水泥混凝土路面脱空荷载应力分析

       摘要：本文探讨了水泥混凝土路面在脱空状态下的形成机理，并通过分析不同地基模型、不同荷载作用下脱空状态的荷载应力。在本研究中，利用脱空状态下不同荷载应力的分析，就路面板尺寸、脱空应力进行计算模型修正，得出脱空条件下路面板荷载应力的计算方法，为水泥混凝土路面脱空评定及断板防治工作提供技术参考。

　　关键词：脱空机理；水泥混凝土路面；荷载应力；计算方法；路面评定

　　引言

　　水泥混凝土在公路工程中的应用十分普遍，而对于水泥混凝土路面存在的脱空问题则也很常见。根据欧尔德提出的板角隅破坏假设，以路面为悬臂梁，对于脱空角隅上的荷载，可以作为脱空荷载应力分析的最初模型。随后，在水泥混凝土路面结构研究中，凯里提出基于地基局部脱空条件下的板角、板边应力分析模型；皮克基于翘曲影响及角隅传荷原理，提出最大应力公式。自有限元方法的提出以来，将水泥混凝土路面作为分析对象，从路面结构、边界条件、荷载等复杂性上来探析路面地基脱空条件下的荷载应力变化，对进行路面结果评定和防治提供参考依据。

　　1脱空机理及形成原因

　　路面脱空从形成机理上划分为基层塑性变形诱发的结构性脱空，以及基层冲蚀诱发的唧泥型脱空，另外对于温湿度变化诱发的翘曲变形也是常见的脱空因素。从路面脱空带来的路面性能分析来看，结构性脱空对路面的整体受力影响较小，特别是基于微小的结构性脱空，其扩展度较小。而对于唧泥型脱空，因多与温湿度、雨水有关，如在路面连接缝及路肩侧的缝隙，在雨水等作用下容易结构性脱空区，再加之行车荷载作用，使其基层顶面产生滞留水流动，长期以来所行车的冲刷力会破坏基层顶面，而细小的颗粒将从侧缝隙或接缝带到路面，形成唧泥现象。同样，随着基层颗粒的不断涌出，对于水泥混凝土板底将形成唧泥型脱空，而不断扩展。这种唧泥型脱空的形成与扩展，所受到的影响因素较多，其中雨水的影响最大，特别是对于水泥混凝土路面基层的不透水性，在长期的滞留水作用下，很容易形成滞留水流速、水压，对基层的冲刷作用带来更大的结构性脱空范围。随着脱空区域的扩展，在行车荷载及不同温度的影响下，水泥混凝土路面将出现不同大小、不同路面弯沉值的破坏。从路面板弯沉影响及分布规律来看，随着车辆荷载的影响，对于路面板的脱空发展将呈现一定规律性。由最初的路面板板角脱空，逐渐发展成“板角+横边”的脱空，最后形成四边脱空状态。另外，在行车荷载作用下，对于行车方向下的前板脱空区域要高于后板脱空。

　　在进行路面板脱空荷载分解中，利用横缝来设置传力杆，特别是在路面板出现弯沉时，借助于横缝两侧的传力杆来降低弯沉的影响，也可以对唧泥现象进行有效抑制。对于路面板板底脱空的发生，主要在路肩侧及行车道板边缘，特别是在外侧行车道路面板无足够超宽的条件下，如果行车道边线与路面板外侧距离值<0.3m，则发生路面边缘脱空的可能性就越大。当然，在进行防范上，利用路肩混凝土结构与行车道拉杆相连接，则可以有效降低板底脱空。因此，在进行路面板板底脱空荷载应力分析时，要从脱空区域的类型划分上，结合不同影响因素来进行防范。如在板角出现脱空区，可以从底板横边与纵边脱空连接区域进行分析，来改善纵边脱空的尺寸；当底板竖向脱空区域较大时，在行车荷载作用下，其带来的路面板与路基之间很容易形成大面积脱空，而影响路面使用寿命。

　　2水泥混凝土路面脱空计算模型分析

　　根据路面结构，在对水泥混凝土脱空状态进行荷载应力分析时，需要将路面地基作为小挠度弹性薄板，根据地基反力假设来进行评估，可以分为文克勒地基板结构和弹性半空间地基板结构。由于在精确解析上无法获得解析解，而利用有限元方法，对不同路面板在不同荷载作用下的荷载应力进行分析，可以采用数值解方式来处理。根据路基板底脱空问题，在有限元方法中需要明确各给定接触点，利用地基柔度矩阵来对各主对角元素进行计算来实现。我们可以将路面底板脱空依照矩形网格线，来表示有限元法的收敛性。由于车车轮可以分为单轴、双轴、三轴等情况，其轮印及压力变化与其轴型有关。因此，在进行路面脱空状态下荷载应力分析上，需要结合不同车轮的类型来优化选择，而对于路面结构来说，主要从水泥混凝土路面的板厚尺寸、板面大小，混凝土的弹性模量及泊松比，以及路面地基各参数、弹性模量的变化，还有脱空区域的大小等因素进行综合考虑，来获得脱空区域最大荷载应力变化。

　　3关键指标的修正

　　3.1未脱空板面荷载应力指标分析

　　在对路面脱空板面荷载应力进行计算时，根据路面板厚度，混凝土的弹性模量，以及地基不同层的弹性模量、泊松比，以及地基对不同荷载的影响等，可以综合为两个关键参数。一个是混凝土路面板的厚度，另一个是地基板面的刚度半径。根据文克勒地基板作用原理，在弹性半空间条件下，利用回归分析来构建荷载应力变化模型，其模型与路面荷载强度，混凝土路面的刚度半径，以及路面板底未脱空区域大小等有关，因此需要从未脱空区域下路面板的荷载应力上来进行修正，特别是对于底板板角、纵边边缘的荷载应力进行统一化处理。试验表明，在对混凝土路面板底未脱空区域荷载应力计算中发现，当路面板的刚度半径值在0.5-1.0m内，对于未脱空区域的最大荷载应力计算的相对误差可以控制在3%以内；由此可以判断，对于不同车轴类型下的未脱空荷载应力的计算，可以利用回归方程来进行计算；另外，在考虑路面板角及纵边边缘的影响时，可以从弹性半空间地基板荷载应力回归分析上来分别计算不同轴类型下的临界荷载应力，从而降低不同轴类型下的荷载应力变化影响。

　　3.2路面板平面尺寸的修正分析

　　从路面板尺寸分析上来探讨不同尺寸下路面脱空区域荷载应力的变化情况。通常情况下，地基板的刚度半径选择应控制在0.6-0.9m，对于板面边长应控制在B=3.75-4.5m，L=4.5-5.5m。从板面尺寸修正分析来看，对于最小板面下的脱空荷载应力分析，也需要从车轴类型划分中来进行修正。当单轴条件下，文克勒路面板与弹性半空间路面板修正曲线具有相近性，其荷载应力误差能够控制在2%以下；当路面板尺寸较大时，对于单轴条件下的车辆荷载，其双轴与三轴荷载曲线具有相近性。

　　3.3脱空应力修正分析

　　对于车辆荷载下的脱空应力修正，不仅与路面板尺寸有关，还与板底脱空尺寸的大小有关。根据文克勒地基板计算要求，当板边脱空时，其脱空应力岁板边跨度的增大，应力也随之增大，而对于板底脱空所造成的最大荷载应力，不超过15%；当轴载内移，板边荷载应力较小较快；当脱空区域小于0.3m时，边缘脱空对板底的荷载应力不显著。

　　4结论

　　针对水泥混凝土路面板角底板脱空问题，当脱空区域变大时，其应力增加显著，由此带来的板角断裂现象严重。在进行路面板角评定时，针对不同脱空状态下的路面承载力的分布特点，在进行防治上需要结合路面养护维修来进行针对性改进。当能够计算出脱空状态下的荷载应力时，就可以根据疲劳断裂破坏准则，来构建不同水泥混凝土公路路面板角脱空应力极限状态方程，从而采用不同养护方法来进行防范和处理。