壓漿處治對(duì)舊水泥混凝土路面板力學(xué)響應(yīng)影響的數(shù)值模擬

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 陜西西安710055)

0 引言

隨著交通量的迅速增長(zhǎng)，以及超載重載車(chē)輛的影響，導(dǎo)致大多數(shù)水泥混凝土路面在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，板底基層將發(fā)生累積塑性變形，使得路面板底與基層間發(fā)生脫空現(xiàn)象[1-2]。針對(duì)水泥混凝土路面出現(xiàn)的板底脫空問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者將具有一定強(qiáng)度的壓漿材料通過(guò)無(wú)損技術(shù)注入脫空部位，以補(bǔ)償因板底脫空而失去的結(jié)構(gòu)層，通過(guò)板底壓漿處治使得路面板性能得到一定程度上的恢復(fù)，延長(zhǎng)路用性能[3-5]。

近年來(lái)國(guó)外對(duì)板底脫空后壓漿處治技術(shù)的研究較少[6]，相比而言國(guó)內(nèi)對(duì)板底壓漿的研究較多，王乾等[7]通過(guò)對(duì)板底脫空舊水泥混凝土路面板力學(xué)行為和板底脫空壓漿處治技術(shù)的研究,進(jìn)一步分析在荷載作用下不同路面板底壓漿位置、面積、漿體模量、路面板厚度和基層厚度等因素對(duì)壓漿處治路面板應(yīng)力和撓度的影響，得到不同壓漿材料的有效處治面積；童申家等[8-9]通過(guò)對(duì)兩種壓漿材料進(jìn)行試驗(yàn)研究得出兩種壓漿材料的脹縮性能、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；麻麗妹[10]引入自膨脹補(bǔ)償收縮理論對(duì)壓漿材料進(jìn)行改良，推薦無(wú)機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料適宜配合比，提出壓漿材料沖刷系數(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)有的壓漿處治主要集中在壓漿材料的性能方面，而對(duì)處治后水泥混凝土面板的力學(xué)性能研究不多，亟需進(jìn)行此方面的研究[11-13]。

鑒于此，本文通過(guò)ANSYS有限元軟件建立了靜載作用下壓漿處治水泥混凝土路面力學(xué)三維模型，系統(tǒng)分析了不同壓漿尺寸、壓漿厚度、壓漿模量、面層厚度、基層厚度和基層模量以及荷載大小下水泥混凝土面板的力學(xué)性能，明確了壓漿處治后的水泥混凝土路面力學(xué)性能演變規(guī)律，為今后如何選擇合適的壓漿材料確立了技術(shù)依據(jù)。

1 路面板底壓漿計(jì)算模型

1.1 材料參數(shù)設(shè)置

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D 40—2011)，采用彈性半空間地基有限元為基礎(chǔ)建立三維有限元模型，將水泥混凝土路面簡(jiǎn)化為面層，壓漿層，基層和土基，各層材料參數(shù)如表1所示[14]。

表1 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)Tab.1 Structure layer parameters of cement concrete pavement

壓漿材料種類(lèi)較多，不同的壓漿材料對(duì)板底脫空水泥混凝土面板的處治效果不同，本文采用漿體模量代表不同種類(lèi)的壓漿材料，參考規(guī)范對(duì)于水泥混凝土路面基層模量的規(guī)定，并考慮到注漿難易程度，分別采用100～1 000 MPa漿體模量的板底壓漿處治模型進(jìn)行計(jì)算分析。

1.2 模型構(gòu)建體系

在進(jìn)行有限元模擬過(guò)程中，邊界條件的簡(jiǎn)化會(huì)影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此須合理地設(shè)置模型的邊界條件，采用的基本假定為：

①有限尺寸的彈性地基模型是將地基看成是均質(zhì)的、各向同性的彈性半無(wú)限體;

②各結(jié)構(gòu)層層間位移連續(xù);

③基礎(chǔ)底面完全約束，面層、基層以及土基側(cè)面只有法向約束;

④不計(jì)重力的影響。

本文采用的網(wǎng)格劃分為：面層和壓漿層采用較密的網(wǎng)格100 mm×100 mm來(lái)滿足計(jì)算精度，基層采用200 mm×200 mm的網(wǎng)格尺寸，土基對(duì)路面板應(yīng)力影響較小，采用400 mm×400 mm的較大尺寸的網(wǎng)格來(lái)節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

壓漿層建立在舊水泥混凝土路面板脫空層基礎(chǔ)之上，為用戶關(guān)心的區(qū)域，需要對(duì)其進(jìn)行局部細(xì)化，利用ANSYS中的EREFINE(eleme～refine)功能，采用“相容”的網(wǎng)格加密技術(shù)。在網(wǎng)格劃分之前，需要將壓漿層先劃分成符合對(duì)應(yīng)網(wǎng)格劃分要求的小塊區(qū)域，然后再對(duì)各小塊區(qū)域進(jìn)行對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格劃分。

圖1 有限元計(jì)算模型
Fig.1 Finite element calculation model

圖2 脫空層壓漿模型
Fig.2 Stripping laminating model

1.3 壓漿形態(tài)及荷載條件

由路面板底脫空成因分析可知，脫空大都首先發(fā)生在路面板的板角或板邊處[15]，分別建立當(dāng)壓漿位置位于板角和板中時(shí)的三維有限元模型，計(jì)算結(jié)果如表所示，通過(guò)分析可知，水泥混凝土路面板在行車(chē)荷載作用下，板角壓漿對(duì)水泥混凝土路面板的影響最為明顯，此結(jié)果和文獻(xiàn)[10]、[14]和[15]得出的結(jié)果相同，而實(shí)際工程中板底脫空形狀為橢球體最接近演化實(shí)際情況。因此，本文最終選用位于板角上緣與脫空形狀為橢球體進(jìn)行壓漿處治從而進(jìn)行力學(xué)分析。

表2 壓漿位置等效應(yīng)力結(jié)果Tab.2 Equivalent stress results of grouting position

(a) 板底壓漿位于板角和板中路面板等效應(yīng)力云圖

(b) 板底壓漿位于板角和板中路面板豎向位移云圖

輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa。通常水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)分析時(shí)，BZZ-100簡(jiǎn)化為兩個(gè)長(zhǎng)192 mm(行車(chē)方向)和寬186 mm(垂直行車(chē)方向)的雙輪矩形垂直均布荷載，為便于有限元計(jì)算分析，將輪胎與路面的接觸面理想化為單輪長(zhǎng)寬均為200 mm的雙輪矩形輪載，輪間的距離為300 mm，雙輪組中心的間距為1 800 mm，輪載圖示和布載方式見(jiàn)圖4。

2 壓漿處治路面板力學(xué)行為分析

2.1 壓漿參數(shù)對(duì)壓漿處治路面板力學(xué)行為分析

為研究壓漿參數(shù)對(duì)壓漿條件下水泥混凝土路面板力學(xué)性能的影響，分別建立壓漿尺寸200～1 000 mm，壓漿厚度5～25 mm以及壓漿模量100～1 000 MPa的模型。其他結(jié)構(gòu)參數(shù)：面層厚度30 cm，荷載大小100 kN，基層彈性模量1 200 MPa，基層厚度20 cm。計(jì)算結(jié)果如表3，表4，表5和圖5所示。

表3 壓漿尺寸對(duì)路面板應(yīng)力及撓度影響計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of stress and deflection of road panel by grouting size

表4 壓漿厚度對(duì)路面板應(yīng)力及撓度影響計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of stress and deflection of road panel by grouting thickness

表5 壓漿模量對(duì)路面板應(yīng)力及撓度影響計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of stress and deflection of road panel by mold modulus

圖5 不同壓漿參數(shù)下水泥混凝土路面應(yīng)力和撓度曲線圖

由表3，表4，表5和圖5可知：

①在加入壓漿材料后，水泥混凝土面板的彎拉應(yīng)力和撓度隨壓漿尺寸和壓漿厚度的增大而增大，隨著壓漿模量的增大而減小。在壓漿處治前期，壓漿模量對(duì)水泥混凝土面板的彎拉應(yīng)力和撓度影響較壓漿尺寸和壓漿厚度大，且變化趨勢(shì)隨著壓漿尺寸、壓漿厚度和壓漿模量的增大而逐漸減弱。

②當(dāng)壓漿尺寸在200～1 000 mm以及壓漿厚度在5～25 mm時(shí)，壓漿處治后水泥混凝土面板的彎拉應(yīng)力增幅均未達(dá)4 %，而當(dāng)壓漿模量在100～1 000 MPa時(shí)，壓漿處治后水泥混凝土面板彎拉應(yīng)力減小了15.67 %，說(shuō)明壓漿模量對(duì)水泥混凝土面板的處治有較為明顯的影響。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓漿處治路面板力學(xué)行為分析

為研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓漿條件下水泥混凝土面板力學(xué)性能的影響，分別建立面層厚度24～32 cm，荷載大小100～180 kN，基層模量800～1 600 MPa以及基層厚度14～22 cm的模型。其他壓漿參數(shù)：處治尺寸1 000 mm，處治厚度10 mm，壓漿模量1 000 MPa。計(jì)算結(jié)果如表6，表7，表8和表9所示。

表6 面層厚度對(duì)路面板應(yīng)力及撓度影響計(jì)算結(jié)果Tab.6 Calculation results of stress and deflection of road panel by surface thickness

表7 荷載大小對(duì)路面板應(yīng)力及撓度影響計(jì)算結(jié)果Tab.7 Calculation results of stress and deflection of road panel by load size

表8 基層模量對(duì)路面板應(yīng)力及撓度影響計(jì)算結(jié)果Tab.8 Calculation results of stress and deflection of road panel by base modulus

表9 基層厚度對(duì)路面板應(yīng)力及撓度影響計(jì)算結(jié)果Tab.9 Calculation results of stress and deflection of road panel by base thickness

由表6，表7，表8和表9可知：

①研究壓漿處治水泥混凝土路面板面層厚度為24～32 cm、基層模量為800～1 600 MPa和基層厚度為14～22 cm時(shí)范圍內(nèi)，表中四種力學(xué)性能指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明面層厚度、基層模量以及基層厚度的遞增將改善了路面板受力狀態(tài)，相比較之下，隨著面層厚度的增大，壓漿處治后水泥混凝土面板彎拉應(yīng)力和撓度減小幅度分別為23.17 %和14.01 %，說(shuō)明面層厚度對(duì)改善水泥混凝土面板性能更為顯著。

②由于壓漿區(qū)域的存在，當(dāng)壓漿處治下水泥混凝土面板的交通荷載從100 kN增加到180 kN時(shí)，水泥混凝土面板的彎拉應(yīng)力和撓度增幅均超過(guò)80 %，在道路實(shí)際運(yùn)營(yíng)期間，當(dāng)重車(chē)比例(車(chē)輛軸載大于15 kN)達(dá)到40 %以上時(shí)，路面載荷為重等交通荷載水平，為避免水泥混凝土面板的疲勞脆裂，應(yīng)使用強(qiáng)度更高的水泥類(lèi)壓漿材料進(jìn)行板底壓漿處治，以提高壓漿處治路面板的路用性能。

3 結(jié)論

①通過(guò)分析壓漿尺寸，壓漿厚度及壓漿模量在壓漿處治后對(duì)水泥混凝土面板彎拉應(yīng)力和撓度的變化影響，當(dāng)壓漿厚度處于5～10 mm和壓漿尺寸處于200～600 mm時(shí)，對(duì)水泥混凝土面板力學(xué)行為影響較大，且壓漿尺寸對(duì)壓漿后水泥混凝土面板影響占據(jù)主導(dǎo)地位。

②通過(guò)研究面層厚度、基層厚度、基層模量和荷載大小對(duì)壓漿處治后水泥混凝土面板彎拉應(yīng)力和撓度的變化，在加入壓漿材料后，面層厚度和基層厚度對(duì)水泥混凝土面板力學(xué)性能影響較小，而當(dāng)荷載從100 kN增加到180 kN時(shí)，水泥混凝土路面板的應(yīng)力增幅在80 %以上，說(shuō)明荷載大小的變化對(duì)水泥混凝土路面板影響顯著。