趙艷玲,張興梅, 劉永超

(1.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司?公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心，沈陽110111；2.重慶廣播電視大學(xué)，重慶400052)

0 引 言

水泥混凝土路面具有承載力高、溫度穩(wěn)定性好、擴(kuò)散荷載能力強(qiáng)、養(yǎng)護(hù)費用低、抗滑性能好、設(shè)計使用年限長等優(yōu)點[1]。然而，由于長期的重載車輛作用，層間過渡層的壞破，路面結(jié)構(gòu)排水不良等原因，我國早期修建的水泥混凝土路面，使用壽命往往達(dá)不到設(shè)計使用年限就已嚴(yán)重破壞。研究認(rèn)為混凝土面板的脫空、唧泥、斷板等損壞，主要是由于基層未能提供可靠地支撐引起的。因此改善水泥混凝土面層與基層之間的不良支撐狀況，對延長其使用壽命具有非常重要的意義。在面層與基層間設(shè)置中間層是一種行之有效的方法[2]。中間層可以防止水泥漿滲入到基層而形成薄弱的過渡層，使面層與基層的接觸狀態(tài)更接近連續(xù)接觸，從而有效降低面板和基層的拉應(yīng)力，防止水泥混凝土面板過早斷裂破壞。此外，中間層還可以保護(hù)基層免受下滲雨水的沖刷。在我國常用的做法是，在基層表面做5～10 mm厚的瀝青封層作為中間層[2]。而在德國、日本、比利時等國家常采用4～8 cm厚的瀝青混凝土作為中間層，雖然設(shè)置瀝青功能層增加了前期投入，但可有效保護(hù)基層免受侵蝕，可有效提高水泥混凝土路面的長期使用性能。在歐洲，比利時是鋪設(shè)水泥混凝土路面最多的國家，其高速公路的50%左右是水泥混凝土路面，在面層和基層之間普遍設(shè)置了瀝青混凝土中間層。但現(xiàn)有的層間功能層材料在工程實踐應(yīng)用中并未達(dá)到理想的效果。為此，做出一種新的嘗試，在水泥混凝土面板和基層間設(shè)置一層水泥乳化瀝青砂漿薄層，以構(gòu)成一種新型的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)。

水泥乳化瀝青砂漿(以下簡稱CA砂漿)是一種由乳化瀝青、水泥、細(xì)骨料、摻和料、水、鋁粉及功能外加劑等多種原材料組成，經(jīng)水泥水化硬化與瀝青破乳膠結(jié)共同作用而形成的一種新型復(fù)合材料[3]。CA砂漿結(jié)合了水泥砂漿和瀝青的特性，因而它既具有一定的強(qiáng)度，又具有一定的彈性，且自流平性好，可以對一些混凝土結(jié)構(gòu)的變形損傷起到一定限度的修補(bǔ)作用[4]。本研究以期借助CA砂漿剛?cè)岵?jì)的材料特性，改善面層和基層的不良受力狀況，同時防止層間過渡層的產(chǎn)生及破壞，保護(hù)基層免受沖刷，從而延緩水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)早期破壞。本文從力學(xué)角度出發(fā)，利用ABAQUS有限元軟件建立靜荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，對比分析設(shè)置CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)層所受荷載應(yīng)力的變化，探討CA砂漿功能層的作用。

1 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)有限元計算模型

1.1 基本假設(shè)

采用ABAQUS有限元軟件建立路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對計算模型做了如下假設(shè)：

① 各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)和各向同性的彈性體；

② 采用彈性半空間地基，但在有限元分析中取有限尺寸；

③ 不考慮相鄰板塊間的相互作用；

④ 各層間豎向、水平位移均連續(xù)；

⑤ 不計結(jié)構(gòu)自重影響。

利用有限元法研究路面結(jié)構(gòu)的受力特點，要合理建立實體模型，表1給出了各結(jié)構(gòu)層的具體物理參數(shù)，表2給出了CA砂漿功能層粘彈性參數(shù)。

表1 路面各結(jié)構(gòu)層基本參數(shù)

表2 CA砂漿功能層粘彈性參數(shù)

1.2 模型尺寸

根據(jù)水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范對路面板尺寸的劃分要求，本研究中取混凝土面板的平面尺寸為5m×4m，基礎(chǔ)模型中板厚為26cm，功能層和基層平面不設(shè)超寬和面層尺寸相同，在基礎(chǔ)模型中功能層厚度初步擬定為2cm，基層厚度為20cm。為反映無限大空間地基的特性，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大尺寸來模擬，通過取基礎(chǔ)不同尺寸進(jìn)行收斂性分析，最后確定地基基礎(chǔ)平面尺寸為7m×6m，基礎(chǔ)深度為6m。模型如圖1所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型圖

1.3 荷載及邊界條件

在水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，路面板產(chǎn)生最大應(yīng)力時，所對應(yīng)的荷載所在的作用位置稱為臨界荷位[2]。本文參考《公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范(JTG D40-2002)》，選取混凝土板的縱向邊緣中部作為加載位置。并依照水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范，采用標(biāo)準(zhǔn)軸載(BZZ-100)進(jìn)行加載。

為了便于分析，將規(guī)范中的圓形輪胎接觸面等效轉(zhuǎn)換成長方形接觸面，轉(zhuǎn)換后單個輪胎作用面積近似為0.213cm×0.167cm，兩輪中心間距調(diào)整為0.3195m，兩側(cè)輪隙間距為1.8m[5]，并將轉(zhuǎn)換后的荷載施加在路面縱向邊緣中部，荷載的加載位置如圖2所示，圖中的A點表示輪跡中心點，B點表示輪系中心點。

圖2 荷載的施加位置

本文對路基底面施加固定約束，即施加x、y、z方向的約束；對CA砂漿功能層、基層、路基的四個側(cè)面施加水平方向的約束，即施加x、z方向的約束；水泥混凝土面板四邊自由[6]。

1.4 單元類型及網(wǎng)格劃分

路面各結(jié)構(gòu)層均采用了C3D8R實體單元，單元網(wǎng)格劃分時在面層施加荷載位置處一定范圍內(nèi)采取局部加密，基層、功能層和地基的網(wǎng)格劃分在平面上與面層相同，使節(jié)點相互對應(yīng)提高計算精度。

2 功能層對路面結(jié)構(gòu)的受力影響分析

2.1 豎向位移對比分析

增設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層時路面結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖，如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出，設(shè)了CA砂漿功能層后，路表最大彎沉值有所下降，對于半剛性基層路面最大彎沉值由0.4407mm下降為0.3715mm,下降了15.7%。由于水泥混凝土面板的剛度要遠(yuǎn)大于基層及土基的剛度，所以路表的彎沉主要來自于基層和土基的變形。設(shè)CA砂漿功能層后路表最大彎沉值降低，證明了CA砂漿功能層具有吸收和傳遞荷載，減小路面結(jié)構(gòu)基層及基層以下部分所受荷載應(yīng)力的作用，從而可以有效抑制基層塑性變形的發(fā)展。

圖3 無功能層時路面彎沉云圖

圖4 增設(shè)功能層時路面彎沉云圖

2.2 面層應(yīng)力對比分析

增設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層時路面結(jié)構(gòu)面層底最大主應(yīng)力云圖，如圖5、圖6所示，面層最大主應(yīng)力值變化情況見表3。

圖5 無功能層時面板底應(yīng)力云圖

圖6 設(shè)功能層時面板底應(yīng)力云圖

荷載應(yīng)力面層層底最大拉應(yīng)力(MPa)面層最大壓應(yīng)力(MPa)不設(shè)功能層0.7150.3157設(shè)功能層0.14520.2564變化幅度-79.7%-22.2%

由圖5、圖6及表3可知，對于半剛性基層水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，不設(shè)CA砂漿功能層時，面板底部在輪載作用位置、輪跡中心、輪系中心附近及非荷載作用側(cè)的板邊緣上均受拉應(yīng)力的作用，且在板邊緣輪載作用位置下受到的拉應(yīng)力最大，其值為0.7154MPa，其它位置以受壓為主，整個面板所受壓應(yīng)力的最大值為0.3157MPa；設(shè)CA砂漿功能層后面板底面應(yīng)力重分布，輪載作用位置、輪跡中心附近轉(zhuǎn)為受壓，而包括輪系中心附近在內(nèi)的板的其它位置都受拉，但拉應(yīng)力卻整體變小，在板邊緣輪載作用位置的前后兩側(cè)拉應(yīng)力最大，其值為0.1452MPa，而整個面板所受壓應(yīng)力的最大值為0.2654MPa，較不設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分別降低了79.7%、22.2%。這是因為CA砂漿是由水泥砂漿和乳化瀝青拌制而成的，其彈性模量在200～600MPa范圍內(nèi)(本文為465MPa)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥混凝土的彈性模量(約為31000MPa)，其模量比約為1∶66.67，明顯起到了吸收荷載，分散受力的效果，同時對面層的約束減小，板底應(yīng)力集中現(xiàn)象也得到改善。

2.3 基層應(yīng)力對比分析

增設(shè)與不增設(shè)CA砂漿功能層時路面結(jié)構(gòu)基層底最大主應(yīng)力云圖，如圖7、圖8所示，基層最大主應(yīng)力值變化情況見表4。

圖7 無功能層時基層底應(yīng)力云圖

圖8 設(shè)功能層時基層底應(yīng)力云圖

荷載應(yīng)力基層底最大拉應(yīng)力(MPa)基層最大壓應(yīng)力(MPa)不設(shè)功能層0.18330.04430設(shè)功能層0.13090.005125變化幅度-28.6%-88.4%

由圖7、圖8及表4可知，對于半剛性基層水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，不設(shè)CA砂漿功能層時基層底部在輪載作用位置，輪跡中心、輪系中心附近的區(qū)域受拉應(yīng)力的作用，其中邊緣荷載作用位置處所受拉應(yīng)力最大，其值為0.1833MPa；設(shè)CA砂漿功能層后基層底部在輪載作用位置，輪跡中心、輪系中心附近的區(qū)域同樣受拉應(yīng)力的作用，但拉應(yīng)力值整體降低，邊緣荷載作用位置處所受拉應(yīng)力同樣最大，其卻值下降為0.1309MPa，下降了28.6%，基層受到的壓應(yīng)力也下降，壓應(yīng)力的最大值由不設(shè)CA砂漿功能層時的0.04430MPa下降為0.005125MPa

下降了近88.4%。

設(shè)CA砂漿功能層后基層的受力狀況明顯得到改善，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均下降，且壓應(yīng)力的降低幅度明顯大于拉應(yīng)力。可見，設(shè)置在基層與水泥混凝土面板之間的CA砂漿功能層具有應(yīng)力吸收層功能，這是因為CA砂漿是剛?cè)釓?fù)合型材料，其耗散荷載的能力強(qiáng)，荷載傳到CA砂漿功能層后大部分被耗散掉了，使傳到基層的荷載變小，由于基層所受壓應(yīng)力大大降低，基層塑性累積變形降低，層底脫空現(xiàn)象得到控制；加之柔性材料對基層的約束變小，所以基層受到的拉應(yīng)力自然也變小，效果是延緩了基層裂縫的生成、抑制了反射裂縫的向上延伸。

3 結(jié) 語

(1)設(shè)CA砂漿功能層后，半剛性基層水泥混凝土路面最大彎沉值降低了15.7%，說明CA砂漿功能層具有吸收和耗散荷載，減小路面基層及基層以下部分所受荷載應(yīng)力的作用，從而可以有效抑制基層塑性變形的發(fā)展。

(2)設(shè)CA砂漿功能層后，面層所受最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分別降低了79.7%、22.2%，對面層所受拉應(yīng)力的改善作用較為明顯。CA砂漿功能層起到了擴(kuò)散荷載，分散受力的效果，加之作為半柔性材料的CA砂漿功能層對面層的約束減小，板底應(yīng)力集中現(xiàn)象也得到改善。

(3)設(shè)CA砂漿功能層后基層的受力狀況明顯得到改善，最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分別下降了28.6%、88.4%，對基層所受壓應(yīng)力的改善作用更為明顯。設(shè)置在基層與水泥混凝土面板之間的CA砂漿功能層具有應(yīng)力吸收層的功能，可通過減少基層的塑性變形控制層底脫空現(xiàn)象，還可以延緩基層裂縫的生成、抑制反射裂縫的延伸。

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