脱空对水泥混凝土路面接缝传荷能力的影响.pdf

第 3 5卷 ， 第 3期 2 0 1 0年 6月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 3 5．No． 3 J u n．， 2 0 1 0 脱 空对水 泥混凝土路面接缝传 荷能力的影响 田小 革 ， 姚飞 ，张淑泉 ( 长沙理工大学 交通运输工程学院 ，湖南 长沙4 1 0 0 0 4 ) [ 摘要 ]水 泥混凝土路面为了减少 温度开裂及干缩开裂， 设置了接缝 ， 而接缝却成 了水 泥混凝土路面最薄弱 的部分。接缝的传荷能力对于水泥混凝 土路 面的路用性能和使用寿命 ， 以及对于旧水泥凝 土路 面的罩面设计及其 使用寿命具有较 大的影响 。为此 ， 在确定 了脱空模型之后分别 对其进行动 静荷载作用 下的分析 ， 找 出了不 同接缝 模量和脱空尺寸对受荷板脱空 、 受荷板和未受荷板同时脱 空时接缝传荷系数 L 的影 响规律 。分析表明 ： 对 于同一 脱空尺寸下 ， 接缝模量 的增大对接缝的传荷能力的增加是单调的 ； 对于同一接缝模量下 ， 对于单板下 的脱 空来说脱 空尺寸为 0 ． 8 m是脱空 尺寸与 L 对应关系的一个拐点 ， 而对于双板脱空则不然 ， L 是随着脱空尺寸的增 大而增大 的。 [ 关键词]水泥混凝土路 面 ； 脱空 ； 接缝传荷系数 ；有限元 [ 中图分类号]U 4 1 6 ． 2 1 6 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 6 7 4 — 0 6 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 3 — 0 0 2 4 — 0 4 Th e Effe c t s o f Co n c r e t e Pa v e m e n t Vo i d o n Lo a d Tr a n s f e r Effic i e n c y o f J o i n ts TI AN Xi a o ge，YAO Fe i ，ZHANG Sh uqua n ( S c h o o l o f T r a ffic a n d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ，C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， C h a n g s h a，Hu n a n 4 1 0 0 0 4，C h i n a ) 0 引言 [ Ke y w o r d s ]c e m e n t c o n c r e t e p a v e me n t ； v o i d ； l o a d t r a n s f e r e ffic i e n c y ； f i n i t e e l e me n t m e t h o d 接缝 的传荷 能力 L T E( L o a d T r a n s f e r E f f i c i e n c y ) 定义为混凝土路面板的接缝所具有 的， 将车轮荷载 由接缝一侧直接承受荷载的板块向接缝另一侧非直 接承受荷载的板块进行传递的能力。表征传荷能力 的直接指 标应该 是 接缝 两 侧 所承 受 的 荷载 之 比值 。 接缝的传荷能力可用传荷系数表征 ， 它以接缝两侧 相邻板的弯沉( 挠度) 、 应力或应变量的比值定义。 使用 中的水 泥混凝 土路面板 ， 在重 复 车辆 荷载 、 环境 因素等作用下， 混凝土板某些部位与层间的脱 空是客观存在的。水泥混凝土路面在使用过程 中， 由于板底基层材料 的刚度远小于面板材料 ， 特别是 以砂砾类结构层为基层的路面 ， 在行车荷载重复作 用下 ， 基层顶面产生的塑性变形累积而出现与混凝 土面板脱空。同时 ， 在温度变化下 ， 混凝土面板的翘 曲也使得基层出现塑性变形而与混凝土板脱空。板 底脱空 为水 的浸 入 同 时也 创 造 了条 件 ：在 雨季 ， 从 路面缝隙处浸入的雨水在板底脱空区形成积水， 在 行车荷载的反复挤压作用下， 积水与基层材料 中的 细颗粒形成泥浆 ， 沿路面接缝或裂缝处喷溅 出来形 成 唧泥 ， 唧 泥 的出现进一 步扩 大板底 的脱空 区 ， 从而 在重载车辆作用下使水泥混凝土面板断裂破损 。 在脱空的情况下， 动静荷载作用下 ， 脱空范围与 接缝传荷能力的关系 ， 以及接缝 的传荷能力对弯沉 的影 响 ， 这些 问题 还 没有 一 套完 善 的研究 成 果 。本 文通过脱 空模 型 的建立 ， 分 析不 同脱空 尺寸 ， 不 同脱 空 形式 ( 仅 受荷 板脱 空 以及 受荷 板 和未 受 荷板 同时 脱空) 下 ， 不同荷载情况下( 静载和动载) ， 不同接缝 宽 度 、 接缝 模量 、 面 板模 量 和基 层 模 量 ， 不 同脱 空形 式 下 ( 仅受 荷板脱 空 以及 受荷 板 和 未受荷 板 同时脱 空 ) 对接缝传荷能力的影响。 1 水泥混凝土板脱 空的力学分析模型 1 ． 1 模 型 的建立 本 文采 用 A N S Y S 1 0 ． 0通 用 有 限元 软件 采 用 弹 [ 收稿 日期 ]2 0 0 9 —1 0 — 1 4 [ 作者简介 ]田小革( 1 9 7 0 一) ， 男 ， 湖北武汉人 ， 博士 ， 教授 ， 硕士生导师 ， 主要研究方向 ： 路面结构与材料 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 田小革 ， 等 ： 脱 空对水泥混凝土路面接缝传荷能力 的影响 2 5 性半 空间地 基模 型对水 泥混凝 土路 面结构 在动静 荷 载作用 ， 不同影响因素下的弯沉进行计算分析。考 虑到各 种 因素 的影 响 ， 采用 3层模 型进行 分析 ， 模 型 四周施加水平约束 ， 土基底部固结 ， 采用 S O L I D 1 8 6 单 元 。S O L I D 1 8 6为 1立 方 体 三 维 2 O节 点 单 元 类 型 ， 每节点 具有 3个 自由度 ( ， Y ， z ) ， 适 用 于 三维 不 规则网格划分有限元模型 ( 如弹性层状体 系) 。运 用过程 中这 种单元 不 需 要 额外 的设 置参 数 ， 只需 把 混凝 土板 的弹性 模 量 、 泊 松 比 和 P同时 赋 予 混 凝土板 即可 。模 型简化 图如 图 1所示 。 图 1 弹 性 半 空 间地 基 模 型 的 力学 示 意 图 路面的板底脱空的演变发展规律一般是先板角 后横缝 ， 然后形成四边脱空状， 且行车方 向的前板板 底脱 空 区明显 大 于后 板 。为 了计 算 简 单 ， 对 于 两板 脱空的模型假设脱空面积为正方形或者长方形等。 最终 确定脱 空模 型的 简化形式 为 图 2所示 。 1 ． 2参数 的确 定 三 三 = ]白 =三 i = =了 避窒垫围L _ — 避窒整垦 图 2 两种脱 空模型简化形式 ① 静态分析时， 加载的参数设置依据是根据贝 克曼 梁 的 工作 原理 进 行加 载设 置 ：荷 载大 小为 0 ． 7 MP a ， 荷 载半径 为 0 ． 1 5 m。 ② 动态分析时， 采用 F WD模拟计算模型， 取荷 载参 数为 ： 荷载峰值 ： 0 ． 7 M P a ； 荷 载作 用时 间 ： 0 ． 0 3 s ； 荷载圆半径 ： 0 ． 1 5 m； 荷 载历 时 曲线 如 图 3所 示 。 80 0 7O O 60 O 5 0 0 400 铘3 0 0 禧2 0 0 1 0O O —l O0 时 I司 ／ S 图 3 F WD荷载作用时程 模型的一阶振动频率 ∞ ． 为 9 ． 2 3 ， 阻尼参数 、 分 别 为 0 ． 0 2 5 、 0 ． 0 0 0 2 6 。参 数设 置如 表 I所 示 。 2种脱空模型下脱空深度为 0 ． 1 m， 脱空尺寸见表 2 所 示 。 表 1 路面结构材料参数的设置 表 2 两种脱空模型下的脱空尺寸 些窒 型 仅未受荷板脱空 两板 同时脱空 其中仅受荷板下脱空时 ， 脱空尺寸为正方形 ， 表 中尺寸为单 边 的长 度 。两 板 同时 脱 空 时 ， 板 下 脱 空 的长度 = 受荷板脱空长度 + 接缝宽度 +未受荷板脱 空长度， 脱空的宽度与单板下脱空尺寸的宽度相同。 1 ． 3接 缝传 荷能 力的评 价指标 由于应变和测试复杂且成本较高 ， 而挠度测试 相对简单且能准确测量 ， 所 以目前普遍采用挠度法 作为传荷系数。但是单单采用《 公路水泥混凝土路 面设计规范》 ( J T G D 4 0 — 2 0 0 2 ) 中的公式 ( 8 ． 3 ． 2 ) 和 表 8 ． 3 ． 3接缝传荷能力的分级标准来评价接缝的传 荷能力是很难的， 所 以对于接缝传荷能力还需要更 符合实际的评价指标来评价。其原因如下分析。 设面板( 两块 ) 模量 E ． =3 0 0 0 0 M P a ， 基层模量 E =1 3 0 0 0 MP a ， 土基模量 E = 8 0 MP a ， 泊松比／． t = 0 ． 2 5 ， P= 2 5 0 0 k g ／ m ； 每块板 5 m， 宽 3 ． 7 5 m， 厚度 h： 0 ．2 8 m。设接缝宽 0 ． 0 1 m。具体分析如表 3所 示 。 由表 3知， 如果用我 国《 公路 水泥混凝土路面 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 公路工程 3 5卷 表 3 现有接缝传荷能力系数 Lw的计算结果 设计规 范》 ( J T G D 4 0 — 2 0 0 2 ) 中的公式 评价 接缝 的传 荷能力， 当接缝模量很小时， 接缝的传荷系数也是超 过 8 0 ％的； 而且随着接缝 模量 的增大 ， 其传荷能力 变化不是很大。所以规范的评定标准很显然不符合 实际 ， 对于接缝传荷能力还需要更符合实际的评价 指标来评价 ， 还需考虑接缝处的弯沉量和弯沉差。 在不考虑地基反力的情况下 ， 假定当接缝的模 量接 近 0 M P a时 ， 接 缝 宽 度 对 传 荷 能 力 影 响很 小 时， 接缝无传荷能力。所 以本文用下式来表达接缝 的相对传荷系数。 ： [ 一 l_ W U 0 W LO W UO ] 。。 L 【 加 + J 【 一 ) J ( 1 ) 化趋 于平缓 。 ② 对于同一接缝模 量下， 接缝 传荷系数 随 着脱 空尺寸 的变化 规律 是 ： L 0 ． 8>Lwo ． 4>L 0> 1 ． 2>L 1 ．6 ， 即 L 随着脱空尺寸的增大是先增大 后减小， 也就是当脱空尺寸小于 0 ． 8 m时， 接缝传荷 系数随着脱空尺寸 的增大而增大； 当脱空尺寸大于 0 ． 8 1 T I 时 ， 接缝传荷系数随着脱空尺寸的增大而减 小 。 2 ． 2动 载作 用下 受荷 板 下脱空 范 围对 传荷 能力 的影响 通过对有限元模型进行动载作用下的分析 ， 其 分 析结果 见 图 5 。 动 载作 用下 ， 受 荷板 下 脱 空尺 寸 和接 缝 的模 量 对 与静 载作用 下相 同。 ① 同一脱空尺寸下， 随着接缝模量的增大而 增大 。 ② 对于同一接缝模量 下， 接缝传荷 系数 随 着脱空尺寸的变化规律是 ： L o ． 8>L o ． 4>L 0> ， J 1 ． 2>L 1 ．6 ， 即接缝传荷系数 随着脱空尺寸的增 大先增大后减小， 当脱空尺寸大于0 ． 8 m时 ， 接缝传 荷 系数 随着脱 空尺 寸的增 大而减 小 。 式中： W 加、 珊为接缝无传荷能力时的受荷板弯沉 和未受荷板弯沉；W 为受荷板板边的弯沉 ； 1 ,O ， 为未 受荷板板边的弯沉。 2仅受荷板下脱空对 L w的影响 2 ． 1 静 载作 用下脱 空 范围对 的影响 对 受荷板下 脱空模 型进 行静 载作用下 有 限元 分 析 ， 其分 析结果 见 图 4 。 1 ． 6 7 E一 0 6 6 ． 6 7 E— O 2 6 ． 6 7 E- 0 1 3 ． 3 3 l 0 0 1 ． 6 7 E— O 2 1 ． 6 7 E一 0 l 1 ．6 7 1 6 ． 7 图 4静 载作 用下 受荷 板 下 脱 空 范 围 及接 缝模 量 对 工 Ⅳ的影响 ① 对于同一脱空尺寸 ， 接缝传荷系数 随着 接缝模量 E 的增加而 增加 的。模量 小于 5 0 MP a 时 ， 随模 量 的增 加 变化 缓 慢 ， 当超 过 5 0 M P a后 ， 急剧 增 加 ， 当接 缝 模 量 达 到 5 0 0 0 MP a后 ， 变 E 3 ／ E1 ／ ％ 图 5动载作用下受荷板下脱 空范 围及接缝模量对 Lw的影响 3 未受荷板和受荷板同时脱空对 w 的影 响 3 ． 1 静 载作 用下脱 空 范围对 的影响 对两板 同时脱空的模型进行计算分析， 其分析 结果 见 图 6 。 ① 同一脱空尺寸下， 随着接缝模量的增加而 增加 ； ② 同一接缝模量下 ， 随着脱空尺寸的增加而 增加 。 3 ． 2动 载作 用下脱 空范 围对 的 影响 对 双 板 脱 空模 型进 行 动载 作 用 下 的有 限元 分 ∞ 如 蚰 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 m o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 田小革 ， 等 ： 脱空对水泥混凝 土路 面接缝传荷能力的影 响 2 7 +脱空 尺寸 0m 1 ． 0 I E -UZ 1． O I E -UI 1 ． O7 l O． 7 E3 ／ E1／ ％ 图 6 静载作用 下两板脱空范围和接缝模 量对L w的影响 析 ， 其 分析 结果 见图 7 。 ① 同一脱空尺寸下， 随着接缝模量的增加 ， 也 随之增加 ； ② 同一接缝模 量下， 脱 空尺寸越大 ， L 越 大。 当脱 空尺寸小 于 1 ． 2 m+ 0 ． 0 1 m 时 ， 随 着接 缝 模 量 的增 大 的变 化规 律是 “ 缓 一 急 一 缓 ” ； 当脱 空尺 寸 大 于 1 ． 2 m+0 ． O 1 m后 ， 变化规 律是 “ 急 一 缓 ” 。 +脱 空尺寸 o In +脱 空尺寸 0 ． 4 m + 0 ． 0 1 m 4 结论 ① 本文在确定 了脱空模型之后分别对其进行 动静荷 载作用 下 的分 析 ， 确定 接 缝 模量 和 脱 空 尺 寸 对 受荷板 脱空 、 受荷 板和未受 荷板 同 时脱 空对 的 影 响 。 ② 在两种脱空情况以及同一脱空尺寸下 ， 不论 是动载作用还是静载作用 ， 随着接缝模量的增大， 接 缝的传荷能力是单调增大的。 ③ 在同一接缝模量下 ， 对单板下的脱空 ， 脱空 尺寸为 0 ． 8 m是脱空尺寸与接缝传荷系数 对应 关系一个拐点 ， 即当脱空尺寸小于0 ． 8 m时， 接缝传 荷 系数 随着脱 空尺 寸 的增 大 而增 大 ； 当脱 空 尺寸 大 于 0 ． 8 m时 ， 接缝传 荷 系数 随着 脱 空尺 寸 的增 大 而 减小 。对 于双板 脱空 则 不然 ， ￡ 是 随着 脱 空 尺寸 的 增 大而增 大 的。 [ 参 考文 献 ] [ 1 ] 张淑泉． 动静荷载作 用下水泥混凝土路 面接缝 传荷能力 的研 究[ D] ． 长沙 ： 长沙理工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] J T G D 4 0 — 2 0 0 2， 公路水泥混凝土路面设计规范 [ S ] ． [ 3 ] 姚祖康． 水泥混凝土路 面设计 [ M] ． 合 肥： 安徽科学 技术 出版 社 ． 1 9 9 7． [ 4 ] 查旭东． 基于反算模量的接缝传荷能力 的评价 [ J ] ． 中外公路 ， 2 0 0 2 ， ( 2 ) ： 5— 7 ． [ 5 ] 胡伟． 有限元法在分析混凝 土路面传力杆 传荷能力 中的应 用 [ J ] ． 西部探矿工程 ， 2 0 0 5 ( 5 ) ． 『 6] S hi v a Sr i ni v a s a n ．Cha r a c t e r i z a t i o n o f s t r e s s e s i nd u c e d i n d o w e l e d j o i n t s d u e t o t h e r ma l a n d a n d i m p a c t l o a d s [ D] ． Co l l e g e o f En g i ne e r i n g Mi n e r a l Re s o u r c e s a t We s t Vi r g i n i a Un i v e r s i t y， Mo r g a n t o wn， W e s t Vi r g i ni a ． 2 0 01 ． [ 7 ] 张显安． 水泥混凝 土脱空状 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