羅 祺，郭 懿，黃 浩

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

水泥混凝土路面坑洞修復(fù)有限元分析

羅 祺1，2，郭 懿1，黃 浩1

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

水泥混凝土路面作為高級(jí)路面的重要結(jié)構(gòu)形式，憑借其剛度大、承載能力強(qiáng)、耐水，耐高溫性強(qiáng)、材料易得，使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)得到了史無前例的快速發(fā)展。但是水泥混凝土路面在使用過程中會(huì)產(chǎn)生各種各樣的病害，其中路面坑洞病害成為當(dāng)前水泥路面亟待解決的主要問題之一。文章提出利用超短超細(xì)鋼纖維進(jìn)行水泥混凝土路面坑洞病害處治，并且通過大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)路面坑洞修復(fù)的實(shí)際情況進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證超短超細(xì)鋼纖維作為路面坑洞修復(fù)材料的優(yōu)越性，同時(shí)對(duì)不同工況下已修復(fù)路面實(shí)際承受的車輛荷載進(jìn)行力學(xué)分析，研究其受力規(guī)律。

水泥混凝土路面；坑洞；超短超細(xì)鋼纖維；有限元分析

0 引言

自1990年以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷提升，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也呈一番熱火朝天之勢(shì)，水泥混凝土路面作為高級(jí)路面的重要結(jié)構(gòu)形式，憑借其剛度大、良好的承載能力以及耐水、耐高溫性能和材料來源豐富、設(shè)計(jì)使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)得到了史無前例的快速發(fā)展。截至2010年年底，我國已經(jīng)建成的水泥混凝土路面約為170萬公里。在總里程約為285萬公里的高級(jí)路面(瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面)公路中，水泥混凝土路面占到了60%。中國已經(jīng)成為當(dāng)今世界上擁有水泥混凝土路面里程最多的國家之一[1]。

隨著水泥混凝土公路里程的逐年增加，加上早期修建的水泥混凝土路面已接近使用年限，目前我國水泥混凝土路面面臨的養(yǎng)護(hù)維修任務(wù)越來越重。路面由于長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中遭受日曬雨淋、凍融溫差和各種各樣化學(xué)物質(zhì)的不停侵蝕，同時(shí)長(zhǎng)期經(jīng)受車輛的沖擊荷載、循環(huán)荷載及車輪的磨耗，必然產(chǎn)生不同程度的損壞。如果破損水泥混凝路面沒能得到及時(shí)有效的修復(fù)，將大大影響路面的工作狀況，從而降低水泥混凝土路面的使用年限。其中水泥混凝土路面坑洞病害成為當(dāng)前水泥路面亟待解決的主要問題之一。

1 水泥混凝土路面坑洞修復(fù)材料研究

研究與應(yīng)用表明，雖然水泥混凝土路面坑洞修復(fù)材料種類眾多，但這些材料都具有一些缺陷，也沒有形成國家規(guī)范以指導(dǎo)工程技術(shù)人員進(jìn)行坑洞修補(bǔ)的設(shè)計(jì)和施工。通過對(duì)比不同種類的修補(bǔ)材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用結(jié)果能夠看出，鋼纖維增強(qiáng)混凝土在公路水泥混凝土路面坑洞快速修復(fù)中擁有廣闊的應(yīng)用前景和重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-3]。

然而就傳統(tǒng)鋼纖維混凝土在水泥混凝土路面坑洞修復(fù)上仍存在著一些問題：(1)基本力學(xué)特性有待進(jìn)一步提升：傳統(tǒng)普通鋼纖維直徑、體積較大因此摻入量由于受到混凝土結(jié)團(tuán)的影響，一般只能摻入體積率的2%～3%的鋼纖維，影響了攪拌工藝因此無法進(jìn)一步提高鋼纖維的體積摻量，導(dǎo)致鋼纖維改善混凝土的力學(xué)性能有所限制。(2)施工性能有待改善：普通鋼纖維的長(zhǎng)度(20～40 mm)偏大，施工和易性差，如果在攪拌時(shí)鋼纖維分布不夠均勻，那么會(huì)造成混凝土強(qiáng)度局部偏弱。因此，在設(shè)計(jì)坑洞修復(fù)新材料時(shí)筆者提出了使用超短超細(xì)鋼纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行坑洞修復(fù)，通過增大了鋼纖維的體積摻量，使得鋼纖維混凝土在各方面的性能上都有很大的提升。本文通過大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)路面坑洞修復(fù)的實(shí)際情況進(jìn)行有限元分析，進(jìn)一步驗(yàn)證超短超細(xì)鋼纖維作為路面坑洞修復(fù)材料的優(yōu)越性。同時(shí)對(duì)不同工況下已修復(fù)路面實(shí)際承受車輛荷載進(jìn)行力學(xué)進(jìn)行分析并找出其受力規(guī)律。

2 水泥混凝土路面坑洞有限元模擬

2.1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)及基本假定

路面模型將下部地基用彈性地基代替，從而將研究對(duì)象簡(jiǎn)化為由水泥混凝土面層、貧混凝土基層、彈性地基組成的彈性層狀體系，各層結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表1所示。

表1 各結(jié)構(gòu)層參數(shù)表

為了使構(gòu)建的三維有限元模型更好地符合水泥混凝土路面實(shí)際情況，對(duì)材料的性質(zhì)和各層結(jié)構(gòu)邊界條件作如下基本假定：

(1)各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的連續(xù)彈性體；

(2)水泥混凝土面層與貧混凝土基層以及面層與修補(bǔ)塊層間完全連續(xù)，彈性地基與貧混凝土基層之間接觸狀況為絕對(duì)光滑；

(3)彈性地基底面各向位移和轉(zhuǎn)角為零，地基側(cè)面水平方向位移為零，水泥混凝土路面層各橫截面無約束，兩側(cè)側(cè)面法向位移為零，貧混凝土基層橫截面及側(cè)面法向位移為零；

(4)不計(jì)路面各層結(jié)構(gòu)自重，且不考慮接縫處填縫材料的傳荷能力。

2.2 模型建立及工況

為保證運(yùn)算結(jié)果的精度，采用精確性較高的六面體單元solid 65來模擬水泥混凝土路面面層、貧混凝土路面基層、鋼纖維修補(bǔ)層；采用四面體單元solid 92來模擬彈性地基層；考慮層間接觸狀態(tài)時(shí)，采用8節(jié)點(diǎn)目標(biāo)元targe170和8節(jié)點(diǎn)面面元conta174來模擬，整個(gè)模型采用映射網(wǎng)格劃分方式。在靠近面層部分加密。模型總計(jì)劃分42 201單元，54 276節(jié)點(diǎn)。劃分單元后的有限元模型如圖1所示。其中，X方向?yàn)槁访鏅M向；Y方向?yàn)槁访婧穸确较?；Z方向?yàn)槁访姘逍熊嚪较颉?/p>

圖1 單元網(wǎng)格劃分示意圖

荷載施加：由于有限元計(jì)算中，荷載最終等效為施加在節(jié)點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)力，因此，根據(jù)實(shí)際加載形式，按照等效原則，直接將荷載加載節(jié)點(diǎn)上來模擬實(shí)際加載情況。根據(jù)軸型的不同，汽車荷載一般可以分為單軸單輪、單軸雙輪及雙軸雙輪等，本文只考慮單軸雙輪的情況，車輛荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸BZZ-100，軸重為100kN，垂直荷載為P=0.7MPa，為便于有限元分析，本文輪壓作用范圍簡(jiǎn)化為20cm×20cm的正方形，雙輪中心距為30cm，兩側(cè)輪隙間距為180cm。

(1)輪胎作用在坑洞邊緣，坑洞深度為10cm。對(duì)比坑洞修補(bǔ)前后，水泥混凝土路面板底的應(yīng)力情況。坑洞布置情況及車輛荷載施加情況如圖2所示：

圖2 坑洞工況及車輛荷載施加情況示意圖

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

在實(shí)際路面坑洞病害的發(fā)展過程中，由于養(yǎng)護(hù)不及時(shí)，路面坑洞出現(xiàn)后往往不能得到及時(shí)的修復(fù)。因此水泥混凝土路面存在帶坑洞服役的工況，在載荷的不停作用下路面坑洞病害會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大和加深。因此比較水泥混凝土路面修補(bǔ)前與修補(bǔ)后的兩種不同工況，對(duì)路面養(yǎng)護(hù)修復(fù)具有重要的指導(dǎo)作用。

表2 不同坑洞位置計(jì)算結(jié)果表

圖3 坑洞修補(bǔ)前后板底應(yīng)力柱狀圖

從表2和圖3中可以看到，當(dāng)路面板出現(xiàn)坑洞以后，如果未能及時(shí)修補(bǔ)，將會(huì)對(duì)板底造成很大的影響。通過用鋼纖維混凝土進(jìn)行坑洞修補(bǔ)后，可以看到，板底的剪應(yīng)力比未修補(bǔ)前減小了21.97%、板底沿厚度方向的拉應(yīng)力更是明顯降低，幅度達(dá)到13倍左右，板底最大主應(yīng)力和等效應(yīng)力比修補(bǔ)前減小了50%左右。由此通過計(jì)算可知，當(dāng)路面出現(xiàn)坑洞以后，應(yīng)該第一時(shí)間進(jìn)行坑洞的修復(fù)，否則路面將在更為不利的條件下工作。通過坑洞的修補(bǔ)，能夠使得路面恢復(fù)正常的受力情況，以此來增加路面使用的壽命。

(2)因?yàn)閷?shí)際路面上的修補(bǔ)塊深淺不一，這里可通過改變修復(fù)坑洞的厚度，進(jìn)一步研究不同深度修補(bǔ)對(duì)坑洞受力情況的影響規(guī)律。不同厚度坑洞計(jì)算數(shù)據(jù)見表3：

表3 不同厚度坑洞計(jì)算結(jié)果表

為了更直觀地查看數(shù)據(jù)，將上述數(shù)據(jù)繪制成圖，如圖4～6所示：

圖4 底部應(yīng)力隨厚度變化圖

圖5 橫截面應(yīng)力隨厚度變化圖

圖6 橫截面應(yīng)力隨厚度變化圖

從表3及圖4～6，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)通過對(duì)比坑洞底面、橫截面、側(cè)面的最大主應(yīng)力可以看到，坑洞側(cè)面的最大主應(yīng)力均大于底面以及橫截面的最大主應(yīng)力，因此可以判斷如果實(shí)際路面發(fā)生模型模擬的荷載情況，其側(cè)面最容易發(fā)生破壞。因此，在進(jìn)行水泥混凝土路面坑洞修復(fù)施工的過程中，坑洞側(cè)面必須進(jìn)行鑿毛處理，以加強(qiáng)新舊混凝土之間的機(jī)械咬合力。

(2)通過圖4可以看到，隨著坑洞深度的逐漸加深，其底部受到的應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，其中等效應(yīng)力σe減小的幅度最大，全厚度修補(bǔ)(30cm)的坑洞等效應(yīng)力比5cm厚度修補(bǔ)的等效應(yīng)力減小了50%左右。

(3)通過圖5可以看到，隨著坑洞厚度的逐漸加深，橫截面所受應(yīng)力逐漸增大。

(4)通過圖6可以看到，坑洞厚度變化對(duì)坑洞側(cè)面應(yīng)力幾乎沒有影響。

綜上所述，盡管厚度加深對(duì)底部受力有利，對(duì)橫截面受力不利，但就影響而言，底部受力使得坑洞更容易發(fā)生破壞，因此可以判斷，在相同的情況下，加大坑洞修補(bǔ)的厚度會(huì)得到更好的修補(bǔ)效果。但是由于考慮到實(shí)際的施工工藝以及造價(jià)方面的要求，坑洞的深度并不是越厚越好。在坑洞修復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在考慮受力情況的前提下，綜合施工以及造價(jià)方面的要求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

本文通過有限元軟件對(duì)路面坑洞修復(fù)的實(shí)際情況進(jìn)行有限元分析，同時(shí)對(duì)不同工況下已修復(fù)路面實(shí)際承受車輛荷載進(jìn)行力學(xué)分析。得到以下結(jié)論：

(1)水泥混凝土路面坑洞修復(fù)后板底受到的應(yīng)力比修復(fù)前大大減小，因此在發(fā)現(xiàn)水泥混凝土路面坑洞病害時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間進(jìn)行修復(fù)，以此保持路面良好的使用狀況和壽命；

(2)在相同的情況下，加大坑洞修補(bǔ)的厚度會(huì)得到更好的修補(bǔ)效果。但是由于考慮到實(shí)際的施工工藝以及造價(jià)方面的要求，在坑洞修復(fù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在考慮受力情況的前提下，綜合施工以及造價(jià)方面的要求進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

[1]易志堅(jiān)，黃宗明.路面破壞與防治—設(shè)置隔離層的水泥混凝土路面[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]謝勇成.水泥混凝土路面超薄層快速修補(bǔ)技術(shù)[J].公路，2000.7：62-65.

[3]廖福勇.水泥混凝土路面局部破壞快速修補(bǔ)技術(shù)探究[J].沿海企業(yè)與科技，2005.10：121-149.

Finite Element Analysis of Cement Concrete Pavement Potholes Repair

LUO Qi1，2，GUO Yi1，HUANG Hao1

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.School of Civil Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004)

The cement concrete pavement as an important structure form for advanced pavement has ob-tained the unprecedented rapid development by virtue of its large stiffness，strong bearing capacity，water resistance，strong temperature resistance，readily available materials，long life，low maintenance cost and other advantages.However，during the use，the cement concrete pavement will produce a variety of diseases，among which the pavement potholes disease has become one of main problems to be solved for current ce-ment pavement.This article proposed using the ultra-short superfine steel fiber for the treatment of cement concrete pavement potholes disease，and through the large-scale finite element software ANSYS，it conduc-ted the finite element analysis on the actual situation of pavement potholes repair and validated the superior-ity of ultra-short superfine steel fibers as pavement potholes repair material，meanwhile it conducted the me-chanical analysis on the actually incurred vehicle load of repaired pavement under different conditions to identify its force regularity.

Cement concrete pavement；Potholes；Ultra-short superfine steel fiber；Finite element analysis

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.011

1673-4874(2015)04-0039-04

2015-03-01

羅 祺，博士，主要從事道路與橋梁設(shè)計(jì)研究工作。