表3 - 11表3 1 2表3 13表3 - 1 4表3 一l5表3 一1 6表3 一1 7表3 - 1 8表4 - i表4 - 2表4 - 3表4 - 4表4 - 5表4 - 6表格清单全国公路1 9 6 0 1 9 9 1 水泥混凝土路面所占比重2w e s t e r g a a r d 公式的板尺寸适用范围下限值( l i ) 2 6在脱空区为三角形不同面积下的最大应力3 0在脱空区为三角形不同面积下的最大挠度3 1在脱空区为矩形不同面积下的最大应力3 2在脱空区为矩形不同面积下的最大挠度3 2在脱空区为梯形不同面积下的最大应力3 3在脱空区为梯形不同面积下的最大挠度3 4在脱空区为三角形不同板厚最大应力3 5在脱空区为三角形不同板厚最大挠度3 6在脱空区为矩形不同板厚最大应力3 6在脱空区为矩形不同板厚最大挠度3 7在脱空区为梯形不同板厚最大应力3 8在脱空区为梯形不同板厚最大挠度3 8在脱空区为三角形不同横边长度最大应力3 9在脱空区为三角形不同横长最大挠度4 0在脱空区为矩形不同横边长度最大应力4 l在脱空区为矩形不同横长最大挠度4 1在脱空区为梯形不同横边长度最大应力4 2在脱空区为梯形不同横边长度最大挠度4 3某公路车辆日平均流量统计表4 5我国国道交通量年平均增加率变化范围4 6水泥混凝土面板的温度梯度值5 6路面结构与材料性质5 7不同轴载下的接地压强和接地长度5 8板的荷载应力和温度应力5 9独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金目曼兰些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字：钮1 霉签字日期：加fq 月学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金起王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文者签名：么理一冶签字日期：冲譬月) l 日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：导师签名：签字日期：加产午月沙日电话：7 弓宁参，9 7 7 矿易邮编：致谢本论文的完成得益于尊敬的导师王国体教授的悉心指导。在研究生三年的学习和生活中，王老师给予我无微不至的关怀和细心的指点，在论文期间给我提出了很多宝贵的意见和建议。老师渊博的学识、严谨的科学态度和诲人不倦的治学精神在无形中感染着我，他的教诲也将在我今后人生之路上指引我不断前进。在我的论文完成和研究生生涯即将结束之际，祝老师及家人身体健康、万事如意，合家幸福。感谢我的父母对我的养育之恩，感谢他们对我无私的关怀和付出，正是他们的言传身教使我懂得做人的道理。他们在背后的支持和鼓励，给了我人生路上前进的动力，并使我深刻地意识到自己肩上的责任，而只有通过自己更努力的学习才是对他们最好的回报。在此，我衷心地祝福我尊敬的父母和关心我的家人。感谢我的同学和朋友，是他们经常和我讨论问题，并给了我很多宝贵的建议，使我从中得益。同时感谢0 6 级研究生2 0 班全体同学，非常荣幸地在这样一个充满阳光的氛围中学习和生活，祝愿每位同学和朋友拥有一个美好的明天。作者：程涛2 0 0 8 年1 1 月第一章概论1 1 历史的回顾我国在夏禹时代就根据自然条件和地理形貌的特点规定了九卅i 贡品、旧赋的运输道路。到周代已经有了明确的道路系统与城市道路规划。特别在秦灭六国统一政权后，更加大兴土木，形成了以咸阳为中心的辐射全国的道路交通网。到了清代官家车马大路约4 6 0 0 0 里，步行l o 万里。隋代修筑车行大道也颇为可观。唐代道路交通里程从驿站里程大致为5 1 6 2 6 里。宋代市际交通较前发展主要是水运方面，陆路交通较前代无甚差异。元代交通发展及快，主要也是在陆路方面。这于蒙古民族的游牧特点、以及武力扩展分不开。明代的道路交通是这个基础上进行扩展充实的。19 1 2 1 9 4 9 年中华民国时期，全国先后修建了1 3 万公路。到1 9 4 9 年能够维持通车的仅有8 万公里，全国有1 3 的县还不通公路，西藏地区没有一条公路。汽车运输是从1 9 0 1 年国外输入第一辆汽车开始，到1 9 4 9 年的汽车保有量约5 万辆，且大多数已破旧不堪，全国大部分地区主要还是依靠人力和畜力运输的。我国水泥混凝土路面发展缓慢。5 0 年代，由于国家建设资金有限，水泥紧缺，在公路上修建混凝土路面的数量很少。1 9 7 0 年底，全国公路仅有水泥混凝土路面2 0 0 k m ，占高级、次高级路面里程的0 9 。7 0 年代，浙江、广东、江苏等省在沥青供应不足等条件下，开始较多地修筑水泥混凝土路面。与此同时，一些单位较为系统地开展了水泥混凝土路面技术的研究。到8 0 年代，由于工农业生产迅速的发展。人民生活逐步提高，尤其是建立和发展了汽车工业和石油工业，使我国公路交通事业得到了迅速的发展。随着修筑里程的增长，实践经验的积累，科学研究的深入，水泥混凝土路面的修筑技术逐步改进，质量不断提高；加之水泥混凝土路面适用性强，能较好地满足现代化交通的要求，且水泥材料可就近供应，因此，水泥混凝土路面得到了较快的发展。自2 0 世纪8 0 年代中期开始，中国大陆兴建高速公路，1 0 年来，陆续投入运行的主要高速公路有京石、京津塘、沈大、济大、广深、沪宁、哈大等2 0 余条线路，总里程为1 1 万公里。高速公路的建设和使用，为汽车快速、高效、安全、舒适地运行提供了良好的条件，标志着我国的公路运输事业和科学技术水平进入了一个崭新的时代。在国家“七五”重点建设的公路中，如南京一杭州二级公路全长为2 5 8 k m ，全部采用水泥混凝土路面；大同一运城二级公路连续修筑水泥混凝土路面长1 5 3 k m ，占全长的2 6 ，南京一上海二级公路有水泥混凝土路面9 0 k m ，占全长的3 4 ；合肥一南京一级公路安徽段8 7 k m ，为水泥混凝土路面，占全长7 9 ；新乡一郑州段一级公路7 0 k m 。和阿城一哈尔滨一级公路3 4 k m ，均为水泥混凝土路面。在县道、乡道上也修建了不少水泥混凝土路面，其中广东省最多。进入9 0 年代，水泥混凝土路面的发展速度更为迅猛，到1 9 9 6 年，铺筑里程达到了5 6 ，6 2 5 k m ，占高级和次高级路面总里程的1 3 3 ；6 年内平均每年铺筑7 ，4 7 6 k m 。近3 0 年来，刚性路面里程在我国路面总里程中所占的比例不断提高。其中，跨入到新的世纪以后，水泥混凝土路面更是获得了长足的发展，预计到2 0 0 5 年底，水泥混凝土路面总里程将达8 万多公里，约占高级和次高级路面总里程的3 0 左右。高速公路的建设显示了巨大的经济效益和社会效益。根据交通部的规划：“十五期间 ，我国的高速公路通车里程将超过2 5 万公里，“五纵五横 国道主干线将建成2 6 万公里，并争取2 0 1 0 年基本完成国道主干线的建设。到1 9 9 7 年底，全国各级公路上水泥混凝土路面里程共有1 5 3 2 4 k m ，占高级次高级路面的5 5 ，虽较1 9 7 0 年提高了4 6 个百分点，但仍不能适应我国国民经济和交通运输业发展的需要”“( 见表1 - 1 ) 。表1 1 全国公路1 9 6 0 1 9 9 1 水泥混凝土路面所占比重1 2 脱空在水泥混凝土路面使用中的出现公路路面的好坏，直接影响到公路运输效益和行车安全。随着交通组成的变化和交通量的增加，对路面的要求越来越高。5 0 年代初期，由于公路等级低、交通量小，修建的公路中绝大部分是土路，泥结碎石和砂砾路面。6 0 年代初，因国产渣油沥青铺筑路面获得成功，并在公路上推广，使干线公路的路面技术状况有了较大的改变。但到了8 0 年代，由于国民经济的发展，特别是改革开放的深入。公路交通量迅速增长，大型客车和重型货车的比重也逐步提高。以重型货车为例，据有关部门的统计和预测，其所占的比重19 6 5 年为4 5 ，1 9 8 0年为7 ，1 9 8 7 年为1 3 ，2 0 0 0 年将达到1 5 h 儿驯。原有以沥青为主的路面己不能适应公路运输发展的需要，因而需待修筑更多的结构强度高和使用性能好的路面。水泥混凝土路面更能满足交通繁忙，轴载重的要求。例如山西省为解决晋煤外运对公路路面的要求，于1 9 8 5 年在大同一塘沽公路建成沥青混凝土和水泥混凝土路面，经5 年多的使用，前者历年修补，有些路段己近全面破损；后者除路基局部下沉，涵洞横穿公路等处面板有少量破坏外，其余均完好。为2改变我国公路交通事业的落后状况，适应国民经济发展的需要，交通部对今后公路建设提出了用几个五年计划的时间，重点建设几条2 5 0 0 0 - - 3 0 0 0 0 k m ，以汽车专用公路为主的国道主干线。预计到2 0 0 0 年全国公路总里程达1 2 0 0 0 0 0 k m ，1 9 9 l _ 2 0 0 0 年每年约需铺筑高级、次高级路面1 0 0 0 0 k m 。如全部建成沥青路面，则需沥青7 5 万顿，而国家计划调拨只有5 0 万顿，加上地方自筹也仅达8 0 万顿，扣除用于养护的6 5 万顿，用于新建沥青仅有1 0 万顿，缺口很大。为完成上述目标，其途径之一就是采用水泥混凝土路面。它是众所公认的，成熟和可靠的路面类型，且我国已具备修筑水泥混凝土路面的必要条件。因此，发展水泥混凝土路面是解决我国路用沥青不足，增加公路路面铺装里程的重要途径，是提高路面等级及其承载力，适应重交通日益增长的有效措施，是我国公路建设事业发展的需要。板底脱空可分为因温湿度翘曲变形及基层塑性变形累积形成的结构性脱空和基层冲蚀引起的唧泥型脱空两类。其中，结构性脱空是微小非扩展的，且对路面板的受力状态影响很小可忽略。唧泥型脱空的形成和扩展机理为接缝嵌缝料的失粘脱落，或路肩侧的板纵边缘存在缝隙，雨水沿缝下渗滞留在不透水基层顶面的结构性脱空区，在行车荷载作用下基层项面的滞留水形成有压水高速流动，从而对基层顶面进行冲刷，基层细颗粒从接缝或路肩侧缝隙被带到路面上形成唧泥现象，随着细颗粒的不断带出，板底形成扩展性的唧泥型脱空。板底唧泥型脱空形成和扩展的影响因素众多，其中诱因是水通道和结构性脱空，内因是基层的抗冲刷能力不足，外部作用是行车荷载作用下板底滞留水引起的压力和流速，即脱空区扩展速率是滞留水压力、流速与基层抗冲刷能力之比。结构性脱空形状和滞留水压力、流速大小均可视为路面弯沉的函数。因此，脱空区扩展可认为与行车荷载和温度梯度作用下的路面弯沉值大小及分布特性相关联。根据对行车荷载及温度梯度作用下路旧儿“。据不完全统计我国1 3 的水泥路面面临改造和加铺任务，这些路面由于材料、结构、施工、气候及交通荷载等影响因素不同，损坏的状况、原因也不一样。大量工程实践表明，如果对这些路面损坏缺乏充分的了解，或者不是采用种现代化的检测手段，路面的改建、修补和养护很难取得良好成效。水泥路面在实际运营过程中，由于车辆荷载的重复作用，面板下基础将产生一定塑性变形和唧泥，或者由于温度、湿度而影响混凝土板，使其产生挠曲，致使水泥路面板局部范围不再与基础保持连续接触，即混凝土板下局部出现了脱空。脱空对水泥路面板的受力作用极为不利，如能以一定的方法检测板下基础脱空的位置及大小，及时采取有效的修复措施，以阻止此类结构性破坏的发展将是极为重要的，这应当是水泥路面评价和修复的重点。唧泥和脱空病害产生的内在因素是混凝土板本身质量及其接缝状况和基层质量；外界因素则是作用荷载和自然环境变化。我国路面基( 垫) 层材料一般3都选用稳定类集料，其模量远小于混凝土面层的模量。水泥混凝土路面在重车荷载的反复作用下，板下基( 垫) 层将产生累积塑性变形，使混凝土板的局部范围不再与基层保持连续接触，于是水泥混凝土路面板底与基( 垫) 层之间将出现微小的空隙，即出现了板下局部脱空，或称为原始脱空区。同时温度、湿度的变化，以及板内温度的非线形分布，引起板向上或向下的翘曲，加速了板与基础之间的分离，形成板底脱空。脱空的出现又为水的浸入创造了条件，当路面接缝或裂缝养护不及时雨水从破损处侵入基层，渗入的水将在板下形成积水( 自由水) 。积水与基层材料中的细料形成泥浆，并沿面板接缝缝隙处喷溅出来，形成唧泥。唧泥的出现进一步加剧了板底的脱空。这样周而复始，恶性循环，最终导致路面的损坏儿。脱空板可采用人工观察法、弯沉测定法等方法来确定。人工观察法是通过肉眼观察接缝、裂缝、唧泥等情况初步判定脱空。当重车行过，能感到混凝土板有竖直位移时，或下雨之后，有明显唧泥现象的板块，认为是脱空。这种方法的缺点是主观性强，即便是有经验的工程师也不能避免错判、漏判。弯沉测定法是测试板角弯沉，如果超过某一限值，即认为存在脱空。我国交通部行业标准公路水泥混凝土路面养护技术规范( jt j 0 7 3 1 1 2 0 0 1 ) 中也明确规定水泥混凝土面板脱空位置的确定可采用弯沉测定法。当水泥混凝土路面出现拖空时，人们在工程实际中采取的方法很多，而灌浆法是其中比较很常见的方法之一。但是对于路面的脱空与否，人们无法从路面表面直接来判定。修复时只能采用经验法，而且采用灌浆法对原有路面拖空区进行灌浆处理后，对原有的地方的土体将产生扰动，容易产生应力集中现象。因此在对使用中的混凝土路面如何采取一定的措施检测出板下基础脱空以及脱空面积的大小，对于指导采取预防性、针对性的修复措施，以阻止此类结构性破坏地发展具有极为重要的意义。1 3 国内外研究的概况水泥混凝土路面在使用过程中由于受到交通荷载和温度等的综合作用，就产生相应的荷载应力和温度应力。而路面结构的极限承载力就是由这两个因素决定的。而国内外在这方面的研究也很多，他们从不同的脱空机理和不同的脱空演化模型来进行研究，从而得出在不同脱空板下的力学计算，也设计出不同的检测水泥混凝土路面的脱空检查方法。从而为了解水泥混凝土路面的设计，使用阶段的维护，检测脱空区，以及采取相应的维修措施起到指导性作用。1 3 1 水泥混凝土路面的脱空模型在脱空演化模型方面，波兰特水泥协会在基于a a s h o 道路实验的成果上在1 9 8 4 年提出了一个冲刷模型，而该模型只是考虑板角的挠度现在的所有公路部门已经不在采用。d e m p s e y p h u 等曾试图用能量模型建立冲刷雨水挤出的速度，交通荷载和路面挠度之间的相互关系，这一方法在于计算路面体系沉降4中的能量和建立交通过程中所吸收的能量和冲刷之间的关系。美国国家协作公路计划在报告中提出了经验性的模型，认为模型考虑了影响刚性路面冲刷和唧泥的所有因素，此模型可用于有接缝的普通水泥混凝土路面和有接缝的钢筋混凝土路面，并将荷载传递类型作为变量。路面评定系统的唧泥模型对j p e g 和j r c p 分别采用了不同的方程式表示，但c o p e s 模型中的没有考虑到基层的易冲刷性是产生唧泥的重要因素u 川。e l m e r 在1 9 9 1 年的探讨了水泥混凝土路面板下水的泵吸作用现场效应，但距实际应用尚远。在国内的石小平等依据p c a 板角冲刷损伤模型的思路提出了地基损坏指数d r 的概论u “，2 0 0 2 年沙爱民等进行了路面基层材料的抗冲刷性能实验研究驯。在脱空模型方面国内学者所做的工作较少。1 3 2 水泥混凝土路面板的力学分析水泥混凝土路面板具有较高的力学强度，同时又具有较高的弹性模量，在荷载的作用下变形微小，因此从力学观点出发，把水泥混凝土路面称之为刚性路面。水泥混凝土路面有许多种类，如不配筋素混凝土路面、配筋的钢筋混凝土路面、连续钢筋混凝土路面、预应力钢筋混凝土路面、刚纤维混凝土路面等。由于它们具有相近的力学特征和工作特性，因此都归纳入水泥混凝土路面范畴，各类水泥混凝土路面的设计原理与方法基本上类同。混凝土路面板的弹性模量及力学强度大大高于基层或土基的弹性模量及力学强度，此外，混凝土材料的抗弯拉强度远小于抗压强度，因此在外荷载作用下，路面板产生破坏的主要形式为局部位置弯拉应力超过容许应力而产生各种形式的板体断裂。自2 0 世纪初，水泥混凝土路面板应用以来，刚性路面的荷载应力分析一直是人们关注的焦点。h e r t z 在18 8 4 年提出了液体支撑板理论。c o l d e 和g o l e b e c k 根据材料力学的原理提出了最早的刚性路面荷载应力计算方法，这算是脱空板力学计算方面最早的工作。h m w e s t e g a a r d 在19 2 5 年最先应用w i n k l e r 地基上无限大或半无限大弹性薄板模型，推导了由于车辆荷载作用引起的混凝土板底荷载应力计算公式，此后经过多次实验和理论上的不断完善，w e s t e r g a a d 荷载应力公式在道路刚性路面和机场刚性路面上得到了很好的应用。a h a h o g g 和h o l l 在1 9 3 8 年提出了弹性半无限大地基水泥混凝土路面板的荷载应力计算方法。1 9 5 1 年p i c k e t t 给出了弹性半空间地基板理论并绘制了刚性路面在不同荷载条件下的弯矩影响图和挠度影响图，用来分析一些复杂的荷载情况，如不规则的多轮组合荷载，外形特殊的轮迹形状等h 劓。19 5 3 年，柯岗( b h k o r a n ) 等人，在水泥混凝土路面荷载应力及厚度设计方法的研究与贡献为水泥混凝土路面设计方法奠定基础。6 0 年代中期有限元的应用使水泥混凝土路面应力分析于设计计算有了新的发展。张佑启和森克维琦提出了弹性地基板的有限元分析方法。傲德逊和玛特洛克用离散单元法分析了温克勒地基上水泥混凝土路面板存在脱空情况下的应力。7 0 年代初沙捷斯和张佑启、黄仰5贤和王先峻系统探讨了弹性地基水泥混凝土路面的有限元分析法。8 0 年代初黄仰贤和邓学均合作完成了由若干块板组成的多板系统的有限元分析及简化分析法。随着有限元分析法研究工作的逐步深入，使得过去无法解决的工程计算问题有了解决的可能，如有限大矩形板在任意位置荷载作用下，计算任意位置的应力及位移，具有传力功能的多板系统的应力、位移计算，地基不均匀支承和地基部分脱空等。我国道路工程界在学习国内外研究成果的基础上开展了广泛的研究工作，并且将研究成果系统化，成为现行水泥混凝土路面设计规范的基础。最近十年，水泥混凝土路面有限元分析又有了新的发展。如利用该方法对中厚板或厚板问题进行应力计算分析，对层间有软弱夹层的双层板的应力分析；采用有限元分析法分析水泥混凝土路面应力状态等。这些研究工作将推动水泥混凝土路面应力分析与设计计算方法进入了新的阶段。综上所说，国内外大量学者在刚性路面板下脱空方面做过很多的研究，取得了可喜的成果。但国内外现有的分析和调查结果表明，由于脱空机理十分复杂及影响因素众多，要想准确有效地进行刚性路面板下地基脱空状况的评定是很困难的，目前仍然缺少完善有效的评定方法。1 3 3 水泥混凝土路面研究成果简介我国水泥混凝土路面的系统研究，始于7 0 年代后期，虽起步较晚，但在交通部组织领导下，经5 0 余个单位、2 0 0 余人，历时三个阶段1 0 余年坚持不懈的精心研究，获得了丰硕的研究成果，其水平达到了国内领先，其中多项重要成果达到国际先进水平。特别是提出的一套先进的，适合我国国情的水泥混凝土路面设计和施工方法，大大提高了我国水泥混凝土路面设计、施工水平和路面使用质量，加速了水泥混凝土路面的发展，取得了显著的经济和社会效益。交通部在1 9 7 8 一1 9 8 5 年交通科学技术发展规划中分二个阶段，安排了“水泥混凝土路面研究”课题，即在1 9 7 8 1 9 8 0 年( 第一阶段) 着重研究设计理论、方法和参数，探讨某些篪工养护问题，取得的主要研究成果有；应用有限元法分析面板的荷载和温度翘曲应力，并编绘了可供生产使用的荷载应力、温度应力计算图；我国若干典型地区温度梯度值；旧混凝土路面强度评定与加厚层设计方法刚性路面下地基综合模量的取用；主要设计参数如混凝土强度参数、动荷系数、传荷系数和防冻层的设计等，以及调查总结了8 1 个地、市混凝土路面构造和使用情况，并提出了改进意见和建议。第二阶段( 19 8 2 1 9 8 5 年) 的研究，进一步完善了设计理论、方法和参数。这个阶段的主要研究成果是：温度翘曲应力计算与实验验证；考虑荷载应力和温度应力综合疲劳作用的结构设计方法；旧机场道路的评定，双层混凝土路面6应力分析和加厚层设计：以及若干设计参数如水泥混凝土板下地基的综合模量；全国范围内混凝土路面板的温度梯度值；轮廓横向分布系数等。1 9 8 7 年，国家科委为推动我国水泥混凝土路面的发展，针对修筑中存在的问题和新技术开发，制订发展对策，下达了科技工作引导性项目：“我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研究”，使水泥混凝土路面的研究进入了第三个阶段( 1 9 8 8 1 9 9 0 年) 。这个阶段取得的新的主要研究成果有：在发展对策研究方面，提出了供国家制订发展我国水泥混凝土路面的对策和措施；在重交通道路水泥混凝土路面设计方面，提出了考虑高低应力比的混凝土疲劳特征、控制挠度的结构设计方法和混凝土路面结构可靠性分析；在修筑技术方面，提出了普通混凝土、碾压混凝土和钢纤维混凝土的施工工艺和施工须知以及旧混凝土路面的监测评价和维修养护等多项成套的实用技术。在材料方面，提出了混凝土材料设计，路面接缝材料的试验，包括检测试验的标准、方法和仪具的开发研制等。1 4 论文由来及本文研究内容水泥混凝土路面是适应载重大、速度高、密度大的车辆运输需要的高等级路面，具有强度高，稳定性好，使用寿命长，维修养护费用少等许多优点。然而，由于设计、施工、养护、环境污染及长期超负荷使用等诸多因素，致使道路路面产生如上所述种种病害，这些都成为影响混凝土路面发展的一个关键性技术问题，分析混凝土板的这些破坏现象及其产生原因，将有利于正确的设计和施工混凝土路面，对保证水泥混凝土路面质量并促进其发展具有重要的意义u 叫。本论文拟定着重对混凝土路面板脱空问题进行一定的理论分析。水泥混凝土路面在实际使用过程中，由于车辆荷载的重复作用，水泥混凝土板下基础将产生塑性变形累积，致使混凝土板的局部范围不再与基础保持连续接触，即混凝土板下局部出现脱空。地面水沿接缝下渗而积聚在脱空的空隙内，在车辆荷载作用下变成有压水而同基层内浸湿的细料混搅成泥浆并沿接缝隙喷溅出来，形成唧泥。唧泥的出现，使面板边缘部分失去支承，更进一步加剧板底脱空。另外，由于温度湿度的影响，混凝土板将产生挠曲，致使混凝土局部范围内不再与基础保持连续接触，或因土基压实不均匀，混凝土板下局部都将出现脱空。大量的试验与理论计算表明，实际使用中的水泥混凝土路面基层客观存在局部脱空现象，特别是对细颗粒材料修筑基层的水泥混凝土路面。一些公路局部段落出现纵向断裂，且基层脱空现象十分严重。而脱空状态下混凝土板的受力是极为不利的。混凝土路面的缝边板角处，由于基础脱空，在荷载作用下，水泥混凝土路面板的工作状态近似于悬臂梁，角或板边产生过量的弯沉和应力。在重复荷载作用下，最终导致水泥混凝土板的疲劳断裂、破碎。但混凝土板由于各种原因产生脱空时，其力学分析较为复杂，本文将在前7人的基础上通过理论分析和实际相结合的方法研究混凝土板在脱空时的应力和挠度分析，从而找到可能的最大应力和最大挠度值，为施工、设计和检测奠定基础。其主要内容包括：1 、水泥混凝土路面板的理论分析和研究。大量学者都根据假设提出了各种力学模型，并推导了应力和挠度公式。2 、混凝土路面在实际使用过程中，由于受到车辆的反复荷载作用逐步产生脱空。一旦发生脱空，脱空区路面在荷载作用下其应力发生变化。当局部应力超过水泥混凝土的抗拉极限承载力时，路面局部开裂，进一步发展为破碎，最终可能折断。脱空区的形状一般不规则，但可以大致归纳为三角形、矩形、梯形3 种典型形式。针对脱空的3 种不同脱空形状进行分析，得出脱空临界面上的各点应力及最大主应力和最大挠度值。3 、实际使用中的水泥混凝土路面其应力值和挠度值受地基的均匀程度、温度的高低、荷载的大小等因素影响。可针对在不同荷载、不同温度下的受力分析，得到可能的最大应力，从而为混凝土路面控制奠定基础。8第二章水泥混凝土路面板脱空的理论分析2 1 引言今年来，随着我国交通运输业的发展，重载车辆的不断增加，超载现象十分的普遍。由于设计和施工的不完善，混凝土板也会产生不同形式的损坏。水泥混凝土路面的损坏，可以按损坏的性质、影响的特点和范围，区分为五大类：裂缝类、接缝类、变形类、松散类和其它等类型。裂缝类主要有纵、横、斜向裂缝：变形类主要指卿泥、错台、拱起；接缝类主要指纵缝和横缝的损坏，松散类主要指坑洞和层次剥落，其它类主要指修补损坏。而水泥混凝土路面由于结构设计、施工质量、养护管理等因素，造成了路面板下基础产生了一定的塑性变形。使的路面板不能和基础保持良好的连续性接触。从而产生脱空，在车辆荷载的作用，混凝土路面板将产生相应的荷载应力，但荷载应力超过混凝土路面板所能承受的极限承载力时，路面板将产生破坏u 刮“。从而影响混凝土路面板的使用寿命。因此有必要研究各种因素对路面板的影响，而国内外对这方面的研究不是很多，本章将分析水泥混凝土路面板所能承受的最大极限承载力，和路面板拖空区域在车辆荷载作用下通过理论分析得到的可能最大的极限承载力。水泥混凝土路面板具有较高的力学性能，在车辆荷载的作用下变形小，一般混凝土路面板工作在弹性阶段。也就是混凝土路面板在车辆荷载作用下，其板内产生的应力不会超过混凝土的比例极限应力，整个水泥混凝土路面结构从力学的角度看是属于弹性层状体系。此时，混凝土路面板不会产生因荷载作用而造成的破坏。由于混凝土的抗弯拉强度远小于抗压强度，因此决定混凝土路面强度的是混凝土的抗弯拉强度。当混凝土路面板在车辆荷载作用下，其弯拉应力超过混凝土的极限承载力时，路面板就产生破坏。并且在车辆反复荷载的作用下，混凝土的抗弯拉强度会减小。混凝土路面在受到车辆荷载作用的同时，还受到因大气温度周期性变化而产生的应力。因此混凝土路面板的疲劳破坏不仅与荷载重复次数有关，而且与温度周期性变化的温度翘曲应力重复作用有关。因此，路面板防止两种因素综合作用产生的疲劳开裂必须使荷载疲劳应力( 0 。) 与温度疲劳破坏应力( 0 。)的和不超过混凝土的抗弯拉强度( f c ) ，即盯n + o t f c ml z u j 。2 2 力学模型2 2 1 文克勒地基模型早在18 6 7 年，捷克工程师e 文克勒( w i n k l e r ) 就提出了如下的假设：地9基上任一点所受的压力强度p 与该点的地基沉降量s 成正比。即p = ks式中的比例系数( 或简称为基床系数) ，其单位为k n m 3根据这一假定，地基上的某点的沉降与其他点的压力无关，故可把地基土体化成许多竖直的土柱，每条土柱可用一根弹簧所受的压力与该弹簧的变形成正比。这种模型的基底反力图形与基础低面仍保持平面，基底反力图按直线变化。这就是在常规设计中所采用的基底反力简化算法所依据的计算图式。按照图2 1 所示的弹簧体系，每根弹簧与相邻弹簧的压力和变形毫无关系。这样，由弹簧所代表的土柱，在产生竖向变形的时候，与相邻土柱之间没有摩阻力，也即地基中只有正应力而没有剪应力。因此，地基变形只限于基础底面范围之内。用。i n 卉仃i | l ij jji | | li li ii fl | ii ii ij i为圳易埸吵埸蝣( a )( a ) 侧面无摩阻力的土柱体系( b ) 弹性模型( c ) 文克勒地基上的刚性基础图2 - i文克勒地基模型事实上，土柱之间存在着剪应力。正是由于剪应力的存在，才使基底压力在地基中产生应力扩散，并使基底以外的地表发生沉降。尽管如此，文克勒地基模型由于参数少、便于应用，所以仍是目前最常用的地基模型之一。一般认为，凡力学性质与水相近的地基，采用文克勒模型就比较适合。2 2 2 弹性半空间地基模型实际地基的情况与温客勒地基假设并不一致，地基在横向是相互牵连和相互制约的、一部分受力，相邻部分也会受到影响。人们进一步提出考虑地基横向联系的双参数地基。双参数地基主要分为两类：一类是在温客勒地基中竖向弹簧假设基础上又提出横向弹簧假设，即双向弹簧地基模型；另一类是符合弹性体基本假设的弹性空间地基，包括弹性均质半空间地基和弹性层状体系半空间地基。在弹性均质半空间地基中，假定地基为连续、均质、各向同性、完全弹性的半空间体。同一般弹性体一样，弹性均质半空间地基的力学特性也用弹性模量e 0 和泊松比p 。来表示。地基表面的垂直位移w 与荷载q 的关系可以用均质半空间体表面受轴对称荷载作用的位移计算公式来表示：1 0w ( ，) = 2 ( 1 - z c 2 ) f 石( 争) 山( 争) 蝣( 2 1 )e o式中：w ( r ) 竖向位移函数；g ( 孝) 地基表面轴对称荷载q ( r ) 的零阶汉克尔变换式；厶( 争) 第一类零阶贝塞尔函数；r 离开荷载作用点的距离，mf 任意参数。e 1u1皇e 2 “2=e 3p3皇e ( ) u 0图2 2 弹性层状地基半空间模型2 2 3 混凝土模型水泥混凝土路面是多层结构，面板被接缝化分为有限尺寸的矩形板，平面方向上的尺寸远远大于厚度方向上的尺度，板块间或者通过集料嵌挤传荷，或者通过以传力杆等连接传荷：早期的水泥混凝土路面通常置于土基上或处理的基层上；近年来，半刚性材料( 水泥稳定粒料、石灰一粉煤灰稳定粒料、辗压混凝土、贫混凝土等) 广泛用于刚性路面的基层。进行结构分析时，需要针对实际的路面层结构、各结构层材料的应力一应变关系建立合理的力学模型。路面结构主要采用两种方案模型化：( 1 ) 板模型一把混凝土面板看作为受到地基支撑的单块或多块板。( 2 ) 三维模型一这是较理想的模型，可考虑路面结构的实际几何形状、结构层次、接缝或裂缝影响和荷载作用位置。本文采用三维模型对混凝土板进行分析。2 2 4 水泥混凝土接缝模型水泥混凝土路面设置纵、横向接缝以减少温度和湿度变化导致的断裂破坏。接缝传荷机构主要有集料嵌锁和传里杆两类，前者主要靠接缝裂面上的集料的叱哧和作用传递剪力、弯矩和扭矩，如图2 3