盧劍 顏麗波
摘要 在我國道路發(fā)展過程中,水泥混凝土路面得到了廣泛應用。水泥混凝土受到環(huán)境和其他因素的影響,常出現(xiàn)裂縫等病害。隨著裂縫的不斷發(fā)展,路面會出現(xiàn)斷板現(xiàn)象。嚴重制約了施工和維護的進度,影響了路面的使用壽命,不僅浪費了資源還影響了道路的通行能力。主要是溫度和荷載的作用導致路面產生裂縫,因此文章進行了以下分析:路面裂縫的數值分析、K值的影響因素分析、溫度和荷載作用下的裂縫分析、路面結構的疲勞壽命分析。通過以上內容分析,為路面裂縫的研究提供了理論和方法。
關鍵詞 裂縫;斷板;使用壽命;疲勞壽命
中圖分類號 U416.216 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949(2022)05-0126-03
0 引言
我國二級以下道路的路面結構多數采用水泥混凝土路面。隨著交通量的增長,水泥混凝土路面已無法滿足行車穩(wěn)定性要求。一些高等級道路路面已經開始出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象,甚至出現(xiàn)結構性斷裂,成了“搓板路”[1]?;炷谅访嬖谑褂贸跗?,存在較大的張拉應力,導致路面出現(xiàn)裂縫。影響路面的強度和耐久性,甚至縮短路面的使用壽命[2]。在實際工程中,路面處于帶裂縫工作狀態(tài),導致道路出現(xiàn)嚴重損壞。目前我國對于水泥混凝土路面裂縫和疲勞壽命研究較為單一,未能將二者結合。針對該課題的不足,該文進行了相關研究。
1 路面裂縫數值分析
路面結構是否能夠安全使用,應對裂縫的發(fā)展程度進行分析。斷裂力學中將裂尖處的應力強度因子作為評價裂縫發(fā)展程度的評價指標,對裂縫的發(fā)展速率進行了確定。
荷載作用時,通過裂縫的失穩(wěn)擴展方式可將裂縫分為以下幾類:張開型裂縫(裂縫強度因子為KⅠ)、剪切型裂縫(裂縫強度因子為KⅡ)、撕開型裂縫(裂縫強度因子為KⅢ)[3]。通過對實際工程研究表明:撕開型(Ⅲ型)裂縫較少,因此該文只分析張開型裂縫和剪切型裂縫。
當正應力作用時,KⅡ為0,偏荷載作用時,KⅠ和KⅡ均不為0。通過對裂尖的應力強度因子K值進行計算,可得到其變化規(guī)律。K值和裂縫尖端正應力變化如圖1和圖2所示。
通過對圖1和圖2進行分析可知:正荷載作用下,KⅠ的變化規(guī)律為先增大后減小。且KⅠ的最大值出現(xiàn)在裂縫深度為6 cm處,相對于初始裂縫2 cm,KⅠ值增加了34%。
在偏載作用下KⅡ值和裂縫深度呈正相關。相比于裂縫寬度為2 cm時,裂縫寬度為18 cm時,KⅡ值增加了309%。
裂縫處正應力值隨裂縫深度增加表現(xiàn)為先增加后減小的規(guī)律,且最大值為1.26 MPa,出現(xiàn)在裂縫深度為6 cm時;最小值為?0.169 MPa,出現(xiàn)在裂縫深度為18 cm時。該數值表明裂縫深度為18 cm時,裂縫尖端受壓,當行車荷載作用時,路面板的底部表現(xiàn)為受拉,頂部表現(xiàn)為受壓。
2 K值影響因素分析
正荷載和偏荷載同時作用時,面層模量增大,KⅠ值也增大,說明面層模量會使張開型裂縫發(fā)展[4]。
偏載作用時,面層模量增大,KⅡ值也增大。當路面裂縫深度由2 cm增加到6 cm時,面層模量明顯增加,此時模量為5 500 MPa,此時對應的KⅠ值增加至0.014 4 MPa·m1/2,KⅡ值增加至0.004 6 MPa·m1/2。隨著面層裂縫深度的增加,由2 cm增加到18 cm時,此時對應的KⅠ值增加至0.005 8 MPa·m1/2,KⅡ值增加至0.001 4 MPa·m1/2。通過以上數值對比表明:隨著面層模量的增大,對裂縫開裂前期的影響較大。
在正荷載和偏荷載共同作用下,面層厚度增大,KⅠ值也增大。說明面層厚度會使張開型裂縫發(fā)展。偏載作用時,面層厚度增大,KⅡ值減小,表明面層厚度增大能夠減緩剪切型裂縫的發(fā)展。增大面層厚度,對KⅠ值前期的影響小于后期影響,而對KⅡ的影響恰恰相反。
基層模量和厚度對K值的影響:在正荷載和偏荷載共同作用時,基層模量增加,KⅠ、KⅡ值降低,表明增加基層模量可以有效抑制裂縫的發(fā)展,且抑制作用在裂縫發(fā)展后期較為明顯。
底基層模量和厚度對K值的影響:在正荷載和偏荷載共同作用時,底基層模量增加,KⅠ值降低;在正荷載和偏荷載共同作用時,底基層模量增加,KⅡ值降低。表明增加底基層的模量可以有效抑制裂縫的發(fā)展,且抑制作用在裂縫發(fā)展整個階段較為平衡。
在正荷載和偏荷載共同作用時,底基層厚度增加,KⅠ、KⅡ值減小。表明底基層厚度增加可以抑制路面裂縫的發(fā)展。當基層厚度增加,裂縫發(fā)展減緩,但減緩程度較小。底基層厚度增加,對裂縫發(fā)展階段影響較為均衡[5]。
3 溫度與荷載耦合下的裂縫分析
3.1 溫度對K值的影響
采用軸載為100 kN,計算選用氣溫條件為:低溫條件(1月)和高溫條件(7月)。此時選取K值作為一天中最不利時刻的影響值。在低溫條件和高溫條件下,正荷載和偏荷載以及溫度應力共同作用下,KⅠ值比荷載單獨作用時有所增長,且增長幅度較大。當裂縫深度為2 cm時,低溫條件下,耦合作用下的KⅠ值比單荷載作用的KⅠ值大0.093 5 MPa·m1/2;高溫條件下,耦合作用下比單荷載作用下,KⅠ值增大0.074 5 MPa·m1/2。偏載耦合作用下,KⅡ值與荷載單獨下的KⅡ值相同,表明溫度荷載對KⅡ值無影響。
3.2 超載對K值的影響
該文中超載模型中設置行車荷載,共設置6種工況,行車荷載從100 kN每間隔20 kN增長,最大值為220 kN。分別對荷載等效應力強度因子、荷載和溫度共同作用下等效應力強度因子進行計算,公式如下所示[6]。
(1)
式中:KⅠ表示張開型應力強度因子;KⅡ表示剪切型應力強度因子;KⅢ表示撕開型應力強度因子;μ表示強度因子的影響因子。
通過計算結果可知:裂縫擴展時,Ke值先增大后減小。偏載作用下,Ke比正荷載時較大。溫度與荷載共同作用時,Ke值比單獨作用荷載時大很多。裂縫深為6 cm時,低溫條件下,200 kN的正荷載作用下Ke=0.277 MPa,比標準荷載下的Ke值增加了136.7%,該現(xiàn)象表明:超載和溫度共同作用時,使裂縫開裂加速。
4 路面結構疲勞壽命分析
4.1 面層參數的影響
選擇不同的面層模量在正荷載和偏荷載作用下,計算路面的疲勞壽命,結果如表1所示。
選擇不同的面層厚度,分別計算正荷載和偏荷載作用下路面的疲勞壽命,結果如表2所示。
通過表2以看出:路面的疲勞壽命在正荷載與偏載作用下,呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律。隨著水泥路面面層模量的增加,路面的疲勞壽命反而降低。面層模量由28 GPa變化到335 GPa時,正荷載下的路面疲勞壽命降低了21.5%。偏載作用下的路面疲勞壽命降低了21.4%。通過數值變化規(guī)律表明,通過增加路面的彈性模量,會導致疲勞壽命降低。
通過表2可以看出:面層結構厚度由24 cm增加到32 cm時,正荷載作用下,路面疲勞壽命提高了73.1%。在偏載作用下,面層結構厚度由24 cm增加到32 cm時,路面疲勞壽命提高了77.3%。研究表明,通過增加水泥混凝土面層厚度,能夠有效提高路面的疲勞壽命。
該文通過相同方法對基層參數、底基層參數、土基參數對疲勞壽命的影響進行了分析,結果如表3所示。
基層參數:基層模量由1 000 MPa變化到1 800 MPa時,正荷載下的路面疲勞壽命增加了11.5%。偏荷載下的路面疲勞壽命增加了13%。數值變化規(guī)律表明提高基層模量對路面的疲勞壽命影響程度較小。
基層厚度由20 cm變化到28 cm時,正荷載下的路面疲勞壽命降低了8.5%。偏荷載下的路面疲勞壽命降低了8.7%。說明基層厚度增大,路面疲勞壽命降低,雖然降低程度較小,但說明基層厚度不是越大越好。
底基層參數:底基層模量由900 MPa變化到1 700 MPa時,正荷載下的路面疲勞壽命增加了9.2%。偏荷載下的路面疲勞壽命增加了9.8%。數值變化規(guī)律表明提高底基層模量對路面的疲勞壽命影響程度較小。
底基層厚度由20 cm變化到28 cm時,正荷載下的路面疲勞壽命增加了6.6%。偏荷載下的路面疲勞壽命增加了7.7%。說明底基層厚度增大,路面疲勞壽命提高,但提高幅度較小。
4.2 溫度與荷載耦合作用的影響
設定標準軸載為100 kN,在荷載與溫度耦合作用下,Ke表達式如下所示。
低溫條件下(1月份)的荷載與溫度耦合作用:
上式中:a表示裂縫擴展深度,單位為cm,R表示公式擬合因子。
高溫條件下(1月份)的荷載與溫度耦合作用:
通過計算結果可知:溫度與荷載共同作用時,裂縫長度不斷增長,疲勞荷載的作用次數也開始增加。但增加幅度越來越低。
4.3 超載作用的影響
采用起始行車荷載100 kN,按照20 kN的增長量逐級加載,直至荷載增加到220 kN作為最終研究荷載,在荷載逐級加載過程中車輛耦合作用與溫度影響共同作用下,水泥混凝土路面結構疲勞壽命變化如下:
行車荷載由100 kN按照逐級加載20 kN的增長量增長到220 kN時。在正荷載作用下,混凝土路面結構的疲勞壽命降低了96.8%。路面在偏載作用下,疲勞壽命降低了97%。
溫度較低的環(huán)境中,由于路面結構的溫縮變形與正荷載的耦合作用,路面的疲勞壽命降低了99.1%。溫度與偏載作用下,疲勞壽命降低了99.5%。以上數值變化表明超載和溫度荷載對路面疲勞壽命影響較為嚴重,加快了裂縫的發(fā)展,縮短了路面使用年限。
5 結語
該文通過對水泥混凝土路面進行數值模擬分析,得出以下結論:
(1)水泥混凝土路面結構在正荷載作用下,KⅠ的最大值出現(xiàn),此時裂縫深度為6 cm。在偏載作用下,KⅡ值隨裂縫深度增加而增大。在裂縫深度增加過程中,裂縫位置的正應力先增加后減小。面層厚度增大能夠減緩剪切型裂縫的發(fā)展;面層彈性模量的增大,對裂縫發(fā)展初期影響較大。超載和溫度共同作用時,使裂縫開裂加速。
(2)面層彈性模量的增加,路面厚度影響疲勞壽命,路面厚度與疲勞壽呈正相關。通過對表3進行分析可知:提高基層和底基層模量,對路面疲勞性能影響較小。溫度與荷載共同作用使裂縫不斷增大。超載和溫度荷載加快了裂縫的發(fā)展,縮短了路面使用年限。
參考文獻
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