剛?cè)釓?fù)合式路面水泥混凝土板接縫傳荷能力研究

羅亞朗

(廣東省交通運輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心 廣州 510420)

0 引 言

水泥混凝土板的接縫是剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)最薄弱位置之一，同時，水泥板接縫處會對瀝青加鋪層的受力產(chǎn)生重要影響[1-3]．因此，國內(nèi)外許多學(xué)者對水泥板接縫處的傳荷能力展開了研究[4-5]．Cheung等[6-7]將溫克勒地基有限元法應(yīng)用于分析水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)中，從而研究了混凝土接縫傳荷能力的計算公式．Tabatabaie[8]以溫克勒地基彈性薄板理論為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了梁單元模擬接縫傳荷作用．Huang[9]據(jù)此開發(fā)了KENSLABS混凝土路面有限元程序．William等[10]采用實體單元構(gòu)建混凝土路面有限元程序，Nishizawa等[11]基于該程序二次開發(fā)，實現(xiàn)了多自由度彈簧單元模擬混凝土板接縫傳荷能力．Swati等[12]采用有限元法研究了荷載、路面性能與接縫傳荷能力的關(guān)系．彭久東等[13]建立了雙層混凝土板模型，得到了基層厚度、層間摩擦系數(shù)對彎沉傳荷系數(shù)的影響．楊斌[14]自編了可計算考慮地基脫空因素下具備接縫傳荷能力的水泥混凝土板應(yīng)力場．蔣應(yīng)軍等[15]提出軸載和溫度的變化會增大傳力桿松動量，從而降低傳荷效率．張淑泉[16]指出水泥板兩側(cè)彎沉差課表征接縫傳荷能力，并給出了接縫剛度，水泥板厚度、模量等因素對彎沉響應(yīng)與接縫傳荷能力的影響．

以上研究在混凝土路面接縫傳荷能力方面已取得一定成果，但針對剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)中水泥混凝土板接縫傳荷機(jī)制、瀝青層對水泥板接縫傳荷能力的影響以及接縫剛度與路面彎沉的關(guān)系等方面的研究不多．基于此，文中建立了三維剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)模型，分析了路面結(jié)構(gòu)參量對水泥板傳荷能力的影響機(jī)理，展開彈簧剛度對水泥板接縫傳荷能力的影響分析，以期完善現(xiàn)有剛?cè)釓?fù)合式路面設(shè)計、施工及檢測方法．

1 建立有限元模型

1.1 路面結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

建立有限元模型，并對各結(jié)構(gòu)層做如下假設(shè)：①各結(jié)構(gòu)層為彈性體，且層間豎直、水平位移保持完全連續(xù)；②不計結(jié)構(gòu)自重．文中采用溫克勒地基模型，將路面結(jié)構(gòu)分為瀝青層和水泥混凝土板層，水泥混凝土板下的路面結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一用地基反應(yīng)模量表征．

采用剪切彈簧單元模擬接縫處的傳荷作用，水泥混凝土板接縫寬度為10 mm，傳力桿的直徑為32 mm，間距為0.3 m，根據(jù)Friber理論方法確定板中彈簧剛度q為2.08×109 N/m．地基反應(yīng)模量為50基準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1．

表1 基準(zhǔn)模型參數(shù)

1.2 FWD荷載場確定

落錘式彎沉儀(FWD)通常被用于道路結(jié)構(gòu)彎沉無損檢測中，在實際路面FWD加載過程中，儀器會在同一位置快速施加三次荷載，彎沉結(jié)果取平均值．因此，本次模型采用動力顯式的方法，分析步時間長度設(shè)置為0.3 s，每0.1 s完成一次荷載加載共計重復(fù)3次，并最終取平均值，荷載最大值為0.66 MPa．荷載幅值曲線見圖1，荷載作用位置見圖2．

圖1 FWD荷載幅值曲線

圖2 荷載作用位置

1.3 接縫傳荷能力計算

水泥混凝土板接縫處的傳荷能力，用傳荷系數(shù)表征，即

1) 彎沉傳荷系數(shù)

LTEw=w1/w2×100

(1)

2) 應(yīng)力傳荷系數(shù)

LTEσ=σ1/σ2×100

(2)

式中：LTEw、LTEσ分別為彎沉傳荷系數(shù)、應(yīng)力傳荷系數(shù)；w1、w2分別為受荷板彎沉、非受荷板彎沉；σ1、σ2分別為受荷板應(yīng)力、非受荷板應(yīng)力．

在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，提取改變參數(shù)后各個模型受荷板、非受荷板處的彎沉、應(yīng)力，計算相應(yīng)的彎沉傳荷系數(shù)、應(yīng)力傳荷系數(shù)并展開分析．

2 水泥板接縫傳荷能力分析

2.1 不同瀝青層模量對接縫傳荷能力的影響

確定瀝青面層模量為300，600，1 200，2 400，4 000和8 000 MPa，從而分析不同面層模量對水泥板層底拉應(yīng)力，彎沉傳荷系數(shù)的影響，計算結(jié)果見圖3．

圖3 水泥混凝土板不同系數(shù)隨瀝青層模量的變化

由圖3可知:增加面層模量雖然能夠減小水泥板所受的應(yīng)力及彎沉，從而有利于路面結(jié)構(gòu)受力，但水泥板的傳荷能力卻呈減小趨勢．

2.2 不同瀝青層厚度對接縫傳荷能力的影響

確定瀝青層面層厚度為0.04，0.08，0.12，0.16和0.2 m，從而分析不同面層厚度對水泥板層底拉應(yīng)力、彎沉傳荷系數(shù)的影響，計算結(jié)果見圖4．

圖4 水泥混凝土板不同系數(shù)隨瀝青層厚度的變化

由圖4可知：增加面層厚度可以有效的降低水泥板所受的應(yīng)力及彎沉，同時還可以提高水泥板的傳荷能力，但彎沉傳荷系數(shù)的增加幅度，隨著面層厚度的增加而降低，因此考慮到工程實際造價，并不建議一直提高瀝青面層厚度．

2.3 不同水泥板模量對接縫傳荷能力的影響

確定水泥板層模量為20 000，24 000，28 000，32 000和36 000 MPa，從而分析不同水泥板層層模量對水泥板層底拉應(yīng)力，彎沉傳荷系數(shù)的影響，計算結(jié)果見圖5．

圖5 水泥混凝土板不同系數(shù)隨水泥板模量的變化

由圖5可知：增加水泥板模量與增加瀝青層模量對路面應(yīng)力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)影響的作用相同，但考慮到研究對象為水泥板本身，因此相較于增加瀝青層模量，增加水泥板自身模量所引起的應(yīng)力、彎沉降低幅度更大．同時，談至明教授也在研究中指出，混凝土模量越小，其板間填縫料越容易脫落，即受荷板、非受荷板的彎沉越大，相較于混凝土路面，本文的剛?cè)釓?fù)合式路面中，這種現(xiàn)象會有所減緩．

2.4 不同水泥板厚度對接縫傳荷能力的影響

確定水泥板厚度為0.18，0.22，0.26，0.30和0.34 m，分析水泥板層厚度對水泥板層底拉應(yīng)力，彎沉傳荷系數(shù)的影響，計算結(jié)果見圖6．

圖6 水泥混凝土板不同系數(shù)隨水泥板厚度的變化

由圖6可知：相較于應(yīng)力，水泥板受荷板、非受荷板彎沉降低的幅度相近，因此彎沉傳荷系數(shù)降低的幅度并不大，同時受荷板、非受荷板的彎沉降低顯著，有助于延長路面使用壽命，增加結(jié)構(gòu)耐久性．

2.5 不同地基反應(yīng)模量對接縫傳荷能力的影響

確定地基反應(yīng)模量為50,100,150,200 MN/m3，分析不同地基反應(yīng)模量對水泥板層底拉應(yīng)力，彎沉傳荷系數(shù)的影響，計算結(jié)果見圖7．

圖7 水泥混凝土板不同系數(shù)隨地基反應(yīng)模量的變化

由圖7可知:相較于應(yīng)力，隨著地基反應(yīng)模量的增加，水泥板的各項彎沉指數(shù)急劇減小，因此，增加地基反應(yīng)模量雖然有利于降低路面彎沉，但同時也極大的降低了水泥板的傳荷能力．

2.6 不同摩擦系數(shù)對接縫傳荷能力的影響

確定層間摩擦系數(shù)為0、0.5、0.8、1，分析不同層間摩擦系數(shù)對水泥板層底拉應(yīng)力，彎沉傳荷系數(shù)的影響，計算結(jié)果見圖8．

圖8 水泥混凝土板彎沉、彎沉傳荷系數(shù)隨層間摩擦系數(shù)的變化

由圖8可知，摩擦系數(shù)由0增加到1時，受荷板、非受荷板的應(yīng)力彎沉各項參數(shù)變化不大，較為穩(wěn)定．

2.7 基于灰色理論的傳荷系數(shù)影響因素關(guān)聯(lián)度分析

采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，計算瀝青層模量、瀝青層厚度、水泥板模量、水泥板厚度、地基反應(yīng)模量、摩擦系數(shù)6種因素對應(yīng)力傳荷系數(shù)，彎沉傳荷系數(shù)的影響程度，結(jié)果見表2．

表2 關(guān)聯(lián)度數(shù)值

由表2可知，對于應(yīng)力傳荷系數(shù)，各因素影響程度大小依次為：瀝青層厚度>瀝青層模量>水泥板模量>水泥板厚度>地基反應(yīng)模量>層間摩擦系數(shù)；對于彎沉傳荷系數(shù)，各因素影響程度大小依次為：地基反應(yīng)模量>瀝青層厚度>瀝青層模量>水泥板模量>水泥板厚度>層間摩擦系數(shù)．

3 不同彈簧剛度對接縫傳荷能力的影響

依次模擬彈簧剛度q的值從lgq=n，n=1,2,…，11時的路面結(jié)構(gòu)，提取各個模型瀝青面層受荷處與非受荷處的彎沉、水泥板處受荷板和非受荷板處的彎沉進(jìn)行分析，結(jié)果見圖9～10．

圖9 水泥板接縫上部瀝青層和接縫處受荷板彎沉、未受荷板彎沉

由圖9～10可知:彈簧剛度增加對瀝青層處彎沉的影響更明顯，這是因為荷載直接作用于瀝青層，因此瀝青層處的彎沉波動更大．

瀝青層、水泥板接縫處的彎沉差隨彈簧剛度的變化呈S形曲線變化，拐點均出現(xiàn)在lgq=6和lgq=9的位置．當(dāng)lgq>9時，瀝青層和水泥板的彎沉差均較小，且十分接近，說明當(dāng)剛?cè)釓?fù)合式路面結(jié)構(gòu)剛開始通車運行時，彈簧剛度較大，傳荷性能較好，瀝青層的存在對水泥板接縫傳荷能力影響不大；隨著運營時間的增加，路面結(jié)構(gòu)間的抗剪性能逐漸降低，當(dāng)6

4 基于剛?cè)釓?fù)合式路面的接縫傳荷處控制指標(biāo)

美國瀝青協(xié)會提出的水泥混凝土路面接縫傳荷處控制指標(biāo)為：彎沉差要小于0.05 mm，彎沉均值要小于0.36 mm．基于我國國情，學(xué)者將該標(biāo)準(zhǔn)換算彎沉差要小于0.06 mm，彎沉均值要小于0.45 mm．但上述指標(biāo)均針對于水泥混凝土板的受荷板彎沉、非受荷板彎沉．但對于剛?cè)釓?fù)合式路面，考慮到水泥板上覆瀝青層，難以直接測量得到水泥板的各項彎沉指標(biāo)，只能測量得到瀝青層的彎沉指標(biāo)．因此根據(jù)圖10，文中提出剛?cè)釓?fù)合式路面板的接縫傳荷處控制指標(biāo)為：彎沉差小于0.02 mm時，路面結(jié)構(gòu)的接縫傳荷能力存在輕微損傷，可不采取相關(guān)處治措施；彎沉差小于0.065 mm時，路面結(jié)構(gòu)的接縫傳荷能力嚴(yán)重降低，必須盡快處理，否則水泥板的傳荷能力將急劇降低，嚴(yán)重時將出現(xiàn)脫空，極大的降低路面使用壽命．

圖10 彎沉差隨彈簧剛度的變化

5 結(jié) 論

1) 應(yīng)力傳荷系數(shù)隨著瀝青層模量、水泥板模量的增加而增加，隨著瀝青層厚度、水泥板厚度、地基反應(yīng)模量的增加而降低；彎沉傳荷系數(shù)隨瀝青層模量的增加而增加，隨瀝青層厚度、水泥板模量、水泥板厚度、地基反應(yīng)模量的增加而降低．

2) 提出各參數(shù)對應(yīng)力傳荷系數(shù)的重要程度排序依次為：瀝青層厚度>瀝青層模量>水泥板模量>水泥板厚度>地基反應(yīng)模量>層間摩擦系數(shù)；對彎沉傳荷系數(shù)的重要程度排序依次為：地基反應(yīng)模量>瀝青層厚度>瀝青層模量>水泥板模量>水泥板厚度>層間摩擦系數(shù)．

3) 采用彎沉差表征了不同彈簧剛度與水泥混凝土板接縫傳荷能力的內(nèi)在聯(lián)系．提出剛?cè)釓?fù)合式路面板的接縫傳荷處控制指標(biāo)為：彎沉差小于0.02 mm時，路面結(jié)構(gòu)的接縫傳荷能力存在輕微損傷，可不采取相關(guān)處治措施；彎沉差小于0.065 mm時，路面結(jié)構(gòu)的接縫傳荷能力嚴(yán)重降低，必須盡快處理．