馮強(qiáng) 宋蕾

摘 要：隨著高等級(jí)公路對(duì)基層抗沖刷性能要求的提高，水泥混凝土路面越來越多的采用了水穩(wěn)碎石和貧混凝土基層，在結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度提升的同時(shí)，模量也較以往大幅提高，基層損壞已成為路面結(jié)構(gòu)破壞的主要類型之一，尤其在重載交通路面。本文在建立Winkler地基上考慮層間接觸狀況的三維結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，考查基層模量、厚度、面層與基層層間接觸狀況對(duì)水泥混凝土路面面層和基層受力、層間剪切應(yīng)力及面層翹曲的影響，以期優(yōu)化基層參數(shù)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：道路工程;力學(xué)性能;有限元;水泥混凝土路面;基層參數(shù)

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)分析采用彈性地基板理論，除粒料類基層外，其它各類基層與混凝土面層按照分離式雙層板模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，基層與面層層間光滑、連續(xù)但不承受拉力。混凝土板和基層間可視為處于組合與滑動(dòng)的中間地帶。隨著混凝土板的服役期增長，以及溫度荷載的作用，混凝土板會(huì)發(fā)生水平伸縮以及垂直方向上的翹曲，基層與面層間會(huì)逐漸趨于分離，這些均非分層間光滑、連續(xù)能夠模擬的。

1 層間接觸狀態(tài)對(duì)水泥混凝土路面力學(xué)特性的影響分析

1.1 有限元法中間層接觸狀態(tài)的模擬

1.1.1 ANSYS中層間接觸的模擬

在ANSYS中，水泥混凝土板面層、基層和土基可用空間20節(jié)點(diǎn)6面體單元——solid186單元（三維模型）模擬，層間聯(lián)系用接觸單元targe170和contal174來模擬，Winkler地基采用surface154單元來模擬。

接觸單元相當(dāng)于在上下界面節(jié)點(diǎn)對(duì)間設(shè)置法向和切向彈簧，采用層間法向和切向接觸彈簧剛度表征。層間不設(shè)夾層，瀝青面層與水泥混凝土路面板基層的接觸狀況有結(jié)合、光滑和介于兩者之間的半結(jié)合等情形。完全結(jié)合，層間接觸彈簧剛度應(yīng)為∞，當(dāng)其在∞到0之間變化時(shí)，可模擬層間接觸從結(jié)合、半結(jié)合到光滑的各種狀態(tài)。層間設(shè)置夾層，夾層材料的接觸彈簧剛度KN3和KT3計(jì)算式為：

式中：E3、μ3和h3——分別為夾層材料的模量、泊松比和厚度。

2 不同層間接觸狀態(tài)下水泥混凝土路面面層拉應(yīng)力分布特征

2.1 模型的建立和計(jì)算方法

2.1.1 結(jié)構(gòu)模型的建立[2]

路面的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型為Winkler地基上的雙層三維模型，如圖2-1a所示，h1、E1、μ1分別為面層的厚度、彈性模量、泊松比;h2、E2、μ2分別為基層的厚度、彈性模量、泊松比;k為地基反應(yīng)模量。面層與基層存在摩阻。

2.1.2 計(jì)算與分析方法

計(jì)算模型以20 t～30 t的三軸—雙輪組作用計(jì)算荷載。為明確基層厚度、模量、層間接觸狀況對(duì)水泥混凝土路面面層、基層受力、層間剪切應(yīng)力和面層翹曲的影響，采用單因素分析法，逐一計(jì)算3個(gè)因素在各個(gè)水平下的結(jié)果。其中，基層厚度分為15 cm，20 cm，25 cm等3個(gè)水平，接觸狀況分為A1，A2，A3，B等4 個(gè)水平[3]，如表2-1所示，此外考慮到水泥混凝土面層直接澆筑在水泥穩(wěn)定碎石基層或貧混凝土基層上，兩者接近完全黏結(jié)的情況，層間接觸狀況特意考察“bonded”類型，認(rèn)為兩者完全黏結(jié)，界面層水平、豎向唯一均連續(xù)。

計(jì)算軟件為Ever FE 2.25，有限元模型中面板、基層及底基層均采用20節(jié)點(diǎn)二次實(shí)體單元，地基采用8節(jié)點(diǎn)二次平面單元;層間接觸界面采用零厚度的16節(jié)點(diǎn)二次接觸單元。面層、基層分別按照25 cm×20 cm×5 cm、25 cm×20 cm

×4 cm進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 車輛荷載和溫度荷載耦合作用下層間接觸狀態(tài)對(duì)面層底部拉應(yīng)力的影響規(guī)律

車輛荷載和溫度荷載耦合作用下，15 cm、20 cm和25 cm三種基層厚度的水泥混凝土路面的面層層底拉應(yīng)力如圖2-2～圖2-4所示。

由上圖可知，車輛和溫度荷載耦合作用下，面層底部拉應(yīng)力大幅上升，可達(dá)3.6 MPa。層間接觸狀態(tài)是影響面層拉應(yīng)力分布的關(guān)鍵因素，隨層間黏結(jié)狀況的增強(qiáng)，面層底部拉應(yīng)力大幅降低。最大拉應(yīng)力發(fā)生在縱縫邊緣中部的面層底部，即三軸——雙輪組的右側(cè)輪組附近。此外，基層厚度對(duì)水泥混凝土面層層底拉應(yīng)力也存在較大影響，尤其是層間黏結(jié)狀態(tài)較強(qiáng)時(shí)，隨基層厚度的增加，面層層底拉應(yīng)力不斷減小。當(dāng)接觸參數(shù)為A1時(shí)，基層厚度為25 cm的路面結(jié)構(gòu)的面層最大拉應(yīng)力較基層厚度為15 cm的降低約2%，而當(dāng)層間接觸參數(shù)為B時(shí)，這一降低至達(dá)到18%。

3 結(jié)論

（1）車輛荷載和溫度荷載耦合作用下，層間接觸狀態(tài)是影響面層拉應(yīng)力分布的關(guān)鍵因素，隨層間黏結(jié)狀況的增強(qiáng)，面層底部拉應(yīng)力大幅降低。最大拉應(yīng)力發(fā)生在縱縫邊緣中部的面層底部。

（2）車輛荷載和溫度荷載耦合作用下，縱縫邊緣中部的翹曲最大，板角處次之，而板中最小。板角處的面層翹曲隨層間黏結(jié)狀態(tài)的增強(qiáng)而增加，板中處的翹曲規(guī)律則相反，隨層間黏結(jié)狀態(tài)的增強(qiáng)而降低，縱縫邊緣處的翹曲幾乎不隨層間狀態(tài)的改變而發(fā)生變化。

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