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贫混凝土基层超厚水泥混凝土路面结构研究 摘要 水泥混凝土路面是一种长寿命路面，一般设计基准期为2 0 3 0 年。但实际 使用过程中，许多水泥混凝土路面往往5 、6 年即出现大面积破坏。引起水泥混 凝土路面早期破坏的原因很多，而脱空是造成水泥混凝土路面早期断裂的主要原 因之一。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。本 论文依托实体工程，从理论计算和试验两方面对贫混凝土基层超厚水泥混凝土路 面进行研究。 应用a n s y s 分析了结构参数对超厚水泥混凝土路面荷载应力的影响。考虑层 间作用，得出了贫混凝土基层超厚水泥混凝土路面更接近于分离式结构的结论。 研究了扳底脱空的形成机理和分布形态特征。应用a n s y s 分析了脱空和结构各参 数对板角应力的影响。通过面板脱空疲劳寿命的计算分析，得知按照规范无 脱空i 临界荷位计算的常规厚度路面疲劳寿命与1 2 x1 2 1 2 m 2 板角脱空下计算 的超厚面板路面疲劳寿命基本相同。初步探讨了超厚水泥混凝土路面设计思路。 应用a n s y s 分析了结构各参数对水泥混凝土路面温度应力的影响。计算了超 厚水泥混凝土路面的疲劳寿命和耦合应力，表明路面面板厚度的增加对于延长路 面疲劳寿命的效果相当显著。 提出了适应于e 地基模型的接缝传荷能力评定方法。采用a n s y s 的梁单元分 析了传力杆的布置状况，采用a n s y s 的实体单元分析了传力杆与面板混凝土的界 面接触应力，结果表明传力杆周边界面混凝土存在应力集中现象，进而引起该部 分混凝土的过早破坏。初步提出了使用聚合物混凝土改进传力杆应用性能的措 施。 进行了贫混凝土的抗压强度试验、弯拉强度试验、弯拉弹性模量试验以及渗 透试验。试验表明，贫混凝土的各项力学性能具有良好的相关性，而渗透压力一 般在0 6 0 9 m p a 之间。 关键词：贫混凝土；超厚水泥混凝土；荷载应力；温度应力：脱空；疲劳寿 命；传力杆 s t u d yo ns u p e r - t hlc kc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s t r u c t u r eo nl e a nc o n c r e t eb a s e a b s t r a c t n ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti so n ek i n do fl o n gl i f ep a v e m e n t ， w h i c hd e s i g nr e f e r e n c ep e r i o dg e n e r a li s2 0 3 0y e a r s b u ti nt h ea c t u a l u s e d p r o c e s s ，m a n yc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t so f t e na p p e a rt h e e x t e n s i v ed a m a g ea f t e r5 ，6y e a r s t h e r ea r em a n yr e a s o n st h a tc a u s e e a r l yt i m ed e s t r o yo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，b u tt h ev o i di so n eo f m a i nr e a s o n st h a tc a u s ee 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 t t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i si n d i c a t e st h a ti n c r e a s i n gt h ep a v e m e n ts l l a b t h i c k n e s si sa ne f f e c t i v ew a yt ol e n g t h e nt h ep a v e m e n tl i f e n i sp a p e r , d e p e n d i n go nt h ea c t u a le n g i n e e r i n g , h a sr e s e a r c h e ds u p e r - t h i c kc e m e n t c o n c r e t ep a v e m e mo nl e a nc o n c r e t eb a s ef r o mt w oa s p e c t st h a ta r e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h el o a ds t r e s sc h a n g e so fs u p e r - t h i c kc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n to n d i 仃e r e n td e s i g np a r a m e t e ra r ea n a l y z e db ya n s y s w i t hi n t e r f a c i a l i n t e r a c t i o nc o n s i d e r e d 。t h ec o n c l u s i o nt h a tt h e s u p e r - t h i c kc e m e n t c o n c r e t e p a v e m e n ta p p r o a c h t ot h es e p a r a t i o nt y p ei so b t a i n e d 1 1 1 e f o r m a t i o np r i n t i p l ea n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fv o i da r er e s e a r c h e d t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tv o i da r e aa n de a c hd e s i g np a r a m e t e rt ol o a d s t r e s si sa n a l y z e db ya n s y s t h es l a bf a t i g u el i f ew i t hv o i di sc a l c u l a t e d m a ti sf i n d e dt h ec o n v e n t i o n a lt h i c k n e s sc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t f a t i g u el i f ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt oc r i t i c a ll o a dp o s i t i o n i sb a s i cs a m et o t h es u p e r - t h i c kc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tf a t i g u el i f ec a l c u l a t e dw i n l 1 2 x1 2 x1 2 m 2s l a bc o m e rv o i d t h ed e s i g nt h o u g h to ft h es u p e r - t h i c k c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti sd i s c u s s e di n i t i a l l y t h et h e r m a ls t r e s sc h a n g e so f s u p e r - t h i c kc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t o nd i f f e r e n td e s i g np a r a m e t e ra r ea n a l y z e db ya n s y s 1 1 l ef a t i g u el i f e a n dc o u p l i n gs t r e s so ft h es u p e r - t h i c kc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta r e c a l c u l a t e d t h a ti sf i n d e dt h ee f f e c tt i l a t i n c r e a s i n g s l a bt h i c k n c s s l e n g t h e np a v e m e n tf a t i g u el i f ei sr e m a r k a b l e t h ee v a l u a t i o nm e t h o do ft h ei o i n tl o a dt r a n s f e rc a p a c i t yt h a ti s a d a p t e dt ot h eeg r o u n dm o d e li sp r o p o s e d t h ea r i a n g e m e n tc o n d i t i o no f d o w e lb a ri sa n a l y z e db ya n s y sb e a me l e m e n t t h es u r f a c ec o n t a c t s t r e s so fd o w e la n dc o n c r e t ei sa n a l y z e db ya n s y ss o l i de l e m e n t 1 1 1 e r e s u l t si n d i c a t et h e r ei ss t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o ni nt h ec o n c r e t e s u r r o u n d e dt h ed o w e ib a r w h i c hc a u s e st h i sp a r to fc o n c r e t ep r e m a t u r e d e s t r u c t i o n a n dt h em e a s u r et h a td o w e lb a ra p p l i c a t i o np e r f o r m a n c ei s i m p r o v e di np o l y m e rc o n c r e t ei sp r o p o s e di n i t i a l l y t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h t e s t ，b e n d i n gs t r e n g t ht e s t ，b e n d i n g e l a s t i c i t ym o d u l u st e s t , a n dp e r m e a b i l i t y t e s tt i t l ec a r r i e do n t h e e x p e r i m e n t si n d i c a t e e a c hm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fl e a nc o n c r e t eh a s t h e9 0 0 dr e l e v a n c ea n do s m o t i cp r e s s u r ei sg e n e r a l l ya b o u t0 6 o 9 m p a k e yw o r d s ：l e a nc o n c r e t e ；s u p e r - t h i c kc e m e n tc o n c r e t e ；l o a ds t r e s s ； t h e r m a ls t r e s s ；v o i d ；f a t i g u el i f e ；d o w e lb a r i i l 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。 论文作者躲素哥苏 园帅) 年占月d 。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： 曰面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) 做作者签名耘秀- - ) 翩签名 口7 年 6 月多。日 j “日大掌习l 士掌位截? 文 赏尊已；睫土蓉层超厚水泥 置奢e 土路面结构研究 1 1 依托工程简介 第一章绪论 本论文的依托工程为广西桂林市全州至兴安高速公路部分路段采用0 3 2 m 厚的水泥混凝土路面面层和0 2 0 m 厚的贫混凝土基层结构形式。缩缝l 日j 距为5 m ， 单幅面板宽度为1 1 7 5 m ( 4 m + 4 m + 3 7 5 m ) ；按照公路水泥混凝土路面设计规范 ( j t gd 4 0 2 0 0 2 ) ( 以下简称规范) 设置缩缝传力杆；路基总宽度为2 8 m ，中 央分隔带3 m ，路肩单侧宽度1 5 m 。路面结构如图卜1 所示： 3 2 c m 7 k 泥混凝土路面 2 0 c m 贫混凝土 2 0 c m 水泥稳定碎石 2 0 c m 级配碎石 路基 一1 e m i l 化沥青封油层 图卜1 路面结构图 从路面结构图中可以看出，该路面结构有两个最大的特点：( i ) 面层采用 0 3 2 m 厚水泥混凝土，比规范推荐的高速公路面层厚度参考范围( o 2 4 0 2 7 m ) 高出许多；( 2 ) 基层采用抗冲刷性能良好的高模量贫混凝土，其抗冲刷 性能优于一般粒料基层，模量值在1 0 0 0 0 2 5 0 0 0 m p a 左右，远远高出一般水泥稳 定粒料的模量值( 1 3 0 0 1 7 0 0 m p a ) 。 1 2 论文研究的背景 1 2 1 水泥混凝土路面发展的前景 近一百多年来，水泥混凝土路面筑路技术不断完善，为世界各国的交通运输 做出了巨大的贡献。它之所以能经久不衰，主要取决于它本身的优势：具有较高 的抗压强度、抗弯拉强度，以及较强的抗磨耗能力；具有良好的温度稳定性和水 稳定性；具有较好的耐久性，其材料不易老化衰变，正确设计的水泥混凝土路面 广西大掌礓士掌位论文贫眷u 奠土| 瀑期曩水泥舞0 舞土路面结糟研究 具有优良的耐疲劳特性，凶此是长寿命路向的最佳选择：承载能力高，适用于重 载交通、港口集装箱和大件运输，因此工矿道路、停车场、机场均优先选用水泥 混凝土路面。 我国水泥工业的发展以及在设计、施工、设备等方面取得的研究成果和积累 的实践经验，为发展水泥混凝土路面创造了有利条件。我国水泥的资源非常丰富， 按中国建筑材料科学研究院的统计，我国目日口拥有1 1 0 0 0 多家水泥厂。2 0 0 2 年， 生产水泥的总产量为6 5 亿吨，平均每个县有1 9 3 家水泥厂。在国内水泥的最 远运距不会超过3 0 0 k m 。 广西壮族自治区拥有发展水泥混凝土路面的有利条件。水泥供应充足，水资 源非常丰富。至上世纪末，广西壮族自治区在桂林市全州至柳州高速公路，南宁 至防城高速公路等总里程为5 6 2 k m 的高速公路上全部修筑水泥混凝土路面，积累 了丰富的水泥混凝土修筑经验，推动了我国水泥混凝土路面的综合修筑技术的发 展。 发展水泥混凝土路面是解决我国路用沥青不足，增加公路路面铺装罩程的重 要途径，是提高路面承载等级及其承载力，适应重交通日益增长的有效措施。交 通部建设国道主干线系统的总体布局为“五纵七横”，大致分为1 2 条路线，总长 约3 5 万公里，由以高速公路为主的高等级公路组成。广西2 0 1 0 年交通远景规 划目标是与周边国家及各省至少打通一条以上高速公路通道，平均与每个相邻的 省有9 条二级以上高等级公路通道。因此，所有高等级公路使用沥青路面是不现 实的。我国目i j i 公路建设沥青每年缺口在1 0 0 力吨以上。其他土建行业，如水利、 建筑、铁路、民航等也大量需求和使用沥青。近期国际市场上原油和沥青大幅涨 价。另外，沥青运距也很远，运费居高不下。在可预见的近几年内，沥青的供应 情况不容乐观。 优先发展水泥混凝土路面，既满足经济建设的需要，又可带动本地建材工业 的发展。当基年交通量大于3 0 0 辆( 标准车) 日时，水泥混凝土路面的使用周 期费用也明显低于沥青混凝土路面。 1 2 2 我国水泥混凝土路面使用中存在的问题 我国规范规定水泥混凝土路面设计基准期一般为2 0 3 0 年，但实际使 用过程中，许多路面不到5 、6 年即出现大面积的损坏。究其原因，除了设计、 施工质量外，最主要的就是重车、超重车的超载影响。严重的超载造成了路面结 构过早破坏，根本达不到预定的使用年限，甚至在通车后很短时间内，路面结构 就出现严重的脱空、错台、沉陷等病害，降低了路面服务功能，使路面提i ；i 进入 大修期，缩短了路面的使用寿命”1 。运输经营者为了追求单车运输的经济效益， 2 ，西大掌硬士掌位论文贳冒u t 土| 瀑超j 事水泥混奢e 土路面结构研兜 车辆超载和超限运输在我国已成为十分普遍的现象，这是道路j = 作者必须面对的 现实。 1 2 3 我国现行公路水泥混凝土路面设计规范存在的不足之处 我国现行规范( j t gd 4 0 2 0 0 2 ) 选取混凝土板的纵向边缘中部作为产生 最大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位。当路面的设计基准期为3 0 年时， 其设计计算的所有公式的假设是认为路面各结构层材料在这3 0 年服务期内总处 在理想的工作条件下，譬如说板下无脱空现象等。实际上，正是脱空的存在改变 了面板的受力模式，加快了路面的损坏，缩短了路面的寿命周期。 脱空是水泥路面结构中客观存在的事实。由板底脱空引起的早期断板、错台 等病害越来越严重，对其维护治理极为困难，是困扰公路部门的一大难题。水泥 混凝土路面在使用过程中由于唧泥、重载车辆的作用，旧水泥混凝土路面基层抗 冲刷性差、路面加宽，路基和路堤不均匀沉降、冰冻的影响及近桥涵段填土压实 不足等原因，都会产生板底脱空的问题。水泥混凝土路面板底脱空的产生，改变 了水泥混凝土路面板的受力状态，是造成水泥混凝土路面早期断裂的主要原因之 一【2 j d 现行规范中的水泥混凝土路面设计方法是以假定板底处于无脱空的理想 状态下得出来的，因此与实际情况存在不符之处。 1 2 4 长寿命路面的概念 2 0 世纪9 0 年代以来，美国和欧洲一些国家提出，对于交通特别繁重的公路 应按照长寿命道路的概念来设计路面，有的提出按5 0 6 0 年的寿命来设计路面 结构旧。其实，现有路面能完成预定使用寿命也就是长寿命路面。美国r t c c ( t h e r e s e a r c ha n dt e c h n o l o g y c o o r d i n a t i n gc o n n i t t e e ) 的研究报告指出：长寿命、 少养护的路面在技术上是可行的。增加路面厚度，采用抗冲刷能力强的贫混凝土 基层，改善接缝设计等不失为铺筑长寿命道路的一种探索“1 。 1 2 5 论文研究的目的意义 本论文主要本着大力推广水泥混凝土路面的方针，针对现有水泥混凝土路面 过早破坏的现象，考虑水泥混凝土路面板底脱空，研究超厚水泥混凝土路面结构 在脱空条件下的荷载和温度应力以及贫混凝土材料的性能，丰富水泥混凝土路面 的设计理论与经验，为大力推动水泥混凝土路面的发展做出贡献。 广西大学嘎士掌位论文 茧稿岿毫土薹层超厚水泥皇叫臣土路面结构研究 1 3 国内外研究的概况 1 3 1 面板厚度与路面寿命关系的研究 我国现行的规范规定水泥混凝土路面结构设计以i o o k n 的单轴一双轮组 荷载作为标准轴载，按特重交通分级，推荐面层厚度 0 2 4 o 2 6 m 。实践中， 国内高速公路水泥混凝土面层厚度大多在0 2 5 o 2 8 m 之间，少数达0 2 9 0 3 0 m 。目前在国内很少发现面板厚度超过0 3 0 m 的水泥混凝土公路路面。机场 道面水泥混凝土面层厚度远大于公路路面，达到0 3 4 o 4 0 m ，甚至更高的数值。 但机场道面设计的轴载参数与公路设计的轴载参数相差甚远，其轮载在2 0 0 刚 以上，而重复荷载要小得多，一般在2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 次。 水泥混凝土路面的主要结构参数为混凝土抗折强度以及板厚和基层顶面计 算回弹模量。罗晓辉0 3 经过理论分析发现，混凝土板厚对其使用寿命影响最大。 从理论上讲，高速公路水泥混凝土路面要获得较长的使用寿命( 累计标准轴次超 过1 亿次) ，水泥混凝土板的厚度一般不小于0 2 9 m 。美国最近的研究表明，对 特重车辆，当基层、底基层设置完善，排水良好的路段，路面板厚度0 2 4 0 2 6 m 完全能满足使用要求。日本根据2 0 年累计的大型车辆数，将交通系数分为三级， 安全系数最大的路面板厚度为0 3 0 m 啪1 。有些学者认为，要重视路基路面的整体 强度和功能，不能过于片面地强调加大板的厚度。过厚的混凝土路面板不仅施工 质量不易保证，而且在只温差之下将产生过大的翘曲应力。所以，对于面板厚度 的合理性以及与路面寿命的关系仍然存在一些争论。 1 3 2 面板脱空的研究 在实际水泥混凝土路面使用过程中发现，板底存在局部脱空现象十分普遍。 国内外许多学者都对其作了大量的研究。赵茂才0 1 从板底脱空的产生原因、检测 方法、分布规律、对疲劳寿命的影响以及处治技术都对其做了详尽的分析。田波 等对水泥混凝土路面脱空的检测与对策进行了研究。曾胜等“1 对水泥混凝土路 面脱空与传荷作用机理做了详细的研究。应用有限元法由于可以考虑复杂的边界 条件，为面板脱空的研究带来了便利。 1 3 3 双层板设计方法的研究 采用贫混凝土基层的水泥路面在力学模型上应该视为双层板体系。对于双层 板路面设计理论与方法，国内外道路学者已作了一些富有成效的研究工作。国外 4 广西大掣墉曩士掌位爿姨黄营0 鼻 土| l j 暑超覃水堤尊u t 土路面结相研究 一般是依掘试验路的观测结果，以经验法为主进行设计。有些国家采用理论法设 计，主要是根据弹性地基上的薄板理论，假定贫混凝土基层与混凝土面板光滑或 连续接触两种极端状态，应用相应的有限元计算程序进行结构计算。 我国主要是以理论法即力学分析的方法，对复合式混凝土路面按双层混凝土 等效成当量单层板，然后利用规范的单层板计算方法进行分析“。目前国内外的 设计方法多采用控制贫混凝土层底拉应力的方法，设计厚度较大，不符合经济合 理的要求。因此有必要运用有限元的方法，对贫混凝土基层水泥混凝土路面进行 计算分析，充分考虑层问结合状态对结构响应的影响和控制温度应力，提出新的 设计控制标准，为研究该种混凝土路面设计方法提供理论基础。 1 3 4 路面接缝和传力杆的研究 刚性路面设置各种接缝是为了消除温度、湿度变化所引起的不规则裂缝，以 防止温度变化所产生的损坏。但是，从路面板承受荷载的能力来看，接缝的存在 削弱了路面的整体性。特别是当荷载作用在接缝边缘时，路面板和地基都产生较 大应力集中，因此路面板的整体承载能力必然有所降低。由此可见，提高和保持 接缝的传荷能力，是提高路面板整体承载能力的关键。缩缝设置传力杆是有效提 高接缝传荷能力的措施之一，半个世纪以来学者都对此进行了相关研究“2 “”。铁 木辛柯假定传力杆是一根埋设于均匀弹性介质中的悬臂梁，从而推导出由荷载引 起的传力杆的挠度方程”1 。弗雷勃格根掘威斯特卡德提出的理论分析，在角隅荷 载作用之下，最大负弯矩发生在离开角隅1 8 倍路面板的相对刚性半径处。 t a b a t a b a i e 认为传力杆更接近于弯剪梁模型，传力杆无限长，并与混凝土板不 直接以刚性相连，而是允许混凝土内的传力杆可以运动。1 9 9 2 年郭骅考虑传力 杆长度对接缝的影响，提出了一种理论上更为严格的计算单元刚度矩阵的方法， 减少了传力杆的刚度，使单元刚度矩阵更符合实际。蒋应军“采用a n s y s 三维建 模的方法分析了传力杆的受力现象，并提出了传力杆装置的改进措旌。 1 3 5 贫混凝土的参数试验研究 重载交通下要求加强基层的力学性能对于贫混凝土用做道路基层，国外已 进行了大量的研究和实际应用近二十年来，世界上许多国家广泛将贫混凝土用 于道路基层1 。英国、西德、巴西、澳大利亚和比利时的高速公路中很多采用了 贫混凝土基层。英国的工程实践表明，使用贫混凝土能够为板提供良好的支撑和 板删传荷能力，可为施工机械和支模提供良好的工作平面，并有助于防止唧泥。 美国水泥路面基层大都采用贫混凝土，取得了满意的效果。 在国内，对贫混凝土的研究还刚刚起步。长安大学对其基本物理力学性能 ，西大学啊曩士掌位论文簟尊“目吐墓层期u 事水泥薯u 土路面结相研究 和路用性能进行了较为系统的研究。1 9 9 9 年广西交通科研所对贫混凝土进行了 大量的室内和室外试验研究，采用现行规范进行了结构设计，并实际应用到 工程项目中“”。2 0 0 1 年在河南许昌修建了贫混凝土基层试验路。2 0 0 2 年的公 路水泥混泥土路面施工技术规范( j t gf 3 0 2 0 0 3 ) 已经依据广西交科所的研究 成果，对贫混凝土的配合比设计、质量控制方法和施工工艺提出了具体要求。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文以广西桂林市全州至兴安高速公路水泥混凝土路面( 路面设计为 0 3 2 m 厚水泥混凝土面层，采用贫混凝土基层) 为依托，主要从以下几个方面进 行研究： ( 1 ) 超厚水泥混凝土路面的荷载应力分析：包括面板厚度的增加对路面各 结构层受力的影响分析，不同面积的脱空对超厚水泥混凝土路面疲劳寿命的影 响： ( 2 ) 超厚水泥混凝土路面的温度应力分析：包括面板厚度的增加对其温度 翘曲应力的影响分析，不同面积的脱空下荷载和温度耦合应力的分析； ( 3 ) 接缝传力杆的受力分析：包括面板厚度增加对传力杆的受力影响分析， 超厚水泥混凝土路面传力杆的设计等： ( 4 ) 贫混凝土材料的性能参数试验研究：包括抗压强度试验、弯拉强度试 验、抗弯拉弹性模量试验和渗透试验。 1 5 研究的技术路线 1 5 1 技术原理 本论文以广西桂林市全州至兴安高速公路水泥混凝土路面为依托，理论联系 实际，分析超厚水泥混凝土路面的荷载应力和温度应力，分析接缝传荷能力，改 善接缝设计，进行贫混凝土基层材料各项性能的试验，期望在考虑板底脱空的客 观条件下对路面进行设计，延长水泥混凝土路面的使用寿命。 本论文的主要思想如图1 - 2 所示。 1 5 2 研究的主要措施和思想 ( 1 ) 荷载应力和温度应力采用通用有限元软件a n s y s 进行分析。 ( 2 ) 分析脱空的存在和面板厚度的增加对路面疲劳寿命的影响。 6 广西大掌覃士掌位论文r 曹e 奢吐墓层超月诛泥尊u 止路面结构研3 屯 ( 3 ) 采用a n s y s 三维建模方式对接缝传力卡t 进行应力分析。 ( 4 ) 室内试验主要研究不同水泥含量对贫混凝土各项性能的影响。 图1 - 2 论文主要研究思路 f i g 1 2m a i nr e s e a r c hm e n t a l i t yi nt h ep a p e r ，。西大掌硬士掌位论文，r 稿瞄睫土| i 层胄u 曩才峨算u 土路面结扮研究 第二章超厚水泥混凝土路面荷载应力分析 2 1 超厚水泥混凝土路面结构概念的界定 为了研究水泥混凝土路面厚度与疲劳损坏之问的关系，文献 3 选择了高速 公路典型的水泥混凝土路面结构，对路面结构厚度与疲劳损坏之间的关系进行了 分析。选择的水泥混凝土路面典型路面结构及参数如表2 - 1 所列。 表2 - 1 水泥混凝土路面典型结构及参数 t a b 2 - 1 t y p i c a ls t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t 结构组合 厚度( m )弹性模量( m p a )弩拉强度( u p a ) 水泥混凝土板 0 2 5 ，0 2 6 ，0 2 7 ，0 2 8 ，0 2 9 ，0 3 0 3 1 0 0 05 0 水泥稳定粒料基层 0 21 5 0 0 0 4 二灰稳定土垫层o 26 0 0o 2 土基 3 0 按现行设计方法，以累计轴载和温度综合作用发生水泥混凝土板断裂为疲劳 损坏指标。根据现行设计规范确定了上述路面结构的水泥混凝土板厚度与标准轴 载累计作用次数关系如下式： 也7 = ( 1 9 3 2 8 5 5 1 4 1 4 f r , , ) h 4 ( 2 1 ) 盯。= 厂( 矗) 式中： ：为累计标准轴载作用次数， m p a ；h 为水泥混凝土板厚度，m 。 ( 2 - 2 ) 次；口。为水泥混凝土板的温度应力， 经计算，水泥混凝土板厚与累计标准轴载作用次数相关数值汇总于表2 2 ， 并如图2 - 1 所示。 表2 - 2 水泥混凝土板厚与累计标准轴载作用次数相关数值 t a b 2 - 2r e l a t e dv a l u eo fc e m e n tc o n c r e t es l a bt h i c k n e s s a n ds t a n d a r da x l el o a da c t i o na c c u m u i a t i o nt i m e s 水泥混凝土板厚( m )温度应力( b t p a )累计标准轴载作用次数( 万次) o 2 50 8 9 9 5 0 o 2 60 8 7 31 5 0 0 2 7o 8 4 l4 7 0 0 2 80 7 7 3l7 0 0 0 2 9o 6 1 11 0 3 0 0 o 3 0o 5 2 73 7 3 0 0 8 塑竺竺竺! 燮! 墼苎竺竺竺兰墼竺竺竺竺! 墨 准舶篓嘉星雾耋詈矍詈二半! 耋混凝土板厚度达到o 2 8 珈时，其能承受的累计标 喜臀等用筌黧鬻之孽景计标准轴载作用次茹嚣矗荔鬈霉鬟箍 翥磊罕墨怂登去篓寥攀路水泥馄凝土路面要获得裹长晶赫安；篡箍 妻黠黧暑苎：竺享小于毗s m 删当水磊磊谥黼鬻蠢麓篇 我们可以将该水泥混凝土路面结构称之为超厚水泥磊磊三嘉：嘉i 象u u 。甜m 明 一一 i - 冒大攀硬士掌位论文贳舞u 蠢土| 瀑嗣i j 事水泥尊u 土路面结构研究 有限层法、三维等参元法等，经过比较，认为三维等参元法最适合分析贫混凝土 基层水泥混凝土路面，因此，本文在力学分析时采用三维等参元法建模。 2 2 2 有限元软件的选用 目i ； 国内外常用的有限元分析软件有a l g o r 、m a r c 、a n s y s 、n a s t r a n 等，各 有其不同的优缺点和适用性。本文所用有限元分析软件a n s y s 是一个综合性的大 型软件，有着三十余年的发展历史，已经成为业界最为流行的分析软件之一。 a n s y s 软件作为一个大型通用有限元分析软件，能够进行结构、热、流体、电磁、 声学等学科的研究，广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、汽车交通、 国防军工、航天航空、船舶、机械制造、核工业、石油化工、轻工、电子、日用 家电和生物医学等一般工业以及科学研究。对于本文涉及的线性分析方面，a n s y s 的功能是比较完美的，可以满足本文计算的需要。 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 为了揭示在荷载作用下贫混凝土基层( 以下简称l c b ) 上水泥混凝土路面面 板( 以下简称p c c ) 的应力与位移规律，本研究对l c b 与p c c 进行了离散和模拟， 采用三维等参元理论和弹性理论，分析了不同状态下的荷载响应。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四边自由的单块板，有限元 模型图式见图2 1 。采用扩大尺寸的地基摸型来模拟弹性半空| 日j 体地基，在纵缝 边缘有0 5 m 的l c b 加宽。对于考虑层间作用的模型，在p c c 和l c b 之间设置了 反映层间接触的接触单元，对于理想的结合式，耦合上下板层间单元节点的三个 自由度；分离式只耦合相应节点z 方向的自由度。假定l c b 板和地基之间完全光 滑，耦合地基和l c b 板之间对应节点的z 方向的自由度。荷载采用单轴双轮组标 准轴载b z z 一1 0 0 ，作用位置在临界荷位，即纵缝边缘的中部。为了有限元计算的 方便，荷载作用面取为正方形，面积为0 2 0 2 m 2 ，轮胎接地压力取为0 6 2 5 m p a ， 轴长1 8 m ，双轮中心距0 3 m 。地基的边界条件为：底面固定，与底面相垂直的 面约束其法向位移。 基本模型的参数根据实际工程取用如下：p c c 板的平面尺寸为5 r e x 4 m ，厚度 h ，为0 3 2 m ，弹性模量e 为3 0 0 0 0 m p a ，泊松比u 为0 1 5 ；l c b 在纵缝边缘比p c b 有0 5 m 的加宽，厚度h 。为0 2 m ，模量e 2 为1 5 0 0 0 m p a ，泊松比u 。为0 2 0 ；土基 比面板p c c 四周各加宽l m ，深度h 0 为5 m ，模量e 。根据实际工程结构中底基层、 1 0 广西大掣啊鼻士掌位论文贳强嘣_ 吐墓屡胄i j 量才嘎曹蜊吐肆 面结杓研兜 挚层和路基进行当量网弹模量计算取为1 6 0 m p a ，泊松比r i o 取0 3 0 。采用8 节点 s o l i d 4 5 单元，对称模型取二分之一，有限元模型如图2 2 所示。 图2 - 2 单轴荷载作用下的有限元模型( 半对称结构) f i g 2 - 2f i n i t ee l e m e n tm o d e ib ys i g l ea x l el o a da c t i o n ( h a i fs y u e r t r i e a ls t l l l c t l l f e ) 2 3 2 三维有限元模型的收敛性分析 用有限元法对弹性半空间地基上双层板进行分析时，计算结果的收敛性不仅 与单元的合理划分有关，而且与计算所选取的区域大小有关。当计算范围足够大， 单元划分的疏密程度与应力的场变梯度相适应时，计算结果趋于精确解。 l 、模型尺寸的收敛性分析 由于板的平面尺寸是固定的，因此模型尺寸的影响主要是地基深度和其平面 扩大尺寸。有限元分析结果见表2 3 。o 僻l 表示面板板底最大拉应力，op s 2 表示 基层板底最大拉应力。 表2 - 3 地基深度和扩大地基尺寸的收敛性分析 t a b 2 - 3a s t r i n g e n c ya n a l y s iso ff o u n d a t i o nd e p t ha n de n l a r g e df o u n d a t i o ns i z e 地基深度( 1 1 1 ) 5556 78 扩大尺寸( m ) o12l1 l o 。l ( m p a ) o 7 6 4 60 7 7 5 80 7 6 8 9o 7 7 5 60 7 7 4 80 7 7 3 7 op $ 2 ( m p a )0 2 5 4 30 2 6 7 7o 2 5 7 7 o 2 6 7 40 2 6 7 10 2 6 6 7 从表2 3 中可见，地基深度当达到5 m 时，深度增加对面层底部的最大拉应 力基本上无影响，而地基平面尺寸的扩大与否对应力还是稍微有些影响，但不大。 因此有限元模型中地基深度取5 m ，平面扩大尺寸为l m 。 2 、模型单元划分的收敛性分析 有限元模型的网格密度对计算精度的影响很大，所以要确定合适的单元划分 密度。三维有限元模型的单元划分主要包括平面网格和竖向网格密度两部分。 广西大学嘎士掌位论文黄曹骷睫土| i 层超蜃水泥 是奢e 土路面结构研竞 ( 1 ) 平面刚格密度的收敛性分析 计算结果随网格的调整和加密呈一波动衰减曲线而收敛于某值。理想的单元 网格划分，对荷载作用区域采用较密的网格划分，远处区域则相对稀疏。平面单 元密度表示为a b x c 的形式，其中a b 表示荷载作用区域的单元大小，而c 表示远处单元大小。分析结果列于表2 - 4 中。 表2 - 4 平面网格密度的收敛性分析结果 t a b 2 - 4a s tr i n g e n e ya n a l y s isr e s u l t so fp l a n eg r i dd e n s “y 平面单元密度( m ) o 。i ( b l p a )d 。，( m p a ) o 2x0 2x0 2o 7 4 3 8 0 2 3 6 7 o 1xo 1xo 10 7 7 5 8 o 2 6 7 7 o 1 o 1xo 20 7 7 6 00 2 6 8 l 从表2 - 4 中可以看出当单元平面网格划分远近处都采用0 1 m ，计算结果趋 于收敛。而近处划分采用0 1 m ，远处采用0 2 m 虽然可以减少一些单元数量，但 由于已经是半对称模型，效果并不明显。所以从划分单元的方便性考虑，单元划 分平面网格密度采用0 1 m 0 1 m x 0 1 m 的方式。 ( 2 ) 板竖向网格密度的收敛性分析 采用平面网格密度0 i m x 0 i m x 0 i m ，有限元分析结果见表2 5 。 表2 - 5 竖向网格密度的收敛性分析结果 t a b 2 - 5a s t r i n g e n c ya n a l y s isr e s u l t so fv e r t i c a lg r i dd e n s i t y 板竖向个数 681 0 o 。，( m p a )0 7 6 6 0 0 7 7 2 2o 7 7 5 8 o ( m p a )0 2 6 6 8 0 2 6 7 40 2 6 7 7 可见，板竖向网格密度采用l o 个对，结果趋于收敛。在模型单元划分时， 面层、基层、土基竖向统一采用1 0 个单元划分，其中土基从上到下按1 ：2 的比 例变化。 2 3 3 计算模型的验证 弹性地基上有限尺寸双层板的荷载应力目前还没有解析解，为了验证本文计 算模型，利用标准荷载作用下三层弹性体系的有限元解与弹性层状体系理论解 ( 沥青路面计算程序a p d s ) 进行比较。采用标准单轴双轮轴载布置在板的中心 位置，为了尽量消除有限元模型尺寸的影响，将板的平面尺寸扩大为8 r e x8 m 。 计算结果比较见表2 - 6 。 可以看出，两者误差不大，验证了该有限元模型的j 下确性。 1 2 ，。冒大掌壤士学位 雩譬茧爿u 蠢土童瀑问i j 量水泥营l 凝4 - 路面爿h 0 研究 表2 - 6 有限元解与三层层状体系解析解的对比 t a b 2 - 6 i l e s u l t sc o n t r a s to ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s a n d t h r e el a y e r e ds y s t e ma n n l y s is 计算方法 og i l l ( m p a ) o ( m p a ) a p d s 程序解 0 1 6 0 00 1 9 0 0 有限元解 0 1 5 2 60 1 7 9 0 误差0 0 0 7 4 o 0 1 1 0 相对误差( ) 4 65 8 2 4 参数变化对荷载应力的影响分析 影响贫混凝土基层超厚水泥混凝土路面结构在标准荷载下应力的主要因素 包括：面层厚度h 、基层厚度h 2 、基层模量e 2 、地基当量回弹模量e t 以及板长l 。 为了研究各因素对结构应力的影响规律，本文逐一进行分析。 2 4 1 面层厚度h 。的影响 分析所用的基本模型为：基层厚度为0 2 m ，基层模量为1 5 0 0 0 m p a ，地基模 量为1 6 0 m p a 。不同面层厚度对应力的影响见表2 7 和图2 3 。o 。1 表示面板板底 最大拉应力，op s 2 表示基层板底最大拉应力。 表2 - 7 面层厚度的变化对应力的影响 t a b 2 - 7i n f l u e n c eo f s l a bd e p t hc h a n g et os t r e s s 分离式 结合式 面层厚度h 。 1 3 - 。l ( m p a )o 。】( m p a )口。l ( m p a )o ( k l p a ) 0 2 80 8 7 1 20 3 3 3 3o 2 2 0 8