趙艷玲

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、溫度穩(wěn)定性好、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而大量早期和近期修建的水泥混凝土路面斷板、錯(cuò)臺(tái)、唧漿、板底脫空等病害嚴(yán)重，翻修改建任務(wù)艱巨，嚴(yán)重制約了水泥混凝土路面的發(fā)展和使用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)水泥混凝土路面斷板、錯(cuò)臺(tái)、唧漿、板底脫空等病害主要是由于基層不良支撐引起的，在面層和基層間設(shè)置功能層是一種行之有效的解決方法[2]。功能層可以防止水泥漿滲入到基層，避免形成薄弱的層間過(guò)渡層，使面層與基層更接近連續(xù)接觸狀態(tài)，從而有改善層間受力狀態(tài)，防止水泥混凝土路面過(guò)早的出現(xiàn)各種病害。為改善水泥混凝土路面層間的不良接觸狀況，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者進(jìn)行了大量的探索，提出了很多措施，如在層間鋪筑塑料薄膜或土工布隔離層、瀝青混凝土功能層、橡膠瀝青應(yīng)力吸收層等等，這些本質(zhì)上都屬于功能層的范疇。塑料薄膜或土工布隔離層等這一類的材料雖然能防止層間過(guò)渡層的產(chǎn)生，但作用有限，施工質(zhì)量難以保證。瀝青混凝土功能層、橡膠瀝青應(yīng)力吸收層等這類的材料，一方面可以防止層間過(guò)渡層的產(chǎn)生，一方面可有效保護(hù)基層免受侵蝕，提高水泥路面的長(zhǎng)期使用性能，但施工工序復(fù)雜，受溫度影響大，造價(jià)較高[1]。

鑒于現(xiàn)有的層間功能層材料在工程實(shí)踐中并未達(dá)到理想的效果。做出新的嘗試，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(CA砂漿功能層)以構(gòu)成一種新型的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)。借助CA砂漿剛?cè)釓?fù)合型材料的特性，改善面板與基層之間的不良接觸問(wèn)題，防止水泥混凝土面板底部薄弱過(guò)渡層的產(chǎn)生，改善層間受力狀況。借助有限元軟件建立移動(dòng)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析設(shè)置CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)所受荷載應(yīng)力的變化，探討CA砂漿功能層的作用。

1 有限元模型的建立

1.1 建立路面結(jié)構(gòu)建模

(1)模型假設(shè)

借助有限元軟件建立路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，路面結(jié)構(gòu)由下到上分為地基基礎(chǔ)、基層、CA砂漿功能層、水泥混凝土面板四層結(jié)構(gòu)，假設(shè)各層為均勻、連續(xù)和各向同性的彈性體，層與層間變形協(xié)調(diào)，并且不考慮相鄰板塊間的相互作用[3]。

(2)本構(gòu)關(guān)系

CA砂漿功能層的本構(gòu)關(guān)系為粘彈性，采用Burgers模型來(lái)模擬，其他層的本構(gòu)關(guān)系均為線彈性。

(3)網(wǎng)格劃分

路面結(jié)構(gòu)各層均采用C3D8R實(shí)體單元，單元網(wǎng)格劃分時(shí)，按照距離荷載移動(dòng)帶的遠(yuǎn)近，由疏到密。

(4)邊界條件

將地基視為彈性半空間體，通過(guò)收斂性分析，取為有限尺寸，其他各結(jié)構(gòu)層尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求取定。路基底面施加固定約束，路基、基層、CA砂漿功能層四周施加水平方向的約束，面層四周均為自由面[3]。

1.2 移動(dòng)荷載的施加

移動(dòng)荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，具體參數(shù)如表1所示。

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(zhǎng)方形接觸面，轉(zhuǎn)換后單個(gè)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)輪隙間距調(diào)整為1.8m，這樣就將行駛的車輛輪載等效簡(jiǎn)化為移動(dòng)的垂直均布矩形荷載[4]。在荷載移動(dòng)方向上設(shè)置橫向的寬度與均布荷載寬度相同荷載移動(dòng)帶，荷載移動(dòng)帶的縱向長(zhǎng)度為車輛行駛的距離，再將荷載移動(dòng)帶劃分為許多小矩形，利用Fortran語(yǔ)言編寫VDLOAD用戶子程序，設(shè)置多個(gè)荷載步，每個(gè)荷載步結(jié)束時(shí)，荷載整體向前移動(dòng)一個(gè)小矩形面積，荷載的移動(dòng)速度可以通過(guò)設(shè)置每個(gè)荷載步的時(shí)間大小來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。移動(dòng)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)模型圖如圖1所示。

圖1 移動(dòng)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)模型

2 移動(dòng)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

分別建立了移動(dòng)荷載作用下設(shè)置和未設(shè)置CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行路面豎向位移、面層應(yīng)力、基層應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比分析，研究CA砂漿功能層的作用。

2.1 豎向位移對(duì)比分析

設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)豎向位移隨車輛荷載移動(dòng)的變化情況以及最大彎沉值對(duì)比情況分別如圖2、圖3所示。

圖2 路面結(jié)構(gòu)豎向位移變化曲線

圖3 兩種路面結(jié)構(gòu)最大彎沉值

由圖2可知，隨著車輛荷載的移動(dòng)，設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)豎向位移值變化趨勢(shì)基本相同，而在整個(gè)加載過(guò)程中，設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)豎向位移值總是要小于不設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出設(shè)CA砂漿功能層后路面結(jié)構(gòu)最大彎沉值由0.845mm變?yōu)?.6409mm，減小了24.2%左右。

2.2 面層應(yīng)力對(duì)比分析

設(shè)CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)面層層底最大拉應(yīng)力隨著荷載的移動(dòng)變化情況如圖4所示。

圖4 面層層底最大拉應(yīng)力的變化曲線

由圖4可知，設(shè)CA砂漿功能層后，面層層底最大拉應(yīng)力較不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)降低，且面層層底最大拉應(yīng)力的波動(dòng)幅度及波動(dòng)周期變大，從圖上還可以看出，設(shè)CA砂漿功能層后，面層層底最大拉應(yīng)力峰值由不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)的1.002MPa下降為0.8845MPa，下降了11.7%。

水泥混凝土路面面板的橫向、縱向斷裂一般都是由于拉應(yīng)力超過(guò)極限彎拉應(yīng)力造成的，因此分析設(shè)CA砂漿功能層前后水泥混凝土路面面板水平方向上的拉應(yīng)力，對(duì)于研究CA砂漿功能層的作用機(jī)理十分必要。設(shè)CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)水平方向的拉應(yīng)力變化情況如圖5、圖6所示。

圖5 面層底沿著荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

圖6 面層底垂直荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

由圖5、圖6可以看出，隨著荷載的移動(dòng)，設(shè)CA砂漿功能層后，面層底沿著荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力及垂直荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力總是低于不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)的值，而變化規(guī)律相似。從圖上還可以看出，在加載過(guò)程中，增設(shè)CA砂漿功能后面層垂直荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力峰值由0.5865MPa下降為0.3569MPa，下降了39.1%，而面層沿著荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力峰值由0.9995MPa降低到0.2806MPa，降幅達(dá)71.9%。可見，增設(shè)CA砂漿功能層后面層層底水平方向上受拉狀況明顯得到改善。

2.3 基層應(yīng)力對(duì)比分析

設(shè)CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)基層層底最大拉應(yīng)力隨著荷載的移動(dòng)變化情況如圖7所示。

由圖7可知，設(shè)CA砂漿功能層后，基層層底最大拉應(yīng)力降低，基層層底最大拉應(yīng)力的變化規(guī)律與不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)大體相同。由圖還可以看出，在輪載的移動(dòng)時(shí)間內(nèi)，設(shè)CA砂漿功能層后，基層層底最大拉應(yīng)力峰值由不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)的0.2931MPa下降為0.2017MPa，下降了約31.2%。

設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)基層水平方向的拉應(yīng)力變化情況如圖8、圖9所示。

圖8 基層底沿著荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

圖9 基層底垂直荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

由圖8、圖9可以看出，設(shè)CA砂漿功能層后，基層底沿著荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力及垂直荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力均降低，二者的變化規(guī)律變化不大。還可以看出，增設(shè)CA砂漿功能后基層垂直行車方向上的拉應(yīng)力峰值由0.2929MPa下降為0.2016MPa，下降了31.2%，而基層沿著荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力峰值由0.1951MPa降低到0.1147MPa，降幅達(dá)41.2%?？梢娫鲈O(shè)CA砂漿功能層后基層層底水平方向上受拉狀況明顯得到改善，可有效抑制基層裂縫的生成。

3 結(jié)論

(1)設(shè)CA砂漿功能層后路面結(jié)構(gòu)最大彎沉值減小了24.2%左右?？梢奀A砂漿具有緩沖和擴(kuò)散荷載的作用，有利于減小地基沉降變形，防止層間脫空現(xiàn)象的出現(xiàn)。

(2)設(shè)CA砂漿功能層后，面層層底最大拉應(yīng)力、面層垂直行車方向上的拉應(yīng)力、面層沿著荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力均有所降低，其中沿著荷載移動(dòng)方向的拉應(yīng)力降幅最大。可見，增設(shè)CA砂漿功能層后面層的受力狀況，尤其是面層層底水平方向上受拉狀況明顯得到改善，這將很大程度上降低路面早期開裂的概率，大大延長(zhǎng)水泥混凝土路面的使用壽命。

(3)設(shè)CA砂漿功能層后，基層層底最大拉應(yīng)力、基層垂直行車方向上的拉應(yīng)力、基層沿著荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力均有所降低，其中基層沿著荷載移動(dòng)方向的拉應(yīng)力降幅最大?？梢姡O(shè)CA砂漿功能層后基層水平方向上受力狀況明顯得到改善，可有效抑制基層反射裂縫的生成。