旧水泥混凝土板破碎过程对板底脱空的影响

□文/王 亮

在水泥混凝土路面改造中，将原路面打裂后加铺沥青面层，既可以消除板内过大的集中应力，减小改造后加铺层内的温度应力和车辆荷载应力；同时可以有效地消除板底脱空等病害。但是，打裂过程中如何消除板底脱空、打裂过程中脱空区域的沉降量变化、应力-应变以及裂缝的发展形势等一直是人们关注的问题，对脱空区域的合理打裂可以有效地改变该区域的受力情况，减小对加铺层的潜在危害和影响。本文结合HB-XD高速公路、HB-ST高速公路改造工程，对路面打裂过程对板底脱空的影响进行分析研究。

1 基本假定

应用ANSYS有限元软件建立分析模型，对打裂过程中板底脱空区域进行力学分析。在建立模型和计算时，需作如下假设。

1）假设个结构层为均质、连续、各向同性的线弹性材料。

2）不计路面结构的自重影响。

3）结构层之间完全连续接触。

4）考虑面板之间的相互作用；

5）建立分析模型时，面板为5 m×4 m×0.25 m，基层为 35 m×28 m×0.30 m，土基为 35 m×28 m×20 m。

6）约束条件：不考虑接缝的传荷能力，对基层和土基施加各个方向的约束，面板为四周自由不受约束。

2 基本参数和分析模型

2.1 结构层参数

建立ANSYS有限元分析模型，见图1。

图1 ANSYS有限元分析模型

其中，对水泥混凝土路面板的模拟采用ANSYS提供的适合于分析三维水泥混凝土开裂模型的concr et e65单元，基层和土基采用sol id45单元。为反映半无限大空间基础的特性，基础采用扩大尺寸来模拟。各结构层的材料参数见表1。

表1 结构层材料的物理力学参数

2.2 力学计算模型

选取脱空面积分别为 0、20 cm×20 cm、40 cm×40 cm、60 cm×60 cm时建立模型进行计算。

3 分析计算

通过ANSYS有限元计算模拟打裂过程中脱空区域上部水泥混凝土板的竖向变形，从竖向沉降角度得出水泥路面打裂过程中对消除板底脱空的作用。不同脱空区域面积在打裂过程中的沉降变化情况见表2。

表2 水泥混凝土路面打裂过程中对板底脱空的消除 mm

在对旧水泥混凝土板打裂的过程中，随着脱空区域面积的增加，脱空区域的沉降量也随之增加。ANSYS有限元分析脱空区域上部水泥混凝土面板沉降量透视见图2。

图2 脱空区域上部水泥混泥土板竖向沉降

由图2可以看出，与没有脱空的区域相比，有脱空区域的水泥混凝土板顶的竖向沉降量更加明显。

在水泥混凝土板打裂的过程中，除了水泥混凝土板接缝位置处最容易打裂外，就是板底脱空部位。在打裂到水泥混凝土板接缝边缘位置时，裂缝从板底和板顶同时出现并且伴有斜向裂缝的产生，见图3。在脱空区域尖端（图3位置1处和位置2处）与水泥混凝土板底部相接部位产生裂缝。此时的裂缝产生于水泥混凝土板底部并向上逐渐发展。在向上发展的过程中，伴有斜向裂缝和交叉裂缝的出现。由于板底脱空大多出现于板角和板边位置，板角和板边本来就是车辆荷载作用下剪应力比较集中的部位，加上板底脱空的存在和影响会造成该部位受力更加复杂。因此，如果不对板底脱空及时有效地消除，该区域仍将是加铺层受力的薄弱环节，将会是路面破坏的突破口。

图3 脱空区域水泥混凝土裂缝发展

4 结论

1）通过ANSYS有限元分析，从脱空面积为0到60 cm×60 cm的过程中，冲击碾压、打裂压稳、碎石化3种旧水泥路面打裂工艺处理后的水泥混凝土表面沉降量分别增加了177%、260%和423%。可见，旧水泥混凝土路面打裂工艺在消除板底脱空方面的效果还是比较明显的。

2）在对水泥混凝土路面板打裂的过程中，碎石化消除板底脱空的效果最明显，在打裂水泥混凝土的过程中，由于其冲击能量为500 MPa，远远大于打裂压稳4 MPa和冲击碾压1.6 MPa的冲击能量，所以碎石化在将水泥混凝土板打裂的同时，有效地消除了板底脱空等病害。

3）由于板底脱空大多出现于板角和板边位置，板角和板边本来就是车辆荷载作用下剪应力比较集中的部位，加上板底脱空会造成该部位受力更加复杂。因此，如果不对板底脱空及时有效地消除，该区域仍将是加铺层受力的薄弱环节，将会是路面破坏的突破口。

4）通过对打裂过程中脱空区域的应力进行分析，剪应力主要集中在脱空区域尖端与水泥混凝土板相接触位置，形成了应力集中，与没有脱空部位的弯拉应力1.62 MPa和剪应力0.214 MPa相比，数值明显地增大且剪应力数值增大趋势明显快于弯拉应力。但是，打裂完成以后，伴随裂缝的产生和发展，该尖端处的应力集中现象得到明显缓解。这说明冲击碾压过程中可以起到尖端应力释放的作用和目的。

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