位可可， 王笑風， 萬晨光， 楊 博， 褚付克

（1.交通運輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心，鄭州 450000；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，鄭州 450000）

改革開放以來，我國交通事業(yè)發(fā)展迅猛，路面等級不斷提高，其中水泥混凝土路面憑借其強度大、穩(wěn)定性高、耐久性好等優(yōu)點已在公路建設(shè)中廣泛應(yīng)用. 然而，由于唧泥翻漿、路基不均勻沉降、超載等原因，極易導(dǎo)致路面板底與基層之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，如果不能及時對脫空進行處理，將導(dǎo)致混凝土面板開裂甚至出現(xiàn)斷板，斷裂后的路面板板體，在地表水和車輛荷載的共同作用下又重新加速了新的脫空和新的斷裂產(chǎn)生，最終造成混凝土路面破碎，喪失承載能力［1］.

針對水泥混凝土路面板底脫空修復(fù)方法主要包含兩種：沖擊壓穩(wěn)處治技術(shù)［2-3］和水泥壓漿方法［4］. 沖擊壓穩(wěn)處治技術(shù)是采用專用沖擊壓穩(wěn)設(shè)備將舊路面板破碎，然后碾壓使破碎塊牢固嵌擠在基層頂面上，用作新建路面基層，該方法適用于大規(guī)模脫空病害處置；水泥壓漿方法是在混凝土面板底脫空部位鉆孔，通過注漿管利用高強壓力將水泥漿壓入脫空空隙，水泥漿凝固后產(chǎn)生強度，恢復(fù)路面使用性能，延長路面壽命，是目前高等級水泥混凝土路面養(yǎng)護中應(yīng)用最為廣泛的一種方法. 但是水泥注漿也存在漿液流動性差，需要養(yǎng)生等問題.

高聚物注漿技術(shù)是近年來興起的一種高速公路深層病害快速修復(fù)技術(shù)，通過對混凝土路面結(jié)構(gòu)病害部位注射多組分高聚物材料，利用高聚物材料發(fā)生聚合反應(yīng)后體積迅速膨脹并固化的特性，實現(xiàn)對空洞的快速填充以及對沉陷混凝土板的抬升，從而恢復(fù)水泥混凝土路面使用性能. 相比于傳統(tǒng)水泥混凝土路面維修方法，高聚物注漿技術(shù)具有如下優(yōu)點：①施工快捷，養(yǎng)護周期短（高聚物材料反應(yīng)15 min即可達到最終強度的90%以上）；②材料具有自膨脹性（最高可達25 倍），實現(xiàn)對裂隙或空隙的填充和沉陷混凝土板的抬升；③注漿孔?。ㄖ睆?6 mm），對路面結(jié)構(gòu)破壞??；④材料自重輕，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加荷載??；⑤具有較高的抗拉和抗壓強度.

目前高聚物注漿技術(shù)研究主要集中在高聚物材料力學特性［5-12］及其在巖土體中的流動擴散填充加固機理方面［13-16］，對于交通荷載作用下高聚物注漿修復(fù)后水泥混凝土路面力學性能恢復(fù)狀態(tài)的研究很鮮見［17-21］.本文基于ABAQUS 有限元軟件建立水泥混凝土路面三維數(shù)值模型，通過在基層底部設(shè)置不同脫空面積、不同厚度脫空模型，分析交通動荷載作用下高聚物注漿修復(fù)前后路面結(jié)構(gòu)以及高聚物修復(fù)材料本身應(yīng)力變形規(guī)律，并將結(jié)果與水泥漿修復(fù)效果進行對比，驗證高聚物注漿修復(fù)效果，為水泥路面脫空病害高聚物注漿修復(fù)提供理論支持.

1 數(shù)值模型

1.1 道路幾何模型的建立

國內(nèi)外研究表明有限元計算方法可以準確可靠地進行水泥混凝土路面力學的計算分析，因此可利用ABAQUS有限元軟件建立三維水泥混凝土路面模型，路面結(jié)構(gòu)是由三種結(jié)構(gòu)材料組成，分別為：面層（水泥面板）、基層（水泥穩(wěn)定碎石）、壓實路基（如圖1），各結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1、2所示. 每塊面板尺寸為4 m×5 m；不考慮接縫材料傳荷問題，僅考慮傳力桿傳荷，將傳力桿采用梁單元模擬，取其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3.

圖1 水泥混凝土路面模型Fig.1 Cement concrete pavement model

表1 道路修復(fù)材料參數(shù)Tab.1 Road repair material parameters

表2 道路結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.2 Road structural material parameters

1.2 沖擊荷載的選擇

在脫空部位所對應(yīng)的面層中心點沖擊施加荷載，采用9 t的FWD作為沖擊荷載（如圖2），首先將沖擊荷載簡化為半正弦荷載，其荷載周期為32 ms，峰值為1.29 MPa.

2 模擬結(jié)果及彎沉試驗驗證

2.1 脫空面積對于路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律

該脫空部位設(shè)置在水泥面板下（基層），脫空面積分別設(shè)置為0.5、0.6、0.7、0.8 m2，并在脫空部位對應(yīng)的面層表面施加9 t 的FWD沖擊荷載. 圖3是面板表面彎沉值沿垂直于行車方向的變化曲線；圖4 是面板底所受最大拉應(yīng)力沿垂直于行車方向的變化曲線；表3表示高聚物修復(fù)材料和水泥漿修復(fù)材料在路面施加FWD沖擊荷載過程中所受的最大拉應(yīng)力. 路徑為0 m時，對應(yīng)的面板區(qū)域為FWD施加位置.

圖2 周期荷載變化曲線Fig.2 Change curve of periodic load

圖3 面板彎沉值沿垂直于行車方向變化曲線Fig.3 The deflection change curves of the panel along the vertical direction

圖4 板底拉應(yīng)力沿垂直于行車方向變化曲線Fig.4 The tensile stress change curves along the vertical direction at the bottom of the panel

表3 道路修復(fù)材料所受最大拉力Tab.3 The maximum tensile stress of the road repair materials 單位：MPa

從圖3～圖4可以看出，脫空未修復(fù)道路路表彎沉值和板底拉應(yīng)力值都隨脫空面積的增大而增大，且在高聚物注漿和水泥注漿的修復(fù)下，路表彎沉值和板底所受拉應(yīng)力均能得到有效的恢復(fù)，提高了路面承載力.

從表3可以看出，水泥漿層受最大拉應(yīng)力隨脫空面積的增大而減小，高聚物層受最大拉應(yīng)力隨脫空面積的增大略微增大，但增幅并不明顯，這是因為高聚物自身的變形協(xié)調(diào)的能力較強，而水泥漿屬于剛性材料、彈性模量較大，受力遠遠大于高聚物層的受力，極易出現(xiàn)被拉壞的現(xiàn)象，且自身的變形協(xié)調(diào)能力較弱.

2.2 脫空厚度對于路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律

將脫空厚度分別設(shè)置為0.01、0.02、0.03、0.04 m，并繪制路表彎沉和面板底拉應(yīng)力沿垂直于行車方向變化曲線及道路修復(fù)材料所受的最大拉應(yīng)力，分別如圖5，圖6，表4所示.

從圖5～圖6可以看出，脫空未修復(fù)道路路表彎沉值和板底拉應(yīng)力值隨脫空厚度的增大，其變化不明顯，因為路面脫空區(qū)域的水泥板如簡支梁一樣，簡支梁的受力狀況不受橋高的影響，但簡支梁的梁長會影響著本身的受力，這也說明了水泥混凝土路面出現(xiàn)基層脫空時，脫空厚度對水泥板受力影響不大，但脫空面積會影響著水泥板的受力狀況.

從表4可以看出，高聚物層和水泥漿層受最大拉應(yīng)力隨脫空厚度的增大而減小，從材料力學方面解釋，對于一塊板來說，在板上方施加一個垂直向下的力時，板的厚度越大，其所受的彎拉應(yīng)力越小.

圖5 面板彎沉值沿垂直于行車方向變化曲線Fig.5 The deflection change curves of the panelalong the vertical direction

圖6 板底拉應(yīng)力沿垂直于行車方向變化曲線Fig.6 The tensile stress change curves along the vertical direction at the bottom of the panel

表4 道路修復(fù)材料所受最大拉力Tab.4 The maximum tensile stress of the road repair materials 單位：MPa

2.3 交通荷載對于路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響規(guī)律

為了研究交通荷載對路面結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)的影響規(guī)律，保持脫空面積為0.4 m2，脫空厚度為0.01 m不變，并在脫空部位對應(yīng)的面層表面分別施加5 t、7 t及9 t的FWD沖擊荷載.

路表彎沉值和板底所受拉應(yīng)力沿垂直于行車方向的變化曲線見圖7，圖8.

圖7 面板彎沉值沿垂直于行車方向變化曲線Fig.7 The deflection change curves of the panel along the vertical direction

圖8 板底拉應(yīng)力沿垂直于行車方向變化曲線Fig.8 The tensile stress change curves along the vertical direction at the bottom of the panel

修復(fù)材料所受最大拉力如表5所示.

從圖7～圖8可以看出，三種路面類型的板底所受拉應(yīng)力值和路表彎沉值都隨著荷載的增大而增大，但脫空路面的增量最大，說明了路面在脫空狀態(tài)下的力學性能相對較差，若不及時修復(fù)，很可能出現(xiàn)斷板現(xiàn)象.

從表5可以看出，高聚物層和水泥漿層受最大拉應(yīng)力隨荷載的增大而增大，水泥漿層的增量要遠大于高聚物層的增量，且水泥漿硬化后屬于剛性材料，自身的協(xié)調(diào)變形能力較弱，在交通荷載的作用下極易出現(xiàn)被拉壞的狀況.

表5 道路修復(fù)材料所受最大拉力Tab.5 The maximum tensile stress of the road repair materials 單位：MPa

2.4 工程案例

本文依托山東威青高速公路脫空高聚物注漿修復(fù)工程案例，對存在脫空的水泥混凝土路面板部位進行了高聚物注漿修復(fù)，在注漿前后利用落錘式彎沉儀（FWD）對路面彎沉進行了檢測，現(xiàn)取該工程部分結(jié)果如表6，圖9，圖10.

表6 彎沉檢測結(jié)果Tab.6 The results of deflection test

圖9 K161+400樁號注漿前后路面彎沉Fig.9 The deflections of pavement before and after polymer grouting in the K161+400

圖10 K135+625樁號注漿前后路面彎沉Fig.10 The deflections of pavement before and after polymer grouting in the K135+625

從圖9～圖10可以得知，高聚物注漿有效地修復(fù)了脫空路面，提高了路面承載力；當交通荷載從5 t增加到9 t時，樁號K135+625和K161+400在脫空狀態(tài)下的路面彎沉增加量分別是123.4 μm和83.3 μm，而高聚物注漿修復(fù)修的路面彎沉增加量分別是84.2 μm和49.7 μm，都小于相對應(yīng)脫空狀態(tài)下的路面彎沉增加量，說明了脫空路面的力學性能較差，同時驗證了2.3節(jié)結(jié)論.

3 結(jié)論

本文基于有限元法建立了水泥混凝土路面三維數(shù)值模型，分析了路面脫空面積、脫空深度及交通荷載對路面力學性能的影響，得到以下結(jié)論：

1）路面脫空面積對路面力學的影響要大于脫空深度對路面力學響應(yīng)的影響；

2）路面在脫空狀態(tài)下的力學性能較差，若不及時修復(fù)，很可能出現(xiàn)斷板現(xiàn)象；

3）高聚物和水泥漿材料均能有效地修復(fù)脫空路面，但水泥漿層受力過大，抗拉強度較低，自身協(xié)調(diào)變形能力較差，在交通荷載的作用下極有可能被拉壞；而高聚物層受拉應(yīng)力值較小，其遠遠小于自身的抗拉強度，且自身協(xié)調(diào)變形能力好.