潘向軍 馬濤 何平

(1.安徽省公路管理局農(nóng)村公路管理處，安徽合肥 230022;2.江蘇省東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京 210096)

0 引言

安徽省農(nóng)村公路水泥混凝土路面自2006年開始建設(shè)以來，逐漸開始出現(xiàn)一些早期病害，其中板角脫空現(xiàn)象比較普遍，這也成為路面板斷裂的主要原因。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于車輛荷載的重復(fù)作用以及水流的沖刷，水泥混凝土板下局部出現(xiàn)脫空，如不對其進(jìn)行有效治理，板角裂縫將會進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致板角斷裂，影響路面的行車狀況[1，2]。

1 板角脫空應(yīng)力分析模型建立

1.1 路面結(jié)構(gòu)

以阜陽市為例，村村通公路形式主要采用18cm的水泥混凝土板+20cm的石灰土的結(jié)構(gòu)組成形式，如圖1所示。

1.2 地基選擇

傳統(tǒng)的路面設(shè)計(jì)所使用的地基類型一般有Winkler地基和彈性半空間體地基。Winkler地基簡單實(shí)用，以反力模量K表征，通常與實(shí)際情況有一定的出入;彈性半空間體地基是以彈性模量和泊松比表征的彈性地基，本文采用5m×5m×5m的擴(kuò)大地基。經(jīng)過反復(fù)的試算證明，當(dāng)考慮脫空產(chǎn)生的應(yīng)力集中時，兩種地基的影響較小。而采用半空間體地基運(yùn)算時，運(yùn)算時間較Winkler地基長很多，因此，本節(jié)運(yùn)算時均采用Winkler地基。

采用Winkler地基分析板角脫空，形狀為邊長1.5m的直角三角形時，當(dāng)?shù)鼗磻?yīng)模量K從25mPa/m增長到125mPa/m，板角的最大主應(yīng)力只改變了0.013mPa，地基反應(yīng)模量K的取值對應(yīng)力集中的影響很小，因此，脫空一節(jié)的計(jì)算采用的地基反應(yīng)模量K均取50mPa/m。

1.3 荷載形式

在進(jìn)行產(chǎn)生脫空引起應(yīng)力集中的力學(xué)分析之前，首先必須明確車輪與路面的接觸輪跡，提出簡化方法。本文為了考慮建模的簡化，采用正方形荷載，經(jīng)過試算發(fā)現(xiàn)和矩形荷載相差較小，具有一定的適用性[3]。

本文行車計(jì)算荷載采用規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)雙輪軸載100kN，胎壓為700kPa，接觸面積Ac由每個輪胎承受的荷載除以胎壓求得，則:

1.4 脫空形式

由于農(nóng)村公路橫縫設(shè)置不采用傳力桿，主要依靠嵌縫料傳荷。當(dāng)產(chǎn)生脫空時，嵌縫料也會有一定程度的破壞，總體傳荷能力較小，并且我們考慮的是最不利狀態(tài)，所以采用單塊板計(jì)算。

眾多對水泥混凝土路面板彎沉值的實(shí)測資料表明，距板中愈近脫空高度愈小，且為近似的三角形楔形體，距板角愈近脫空高度愈大。本文假設(shè)脫空區(qū)域在平面上為等腰三角形，在垂直方向上假設(shè)脫空量足夠大且均勻，本文取5cm，以至于在荷載作用下板與基層仍不會接觸[4]，如圖3所示。

2 板角脫空應(yīng)力分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

面層板平面尺寸取為4m×4m;水泥混凝土彈性模量E=27000mPa，泊松比 μ=0.15;基層泊松比 μ=0.3，地基反應(yīng)模量取50mPa/m;分析中考慮的因素如表1所示。

表1 分析因素一覽表

2.2 應(yīng)力分析

2.2.1 不同脫空寬度的影響分析

固定基層模量500mPa，面層厚度18cm，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，不同脫空寬度B對板角最大拉應(yīng)力的影響，結(jié)果見圖4，圖5。

由圖4可以看出，隨著脫空寬度不斷地增加，板角的最大拉應(yīng)力也相應(yīng)增加，脫空三角形邊長從0.2m增加到1.5m時，最大拉應(yīng)力由1.68mPa增加到4.155mPa，而農(nóng)村公路水泥混凝土的設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度為4.0mPa，也就表明當(dāng)脫空寬度達(dá)到1.5m時，標(biāo)準(zhǔn)軸載的一次作用就會使得水泥混凝土板角斷裂。由圖5可以看出，應(yīng)力集中發(fā)生在脫空的內(nèi)邊緣，斷裂也往往產(chǎn)生于這個部位，與調(diào)查所得實(shí)際情況相符合。

2.2.2 不同基層模量的影響分析

固定面層厚度18cm，脫空寬度1.5m，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，討論基層模量的改變對板角最大拉應(yīng)力的影響，結(jié)果見圖6。

由圖6可以看出，當(dāng)發(fā)生脫空時，基層產(chǎn)生的影響很小，也就是說水穩(wěn)碎石和石灰土在相同的脫空條件下，板角產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力相當(dāng)。但是基層的選擇對是否易于產(chǎn)生脫空有著很大的聯(lián)系，水穩(wěn)碎石整體性好，抗沖刷能力較天然砂礫以及石灰土都強(qiáng)。因此正確的基層選擇對防治脫空具有一定的作用。

2.2.3 不同軸載的影響分析

固定基層模量500mPa，面層厚度18cm，脫空寬度1.5m，討論不同軸載作用下對板角最大拉應(yīng)力的影響，結(jié)果見圖7。

由圖7可以看出，隨著軸載的增加，板角最大拉應(yīng)力呈線性增長，農(nóng)村公路上最常見的手扶拖拉機(jī)滿載情況下軸重也就2t左右，作用于這樣的脫空板角產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力也不到0.5mPa，遠(yuǎn)沒有達(dá)到水泥混凝土抗折強(qiáng)度。而10t的重車則可能一次性破壞，因此，農(nóng)村公路必須加強(qiáng)對重載交通的管理。

2.2.4 板厚的影響分析

固定基層模量500MPa，脫空寬度為1.5m，標(biāo)準(zhǔn)軸載下，討論增加板厚對板角最大拉應(yīng)力的影響，結(jié)果見圖8。

由圖8可以看出，增加板厚能顯著減少脫空引起的應(yīng)力集中，平均每增加2cm就能增強(qiáng)20%的抗折能力。因此，建議農(nóng)村公路建設(shè)時，不能盲目參考最低標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)施工，適當(dāng)增加板厚對水泥混凝土的使用壽命有著很大的幫助。

3 設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)分析

基于對板角脫空的分析，可以看出當(dāng)板角出現(xiàn)脫空時，應(yīng)力集中現(xiàn)象十分明顯，板的受力情況極為不利，很容易產(chǎn)生板角斷裂，進(jìn)而影響到整塊板的使用。如何通過強(qiáng)化設(shè)計(jì)與施工控制減少脫空的產(chǎn)生以及改善產(chǎn)生脫空后的應(yīng)力集中是急需解決的問題。

3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

脫空通常是在溫度和車輛荷載的共同作用下由于不均勻地基支撐以及基層被水沖刷侵蝕產(chǎn)生的，因此減少脫空在設(shè)計(jì)時應(yīng)注意以下三點(diǎn):

1)加強(qiáng)排水設(shè)計(jì)，應(yīng)設(shè)置橫坡，特別是降雨量充沛的地區(qū);

2)合理設(shè)置接縫處，避免水沿接縫處下滲產(chǎn)生唧泥;

3)增強(qiáng)基層抗沖刷性能，通過有限元的計(jì)算分析可以知道，合理增加板厚、限制重載對產(chǎn)生脫空的應(yīng)力集中有很大的緩解作用，從而避免出現(xiàn)一次性斷板。

3.2 施工控制要點(diǎn)

農(nóng)村公路另一個重要的弊病在于施工質(zhì)量得不到有效的保證，整體施工水平較低，從而很大程度上影響了水泥混凝土的抗脫空能力。其中主要應(yīng)該控制以下幾個方面:

1)嚴(yán)格控制面板厚度;

2)嚴(yán)格控制水泥的質(zhì)量以及水泥摻量，增強(qiáng)水泥混凝土的抗折能力;

3)基層以及路基的壓實(shí)控制，減少沖刷和不均勻支撐的出現(xiàn)[5];

4)提高灌縫水平，減少路表水下滲。通過以上的控制要點(diǎn)能夠有效地減少脫空的出現(xiàn)。

4 結(jié)語

板角脫空一直以來都是農(nóng)村公路水泥混凝土路面的一個重要研究內(nèi)容，通過對板角脫空的有限元模擬，分析了板厚、脫空大小等要素對板角脫空應(yīng)力集中的影響。提出了針對防止脫空的設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)，為后續(xù)農(nóng)村公路的建設(shè)施工提供一定的依據(jù)和建議，旨在提高農(nóng)村公路水泥混凝土路面的整體服務(wù)水平。

[1]馬彥兵.水泥混凝土路面面板脫空判定及壓漿治理方法研究[D].重慶:重慶交通大學(xué)，2010:10-11.

[2]蔣習(xí)偉，黃 剛.水泥混凝土路面板底脫空機(jī)理分析[J].安徽建筑，2009，166(3):75-76.

[3]張 磊.考慮溫度與荷載耦合作用的連續(xù)配筋混凝土復(fù)合式路面損傷分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44(1):111-112.

[4]石春香，楊 群，郭忠印.公路隧道水泥路面板底脫空有限元分析[J].公路交通科技，2008，25(11):6-10.

[5]張 擎.考慮沖刷脫空的水泥混凝土路面設(shè)計(jì)研究[D].西安:長安大學(xué)，2009:108-109.