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水泥混凝土路面基层与面层协调性能研究 摘要 我国现行公路水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 - - 2 0 0 2 ) 在假设 混凝土板底无脱空、无裂缝，均匀支撑的条件下，以荷载疲劳应力和温度 疲劳应力的叠加值小于等于混凝土疲劳强度作为设计标准。而水泥混凝土 路面在使用过程中，往往产生板底脱空、面层早期裂缝、基层裂缝等病害， 脱空和裂缝的存在破坏了路面结构的整体性和连续性，加速了路面的破 坏，缩短了路面的使用寿命。本文在理论分析和数值模拟的基础上，着重 研究水泥混凝土路面基层与面层协调性能。 采用三维有限元方法，对脱空状态下的路面板进行数值模拟，分析了 脱空位置、脱空面积、传力杆对路面板荷载应力的影响。理论分析表明， 增加路面面板厚度是延长路面寿命的一项有效措施，得出考虑脱空和温度 应力时可抵抗一定脱空面积的最小路面板厚度。 在面层和基层之间引入功能层，不仅可以改变层间接触条件，减小温 度应力，减少混凝土面层早期裂缝的出现；而且可以防止雨水或者雪水渗 入基层而产生路面板脱空。通过分析功能层厚度、模量的变化对路面结构 荷载应力和温度应力的影响，建议功能层厚度取2 - - 4 c m ，模量以8 0 0 - - , 1 2 0 0 m p a 为宜。 通过对基层裂缝或切缝的宽度、位置对路面板荷载应力和温度应力的 影响分析，分析结果表明裂缝宽度对混凝土面层的影响很小，对自身及基 层的荷载应力影响比较显著；基层裂缝或切缝位于路面板中部位置时，对 t 面层最不利，当基层裂缝与路面板缩缝对齐时，功能层极易破坏。无论有、 无功能层，当基层裂缝位于路面板1 4 处，路面结构各层应力最小，对路 面结构最有利，故建议基层切缝设置在路面板1 4 位置处。 关键词：路面脱空传力杆疲劳寿命功能层基层裂缝荷载应力温度应 力 i i r e s e a r c ho nc o o r d i n a t i o nc a p a b i l i t y b e t w e e ns l a ba n db a s e o fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t a b s t r a c t c h i n e s ec u r r e n t s p e c i f i c a t i o n so fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n td e s i g nf o r h i g h w a y ”( j t gd 4 0 - 2 0 0 2 ) ，o nt h ea s s u m p t i o no f u n i f o r ms u p p o r ta n dw i t h o u t p a v e m e n tv o i da n db a s ec r a c k ，i tb eu s e df o rd e s i g ns t a n d a r dt h a tt h es u m o f l o a df a t i g u e s t r e s sa n dt h e r m a lf a t i g u e - - s t r e s si sl e s st h a nf a t i g u es t r e n g t ho f c o n c r e t e b u ti nt h ea c t u a lu s e dp r o c e s s ，p a v e m e n tv o i d ，e a r l yt i m ec r a c ko f c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，b a s ec r a c ko f t e na p p e a r e d i td a m a g e dt h ei n t e g r i t y a n dc o n t i n u i t yo ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r eb e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo fv o i da n d c r a c k s ，a c c e l e r a t e dt h ed a m a g eo fr o a d s ，a n ds h o r t e n e dt h el i f eo ft h ep a v e m e n t t h i sp a p e rm a d eas e r i e so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u t c o o r d i n a t i o nc a p a b i l i t yb e t w e e np a v e m e n ts l a ba n db a s el a y e r t h ei n f l u e n c e so fp a v e m e n tv o i dp o s i t i o n s ，p u m p i n ga r e aa n dd o w e lb a r o nl o a ds t r e s s e so fp a v e m e n ts t r u c t u r ea r ea n a l y z e db y3 df i n i t ee l e m e n t m e t h o d t h et h e o r e t i c a la n a l y s i si n d i c a t e dt h a ti n c r e a s i n gt h ep a v e m e n ts l a b t h i c k n e s si sa ne f f e c t i v ew a yt op r o l o n gt h ep a v e m e n tl i f e t h ec o n c l u s i o nt h a t m i n i m u mt h i c k n e s so f p a v e m e n ts l a bc a n r e s i s ts o m ee x t e n tp u m p i n ga r e ah a s b e e no b t a i n e dw h e nc o n s i d e r i n gp a v e m e n tv o i da n dt h e r m a ls t r e s so fp a v e m e n t s t r u c t u r e i i i t h ef u n c t i o nl a y e ri se s t a b l i s h e db e t w e e np a v e m e n ts l a ba n db a s e ，n o t o n l yt h ec o n t a c tc o n d i t i o nc a nb ec h a n g e d ，t h et h e r m a ls t r e s sc a nb er e d u c e d ， t h ea p p e a r a n c eo fe a r l yt i m ec r a c ko fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tc a nb e p r e v e n t e d ；b u ta l s op a v e m e n tv o i dc a nb ep r e v e n t e dw h i c hc a u s e db yt h e s u r f a c er a i n w a t e ro rs n o w w a t e ri n f i l t r a t e d b a s e t h r o u g ha n a l y z i n g t h e i n f l u e n c eo fl o a ds t r e s s e sa n dt h e r m a ls t r e s s e so fp a v e m e n ts t r u c t u r eo f d i f f e r e n tt h i c k n e s s e sa n dm o d u l u so ff u n c t i o nl a y e r , s o m ec o n c l u s i o n sa r e d r a w na sf o l l o w s ：s u i t a b l et h i c k n e s so ff u n c t i o nl a y e ri s2 4 c m ，s u i t a b l e m o d u l u si s8 0 0 12 0 0 m p a t h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fl o a ds t r e s s e sa n dt h e r m a ls t r e s s e so f p a v e m e n ts t r u c t u r eo fd i f f e r e n tw i d t ha n dp o s i t i o n so fb a s ec r a c ko rk e r f , s o m e c o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ：t h ee f f e c ti sv e r ys m a l lw h i c ho fw i d t ho f b a s ec r a c ko nt h es t r e s so fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts l a b ；w h e nt h eb a s ec r a c k l o c a t e di nt h ec e n t e rp a v e m e n ts l a b ，t h es t r e s so f p a v e m e n ts l a bi st h el a r g e s t ； w h e nt h eb a s ec r a c kl o c a t e di nt h eb e l l o wp a v e m e n tc o n t r a c t i o nj o i n t ，t h e f u n c t i o nl a y e ri se x t r e m e l ye a s yt od e s t r o y i tw a ss u i t a b l ef o rs t r e s so fc e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n ts t r u c t u r ew h e nb a s ek e r fl o c a t e di nt h eq u a r t e rp a v e m e n t s l a b k e yw o r d s ：p a v e m e n tv o i d ；d o w e lb a r ；f a t i g u el i f e ；f u n c t i o nl a y e r ；b a s e c r a c k ；l o a ds t r e s s ；t h e r m a ls t r e s s i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和 相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本 论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也 不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个 人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：哥呈了专纯爰，7 年多月昭日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 凼口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：习呈砖芗屯导师签名：名红荔p ? 严多月8 日 广西大学硕士学位讼艺水泥混害已匕路面囊j 垂与面层协调性能研究 1 1 研究背景和课题的提出 第一章绪论 随着全球经济的发展，交通量迅速增长，世界各国越来越重视高等级公路的建设， 水泥混凝土路面是一种刚度大、扩散荷载能力强、稳定性好的路面结构，是高等级公 路路面结构的主要类型之一，在西方高等级公路中，占有较高的比例。在欧洲，比利 时是使用水泥混凝土路面最多的国家之一，目前有5 0 的高速公路采用水泥混凝土路 面n 1 。法国每年建成的高速公路中约有3 0 为水泥混凝土路面，原东德更是高达9 0 之多瞳1 。2 0 世纪9 0 年代以来，我国水泥混凝土路面得到了前所未有的迅猛发展。截止 2 0 0 8 年底，我国已建成的水泥与沥青混凝土两种高级路面的总里程为3 8 0 4 万k m ，其 中水泥混凝土路面约占5 8 ，沥青混凝土路面约占4 2 。 水泥混凝上路面与沥青混凝土路面相比，具有强度高、稳定性和耐水性好、使用 寿命长、维修和养护费用低、对环境污染小等优点，近年来在高等级公路中的应用得 到了发展。在我国，水泥混凝土路面设计基准期对于高速公路和一级公路为3 0 年，二 级及二级以下公路为2 0 年。随着新建水泥混凝土路面的陆续通车，近几年通行实践表 明：很多路段达不到使用年限，甚至在使用初期就出现了种种病害，特别是经济发展 中出现的高速、重载、大流量，许多路面出现了脱空、错台、唧泥、断板等形式的破 坏，严重影响道路使用性能，造成巨大的经济损失。 针对这些问题，本课题致力于研究水泥混凝土路面基层的脱空、裂缝以及功能层 与面板相互作用的关系。重点研究脱空位置、脱空面积、是否设置传力杆及传力杆间 距对路面板应力的影响，功能层厚度、模量的变化对基层及路面板荷载应力和温度应 力的影响，基层裂缝或切缝的宽度、位置对路面板荷载应力和温度应力的影响。 我国现行公路水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 - - 2 0 0 2 ) 在假设混凝土板下 无脱空、无裂缝，均匀支撑的条件下，采用弹性地基上的小挠度薄板理论，以荷载应 力和温度应力产生的综合疲劳损坏作为设计标准，即设计时控制板内临界荷位处的荷 载疲劳应力和温度疲劳应力之和( 综合疲劳应力) 不大于混凝土的疲劳强度。降低综合 疲劳应力的途径有：加大板厚、减小板长、提高接缝传荷能力、增强基层等。由于加 大板厚和增强基层均能降低路面板的综合疲劳应力，因此，设计者必须考虑两者之间 广西大等明页士掌位论文水泥湿凝土路面囊“荽与面层协调侣幽皂研究 的平衡问题。 在水泥混凝土路面整体结构中，路面板、基层与土基之间存在着相互依存、互为 因果的关系。基层作为路面板与土基之间的中间结构层，主要承受由面层传来的车辆 荷载，并将力扩散到下面的垫层和路基中。目前我国普遍采用的半刚性基层易产生干 缩或温缩裂缝，因此，在一些道路上工程技术人员就采用了每隔一定距离人为切缝并 灌封的方法，防止不规则裂缝对路面结构产生的不利影响。从而调节、补充路面板与 土基之间的关系，使路面整体结构比较经济、合理。路面修筑质量的好坏，使用寿命 的长短与路面的主要承重层一基层有很大的关系。因此，加强基层研究，为水泥混凝 土路面基层与面层的协调设计提供依据，就显得十分必要。 本课题研究的目的是针对水泥混凝土路面基层的脱空与裂缝，在有限元数值模拟 的基础上，揭示其力学规律和结构特性，得出在超载的作用下可抵抗一定脱空面积的 最小路面板厚度；通过计算分析得出基层与面层之间的功能层的适宜厚度和模量，为 水泥混凝土路面基层与面层的协调设计提供依据；并探讨基层的切缝或自然开裂宽度、 位置对路面板荷载应力和温度应力的影响。 本课题来源于：交通部西部科技项目( 2 0 0 6 3 1 8 0 0 0 0 5 ) “水泥混凝土路面基层长期 性能研究 。 1 2 国内外研究概述 水泥混凝土路面是由不同结构层次组成的复合结构，各结构层具有不同的功能， 抵抗车辆荷载和自然因素的影响。而水泥混凝土路面在使用过程中，往往产生板底脱 空、面层早期裂缝、基层裂缝等病害，脱空和裂缝的存在破坏了路面结构整体性和连 续性，加速了路面的破坏，缩短了路面的使用寿命。在过去的几十年中，国内外学者 针对脱空和裂缝状态下的路面结构开展了许多研究工作，现分别叙述如下： 1 2 1 水泥混凝土路面的研究现状 ( 1 ) 荷载应力计算理论 在水泥混凝土路面结构计算分析过程中，般将其简化为弹性地基板。h h e r t z 提出的液体支承板理论；霍格口1 ( a h a h o g g ) 和霍尔船1 ( h o l l ) 研究并提出了弹性半空间 无限大地基水泥混凝土路面板的荷载应力分析方法；舍赫捷尔，d m b u r m i s t e r ， 2 广西大d 幽页士掌位嵌吁水泥混离已匕路面羞瀑与面层协调性能研究 p i c k e t t ，姚炳唧和苛岗等人，陆续在水泥混凝土路面的研究方面作出了杰出的贡献， 为水泥混凝土路面应力分析和设计方法奠定了基础。 ( 2 ) 温度场和温度应力计算理论 路面结构温度场的理论分析工作已进行了7 0 年。美国、前苏联、德国、英国、日 本等许多国家对沥青或水泥混凝土路面的温度状况进行了大量的实验研究h 9 1 。我国对 路面温度场的研究主要开始于上世纪8 0 年代初期前后。同济大学的严作人、朱照宏等 人在层状体系假设的基础上，从传热学和气候学的基本理论着手，用解析法对水泥混 凝土路面一维温度场作了较深入的分析n0 。，其结果可用于计算路面结构层内的最高和 最低温度，水泥混凝土路面的最大温度梯度等。 混凝土面层收缩应力的计算分析，可采用简化的一维模型n 1 捌。收缩应变的产生 是由于混凝土干燥收缩和温度下降所引起的。混凝土浇筑后，随时间而发展的干燥使 混凝土产生收缩应变，1 9 7 9 年，美国混凝土协会( a c i - 2 0 9 ) 在长期研究基础上，提出 了干燥收缩应变随时间的变化的计算公式n 引。2 0 0 1 年，z h a n g 等分析了不同基层上混凝 土面层板的最大干燥收缩应力随时间增长的情况n 刳。 混凝土面层板升温时，板伴随出现膨胀变形，面层与基层间的层间阻力阻碍板产 生伸长变形。早在1 9 7 1 年，美国混凝土学会( a c i ) 就提出基本徐变公式( a c l 2 0 9 7 1 ) n 劓。 w e l l 进行的摩阻试验结果表明n 引，板在基层上初次位移时具有较高的摩阻系数，而在 回复位移时，摩阻系数下降很多。 温度( 或湿度) 沿混凝土面层厚度的不均匀分布，使面层板产生翘曲变形。 h m w e s t e r g a a r d 、g h o s h n 刚和a nh a n n a n 刀在翘曲应力计算研究方面作出了巨大的贡 献。严作人于1 9 8 5 提出了非线性温度分布所产生的翘曲应力计算方法n 引。谈至明进一 步考虑到线性分布产生的翘曲应力与非线性分布产生的内应力在不同时刻的变化为非 同步的特性，提出了计入内应力的翘曲应力计算方法n 9 。 1 2 2 水泥混凝土路面脱空的研究现状 ( 1 ) 脱空机理 水泥混凝土路面的脱空机理，国内外的众多研究者普遍认为水泥混凝土面板底下 基层唧泥是导致板底脱空的根本原因啪 2 ，其中国外很多学者研究结果表明，影响唧 广西大砻明页士掌位嵌水泥混凝土路面囊u 暴与面层协调性能研究 泥的主要因素包括板底基层材料的易冲刷性、水的存在、水自板下挤出的速率、重复 荷载的大小和次数等 2 5 1 。我国很多学者把板底脱空产生的原因归纳为两点汹 2 朝：一 是自由水的作用，二是路基的不均匀支撑。 ( 2 ) 脱空模型 1 9 8 4 年，波兰特水泥协会基于a a s h 0 道路实验的成果提出了一个只考虑板角的挠 度冲刷损伤模型嘲；美国公路研究计划n c h r p 提出考虑了所有影响刚性路面冲刷和唧 泥的因素的经验性的唧泥模型，该模型可用于有接缝的钢筋混凝土路面和有接缝的普 通混凝土路面啪3 。国内，1 9 9 1 年石小平等依据p c a 板角冲刷损伤模型的思路提出了地 基损坏指数的概念臼，沙爱民等在2 0 0 2 年进行了路面基层材料的抗冲刷性能实验研究 【3 2 ( 3 ) 脱空板力学计算现状 上世纪7 0 年代，h u a n g 口3 1 等首先将有限元法应用于分析地基部分脱空等情况的水 泥混凝土路面的计算。我国从上世纪7 0 年代后期起，同济大学姚祖康等人开始应用有 限元法进行混凝土路面的脱空计算分析，并取得了大量的成果口盯。 1 2 3 水泥混凝土路面功能层的研究现状 对于水泥混凝土路面，水渗入路面结构层内部后，若不能尽快向下或向两侧排除 出去，就会冲刷基层，使其强度下降。在重载交通和高速行车的反复作用下，特别是 在层间结合空隙处，水泥混凝土路面将出现错台和板底脱空等病害。水泥混凝土路面 板与基层接触状况不仅影响路面接缝间距和接缝宽度，同时也对路面早期开裂、路面 荷载应力和温度应力产生影响。为了改善层间接触状况，减小混凝土面层和基层之间 的摩阻力，在温度发生变化时，减小温度应力；防止水引起的错台和板底脱空等病害， 常在面层与基层之间设置防水、排水、施工保养及改善层间接触状况的功能层。 奥地利、比利时等国在面板与基层之间设置沥青混凝土中间层，厚度为4 8 c m ； 虽然部分增加了初期投资，但可有效减少基层的侵蚀，对于确保水泥混凝土路面的长 期使用性能非常有效。张红波等人对水泥混凝土与贫混凝土界面进行了室内直剪试验， 得到了不同层间处理( 直接铺筑、加新闻纸、加土工布、加塑料膜) 状况下的综合摩 擦系数f 。；广西桂林至全州高速公路超厚水泥混凝土路面结构中，在3 2 c m 厚水泥混凝 4 广西大掣妇页士掌位谗? 文水泥舞歌疑土路面基层与面层协调性能研究 土路面和2 0 c m 贫混凝土基层之间设计l c m 厚的乳化沥青封油层；赵炜诚等利用有限元， 采用不同夹层的典型弹性模量和泊松比，计算了三种夹层( 双层聚乙烯、砂夹层、a c 层) 和直接加铺条件下的层间法向刚度系数和切向刚度。 关于水泥混凝土路面功能层研究及设计，国内外相关文献很少。我国现行公路 水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 - - 2 0 0 2 ) 也少有涉及，虽然，在我国水泥混凝土 路面的建设中时常采用功能层，但各地区采用的功能层类型、厚度差别很大，没有统 一的标准或设计依据，所以，本文试图分析功能层厚度、模量的变化对半刚性基层及 路面板荷载应力和温度应力的影响，通过计算分析提出基层与面层之间功能层的适合 厚度和模量。 1 2 4 水泥混凝土路面基层裂缝的研究现状 水泥混凝土路面结构中普遍存在着裂缝问题。裂缝的存在，使得结构部分区域产 生了应力集中，导致材料的实际强度大大低于理论模型的强度，不仅会影响结构的安 全性、适用性、耐久性，而且裂缝如果失稳扩展，还会导致结构的破坏。 ( 1 ) 裂缝产生机理 在半刚性基层路面结构中，基层材料在失水干燥的过程中会产生收缩，进而产生 收缩应力。同时，在温度变化过程中，会在其内部产生温度应力。在干缩应力和温度 应力的共同作用下，基层中会产生裂缝。随着温度和湿度的变化，基层中的裂缝会扩 展或缩小。在交通荷载的作用下，会使裂缝竖向错动。在温度与交通荷载综合作用下， 会使裂缝逐渐向上层延伸，逐渐贯通整个面层。 ( 2 ) 半刚性基层收缩性能研究现状 国外在干缩特性研究方面作了大量的工作，具有代表性是美国的g e o r g e 、澳大利 亚的r e 洛林斯分别就水泥稳定土的干缩特性和水泥稳定粒料土的干缩特性进行了系 统地研究。国内一般指出，半刚性基层材料的干燥收缩性能主要是受粒料情况、压实 度和含水量等因素的影响。减少干燥收缩应变的措施有：用塑性指数较低的土、掺加 一定的集料和降低含水量等。 关于温度收缩，国外鲜有相关文献。在国内，张洪华通过对水泥稳定细粒土、水 泥稳定中粒土和粗粒土的温缩性进行了研究。长安大学张登良、郑南翔教授对多种半 广西大掌硕士掌位论文水泥游己：疑土路面囊“荽与蕾r 层协调目幽皂研究 刚性材料的温缩性、干缩性讲行了系统研究。 ( 3 ) 半刚性基层裂缝对面层的影响 现场观测表明，水泥稳定粒料和二灰稳定粒料基层在养生结束后无覆盖的情况下， 大约经过l o - - ，3 0 d 就会产生横向干缩裂缝。初期裂缝间距较长，可在几十米以上，在长 时间暴晒的情况下，横向裂缝的间距约为6 l o m 。 半刚性基层产生的温缩、干缩裂缝，其引起的路面裂缝已成为高速公路的主要破坏 形式之一，国内外关于半刚性基层裂缝对沥青面层的影响作了大量的研究工作捌， 然而，关于半刚性基层裂缝对混凝土路面板荷载应力和温度应力的影响，鲜有相关文 献，且我国现行公路水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 - - 2 0 0 2 ) 对于半刚性基层 的裂缝及其对混凝土面板的影响也未加以考虑。鉴于此，本课题利用有限元通用软件 a n s y s 进行数值模拟，通过变化切( 裂) 缝的间距、宽度和位置，探讨基层的切缝或自 然开裂宽度、位置对水泥混凝土路面应力的影响。 国内外水泥混凝土路面的脱空研究主要集中在脱空机理、脱空模型等，脱空部位 主要考虑冲刷引起的板角、横缝边缘脱空，并提出了一些规律性的结论。本文从研究 脱空面积、轴载、板厚、有无传力杆对板角、横缝边缘、纵缝边缘、板中脱空的影响 出发，总结规律，得出在可抵抗一定脱空面积的最小路面板厚度。水泥混凝土路面功 能层研究国内外相关文献很少，大多数依靠经验设计，本文采用层间接触模型进行了 三维有限元分析，提出基层与面层之间功能层的适合厚度和模量；国内外水泥混凝土 路面基层裂缝的研究主要集中在半刚性基层裂缝产生机理、干缩特性的研究以及半刚 性基层裂缝对沥青面层的影响，关于半刚性基层裂缝对水泥混凝土路面结构的影响， 相关研究很少，本课题通过数值模拟，探讨基层的切缝间距或自然开裂宽度、位置对 水泥混凝土路面应力的影响。 1 3 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 基层的脱空对路面板应力的影响分析 脱空面积对板角应力的影响；脱空面积对板边应力的影响；脱空面积对板 中应力的影响；传力杆设置对脱空板应力的影响。 ( 2 ) 功能层对水泥混凝土路面结构应力的影响分析 6 广西大碧瞻页士掌位论文水泥混萄已毛路面童“要与面层协调性能研究 功能层厚度变化对路面结构荷载应力和温度应力的影响；功能层模量变化对 路面结构荷载应力和温度应力的影响；功能层与面层接触状况的变化对路面结构荷 载应力和温度应力的影响。 ( 3 ) 基层裂缝或切缝对路面结构应力的影响分析 模拟三种裂缝位置( 分有功能层和无功能层两种情况) ：基层裂缝与路面板缩缝 对齐；基层裂缝位于路面板中部位置；基层裂缝位于路面板i 4 处。 1 4 研究的技术路线 针对水泥混凝土路面的受力特点，将路面结构采用三维实体的方式，建立了相应 的计算模型。应用有限元软件分别对路面结构进行计算分析。主要技术路线如下： ( 1 ) 基于弹性理论，建立存在脱空的水泥混凝土路面结构力学分析模型。在此基 础上，依据有限单元法的一般理论，建立有限元模型，应用有限元通用软件a n s y s ，采 用参数化编程方法，通过生死单元技术，建立存在脱空的水泥混凝土路面三维有限元 模型。在建模过程中，对于双板结构，根据接缝的传荷方式，采用梁单元模拟接缝传 力杆，分析传力杆设置对脱空板应力的影响。 ( 2 ) 对于功能层和水泥混凝土路面板的接触分析，利用a n s y s 中的应力分析、热分 析和接触分析的耦合技术，采用更符合实际的接触模型，通过变化功能层厚度、模量， 以及接触状况，详细研究了在车辆荷载、温度荷载作用下功能层的变化对路面板的影 响。 ( 3 ) 为了分析水泥混凝土路面基层裂缝或切缝对路面板荷载应力和温度应力的影 响，利用a n s y s 中的热分析和应力分析的耦合技术，通过变化切( 裂) 缝的宽度和位置， 分析水泥混凝土路面板的荷载应力和温度应力。 7 广西大学硕士掌位论文 水泥薅u 爱土路面爿l 罢与面层协调性能研究 l 建立力学模型1 区五亟寸l 旺巫固 建立三维有限元模型 善生i 元技术jl l 建立( 脱空) i 三维有限元模型 a n s y s 热分析擞j 吞 祸合技术li 功能层 建立( 设置功能层) 三维有限元模型 厚度 变化 传力杆的影响 抵抗一定脱空面积 的最小路面板厚度 热应力 耦合技术 建立( 基层带裂缝) 三维有限元模型 堡堇壅垡j 飘i 霪解 况变化j i 罂些坚 功能层的 适合厚度和模量 图卜1 技术路线图 f i g 1 - 1t e c h i l i c a lf l o wc h a r t 8 变化裂 缝位置 提出半刚性基层 切缝建议位置 广西大粤明页士掌位谶艺水泥涡凝土路面葛胡垂与面层协调性能研究 第二章基层脱空对路面板应力的影响分析 按照现行公路水泥混凝土路面设计规范( j t g d 4 0 2 0 0 2 ) 设计的水泥混凝土路 面使用基准期一般在2 0 - 3 0 年，在实际使用过程中，许多水泥混凝土路面往往使用5 、 6 年后就出现大面积的破坏。究其原因在于：现行规范的水泥混凝土路面的设计方 法是建立在路面始终处在未脱空的理想使用状态下，而水泥混凝土路面在使用过程中 由于唧泥、车辆的作用、冰冻作用、路基不均匀沉降等原因，往往产生板底脱空的问 题。 对于水泥混凝土路面结构来说，脱空改变了面板的支承条件，局部面板由受压结 构变成受弯结构，而水泥混凝土的抗弯拉能力远不及抗压能力。所以一旦水泥混凝土 路面脱空，当其达到一定面积时，就会发生开裂、断板破坏。 1 水泥混凝土路面脱空概述 水泥混凝土路面板脱空是指面板与基础之间产生空隙，属于路面的结构性损坏。 2 1 1 脱空机理 水泥混凝土面层板具有很大的刚度，基层均匀支承时，对路基的强度要求不高。 车轮荷载作用于路面上时面层板会产生变形，会使路基产生一定量的塑性变形。虽然 荷载每次作用后路基所残留的塑性变形量很微小，但数百万甚至数千万次作用后的累 积量并不小。 同时，因降雨等原因，在接缝( 或裂缝) 和自由边缘处，水泥混凝土路面的基层有 时处于浸润状态，此时，路面板与基层之间的自由水，在车轮荷载作用下，会产生高 速流动，从而侵蚀基层。在车轮荷载作用下，含有基层颗粒成分的压力水从路面的板 的接缝或裂缝处喷出，通常称为唧泥或泵浆。这种现象一旦发生，路面板就会局部失 去基层的支承作用，而产生断裂及错台，降水会沿缝隙下渗，并积滞在上述脱空区内。 当超载或行车速度较快时，车轮驶过引起积滞水高速流动，路基材料在高速水流的作 用下易受冲刷。基层受冲刷，而积滞水也变成了含有细粒土的泥浆，在车辆荷载的作 用下，泥浆沿切( 裂) 缝或自由边缘冒出，脱空区扩大，板的支承条件更加恶化，在荷 9 f - 西大等幽页士掌位论文水泥混凝土路面毫瀑与面层协调目矗皂研究 载作用下极易产生断裂( 纵、横向或角隅) 损坏。 路面板下脱空的产生是由基层均匀支承过渡到非均匀支承，进而到局部支承的水 泥混凝土板，最后导致面板断裂；断裂后的路面板板体，在地表水和车辆荷载的共同 作用下又重新加速了新的脱空和新的断裂的产生，结果路面板由整块板变为大块板， 再变为小块板，裂缝由微小裂缝发展到宽大裂缝。 2 1 2 脱空形成的主要影响因素 造成板底脱空的原因是多方面的，是内因和外因共同作用的结果。水泥混凝土路 面板下脱空的产生原因非常复杂，它的产生与唧泥、车辆的作用、冰冻作用、路基和 路堤不均匀沉降以及近桥涵段填土压实不足等有关。 板底脱空的原因可概括分为：结构设计原因、施工质量原因和养护管理水平等三类 2 e 鞠，柏】 0 ( 1 ) 结构设计原因 路基通过路床和路堤将路面传来的荷载进行传递和扩散，基层设计的优劣直接关 系到路面的使用品质，路基设计不仅应保证具有足够的强度、稳定度和耐久性，还须 对地面水和地下水采取拦截或排出路基以外的措施来保证路基始终处于干燥或中湿状 态。如果设计的路基不稳定，出现不均匀沉陷；选料不当起不到透水和均质的作用， 使路基路面排水不畅，被水浸泡；设计厚度不足，解决不了水稳性不良或防冻的问题； 基层将随之变形或产生唧泥，而导致面板产生脱空。路基、路面的积水是形成道路多 种病害的首要因素，是板底脱空的直接原因。 ( 2 ) 施工质量原因 施工控制是保证工程质量、提高路面使用质量的重要环节。由于公路线路通过的 区域工程地质条件的差异，在路面使用过程中，由于行车荷载的作用和水温条件的变 化，在填挖相交断面处、不同填料的交界面处、碾压机械难以施工处、桥涵构造物附 近，路基常常产生不均匀沉降，而致使板底脱空。 施工中选用材料的优劣、合理利用施工机械、施工工艺和方法、施工季节的选择 等方面都直接关系着水泥路面面板的使用寿命，基层施工质量不好，强度不均匀或较 低时，面层即产生脱空。而精心施工保证路基压实度足够、均匀对预防和避免面板脱 l o 广西大学蝠委士掌位论文 水泥椎酗疑土路面羞矗娶与面层协调栏。眨研究 空、断板尤为重要。 ( 3 ) 养护管理水平 加强养护工作，及时发现问题、处理问题，可以减少和避免水泥混凝土面板脱空 的产生。填缝料使用一段时间之后发生老化，逐渐失去防止雨水下渗功能，甚至最终 脱落；水泥混凝土面板出现微裂缝；这些现象一旦发生，如果不及时进行封填处理或 更换、补灌，将为水的侵入增加了途径或加剧雨水下渗，基层细料沿接缝缝隙喷出， 导致面板边缘脱空而失去支撑。 2 2 脱空模型及有限元基本理论 板底脱空的出现使水泥路面局部板体失去了支撑，面板的受力形态发生了显著的 变化，在轮载作用下，过早地发生破坏。因此有必要对板体的脱空形态进行相应的力 学分析，特别是研究在轴载作用下脱空板内应力的变化规律。脱空板的形态极其复杂， 不可能进行详细的剖析。下述分析将根据脱空的特点，从偏于安全的角度对脱空面板 进行建模，并结合轴载及交通的特点进行讨论。 2 2 1 脱空模型 ( 1 ) 地基模型 地基模型通常采用温克勒地基和弹性半空间地基两种模式。 温克勒把每个结点范围内的地基当作弹性支柱，在薄板划分成单元之后，以结点 处的挠度作为弹性支柱的压缩量，则地基反力施加于假定的弹性支柱的4 个结点。地基 顶面任一点的挠度仅同该点的压力成正比，而与其他节点上的压力无关。在弹性半空 间地基上薄板的假定基础上，弹性半空间地基采用布辛尼斯克公式建立地基刚度矩阵， 首先形成的是地基柔度矩阵；局部脱空时，只需在地基柔度矩阵中，给脱空结点的主 对角元素置一大数即可。 本文采用弹性半空间地基模型，此模型把地基看作一个均值、连续、弹性的半无 限体。地基顶面任一点的挠度不仅同作用于该点的压力，也同顶面其他点上的压力有 关，采用弹性模量e 。和泊松比u 。来表征其弹性性质。 ( 2 ) 水泥混凝土板接缝模型 广西大学硕士掌位嵌吁才日已混：麴匕匕路面荔j 罢与面层协调性能研究 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。对于 不设传力杆的接缝，两侧板的荷载主要通过接缝断面处骨料颗粒的相互啮合作用来传 递。对于设了传力杆的接缝，传力杆的主要作用用于增加面板的传荷能力，确保面板 的整体性，提高路面的平整性和使用品质。 接缝传荷机构主要有传力杆和集料嵌锁两类。对于集料嵌锁类接缝主要靠接缝侧 面上集料的啮合作用传递剪力，通常在接缝两侧相邻结点之间安放弹性常数为c 。的弹 簧，即解封两侧相临节点之间的挠度差w 。与两点之间传递的剪力成正比。传力杆靠传 力杆传递剪力和弯矩，是最为有效和可靠的传荷方式，它通常用于横缝处，使荷载传 递至相邻面板。传力杆常被简化为弹性悬臂粱，常采用剪切梁模型或弯剪梁模型，但 大量研究伽1 表明，9 5 以上的荷载传递是由传力杆本身的剪切刚度和缝间的摩阻或集 料嵌锁作用得到；传力杆的传荷机理虽然在理论上增加了弯曲刚度对荷载传递的贡献。 这种贡献仅占整个传荷能力的5 以内。 综上，本文采用弹性悬臂梁传力杆模型，且只传递剪力。 ( 3 ) 水泥混凝土板板底脱空模型 对于水泥混凝土路面，当板底出现脱空后，在重型车辆荷载和下渗雨水的作用下， 脱空区域会逐渐扩大，从而造成面板与基层的分离。在脱空区形成的过程中，有时脱 空区并没有完全失去对面板的支承作用，但是为了模型简化的方便，本文假设其脱空 深度足够大，即在脱空区域面板与基层完全分离，基层对面板的支承作用可以忽略不 计。 ( 4 ) 基本假定 在分析时采用如下基本假定： 结构层假设为线弹性体； 层间竖向、水平位移连续。地基底面各向位移为零，侧面水平方向位移为零； 不计路面结构自重的影响，脱空部分采用在模型中直接挖除相应大小的实体单 元来模拟。 2 2 2 有限元基本理论 根据弹性薄板理论的基本假定，采用有限元法进行水泥混凝土路面的力学分析， 1 2 广西大写钮页士掌位论文水泥混凝路面基厨守面层协调性能研究 通常以位移法为基础建立分析薄板应力、应变、位移的计算公式及计算机程序。有限 单元法是一种纯数值求解的方法，其基本思路是将连续体模型离散成为有限个单元， 单元之间通过节点连接，并要求每个单元满足一定的物理条件，最后将所有的单元再 集成，组成求解问题的数值计算方法。 计算水泥混凝土路面的挠度和应力常用位移法啪1 ，有限单元位移法是将路面板离 散成有限个单元，每个单元仍保留原板的性质，相邻的单元在节点处连接，并选择这 些节点的位移向量 万 作为未知参数。 水泥混凝土面层板大都为矩形，因而，离散单元采用矩形( 或三角形) 较为合适。 采用基于薄板理论的非协调矩形板单元( 或三角形单元) ，如图2 1 所示。 产一强7 y 图2 1 矩形板单元 f i g 2 1r e c t a n g u l a rp l a t ee l e m e n t 每个角节点上有三个参数，挠度缈、法线绕x 轴的转动角只和绕】，轴的转动角吼， 即：a i = 哆氏巳( i - - 1 ，2 ，3 ，4 ) ( 2 一1 ) 单元的节点位移向量为： 6 ) = 【q a 2a 3q 】7 ( 2 2 ) 把路面板所受到的荷载和地基反力转换为作用于节点处的等价节点力 p ) 一 q ) ， 利用变分法( 最小势能原理) 建立联系节点位移和节点力的单元刚度矩阵【砭】，建立三 者之间的平衡方程组：【砭】 占) 8 = 尸) 。一 q ) 。 ( 2 3 ) 集合各个离散化板单元的代数方程组，形成联立方程组： 【k c l a ) = p ) 一 q ) ( 2 4 ) 附加门何边界条件后，即可解出各个节点的位移向量，然后，通过应变一位移和应 广西大掌硕士掌位论文 才四己混孝已匕路面羞瀑与面层协调性- j 黾研究 力一应燹关系式，便司由节点位移同重计算得剑内力相脞刀i 司重。远弹饶发缈及其一阶 导数包= ( 一- 刁7 - ) 和g = ( 一作为节点位移向量 万) ，可建立如下位移函数： y 。 d j 一蚂口1 1 。 a ， 2 x y + 慕y 也+ c e 薹。x y 鞴峋由蝎妒 睁5 ， + q 。3 + 。x 3： 3 = 】 万 “ 式中：【卜一联系单元位移和节点位移的系数矩阵。 式中：【p 卜一均布于面积a 内的压强。 尸) = pj 】r d x d y ( 2 - 6 ) a 地基对于路面板的反力，可看成是作用于板底面的同其挠度成函数关系的外荷载。 对于弹性地基，假设地基反力由若干矩形反力面积组成，每个矩形面积上的反力是匀 布的，其重心同它上面的矩形板单元的节点相重合，地基顶面的均布反力作为集中力 作用于节点。挠度与反力的关系依据b o s s i n e s q 公式建立。 作用于i 节点上的压力在该点所产生的挠度为： 纯：掣f i i ( 2 - 7 ) 式中：巨，从一为地基弹性模量和泊松比； q 一为匀布在2 a 2 b 面积内的总压力( 反力) ； e 一为单元形状有关的系数， 睁( 孵甘t n ( 辱+ 旬 8 ， 作用在i 节点的反力对节点( i j ) 所产生的挠度，可近似按集中力处理，计算式 为：= 紫，热叱一j 节脯节点的罡巨离。 1 4 广西大掌硕士等q 芷论文水泥漯凝土路面囊“娶与面层协调扫- j 眨研究 用矩阵表示，挠度和反力的关系可写为： 国) = 【b 】 q ) 或者 纠【e 】- l 万 = k s l a ( 2 9 ) 式中：【b 】和【妊】一地基的柔度矩阵和刚度矩阵，为对称正定的满矩阵。 把上式代入式2 4 ，即可组成离散单元集合体的平衡方程组： k c a ) = 户) 一【墨】 【k 】+ 【k ) = p ) k 弦 = 式中：【k 】一为弹性地基板的总体刚度矩阵。 有限元法的解的精度，同单元划分的粗细程度有关。 2 3 三维有限元模型及收敛性分析 2 3 1 三维有限元模型的建立 ( 2 - 1 0 ) 为了揭示荷载作用下水泥混凝土路面的基层脱空位置、脱空面积、是否设置传力 杆及传力杆间距对路面板应力的影响，基于弹性理论，建立存在脱空的水泥混凝土路 面结构力学分析模型。在此基础上，建立有限元模型，应用有限元通用软件a n s y s ，采 用参数化编程方法，通过生死单元技术，建立存在脱空的水泥混凝土路面三维有限元 模型。在建模过程中，对于双板结构，根据接缝的传荷方式，采用梁单元模拟接缝传 力杆，分析传力杆设嚣对脱空板应力的影响。 建立的三维有限元模型为三层弹性体系，即弹性地基上的有限尺寸4 边自由的单 块板。采用扩大尺寸的地基模型来模拟弹性半空间体地基，基层、地基层依次加宽0 5 m 。 荷载采用单轴双轮组标准轴载b z z 一1 0 0 ，考虑到超载车辆的影响，