山区高速公路水泥混凝土路面早期断裂原因及处治方案

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接ADHESION收稿日期：2020-01-15

作者简介：程俊博（1984-），男，汉族，河南汝州人，硕士学历，讲师，主要研究方向：交通工程。

山区高速公路水泥混凝土路面早期断裂原因及处治方案

程俊博1，王宝蓉2

2.陕西省交通建设集团西咸北环分公司，陕西西安710301）

摘

要：山区高速公路混凝土早期断裂会使得路面寿命缩短。为了得到山区高速公路早期断裂的机理，通

（1.陕西交通职业技术学院，陕西

西安710018；

过ANSYS软件对山区公路的所受应力情况进行仿真，分析造成应力集中的原理，进而针对性的提出维护方案。将车辆的载荷应力和温度应力作为路面受力约束，通过求解得出剪切应力和拉应力均和温度有着明显的线性关系，说明车辆的超载和温差较大是造成山区混凝土路面产生断裂的主要原因。通过大量道路损坏统计，将断裂程度分为轻微断裂、中等断裂以及严重断裂，并根据相应的损坏特征提出相应的修复措施。关键词：山区高速公路；混凝土路面；早期断裂原因；处治方案中图分类号：U416.216

文献标识码：A

文章编号：1005-8249（2020）03-0155-04

CausesandTreatmentSchemeofEarlyFractureofCement

ConcretePavementinMountainousExpressway

CHENGJun-bo1，WANGBao-rong2

2.ShanxiProvincialTransportationConstructionGroupWestXianbeiRingBranch，Xi'anShaanxi710301，China）Abstract：Earlybreakofconcreteonmountainhighwayswillshortenthelifeofroadsurfaces.Inordertoobtainthemechanismofearlybreakofmountainhighway.ThroughANSYSsoftware，thestresssituationofmountainroadsissimulated，theprincipleofstressconcentrationisanalyzed，andthemaintenanceschemeisputforward.sultofsolvingtheresultshowsthatthereisaclearlinearrelationshipbetweenshearstressandpullstressandTakingtheloadstressandtemperaturestressofthevehicleastheforceconstraintoftheroadsurface，there⁃temperature，whichshowsthattheoverloadandtemperaturedifferenceofthevehicleisthemaincauseoffrac⁃tureontheconcretepavementinmountainousareas.Throughalargenumberofroaddamagestatistics，thede⁃greeoffractureisdividedintoslightfracture，mediumfractureandseverefracture，andaccordingtothecorre⁃spondingdamagecharacteristicsproposedrepairmeasures.

Keywords：mountainexpressway；concretepavement；earlyfracturecause；treatmentplan

（1.ShanxiInstituteofTransportationVocationalandTechnicalCollege，Xi'anShaanxi710018，China；

0引言

水泥混凝土路面具有强度高、刚度大、稳定性

路面结构[1]。但是随着水泥混凝土路面结构的推广，一些问题也逐渐出现，水泥混凝土路面早期结构性的破坏成为影响水泥混凝土寿命的主要原因，也是目前最被关注的问题[2]。山区混凝土道路工程经常发

好以及后期维护费用低的特点，是目前应用最广的

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生路面早期断裂的情况，进而降低混凝土路面工程的使用寿命。国内外很多学者研究了山区环境对水泥混凝土性能的影响规律[1-4]，但是研究只停留在理论方面，对于试验的探究较少，因此对工程的仿真就显得尤为重要了。

在以往的情况下，当水泥混凝土路面出现断板类破坏时，维护人员往往会根据自己以往的经验或根据公路养护规范制定维修方案，但由于对其破坏机理的不清晰，会造成维修方案缺乏针对性与有效性，导致维护效率低[3]。因此很有必要针对路面早期断板破坏的原因进行研究分析，总结出其断裂机理，提出更有效率的维护方案[4]。文章通过ANSYS软件对山区公路的所受应力情况进行仿真，对路面断裂机理进行分析，以期为相似工程提供借鉴。

1工程路段概况

山区高速公路多用于运输作用，长期经受强载

荷，同样会在运营过程中造成容易出现裂纹。另外，由于山区高速公路所处气候特征以及地理环境，致使当地气温在白天升温较快，夜晚降温较快，早晚温差较大[11]。根据广东近期的气象监测数据，春秋两季的温差最大，可达到20℃，由于路面长期受到热胀冷缩的作用，很容易出现裂纹。

为了使研究结果更具普适性，能够满足分析要求，选择广东地区的山区高速公路不同环境的路段作为研究对象，从路面结构旧路处理、路面外观等方面，进行现场调研分析，将选取的路段进行特征统计，具体情况[5-6]如表1所示。

桩号

表1路面代表性病害路段选择情况

Tab.1Selectionofrepresentativediseasedroadsectionsontheroadsurface旧路处理类型新建路面旧路冲击碾压新建路面新建路面

路面外观描述填方、块裂、病害最为严重

横向开裂横向开裂

填方、路况良好、个别板块断裂

所属施工标段

A1A2A2B1JK2066+200~JK2067+200JK2100+800~JK2100+990JK2100+990~JK2101+700JK2168~JK2169+5002

2.1有限元模型路面划分分析

破坏作用机理分析

点，将长度设定为5m，宽度设定为4.5m，并在水泥混凝土面层与碾压贫混凝土基层之间设置可滑动层，将其作为荷载的作用板。路面结构的设置采用SOLID65单元进行离散处理，传力杆设置采用BEAM44单元进行离散处理，可滑动层采用SUR⁃

水泥混凝土路面不是简单的单层结构，因此在进

行分析时需要将面板抽象为矩形模型[7]。目前在进行各部分应力计算时，由于假设和采用的理论不同会造成最终结果不尽相同。通过现场调研，考虑到路面面板是矩形，并且矩形的大小对载荷的影响也不同，约束的边界条件计算较为繁杂[8]。通过有限元模型对路面面板进行建模，划分结果如图1所示。

FACE1单元进行分析。对于路面模型的尺寸设定，将其分为X轴方向、Y轴方向以及Z轴深度，对应的数值分别为10m、9m以及路面的深度。有限元模型共建立53628个节点，451个实体单元。具体参数如表2所示。

表2水泥混凝土路面各结构层材料设计参数Tab.2Materialdesignparametersofeachstructural

layerofcementconcretepavement材料名称水泥混凝土面层碾压贫混凝土基层

厚度/cm28221815-弹性模量/MPa

3000023000100025040图1基于有限元模型的路面划分结果

Fig.1Resultsofpavementdivisionbasedonfiniteelement

model

水泥稳定碎石底基层

级配碎石垫层

土基

对于有限元模型参数的设置[9]，结合整体结构特

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接ADHESION2.2水泥混凝土路面板应力状况分析

根据调研结果进行统计，广东地区的道路最大的

承载量能够达到原设计值的200%左右[10]，已经超过规定的承载量。为了得出超载对路面的影响机理，分别对路面结构层部分进行应力计算，主要涉及拉应力和剪切应力两方面。为了判断温度应力与道路早期断裂的关系，文章对轮胎的压强和应力进行作图，如图2、图3所示：

Fig.2Curve图2拉应力随轮胎压强变化曲线

oftensilestressversustirepressure

Fig.3图Curve3剪切应力随轮胎压强变化曲线

ofshearstressversustirepressure

从图2、图3可以看出拉应力和剪切应力随轮胎压强增加而增加，并且水泥混凝土面层和碾压贫混凝土基层的变化趋势相同，均呈明显的线性关系。实验点与曲线的吻合程度较高，说明应力均是呈线性分布的。为了明确温差对于路面板内各应力的影响机理，分别对不同温度下的道路面板的内部应力计算，计算结果如表3所示。

Tab.3表3Calculation不同温差载荷下路面板内应力计算结果underdifferentresultsoftemperaturestressinpavementslab

温差/℃load应力类型层底拉应力10最大剪应力

0.7080.1311.061150.1971.42201.782300.2620.3262.1430.394水泥混凝土路面不同结构层之间的温度不同就会造成热应力的出现，进而使各层结构出现位移和变形。同时不均匀的温度分布会使得板发生翘曲变形，通过表3可以看出，应力最大值可以达到2.143MPa，但是混凝土处于凝固状态时，由于应力产生的变形受阻，就会形成相应的应力，严重影响到混凝土的性能。拉应力和剪切应力随着温度的增加呈现增加趋势，两者存在明显的线性关系。2.3水泥混凝土路面板断裂机理分析

路面的结构设计及材料参数的设置如表2所示。

按照前人研究经验[12]，设定温度梯度为0.88℃/cm，车辆平均超载率按50%进行计算。纵缝旁是最不利受力的位置，当受到载荷时最容易发生断裂，因此设定轮胎载荷的施加位置为纵缝旁。在路面原设计结构的前提下，对两种不同载荷分别进行受力计算，计算结果如表4所示。

Tab.4表Calculation4路面各结构层最大应力计算结果structuralresultslayerofofmaximumpavement/MPastress/MPaofeach

路面结构层σxσzσlτxz水泥混凝土面层5.7.155.811.8碾压贫混凝土基层

1.13.193.530.56通过有限元软件仿真，得到选取路段的拉应力分析图，如图4所示。

（a）路段1拉应力示意图

（b）路段2拉应力示意图

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（c）路段3拉应力示意图

（d）路段4拉应力示意图

Fig.4Selecta图pull4选取路段拉应力示意图

stressschematicfortheroadsegment

从图4显示的模拟结果可以看出，在50%过载和温度荷载耦合作用下，路面会在底部产生一定的拉应力，而产生的拉应力远远大于水泥混凝土路面的抗弯强度。因此在一定程度上来讲，路面产生裂缝不可避免的。针对大量道路损坏进行统计发现，相对于横向裂缝，纵向裂缝数量占主导地位。当纵向裂缝贯通时，就造成了路面的整体断裂，因此整体断裂是路面损坏的最终形态。同时在恶劣环境下，加速了水泥混凝土路面的损坏程度。

3水泥混凝土路面早期断裂处治措施

通过对大多数山区高速公路进行统计发现[13]，水

泥混凝土路面断板主要有3个阶段，分别是初期、中期和末期。则根据不同的断裂程度，可将处理断裂板的方法分为裂缝修补、局部修补、整块板更换3种[14]。时，即裂缝的宽度小于1）轻微断裂。当水泥混凝土路面断板处于初期

3mm，并且周围无碎缝出现，可以采用修补材料进行灌封处理，采用的材料一般为沥青以及聚氨酯化合物等。

力学性能均会受到影响，如果没有及时修补将会造成2）中等断裂。当短板裂缝处于中期损坏时，其无法挽回的损失，对于此种情况可以采用植筋补强+灌缝法。

3）严重断裂。当路面断裂处于末期是，会发生

158严重剥落情况的出现，此时路板会成3块以上，此时应当更换整块路板，进而达到修复的目的。

4结语

板断裂问题中，通过将面板进行合理划分，并对车辆1）将有限元模型应用到水泥混凝土路面早期面

的载荷应力和温度应力进行计算分析，得出车辆的超

载和温差较大时是造成山区混凝土路面产生断裂的最主要原因。

为轻微断裂、中等断裂以及严重断裂，并根据相应的2）然后通过大量道路损坏统计，将断裂程度分

损坏特征提出相应的修复措施。参考文献

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