（岩土工程专业论文）不同支承条件下水泥混凝土路面板的断裂破坏机理研究.pdf

摘要 水泥混凝土路面板具有强度高，稳定性好、耐久性好，使用寿命长，养护费 用少等优点，但在实际运用中由于差异沉降等原因产生的水泥混凝土路面板局部 脱空引起各板支承条件变化，进而产生应力集中现象，加上车辆的反复荷载的作 用，极易造成水泥混凝土板的断裂。解决混凝土板断裂的三个主要问题有：工后 沉降引起板体支承条件变化和水泥板应力分布：不同支承条件下水泥板的受力与 变形：弹性支承条件下水泥混凝土板断裂破坏机理。本文针对这些问题作了一些 研究，主要有如下内容： 1 、对水泥混凝土路面板脱空的成因、断裂类型、断裂准则、断裂机理及路面 疲劳寿命计算做了介绍和分析。纵向脱空形态的水泥混凝土路面板，推导出单轴、 双轴载弯拉应力仃，与脱空尺寸等值线图、临界荷位作用下弯拉应力与板厚的关系 图、单轴载作用最大弯拉应力与荷位的关系图、超载作用弯拉应力盯，等值线图。 2 、介绍了水泥混凝土路面板传力杆模型，采用三维有限元程序，分析了不同 脱空尺寸、形态、方位、厚度、荷载等级、传荷能力等因素进行了分析，并分析 总结出一些相关规律。 3 、进行了不同支承条件下混凝土板体断裂破坏的试验研究，分析研究了三种 情况下( 纵向脱空、横向脱空、边角脱空) 及循环荷载作用下应变、位移、土压 力的相关规律，并得到了相关计算公式。 关键词：水泥混凝土路面板、破坏机理、影响因素、断裂破坏试验研究 a bs t r a c t c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts l a b sh a sl o t so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs t r e n g t h ， g o o ds t a b i l i t y ，g o o dd u r 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 ，h o w e v e r ，i np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，b e c a u s eo fd i f f e r e n c e si nt h es e t t l e m e n ta n do t h e rr e a s o n sf i o rt h es l a b s c a u s e dl o c a lv o i da n db o u n d a r yc o n d i t i o n sc h a n g e ，l e a dt ot h es t r e s sc o n c e n t r a t i o n p h e n o m e n o n ，c o u p l e dw i t ht h er e p e a t e dl o a d i n go fv e h i c l e s ，c e m e n tc o n c r e t es l a b s e a s i l vc a u s et h ef a c t u r e t h e r ea r et h r e em a i ni s s u e st os o l v ec o n c r e t es l a bf a c t u r e ： t h es e t t l e m e n tw h i c hw a so c c u r r e da r e rc o n s t r u c t i o nc o m p l e t e dl e a dt ob o u n d a r y c o n d i t i o n sc h a n g ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fc e m e n ts l a b s ；t h ef o r c ea n dd e f o r m a t i o n o ft h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts l a b su n d e rd i f 托r e n ts u p p o r t i n gc o n d i t i o n s ；t h e m e c h a n i s mo nt h ef r a c t u r ef a i l u r eo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts l a b si nt h ee l a s t i c s u p p o r t i n gc o n d i t i o n s t h ep a p e rh a sd o n es o m er e s e a r c hw o r ka b o u tt h i si s s u e ；t h e m a i nc o n t e n t so fp a p e ra r ea sf o l l o w s ： l 、i tw a si n t r o d u c e da n da n a l y z e dt h er e a s o n sofv o i d ，f r a c t u r et y p e ，f r a c t u r e c r i t e r i o n ，f r a c t u r em e c h a n i s m ，c a l c u l a t i o n o f f a t i g u e l i f eo fc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t s p e c m c a l l yf o rc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta ts t a t eo f v e r t i c a lv o i d ，d e r i v e d t h ei s o g r a mo fn e x u r a lt e n s i l es t r e s s ( o i ) w i t hu n i a x i a la n db i a x i a ls e ta tc h a n g eo f v o i ds i z e ：d e f i v e dt h ed i a g r a mo ff l e x u r a lt e n s i l es t r e s sw i t ht h ee f f e c to fc r i t i c a ll o a d s i t ea tc h a n g eo fs l a bt h i c k n e s s ；d e r i v e dt h ed i a g r a mo fm a xn e x u r a lt e n s i l es t r e s s w i t hu n i a x i a ls e ta tc h a n g eo fc r i t i c a l l o a ds i t ea n dn e x u r a l t e n s i l es t r e s s ( o i ) w i t ht h e e f - f e c to fo v e r l o a d 2 、i tw a si n t r o d u c e dt h es e v e r a lm o d e lo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts l a b sj o i n t p o l e u s et h r e e - d i m e n s i o n a ln n i t ee l e m e n tp r o g r a m ，t h ed i f f e r e n to fv o i ds i z e ，s h a p e ， p o s i t i o n ，t h i c k n e s s ，l o a dl e v e l s ，c o m m u n i c a t i o na b i l i t ya n do t h e rf a c t o r sw a sa n a l y z e d ， a n ds u m m a r i z e ds o m eo ft h er e l e v a n tl a w 3 、s o m er e l a t e de x p e r i m e n t a la b o u tf r a c t u r ef a i l u r eo fc e m e n tc o n c r e t es l a b s u n d e rd i f f e r e n ts u p p o r t i n gc o n d i t i o n sh a sd o n e a n ds u m m a r i z et h ei m p a c to ft h e v e r t i c a lv i o d ，h o r i z o n t a lv i o d ，c o r n e rv i o da n dc y c l el o a da b o u tf l r a c t u r ef l e a t u r e s ， s o m er e l e v a n tc a l c u l a t i o nf o r m u l ah a sg e t k e yw o r d s ： c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts l a b ；f a i l u r em e c h a n i s m ；a f 托c t i n g f a c t o r s ；e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ef r a c t u r ef a i l u r e 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 了彬 日期亏年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 | 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 强如 导警名。钐 b 强：叼年f 只l eb ( - 旯l l a b 第一章绪论 1 。1 引言 公路交通在国民经济中占有重要的地位，是衡量一个国家经济实力和现代化 水平的重要标志之一。“十一五期间，我国的公路交通建设取得了令人瞩目的发 展据统计，截止到2 0 0 7 年，全国的公路总罩程已达到19 5 万公里，高速公路的 里程也达到5 力公里，高速公路的建设有力的带动了沿线地区经济的发展，显示了 巨大的经济和社会效益。 刚性路面作为高等级的公路的主要形式之一，在车流量大、荷载重的交通条 件下，以强度高、稳定性好、使用寿命长、养护费用少等诸多优点，越来越多的 被社会接受，广泛的应用于机场路面、国道和省道等各级公路上【。截止到2 0 0 7 年，水泥混凝土路面总早程达8 力多公里，约占高级和次高级公路路面总里程的 3 0 左右。 伴随着水泥混凝土路面的迅速发展，相当一部分早期建设的水泥混凝土路面 达到使用年限，维护和养护工作成为重点，特别是随着经济的发展，交通荷载重 型化、交通量增大，对水泥混凝土的路面造成的破坏与损伤也日益严重，因此， 加强对水泥混凝土路面的养护、维护及破坏机理的研究成为广大交通部门和科研 单位一个迫在眉睫的任务。 1 2 本课题研究背景、目的与意义 1 2 1 水泥混凝土路面的结构特征 水泥混凝土路面的结构层依次为：( 从下到上) 底基层、基层、面层。路面结 构主要承受汽车荷载。荷载在路面结构中自上向下传递，由于土层的扩散作用， 路面结构中的应力自上而下依次降低。 水泥混凝土面板即水泥路面板，是直接承受荷载的结构，厚度通常为18 3 0 c m 路面板通常要切缝以释放由收缩产生的应力，切缝之后板块的长度通常为 4 6 m ，水泥混凝土主要是砂、石和水泥经一定的物理化学作用的产物，是以水泥 浆为结合料，将矿质骨料胶结在一起而形成的具有一定力学性能的复合材料，水 泥混凝土的抗压强度大，、抗拉强度小、刚度大、允许变形小。常用的路面水泥混 凝土，其抗压强度通常为2 5 3 5 m p a ，其抗折强度为4 5 m p a ，回弹模量为2 7 3 0 g p a 【2 1 。 基层是传递荷载的层次，其功能是把路面板传递过来的应力以一定的扩散角 传递到垫层和路基上，一般的基层材料为碎石，砂砾，石灰一粉煤灰稳定粒料、 碾压混凝土或贫混凝土等。最常用的是水泥稳定粒料和石灰粉煤灰稳定粒料。采 用稳定粒料等半刚性材料铺筑的基层被称为半刚性基层。一般的半刚性基层的 厚度为15 2 5 c m ，顶面回弹模量为6 0 12 0 m p a 。当面层和基层的厚度比最小的 防冻深度小；地下水位太高造成路面结构不稳定或者基层不能防止水分下浸等需 要设置防水层时，就必须设置挚层，垫层的作用是扩散应力，防水和防冻。挚层 的厚度通常为1 5 3 0 c m 。常用挚层材料为砂砾，碎石、石灰稳定土和石灰粉煤 灰等。稳定土、稳定粒料属于稳定材料。稳定类材料是采用一定的技术措施，在 集料中( 如粉碎的土、砂砾、碎石、矿碴等) 中，掺入适量的结合料( 如石灰、 水泥或沥青等) 拌合而成的建筑材料。稳定类材料具有一定的强度和稳定性，能 够较好地扩散应力。 水泥混凝土路面是一种主要靠路面本身直接承受荷载的路面结构形式，作用 在其中的荷载主要有汽车荷载、温度荷载、人群荷载等。在这里，我们主要考虑 能够对路面结构产生破坏的汽车荷载。由于水泥混凝土的抗压和抗剪强度都比较 高，而抗拉强度低， 因此，在汽车荷载的作用下，最具有破坏力的是板底的拉应力，因为相对基 层和路基来说，水泥混凝土面板的刚度很大，所以在计算路面汽车荷载作用下板 的应力时，通常把路面板简化成弹性平面板，而把基层下部分简化成文克勒地基。 水泥混凝土路面的温度荷载，是由于路面板中不同部位存在温度差异而引起 的1 4 l 【卯。当气温上升很快时，路面板表面的温度也跟着上升，气温很快下降时， 路面板的温度也跟着下降。由于混凝土是热的不良导体，路面板板顶和板底的温 度就不能同时变化。因此，使水泥混凝土路面板产生了翘曲变形。板块间的相互 的限制、面板与基层的粘结和摩擦，以及板块自身的重力的作用，阻止了板的翘 曲变形，因而产生了翘曲应力，温度应力的大小取决于温度变化的幅度。气温的 变化有大、小两个周期。小周期是一昼夜，大周期是一年四季，但不管温度的变 化规律如何，其变化的幅度只能是在一定范围内变化，所以，一般条件下，温度 应力不可能突破水泥混凝土路面强度的极限值【5 】。因此，在一定范围内周期性波 动，是温度应力的明显特征。温度应力及其影响不是本文研究的内容。 1 2 2 研究不同支承条件下刚性路面板破坏机理的目的和意义 水泥混凝土路面板具有强度高，稳定性好、耐久性好，使用寿命长，养护费 用少等优点，但在实际运用中由于旧路加宽的新老路基结合部、软基的固结沉降、 填方路基由于压实度不同引起的差异沉降；温度变化使水泥混凝土路面板产生翘 曲等原因产生的砼板局部脱空使各板板支承条件变化等，对水泥混凝土板的受力 是极其不利的。在荷载的作用下板底的局部脱空部位产生应力集中现象，加上车 辆的反复荷载的作用，极易造成水泥混凝土板的断裂，进而影响路面的使用性能， 因而研究水泥混凝土板因局部脱空引起板体支承条件改变情况下的断裂和破坏规 律，揭示由差异沉降引起的混凝土路面板的破坏机理，这对有效控制工后沉降引 起的路面破坏问题具有重要的理论意义和现实意义，研究的成果能够对刚性路面 板的设计、维护和施工提供依据，也能够对地基基础的设计、计算，建筑工程中 有关水泥板的计算、采矿工程中板顶稳定性分析提供经验。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 局部脱空状态条件下板体理论解和有限元解的有关进展 1 9 3 9 年k e l l y 提出了地基局部脱空情况下的板角、板边应经验公式【6 】。1 9 4 6 年p i c k 提出了考虑角隅传荷和翘曲影响的板角最大应力经验公式【7 1 。近年来，随 着有限元技术的发展，陈文进行了用灌浆修补路面板脱空的有限元分析【引。关宏信 进行了用罩面法修补混凝土板脱空的应力应变分析【9 】、周玉民基于有限元分析提 出了水泥混凝土路面脱空状态下的荷载应力的经验计算公式【lo 】： 2 吒勿 ( 1 1 ) 盯。一般式可写成未脱空无限大板荷载应力瓯与板平面尺寸修正系数f 和脱 空应力修j 下系数缈之积，并得出结论：l 、板平面尺寸修正系数f 是路面板最小相 对板长b ，、地基类型的函数，常用路面的板平面尺寸影响可忽略。2 、未脱空无 限大板板角和板边荷载应力回归计算式，同现行规范临界荷位处荷载应力计算式 结果比较，地基板相对刚度半径r = 0 5 1 om 时，两者相对差值在2 以内。3 、 脱空应力修正系数妒是脱空尺寸厶、荷载当量半径与地基板相对刚度半径之比 口，以及地基类型的函数，板角底部脱空，随着脱空尺寸厶，的增长。4 、基础脱空 对接缝具有一定的影响。当接缝状况一定时，随着脱空尺寸的增大，传荷系数却 有一定程度的增加。可见，当实测的传荷能力较强时，则不一定无脱空现象存在。 5 、荷载作用于横缝中部或板角时，脱空与传荷对弯沉的影响，在相同的条件下， 板角荷位所测弯沉、传荷系数的变化规律与横缝中部荷位的变化规律是一致的； 但影响程度有所不同，脱空尺寸对板角荷位下所测弯沉的影响远大于横缝中部荷 位所测弯沉的影响，钟燕辉采用了某些简化方法计算了不同受荷水平和脱空情况 提出了水泥混凝土板应力计算方法【1 3 】，明确指出局部脱空水泥混凝土路面板在 车轮荷载作用下，其受力状态、最大弯拉应力、应变及位移均发生根本的变化、 蒋应军较为详细的分析了在重载交通下混凝土板断裂机理和针对重载交通情况的 材料改进研究【l4 1 ，建立了以板底拉应力和温度翘曲应力为等效原则的基顶当量回 弹模量换算方法及具有较高精度的温度翘曲应力系数和温度应力系数的经验公 式，针对重载交通混凝土路面出现的典型破坏现象，初步提出了以控制疲劳断裂 和冲刷损坏作为设计目标，并以最大限载水平为验算标准的重载交通水泥混凝土 路面的设计方法，这加强了我们对水泥板断裂机理的研究，但是未系统的总结不 同支承条件下、路面板两侧弯沉及弯沉差、传荷系数、应力分布及对于混凝土本 构模型这一特殊结构对结果的影响。另一方面，由于边界条件的不确定性和薄板 理论不完善，弹性地基上混凝土板的应力解析解还极少，而且只针对一些特殊条 件。张嘉儿【l5 】在论文中论述了软土地基路基不均匀沉降引起路面结构附加应力， 指出不均匀沉降对路面结构层内的附加应力影响很明显，由于半刚性基层的抗拉 强度较低，所以当不均匀沉降量超过2c m 时，半刚性基层底面就会产生拉裂破 坏、周叮【i6 j 在论文中针对任意形状弹性薄板弯曲阐述了一些有意义的解析解， 但限于解的特殊性，有必要研究不同支承条件下水泥混凝土路面板挠度、荷载应 力变化规律和对相邻板弯沉影响，用于混凝土板路面结构的渗断和评定。 1 3 2 工后沉降引起板体支承条件变化和水泥板应力分布规律研究的 现状 路基沉降对路面破坏状况的影响主要是路基差异沉降引起水泥路面板支承条 件的变化，而不同原因引起的差异沉降对路面结构附加应力的影响是不同的，例 如旧路加宽的新老路基结合部或高填方路基由于压实度不足引起的差异沉降往往 是路基外侧的沉降量大，而使路基外侧的路肩或行车道面板脱空，而由软基引起 的差异沉降则是中间大两侧小，路面板将是路基中间脱空或超车道一侧脱空，其 面板均为一侧弹性支承另一侧自由( 局部脱空) 或两侧弹性支承中间脱空的面板 受力形式，除此以外也可能发生面板一角边脱空的受力情况：而桥头台背工后沉 降引起的板底脱空则是一端弹性支承另一端简支的面板受力形式，而问题的复杂 性还在于路基对水泥板弹性支承反力分布的非均匀性。由于不同工后沉降产生不 同面板的支承条件或受力条件，因此面板的破坏机理也必然有所不同。文献【1 7 】 【1 8 】 等通过高速公路路面破坏状况的调查定性分析了工后沉降引起路面丌裂的原因及 预防措施，而文献【1 9 】通过刚性路面板下脱空形态的现场弯沉测定，分析研究了水 泥混凝土路面板下脱空范围与车辆荷载作用下板体内应力变化的相互关系，但仍 然未能明确工后沉降与路面断裂的关系问题。文献【l5 1 应用数学中的应力函数法， 从理论上研究了软土地基不均匀沉降引起路面( 柔性) 结构附加应力的增加问题， 获得了当不均匀沉降量超过2 c m 时，半刚性基层底面就会产生拉裂破坏的结论， 但其假定条件与理论分析的科学性、合理性有待进一步探讨，并且这一结论仅针 对于低等级公路的柔性路面情况。 1 3 3 不同支承条件下水泥板的受力与变形的理论研究 在有关水泥混凝土路面的设计理论方面，目前普遍采用弹性地基板理论，这 种理论是在w i n k l e 地基和弹性半空问地基两种假设模型，在弹性半空i 白j 地基无限 4 匝艟惰聪水摧篝甏碟蔷赳、舡赠辎丑藩卅葵孵熙*ii匝 大薄板假设条件下进行的计算，但这一传统的理论，板的挠度和应力的解析解都 局限于某些特殊情况，而对弹性地基上有限尺寸板的求解尚难求得解析解【20 1 。由 于水泥混凝土路面板是种有限尺寸的板体，冈此必须结合其实际条件开展研究， 在针对水泥混凝土板的力学计算与理论计算方面，为研究方便，我们针对水泥混 凝土路面板的工作状态定义一种典型的支承状态： 弹性支承条件：水泥混凝土路面板下部分脱空，在未脱空区域下存在按照面 层、基层等结构层的弹性模量简化成的w i n k l e 地基或弹性半空间地基，且假定地 基与路面板之间紧密接触。 部分研究者针对建筑工程的具体结构特点，对一些简单支承条件下板体结构 开展了部分研究，而水泥混凝土路面与其它板体结构的约束与支承条件明显不同， 其支承条件主要有以下三种：l 、一侧弹性支承，另一侧由于脱空失去支撑而成为 自由边( 或板体的一角边失去支撑而脱空) ；2 、由于软土地基的同结沉降而使板 体中间脱空，其约束条件为两端弹性支承条件下的中间挠曲变形；3 、由于台背路 基沉降引起桥头搭板的脱空，其支承条件为一边弹性支承另一端简支而中间脱空。 在以上几种条件下，板下路基支承区域的受力条件彳i 尽相同，脱空区域也随荷载 与板下路基的软化而在不断变化，由于水泥混凝土路面特殊的约束与受力条件， 冈此需要针对这一特性开展理论分析与计算研究，但至今尚未发现针对路面板的 这一特殊约束与支承条件进行深入分析研究的报道，因此需要迸一步开展不同支 承条件、彳i 同载荷作用下水泥混凝土路血板受力与变形的理论研究，并从理论上 为解决水泥混凝土路面的设汁计算提供依据。 1 3 4 弹性支承条件下水泥混凝土板断裂破坏机理的试验研究 在有关混凝土断裂与破坏的实验研究方面，日前国内外主要针对混凝土块或 混凝土梁在压或剪等应力作用下发生的断裂和破坏机理开展研究【2 1 1 ，而很少对水 泥混凝土板在集中载荷或分布荷载作用下的破坏机理开展研究，特别对具有特殊 支承条件的水泥混凝土路面板的断裂与破坏问题更是极少见到有关开展实验研究 的报道，由于板在载荷作用下特别是在弹性支承条件下的力学行为极其复杂，很 难采用弹性理论求得板体变形参数的解析解，而必须求助于数值计算方法才能给 出有关的变形参数【2 2 1 ，冈此在进行有关刚性路面或桥头搭板的受力分析，特别在 分析研究板底脱空引起断板原冈时，大多在水泥混凝土板简化为梁或假定为简单 支承条件的前提下进行变形与破坏计算，这种简化的汁算方法尽管使计算过程大 大简化，并使解出解析解成为可能，但由于假定条件与实际情况的不一致，使其 结果的准确性与可靠性大受影响。 目前有关水泥混凝土路面开裂过程的研究主要集中在关于水泥混凝土路面开 裂初期阶段分析；关于过渡层的破坏及分离界面的形成分析；水泥混凝土路面开 6 裂的后期阶段分析等三个方面。关于水泥混凝土路面开裂初期阶段分析，文献 【2 3 】 【2 5 】着重阐述了过渡层的形成及破坏过程，描述为面层水泥混凝土凝结，混凝 土将产生收缩变形和周期性的温度变形，而面层与基层之间的不等量变形在面板 横缝切割后必然会导致本来融为一体的过渡层沿路面板薄弱层平面开裂和破坏， 将面层与基层彼此分离。关于过渡层的破坏及分离界面的形成分析，文献1 2 6 j 叫列1 理解为砼路面割缝后，两缩缝间的砼板将产生向中阳j 收缩的运动趋势，而基层将 阻止这种趋势，产生巨大的剪力，剪力的作用必然使本已严重损伤而出现裂纹的 过渡层进一步破坏而形成水平方向的分离界面，并且随着进一步的温度变形，板 将产生周期性的翘曲而使分离界面在过渡层中完全连通。水泥混凝土路面丌裂的 后期阶段分析将水泥混凝土路面的疲劳破坏过程应分为两个阶段，即路面完好无 损至板底表面形成明显的裂纹阶段和裂纹扩展至路面板完全断裂阶段。然而，在 确定混凝土路面的疲劳强度时，人们往往都是基于经典的应力一寿命法即对萌生 裂纹的循环作用次数和使这一裂纹扩展到突然破坏的疲劳次数不加区分。在板底 裂纹已经产生的情况下，板的疲劳寿命实际上仅相当于第二阶段的疲劳作用次数 【3 0 】【3 1 1 。然而，关于上述三种形态下的水泥混凝土路面板破坏过程分析仅仅凭借大 量假设以及单纯理论推导，实际情况中有几个特别要注意的地方：首先，和水泥 混凝土路面只有在低应力水平的情况下才是线弹性材料，一旦应力比较大，就呈 现出弹塑性的特征。其次，水泥混凝土路面板在使用f j 已经出现了板底裂缝。这 与上述结论的假设不相一致，需要在模拟实验中就水泥混凝土路面板的丌裂过程、 裂缝断裂形态、与地基层间结合状态、循环荷载对地基的应力的影响等展丌观察、 研究。因此通过符合实际的模拟实验研究，揭示水泥混凝土板在局部脱空后弹性 支承条件下的断裂与破坏机理及破坏过程，不仅能为水泥混凝土路面的设计与计 算提供更为可靠的参数与方法，而且可以通过实验与数值计算对比、实验与理论 计算结果的互相分析验证，建立以实验为依据的理论计算方法，从而极大的丰富 和发展水泥混凝土路面的设计理论。 综上所述，在不同支承条件特别是弹性支承条件变化条件下的水泥板断裂破 坏机理研究方面，国内外还很少开展这方面的研究，特别在水泥板的断裂演化机 理、力学计算和实验方法等方面的研究还远远不能满足工程建设发展的需要，这 严重制约了水泥路面设计计算的准确性与可靠性，另外在工后沉降与路面破坏的 关系问题的研究方面，既缺乏理论研究，也缺乏实验研究，因此开展这一国内外 尚未开展的研究工作既对明确路基施工和维修的控制指标、改善高等级公路的建 设质量具有重要的指导意义，而且对地基基础、支挡结构、建筑工程和采矿工程 有关板体结构的设计计算具有指导意义。 7 1 4 本文主要研究内容 水泥混凝土路面板的破坏特征除了取决于混凝土自身的强度特性以外主要受 控于混凝土路面板的支承和加载条件。本项目紧密结合路面板局部脱空的受力与 支承情况，力图弄清水泥路面板因脱空而变形断裂的主要影响因素及其相互作用 关系。 项目研究内容以大量的现场调查与室内试验为基础，主要包括： l 、水泥混凝土路面板下脱空成因及断裂破坏理论研究 结合国内外研究现状，对水泥混凝土路面板下脱空的类型、断裂类型、破坏 准则分析、断裂机理疲劳寿命及其影响因素等方面作全面细致的研究，特别是对 水泥路面板三种常见脱空状念( 横向、纵向、桥台脱空) 的应力、应变发展过程 及相关影响因素作全面的了解。 2 、弹性支承条件下局部脱空混凝土板挠度、应力应变及断裂破坏规律研究 为研究板下路基弹性支承条件下的路面破坏机理，在充分研究以上简单支承 条件路面板断裂破坏机理的同时，按照面层、基层等结构层的弹性模量，采用数 值计算的方法，选择弹性常数和弹性支承区域范围，采用两侧弹性支承中f b j 局部 脱空、局部脱空或板角脱空等条件下，特别是水泥混凝土路面板下不同脱空长度、 宽度、荷载作用位置因素变化时，通过数值模拟以确定不同部位的应力应变、挠 度、裂纹及两侧传荷系数变化的相关规律，计算确定水泥混凝土板内部应力与位移 的变化直至断裂破坏的规律，由此研究水泥混凝土板断裂破坏的机理。 3 、弹性支承条件下局部脱空水泥混凝土板断裂破坏的试验研究 在通过前期关于脱空成因及断裂破坏的理论分析，结合弹性支承条件下局部 脱空混凝土板的挠度、应力应变规律的研究，选用几个常见的脱空形态，通过室 内试验的方法，根据相似原理在试验室制备相似模型，进行不同脱空区域与脱空 形态的模型试验，分析确定混凝土路面板内部应力与位移变化相关规律，研究、 对比、验证水泥混凝土板断裂破坏相关理论。 1 5 本文的技术路线 本文结合长沙理工大学由付宏渊教授主持的湖南省自然科学基金项目：不同 支承条件水泥板的断裂破坏机理研究( 编号0 7 j j 510 6 ) ，采用现场调查、室内试 验及理论分析相结合的研究方法，首先通过对湖南省已建高速公路路面破坏状况 的调查，建立相关水泥混凝土路面脱空成因规律，以此为基础，制备与不同差异 沉降引起水泥板支承条件相似，采取从简单到复杂的模拟实验，首先以简单支承 条件下的混凝土板断裂实验为依据，然后选择在模型槽内通过一定的相似比例关 系进行弹性支承条件下的水泥板断裂试验研究，通过对加载过程板体内部不同部 位应力应变和挠度等参数的测试，分别研究不同结构尺寸水泥板在不同支承条 件下有关挠曲变形量与荷载的关系。以此实验为依据，通过数值计算、数值模拟 与理论分析，研究支承条件改变引起路面断裂破坏的机理，建立相应的计算模型 与判据，并通过对不同试验结果的比较分析，得出不同支承条件下水泥混凝土路 面板断裂破坏的相关规律。 9 第二章水泥混凝土路面板脱空成因及断裂破坏 机理研究 水泥混凝土路面板下脱空的产生，改变了水泥混凝土路面板下的受力状态， 是造成水泥混凝土路面板产生早期断裂的主要原因之一【2 引。水泥混凝土路面板脱 空的产生原因之是十分复杂的。它与唧泥、重载、超载车辆、旧水泥混凝土路面 加宽、基础与路堤不均匀沉降、冰冻作用的影响及近桥涵段填土压实有关。但是， 路面板下脱空的产生过程总体上是由基层均匀支撑的水泥混凝土路面板过渡到非 均匀支撑( 脱空) 的水泥混凝土路面，最后致使水泥混凝土路面板断裂；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断裂 的产生。结果路面板由整体板变为大块板，再变成小块板；裂缝由微小板裂缝发 展到宽大裂缝。当然，这一过程的产生与发展是因地面异的，不能一概而论，它 与当地的自然地理、气候特征和岩土工程的条件有关密切的关系。 2 。1 水泥混凝土路面板底脱空的成因【2 3 】 2 1 1 车辆荷载作用产生的影响【2 3 】 水泥混凝土路面层具有很大的刚度，基层均匀支撑时，对路基的强度要求不 高。因此，在路基支承均匀的情况下，面层板可直接设在路基上，车轮荷载作用 于路面板上时，面层板会产生弯沉变形。由于板的弯沉会使路基产生一定量的弹 性和塑性变形，弹性变形量在荷载驶离后恢复原状，塑性变形则不能，虽然每次 荷载作用后产生的塑性变形极小，但在数力次甚至几十万次的荷载作用下，尤其 是在重载交通的作用下，产生的塑性变形往往很大。荷载作用于路面板上不同荷 位时，所产生的弯沉量不同，板角隅大于板边缘处，面板中部的量最小，由于不 同部位的板的弯沉量有差别，路基累计的塑性变形量也不同，在板角隅下为最大， 板边缘次之，板中部最小。这样，在板角隅和板边缘处就形成了板底与路基顶面 间的脱空。脱空意味着板失去了部分支承，在荷载的作用下势必显著增加板的内 力。 车辆荷载尤其是在重型车辆作用，震动、冲击作用强烈，致使水泥混凝土路 面板下的基层塑性变形累积增加，同时，在基层中产生的和基层中自然存在的可 悬浮细粒松散土，从接缝处排出，造成板下脱空。 在路面上车辆荷载的不均匀分布及重载，超载车辆频繁荷载的作用结果，在 l o 水泥混凝土路面板下基层内产生的不均匀的累计塑性变形，轻者会形成水泥混凝 土路面板的局部弱支撑( 不均匀支撑) ，其进一步的发展，将导致水泥混凝土路面 板下脱空。 2 1 2 旧水泥混凝土路面加宽扩建的影响【2 3 1 对旧路加宽改造时要特别注意： 1 、新旧路基间的不均匀沉降及新路基的塑性累计变形对路面结构的影响； 2 、新旧路基问的刚度差异对路面结构的影响 3 、面层反射裂缝的防治等。为此，同在旧路加宽改造成的工程实施之间应进 行先期的方案试验研究。根据不同路段的特点，考虑到上述问题的严重性，通常 采用软弱地基的处理、基底清淤换填、旧路路堤台阶丌挖、土工合成材料加筋挚 层和加筋土路堤、土工织物防渗和排水、改良土高强路堤和轻质路堤、铺设土工 合成材料防裂层或增大加铺层厚度等工程技术材料。 在旧路加宽设计中，不论是双侧加宽还是单侧加宽，常常将被加宽侧的旧路 边坡挖除( 底路堤) 或做成台阶的形式，施工时多数情况下没有进行边坡支护， 对于水泥混凝土路面而言，面临着边坡挖除时后所产生的临空面严重不利的影响， 车辆荷载作用在具有垂真临空面的旧路路堤上，常常导致旧路堤产生侧向位移、 坍塌。另外，新路堤修筑后，其荷载也将对旧路堤产生新的附加不均匀沉降，因 此产生板下脱空。该类型的脱空的产生，是旧水泥混凝土路面板出现大长度的纵 向断裂的主要原因。 2 1 3 路基的不均匀沉降变形的影响【2 3 】 公路为线形结构物，由于线路上经历许多具有复杂工程地质条件的区域，因此， 路基的物质组成、地质构造、地貌、地表水、气候及地下水等条件存在着较大的 差异；即使在同一地区。填方段、挖方段、半填半挖段之间也有很大的不同。这 将不可避免的导致路基在纵、横向上产生不均匀沉降。 l 、路堤、路堑自身结构特性的影响 随着高速公路的发展，高等级公路不仅要求路堤稳定，而且对于工后沉降也 有降大高的要求，特别是需要严格控制工后不均匀沉降量。对于筑在比较峰硬地 基上的路堤，其变形方要发生在路堤自身内部。 事实上，路堤的最终沉降变形量的计算和发生是一个复杂而漫长的过程。工 程界最关心的是路堤的工后沉降的和差异沉降量，但对这部分沉降量，目前没有 统一的计算方法。 水泥混凝土路面的路堤一般是由基层和挚层等结构层组成，结构层填料的多 样性和各层厚度的差异也将加大垫层工后的不均匀沉降的产生；另外，路堤修筑 完之后不可避免的遭到大气降水和地表水的侵蚀、淋滤，地表水的入渗对路堤填 土产生强度软化，由于水泥混凝土路面板具有隔水作用，因此地表水渗入土堤是 局部范围的。正是因为局部范围内地表水深入路堤之中，产生了路堤内局部土体 强度的软化，进而出现了基层对水泥混凝土路面板的局部弱支撑。 关于压实土的强度试验结果证明，一般情况下，只要满足某些给定条件，压 实土的强度是比较高的。但j 下如关于它的压缩性特征研究所发现的压实土遇水饱 和会产生附加压缩一样，在强度方面它也有潜在危险的一面，即浸水软化使强度 降低，结果是局部产生较大的沉降理或产生塌陷脱空。 2 、地基物质组成特性的影响 路基在天然状态下物质组成是极其不均匀的。按成因分为岩石和土。不同的 岩、土体路基，具有不同的变形特性。对于岩石路基，一般由路堤荷载引起的变 形很小，但是位于岩体上部的残积土在组成和分布厚度的不均匀性对路基的不均 匀变形影响极大。 对于土路基而言，其变形特征十分复杂，主要取决于土路基的物理力学性质， 当其在横向和纵向分布不均匀时，必将产生不均匀的沉降，从而导致基层的不均 匀沉降和水泥混凝土路面板下脱空的产生。 在在实际的脱空探查过程中，发现位于路堑地段的水泥混凝土路面板下有较 多的脱空板和已断板的存在，原因是风化壳的物质组成极为不均匀和风化裂隙的 不规则分布，加之地下水的作用，使得路基填筑后，产生工后不均匀沉降。 2 1 4 施工原因1 2 3 j 路堤一般采用水平分层填筑法，即按照横断面全宽分成水平层次，逐层向上 填筑，但是，在施工时为了追赶工期等其他原因，未能注意以下几个问题：没有 将不同性质的填料要分别分层填筑，混填、乱填，影响了路堤的稳定性。 路堤的下部可能受水浸淹时和路堤上部未填筑水稳定性、冻稳定性较好的土 或填筑厚度不足。透水性较大的土填在透水性较小的土之下，两者的粒径相差悬 殊时，未能在层间加铺过渡垫层，造成上的细颗粒散落到下层内；透水性较小的 土填在透水性较大的土之下时，其顶面未做成4 的双向向外横坡，造成积水。 沿纵向同层次要改变填料种类时，未做成斜面衔接。当填方相邻作业段交接 处非同时填筑时，没有在先填地段预留l ：1 坡度分层台阶。由于公路线路通过的 区域工程地质条件的差异，纵段常为割线设计，常为填、挖方路基，也有半填半 挖路及零挖、浅挖路基，使得路基的均匀性控制施工非常困难。另外，施工队伍 的碾压设备和专业技术水平等人为因素也常常导致路堤压实度不足的原因之一。 这些客观因素的存在，导致半填半挖路段工后沉降量增加，造成板下脱空。 2 1 5 冰冻作用的影响【2 3 l l 、冻胀和翻浆的影响 1 2 冻胀是由于土基下部的水向上集聚并冻结成冰所致。过大的冻胀可使柔性路 面鼓包、丌裂和板下脱空，使得刚性路面错缝、折断。冻胀是翻浆的一个阶段， 同时也是一种单独的路基病害。 另外，在路颦段，由于盲沟设置较浅，路基长期处于过湿状态，从而使得水 泥混凝土路面板下基层随着季节性冻融次数的增加而减小，也可导致板下脱空的 形成。在特殊的区域，如青藏高原，存在特殊的厚层一冰镜透体，对路基的稳定 性危害极大。冻胀和翻浆将导致基层对水泥混凝土路面板下的局部支撑增强和减 弱，从而导致脱空的产生。另外，季节性的冻融作用可以不至于产生严重的病害， 但是，这一过程会导致板下基层的含水量逐渐增大，尤其是挖方路段，基层长期 过湿的结果，将影响基层对路面板的支撑能力，在重载车辆的作用下，对路面板 的损坏是严重的。 2 1 6 近桥涵段填土压实不足的影响【2 3 】 为了防止桥头工后沉降出现错台而引起桥头跳车现象，设置桥头搭板是一项 必要的措施。作为过渡，它可使桥头突变性跳车缓解并将产生的差异沉降分散到 一定距离上。然而，在工程实践中，桥头搭板在建成通车后不久，常会发生断裂。 分析原因，发现桥头搭板及明涵台背下土基施工工后沉降量大于桥梁明涵的主体 沉降量，致使桥头部位最容易脱空，通车后土基逐渐沉降变形，致使搭板支承面 下降形成脱空。 由于桥头路基碾压一般要在桥梁及明涵的主体结构施工完成后才能进行，因 此，近桥涵路基施工作业面狭小，大吨位机械不宜到位，该处的路基碾压常常达 不到标准。另外，桥梁与桥台之间的结构间隙及土与搭板的脱离，使得地表水渗 入搭板下，加剧了对填土的冲刷，台后填土遇水沉陷或被冲刷沿锥坡裂隙带出， 脱空区不断扩大，导致桥台跳车，既增加了行驶车辆的不舒适性和不安全性，又 加重了车辆行驶过对桥头搭板产生的疲劳损伤，严重者致使搭板产生断裂。桥头 搭板产生的脱空区的特点一是脱空区体积相对较大，二是搭板产生脱空率高。它 将严重影响行车舒适性和不安全性。 2 2 水泥混凝土路面板几种常见脱空形态下的受力分析 水泥混凝土路面板由于所处的工程地质条件不同，基于车辆荷载作用产生的 影响、路基不均匀沉降变形、施工原因、冰冻、唧泥、近桥涵段压实度不足等原 因形成的脱空区域是不同的，因而造成的不同支承条件( 脱空形态) 也是千差万 别，但总的来说，主要分为以下几种常见的脱空形态，其它的各种脱空形态下的 受力状态可以依据几种常见脱空形态分别推导： 1 、由于唧泥、施工原因等原因造成板角( 特别是相邻路面板中间节点) 处脱 空，通常假设脱空路面板下脱空区域简化为三角形楔形体，路面板脱空区域与未 脱空区域的相交边为固支边，而脱空区域临界边上其它两边为自由边； 2 、由于软土地基的固结沉降而使水泥混凝土路面板板体纵向脱空，其约束条 件为未脱空区域下弹性支承，并假设脱空区域与未脱空区域的相交边为固支边， 板体脱空区域假设为悬臂端，且脱空区域临界边为自由边； 3 、由于台背路基沉降引起桥头搭板的脱空，其支承条件为未脱空区域下弹性 支承，另一端桥台支承处简支而近桥台处由于压实度原因而造成中间脱空。此种 情况下还可分为有枕梁和无枕梁两种条件； 另外，对于单块路面板可根据对行车荷载及温度梯度作用下路面板的弯沉分 布规律的分析，以及路面板现场观测到的所谓“前冲后淤”现象，可以推定横缝 不设传力杆路面的板底脱空的一般演变发展规律是先板角后横缝，然后形成四边 脱空状，且行车方向的前板板底脱空区明显大于后板，如图2 1 所示，这为我们分 析水泥混凝土路面结构的受力状态及脱空形态的演化方式提供了参考，但是限于 脱空形态的多样性和求理论解的复杂性，在本文中我们仅限于讨论以下三种情况。 行塑 叛危脱空一横边脱空板角脱空十横边脱空十纵边脱空 图2 1 单块板板底脱空一般图式 下面就水泥混凝土路面板几种常见脱空形态下受力状态分别分析： 2 2 1 边角脱空条件下水泥混凝土路面板内力的简化计算 1 、脱空路面板a b 截面上最大的弯拉应力 板角处有脱空发育的水泥混凝土路面板的力学分析可以视为部分( 脱空区) 无支承、部分( 非脱空区) 有弹性支承( 基层的作用) 的弹性薄板的受力问题。 荷载作用在板角处，在接触面积( 以a 为半径的小圆) 上均布，板的一边固定( 超 车道一侧) ，三边自由( 忽略横缝处相邻板之间的传荷) 。这是一个相当复杂的问 题，尚未有精确解。本文假设脱空路面板下脱空区简化为三角形楔形体，路面脱 空区上板在脱空临界面处为固定边界，其它两边为自由，见图2 2 ，a b 截面为脱 空临界面。 设轮载荷位的圆心的坐标为和儿，t 为纵向脱空板边长度，厶为横向脱空 板边长度，则脱空板a b 边的方程可写为： 1 4 y = l h x l h | l ： ( 2 1 ) 圆心坐标为和儿的轮载荷位对a b 截面上的点的横向标： 勤= ( 厶一儿) t 厶 ( 2 2 ) c d 距离为k k = 勤一矗= ( 厶一) 三：厶一 (