农村公路板角脱空应力分析★

潘向军 马涛 何平

(1.安徽省公路管理局农村公路管理处，安徽合肥 230022;2.江苏省东南大学交通学院，江苏南京 210096)

0 引言

安徽省农村公路水泥混凝土路面自2006年开始建设以来，逐渐开始出现一些早期病害，其中板角脱空现象比较普遍，这也成为路面板断裂的主要原因。在实际运行过程中，由于车辆荷载的重复作用以及水流的冲刷，水泥混凝土板下局部出现脱空，如不对其进行有效治理，板角裂缝将会进一步发展，导致板角断裂，影响路面的行车状况[1，2]。

1 板角脱空应力分析模型建立

1.1 路面结构

以阜阳市为例，村村通公路形式主要采用18cm的水泥混凝土板+20cm的石灰土的结构组成形式，如图1所示。

1.2 地基选择

传统的路面设计所使用的地基类型一般有Winkler地基和弹性半空间体地基。Winkler地基简单实用，以反力模量K表征，通常与实际情况有一定的出入;弹性半空间体地基是以弹性模量和泊松比表征的弹性地基，本文采用5m×5m×5m的扩大地基。经过反复的试算证明，当考虑脱空产生的应力集中时，两种地基的影响较小。而采用半空间体地基运算时，运算时间较Winkler地基长很多，因此，本节运算时均采用Winkler地基。

采用Winkler地基分析板角脱空，形状为边长1.5m的直角三角形时，当地基反应模量K从25mPa/m增长到125mPa/m，板角的最大主应力只改变了0.013mPa，地基反应模量K的取值对应力集中的影响很小，因此，脱空一节的计算采用的地基反应模量K均取50mPa/m。

1.3 荷载形式

在进行产生脱空引起应力集中的力学分析之前，首先必须明确车轮与路面的接触轮迹，提出简化方法。本文为了考虑建模的简化，采用正方形荷载，经过试算发现和矩形荷载相差较小，具有一定的适用性[3]。

本文行车计算荷载采用规范规定的标准双轮轴载100kN，胎压为700kPa，接触面积Ac由每个轮胎承受的荷载除以胎压求得，则:

1.4 脱空形式

由于农村公路横缝设置不采用传力杆，主要依靠嵌缝料传荷。当产生脱空时，嵌缝料也会有一定程度的破坏，总体传荷能力较小，并且我们考虑的是最不利状态，所以采用单块板计算。

众多对水泥混凝土路面板弯沉值的实测资料表明，距板中愈近脱空高度愈小，且为近似的三角形楔形体，距板角愈近脱空高度愈大。本文假设脱空区域在平面上为等腰三角形，在垂直方向上假设脱空量足够大且均匀，本文取5cm，以至于在荷载作用下板与基层仍不会接触[4]，如图3所示。

2 板角脱空应力分析

2.1 计算参数

面层板平面尺寸取为4m×4m;水泥混凝土弹性模量E=27000mPa，泊松比 μ=0.15;基层泊松比 μ=0.3，地基反应模量取50mPa/m;分析中考虑的因素如表1所示。

表1 分析因素一览表

2.2 应力分析

2.2.1 不同脱空宽度的影响分析

固定基层模量500mPa，面层厚度18cm，在标准轴载作用下，不同脱空宽度B对板角最大拉应力的影响，结果见图4，图5。

由图4可以看出，随着脱空宽度不断地增加，板角的最大拉应力也相应增加，脱空三角形边长从0.2m增加到1.5m时，最大拉应力由1.68mPa增加到4.155mPa，而农村公路水泥混凝土的设计抗折强度为4.0mPa，也就表明当脱空宽度达到1.5m时，标准轴载的一次作用就会使得水泥混凝土板角断裂。由图5可以看出，应力集中发生在脱空的内边缘，断裂也往往产生于这个部位，与调查所得实际情况相符合。

2.2.2 不同基层模量的影响分析

固定面层厚度18cm，脱空宽度1.5m，标准轴载作用下，讨论基层模量的改变对板角最大拉应力的影响，结果见图6。

由图6可以看出，当发生脱空时，基层产生的影响很小，也就是说水稳碎石和石灰土在相同的脱空条件下，板角产生的最大拉应力相当。但是基层的选择对是否易于产生脱空有着很大的联系，水稳碎石整体性好，抗冲刷能力较天然砂砾以及石灰土都强。因此正确的基层选择对防治脱空具有一定的作用。

2.2.3 不同轴载的影响分析

固定基层模量500mPa，面层厚度18cm，脱空宽度1.5m，讨论不同轴载作用下对板角最大拉应力的影响，结果见图7。

由图7可以看出，随着轴载的增加，板角最大拉应力呈线性增长，农村公路上最常见的手扶拖拉机满载情况下轴重也就2t左右，作用于这样的脱空板角产生的最大拉应力也不到0.5mPa，远没有达到水泥混凝土抗折强度。而10t的重车则可能一次性破坏，因此，农村公路必须加强对重载交通的管理。

2.2.4 板厚的影响分析

固定基层模量500MPa，脱空宽度为1.5m，标准轴载下，讨论增加板厚对板角最大拉应力的影响，结果见图8。

由图8可以看出，增加板厚能显著减少脱空引起的应力集中，平均每增加2cm就能增强20%的抗折能力。因此，建议农村公路建设时，不能盲目参考最低标准设计施工，适当增加板厚对水泥混凝土的使用寿命有着很大的帮助。

3 设计施工要点分析

基于对板角脱空的分析，可以看出当板角出现脱空时，应力集中现象十分明显，板的受力情况极为不利，很容易产生板角断裂，进而影响到整块板的使用。如何通过强化设计与施工控制减少脱空的产生以及改善产生脱空后的应力集中是急需解决的问题。

3.1 设计要点

脱空通常是在温度和车辆荷载的共同作用下由于不均匀地基支撑以及基层被水冲刷侵蚀产生的，因此减少脱空在设计时应注意以下三点:

1)加强排水设计，应设置横坡，特别是降雨量充沛的地区;

2)合理设置接缝处，避免水沿接缝处下渗产生唧泥;

3)增强基层抗冲刷性能，通过有限元的计算分析可以知道，合理增加板厚、限制重载对产生脱空的应力集中有很大的缓解作用，从而避免出现一次性断板。

3.2 施工控制要点

农村公路另一个重要的弊病在于施工质量得不到有效的保证，整体施工水平较低，从而很大程度上影响了水泥混凝土的抗脱空能力。其中主要应该控制以下几个方面:

1)严格控制面板厚度;

2)严格控制水泥的质量以及水泥掺量，增强水泥混凝土的抗折能力;

3)基层以及路基的压实控制，减少冲刷和不均匀支撑的出现[5];

4)提高灌缝水平，减少路表水下渗。通过以上的控制要点能够有效地减少脱空的出现。

4 结语

板角脱空一直以来都是农村公路水泥混凝土路面的一个重要研究内容，通过对板角脱空的有限元模拟，分析了板厚、脱空大小等要素对板角脱空应力集中的影响。提出了针对防止脱空的设计施工要点，为后续农村公路的建设施工提供一定的依据和建议，旨在提高农村公路水泥混凝土路面的整体服务水平。

[1]马彦兵.水泥混凝土路面面板脱空判定及压浆治理方法研究[D].重庆:重庆交通大学，2010:10-11.

[2]蒋习伟，黄 刚.水泥混凝土路面板底脱空机理分析[J].安徽建筑，2009，166(3):75-76.

[3]张 磊.考虑温度与荷载耦合作用的连续配筋混凝土复合式路面损伤分析[J].土木工程学报，2011，44(1):111-112.

[4]石春香，杨 群，郭忠印.公路隧道水泥路面板底脱空有限元分析[J].公路交通科技，2008，25(11):6-10.

[5]张 擎.考虑冲刷脱空的水泥混凝土路面设计研究[D].西安:长安大学，2009:108-109.