混凝土路面板角断裂的力学机理研究

梁立军+向中富+周铭+张亮+翟永强+曹晨光

摘 要：鉴于板角断裂是混凝土路面最常见的破坏形式，分析板角断裂的原因，用数值模拟方法分析了完全接触和脱空条件下板角的应力变化。结果表明，由于板角部位渗水、基层渗入、唧泥脱空，脱空后板角应力迅速增大，使脱空条件下的板角在大应力作用下迅速断裂。说明混凝土路面板角的工作状态与设计的完全接触状态不相符是导致其断裂破坏的主要原因。

关键词：混凝土路面板角；脱空；断裂；力学机理

中图分类号：U416.216 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2016）05-0055-04

Abstract： The causes of slab corner fracture were analyzed given that it is the most common damage form of concrete pavement. Numerical simulation was applied to analyze the change of stress at slab corner between the states of total contact and disengaging. The results show that because of the water seepage at slab corner， foundation penetration and the pumping， stress at the slab corner soars and then causes the fracture， suggesting that the unmatched state of slab corner at work and in design stage is the main reason for the fracture at slab corner of concrete pavement.

Key words： slab corner of concrete pavement； disengaging； fracture； mechanism

0 引 言

本文针对混凝土路面板角断裂破坏现象[1-4]，分析了发生板角断裂的原因，用有限元方法计算了不同接触和脱空量条件下板角的应力变化规律，初步建议了避免混凝土路面板角断裂破坏的对策，有利于增强人们对板角防水与板角脱空断裂关系问题的认识，在结构设计和养护中给予足够重视。

1 水泥混凝土路面板角断裂破坏原因分析

目前水泥混凝土路面容易产生板角断裂的原因有以下几方面。

1.1 混凝土板的设计状态与实际工作状态不符

现行混凝土路面设计是基于完全接触条件下的小挠度弹性地基薄板理论，板在临界荷位的应力是混凝土板与基础（基层）完全接触条件下的荷载应力和温度应力。然而，在实际路面结构中，由于板厚较薄，板角处的渗水远大于接缝中部，在重车和渗水的作用下，板角处容易产生大的挠度使板角下基层和路基产生塑性变形积累，导致板角唧泥脱空。板角脱空后的工作状态为非设计模型的完全接触，即使没有脱空，浸水后的基层强度也非模型的均匀强度，这使得混凝土路面板的实际工作状态与设计的工作状态不符。在脱空或基层湿软条件下，板的荷载应力大大增加，导致板角断裂，这就是目前混凝土路面断裂破坏以板角断裂破坏为主要破坏形式的原因；相比之下，临界荷位处的路面板很少脱空，这是由于临界荷位处的板渗水较少，很少脱空，在荷载作用下始终与基层完全接触，板的实际工作状态与设计的工作状态较一致[5-8]。

1.2 重载作用

目前中国国省干线公路和高速公路的交通轴载组成复杂，有些轴载远远超过设计的标准轴载，而混凝土路面由于刚性大、对土基不均匀变形和对重载作用敏感，当路面板的厚度较小时，“薄”和“脆”的脱空板角更容易断裂。

1.3 接缝渗水

在实际工程中，施工单位较重视路面板的强度，却常常忽视接缝防水施工，导致接缝防水质量难以控制；养护过程中也很难对接缝进行养护，不能定期更换接缝的材料。当接缝渗水现象严重时，基层湿软，强度不均，在车辆荷载作用下，板底基层在泵吸作用和水的冲刷作用下产生唧泥脱空，随即造成断裂破坏。因此，要解决混凝土路面提前出现断板的问题，必须重视防止板角的断裂和接缝防水，尽量使混凝土路面的实际工作状态与设计状态一致，减少板角的脱空断裂破坏，延长路面使用寿命。

2 水泥混凝土路面板角应力变化规律的有限元分析

模拟计算不同结构厚度的混凝土路面板角、板的纵向边缘中部临界荷位的应力，分析了完全接触与不同脱空长度条件下，不同厚度板角的应力变化规律、脱空对板角应力的影响及不同荷载下板角和临界荷位应力差异。

2.1 数值模拟计算模型的建立

应用ANSYS有限元分析软件，建立不同接触条件下的水泥混凝土路面板的三维模型，计算不同板厚和轴载作用下，完全接触和不同脱空条件下长度的板角表面最大应力。模型由路面板和地基2部分组成，路面板采用四面体Solid95单元模拟，加载面采用适合各种变化荷载和表面效应的8节点SURF154单元模拟。

建模型的基本假设：面层、基层和垫层材料为线弹性材料，应力应变关系符合广义胡克定律；路基土为弹塑性体，遵循Drucker-Prager屈服准则，服从相关联流动法则；面层与基层间为非光滑接触外，其余各层之间为完全连续的光滑接触，位移完全连续。

模型边界条件：路基一定深度（z方向）的底面为固定面，左右2个与z平行的面没有x方向（行车方向）的位移；前后2个与z轴垂直的面没有z方向的位移；前后2个与y轴（路宽方向）垂直的面没有y方向的位移，模型如图1所示。

图1 模型坐标系及网格单元划分

荷载计算参数采用矩形接触面荷载计算，矩形尺寸参考标准轴载的作用面积，等效换算成矩形荷载作用面积为210.0 mm×170.0 mm，按标准轴载中心距双轮中心距取320.0 mm，应力取0.7 MPa。其他轴重的换算方法是作用面积不变，把轴重换算成相应压力。荷载作用于板中临界荷位和板角2个部位。

模型结构几何参数如下，基层及以下长7 m，宽6 m；面板长5 m，宽4 m，位于基层中央。板底与基层间的摩擦系数取0.4，其余各层层间连续。路面结构及材料参数如表1所示。

脱空板尺寸与完全接触板相同，板角脱空尺寸按板的边缘尺寸计算（即脱空0.75 m是指板角的直角边脱空了0.75 m），脱空直角三角形的斜边为脱空与完全接触的界限，脱空直角三角形斜边中垂线与水泥稳定碎石基层1/2厚度连线形成的斜坡为脱空基层的范围，如图2所示。

2.2 混凝土路面临界荷位和板角的应力计算结果及分析

表2是标准轴载作用下，不同厚度板在临界荷位的板底拉应力和板角最大应力的计算结果。

从表2可以看出。

（1）在板与基层完全接触板条件下，临界荷位板底拉应力大于板角表面最大拉应力，表明在完全接触条件下，选择板的纵向边长中点作为临界荷位是合理的。

（2）在完全接触条件下，荷载临界荷位的板底应力和板角表面最大拉应力随板厚和基层厚度的增加逐渐减小，板厚从18 cm增加到26 cm时，板底最大应力减小了35%，板角最大应力减小了52%。表明与临界荷位板底拉应力相比，板角表面最大拉应力对板厚的变化较为敏感，板厚增加，板角的应力将快速减小，即在相同轴载作用下，厚度较小的板更容易产生板角断裂破坏，而不容易产生中部断裂。

2.3 脱空对板角应力影响的计算结果及分析

为找出路面板板厚、完全接触与脱空条件下板角的应力变化规律和影响因素，分析了完全接触和不同脱空量的不同厚度混凝土板在标准轴载和重载作用下，混凝土路面板角表面沿45° 角平分线方向的应力变化及最大应力变化。计算结果如表3和图3所示。

从表3和图3可以看出。

（1）脱空和完全接触板角的应力变化规律不同。在脱空长度小于1.5 m时，不同板角脱空长度的板角表面应力沿角平分线方向的变化呈抛物线变化；板角脱空后，沿板角平分线方向，板表面应力逐渐增加到最大，然后逐渐减小，最大应力位于脱空与接触的交界附近。而完全接触板角应力变化不同，在0.5～0.75 m长度范围内快速增大，然后逐渐增大，但增大的幅度很小，应力曲线变化平缓。而且，无论脱空大小，板角脱空后的应力都远大于完全接触的应力。

（2）重载对脱空板角的应力有显著影响。在100 kN轴载作用下，完全接触板角的最大主应力为0.535 MPa，在200 kN荷载作用下，板角的最大应力增加92%；脱空0.5 m后，在100 kN荷载作用下，应力增加超过60%，在200 kN 轴载作用下，最大主应力为2.187 MPa，增加308%。因此脱空板角在重载条件下更容易断裂破坏。

（3）在100 kN轴载条件下，板厚由25 cm增加到35 cm时，完全接触板的板角应力减小7.2%，脱空0.5 m后，板角的应力减小36% 以上，因此增加板厚可以有效减小板角应力，从而避免由于脱空引起的板角断板破坏。

3 结 语

（1）板角断裂是混凝土路面最常见和最多的破坏病害，产生板角断裂破坏的主要原因是由于板角渗水、基层湿软和唧泥脱空，使混凝土路面板的脱空工作状态与设计的完全接触状态不一致，脱空后的板角应力远大于完全接触状态的应力。

（2）混凝土板角脱空前后的应力分布和变化规律不同。脱空前板角应力先增大然后逐渐变得平缓，而脱空后的板角应力呈抛物线变化，最大应力位于脱空与接触的交界附近。脱空后板角应力快速增大，在重载作用下更容易断裂破坏。

（3）基于增加板厚可以显著降低脱空板角应力的结论，设计时，应在板中临界荷位计算的板厚基础上，进行板角脱空应力验算，确定出满足临界荷位应力和板角脱空应力要求的板厚。同时，应加强混凝土路面接缝防水处理的施工工艺与质量控制和养护管理，增强接缝的防水性，避免板角在渗水和荷载作用下的断裂破坏。

参考文献：

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[责任编辑：杜卫华]