板角断裂机理及厚型混凝土路面的应用研究

杨锡武，李　洁，陈明磊，姜光利，周鹏程，张青春，郑进军

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.唐山市交通运输局 公路工程处，河北 唐山 063000)



板角断裂机理及厚型混凝土路面的应用研究

杨锡武1*，李洁2，陈明磊2，姜光利2，周鹏程2，张青春2，郑进军1

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.唐山市交通运输局 公路工程处，河北 唐山 063000)

分析了水泥混凝土路面易于产生板角断裂的原因，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规律，结果表明：板角的实际工作状态与设计的状态不相符是导致其断裂破坏的主要原因；不同接触条件下，混凝土路面板角的应力变化规律不同，脱空后的板角应力呈抛物线变化，增加板厚可以显著减小脱空板角的应力。基于脱空板角应力随板厚的变化规律，铺筑了厚度达46 cm的混凝土路面，测试了厚板和薄板混凝土路面板角和临界荷位的应力，研究了厚型混凝土路面的施工工艺，分析了厚型混凝土路面的经济性。结果表明，厚板对于减小临界荷位处和板角的应力效果明显，厚型混凝土路面施工工艺简便，使用寿命长，性价比远高于沥青路面。

板角；断裂；力学机理；厚型混凝土路面；施工工艺

目前水泥混凝土路面早期破坏现象严重，养护维修难度大，各地区大面积的“白改黑”工程使水泥混凝土路面在我国的各等级公路中的应用受到很大影响。本文针对混凝土路面破坏病害类型及板角断裂为破坏频率最高病害的情况，分析了板角易断裂破坏的原因，用有限元方法分析了不同接触和脱空量条件下混凝土路面板角的应力变化规律，基于板角断裂机理的分析计算结果，在唐山滨海一级公路姜各庄收费站铺筑了板厚46 cm的混凝土路面，分析了厚型混凝土路面的经济性，结果表明，与沥青路面相比，厚型耐久混凝土路面养护维修成本低，使用寿命长，造价低，性价比高的特点。

1　水泥混凝土路面板角断裂破坏原因分析

水泥混凝土路面的变形破坏形式有：裂缝、破碎板、板角断裂、错台、沉陷、唧泥与脱空、边角剥落、接缝材料破损、坑洞、拱起、磨损和露骨、修补损坏等。在这些变形破坏形式中，除路基沉降、施工质量差导致的断板外，板角断裂是各等级公路水泥混凝土路面最常见的破坏形式，占破坏病害的70%～80%，成为混凝土路面养护维修的重点和难点，如果减少板角断裂，混凝土路面的破坏病害将大幅减少，因此，减少板角断裂对于延长混凝土路面的使用寿命，降低养护维修费用具有重要意义，是值得深入研究的课题。根据调查[1-3]，我国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)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完全接触条件下的荷载应力和温度应力，因此，计算的弯矩较小，荷载应力也较小，计算的板厚也较薄，27、28 cm已是较大的板厚；(2)板角是纵缝横缝的交点，有四条缝的渗水途径，渗水量远大于临界荷位的板边中部，理论上，接缝渗水是养护和施工控制问题，只要加强施工和养护管理就可以解决，但由于接缝防水没有定量的检测方法，施工单位重视有定量检测指标的混凝土板强度，而不太重视量大又没有定量检测指标的接缝防水施工，使接缝防水效果始终与设计有一定的距离，养护过程中也很难做到接缝的定期更换，是接缝渗水现象严重且难以解决的主要原因，使板角渗水严重，基层湿软，强度不均，在车辆荷载作用下，板底基层产生泵吸作用和冲刷作用，板角底部基层材料被冲刷唧泥带走，导致板角唧泥脱空，使板角处于脱空或半脱空(基层湿软、强度低、在荷载作用下塑性变形大，但与板仍处于接触)状态而非设计的完全接触弹性工作状态，设计的工作状态与实际工作状态不符，非完全接触条件下的脱空板在荷载作用下应力大大增加，导致板角断裂破坏，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，纵向板边临界荷位处的路面板底渗水较少，不易产生脱空和唧泥，板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，使混凝土路面沿板中的断裂很少；(3)重载作用，上世纪80年代，我国混凝土路面的设计轴载有60 kN和100 kN两种，随着经济的发展，车辆轴载逐渐增大，后来设计轴载采用100 kN至今，而目前我国国省干线公路和高速公路的交通轴载组成和重量远非上世纪的交通情况可比，轴重大于100 kN的重载超载车辆多，混凝土路面设计规范也作了不断改进完善，但混凝土板的设计厚度变化都不太大，设计厚度很难达到28 cm以上，虽然从临界荷位的应力计算上完全能满足要求，但与目前各等级公路的重载疲劳作用相比，这个厚度实际上是偏薄，在重载和渗水作用下，厚度较薄的板容易产生大的挠度，板角部位更容易产生塑性变形积累和冲刷唧泥脱空，板角更容易断裂破坏。因此，要解决混凝土路面提前断板破坏严重的问题，必须重视板角断裂的原因分析，只要减少板角的断裂破坏，混凝土路面的断裂破坏就会大大减少，从而延长路面使用寿命，降低养护维修费用，使混凝土路面的优势得到充分发挥。以下应用有限元方法，分析板角接触条件对其应力的影响以及采用厚板对于减小板角应力的效果。

2　不同接触条件下水泥混凝土路面板角应力变化规律的有限元分析

为研究接触条件及板厚对板角应力的影响，本文用数值模拟计算分析了不同接触条件和结构厚度路面板的板角和临界荷位的应力变化规律，为解决混凝土路面板角断裂破坏提供理论依据。

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三维模型，计算不同板厚和不同接触条件下板角表面的最大应力。模型由路面板和地基两部分组成，路面板采用四面体Solid95单元模拟，加载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，面层与基层间为非光滑接触，摩擦系数取0.4，其余各层之间为完全连续的光滑接触，位移完全连续。

模型边界条件与几何参数：基层及以下土基长度7 m，宽度6 m；面板长5 m，宽4 m，位于基层中央；路基一定深度(z方向)的底面为固定面，左右两个与z平行的面没有x方向(行车方向)的位移，前后两个与z轴垂直的面没有z方向的位移，前后两个与y轴(路宽方向)垂直面没有y方向的位移。

接触条件模拟：接触条件分完全接触和脱空两种状态，板角脱空长度为板角的直角边长度，脱空面积为等边直角三角形的面积，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厚度处连线形成的斜坡面为脱空范围，如图1所示。

轴载：采用矩形接触面荷载计算，取为210.0×170.0 mm，双轮中心距按标准轴载中心距取为320.0 mm，标准轴载应力为0.7 MPa。其它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顶点两个部位。

模拟计算路面结构及材料参数：各路面结构层厚度及材料参数如表1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，完全接触的混凝土路面板临界荷位板底拉应力和板角最大应力计算结果。

图1　计算模型结构断面及平面示意图

模型结构及材料抗压回弹模量/MPa密度/kg/m3泊松比模型代号及结构层厚度/cm完全接触脱空MJ1MJ2MJ3MJ4MJ5MK1MK2MK3C30混凝土3100025000.151820222426252545水泥稳定碎石120022000.252020202020202020级配碎石20020000.301515151515151515土基3520000.35200200200200200200200200

表2　标准轴载作用下路面板临界荷位的板底拉应力和板角表面最大拉应力计算结果

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，临界荷位的板底应力和板角表面最大拉应力随板厚的增加而逐渐减小，板厚从18 cm增加到26 cm时，临界荷位板底最大应力减小了35%，板角最大应力减小了52%，表明板角最大拉应力对板厚变化较为敏感，厚度较小的板更容易产生板角断裂破坏。

(3)在相同轴载作用下，增加板厚可以使板角应力快速减小，而对于临界荷位的应力降低很小，增加板厚对于减小临界荷位的应力效果不明显。基于板角应力随板厚度的这种变化特点，增加板厚可以有效避免板角断裂破坏。

2.3脱空对板角应力影响及分析

为找出不同接触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，沿板角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2所示。

从表3和图2可以看出：

(1)脱空和完全接触板角的应力变化规律不同。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，始终有一个最大值，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却明显不同，在0.5～0.75的边长范围内快速增大，然后增幅度很小，应力曲线变化很平缓。而且，板角脱空后的应力都远大于完全接触的应力。

(2)脱空使板角应力显著增大，25 cm厚板脱空0.5 m以后，最大应力增加154%，而厚度35c m和45 cm板的应力分别增加75%和41%，脱空为1.0 m的时，25 cm板的应力比脱空前增加253%，而厚度为35 cm和45 cm板的应力分别比脱空前增加102%和46%，表明增加板厚可以显著减小板

表3　不同厚度板角最大第一主应力随脱空长度变化的计算结果

图2　板角应力随脱空长度变化的关系曲线

角脱空应力，如在水和其它因素作用下导致板角脱空，则厚板不容易断裂，而薄板板角更容易断裂。

(3)不同板厚、不同脱空量混凝土板在100 kN和200 kN轴载作用下的板角最大应力增量表明，薄板的脱空应力增幅远远大于厚板越大，重载作用下，薄板比厚板更容易产生板角断裂破坏。

(4)当板厚达到45 cm时，无论是100 kN的标准轴载还是200 kN的重载，随着脱空量的增加，板角的应力增加幅度较为平缓。因此，为避免混凝土路面的板角断裂破坏，可采取增加板厚的措施。

3　厚型混凝土路面的现场应用及施工工艺

基于上述理论分析计算成果及厚型混凝土路面特点，本次研究在唐山滨海公路唐秦界至曹妃甸新城段的乐亭收费站铺筑了半幅厚型混凝土路面试验段，以研究厚型混凝土路面的施工工艺、现场应用效果、评价其经济性，为这种路面结构的推广应用提供依据。

3.1试验路面结构与测试

依托工程为河北省道滨海公路唐秦界至曹妃甸新城段，位于唐山市东部的滨海平原，随着曹妃甸工业区的开发建设，大型货车急剧增加，成为主要车型。为适应重载交通的要求，乐亭收费站场采用混凝土路面结构，为对比厚型混凝土路面的使用效果，进站方向采用原设计路面结构(板上设置了钢筋网)，出站方向采用厚型试验路面，如图3所示。

图3　收费站试验路面结构与布置

试验在原设计路面和试验路面上选择了两块板，在板的临界荷位和板角处安装钢弦式混凝土应变计，测试临界荷位板底和板角表面混凝土板的应力变化规律，以研究厚型混凝土路面板与原设计混凝土板在板角与临界荷位处的应力差异。测试板块靠路肩，长×宽=8×5.6 m，混凝土板的设计弯拉强度为5.0 MPa，临界荷位和板角的传感器布置如图4所示。

3.2测试成果及分析

表4分别是厚型混凝土路面板和原设计钢筋混凝土路面板在临界荷位和板角应力测试结果，测试龄期为28 d。测试轴载为100 kN和200 kN两种。

从表4可以看出：

(1)无论是厚型混凝土路面板还是原设计路面板，在临界荷位处的应力为上部受压，下部受拉，板角表面应力小于临界荷位处的应力，变化规律与

完全接触条件下混凝土路面结构结构设计应力选择临界荷位依据及临界荷位处板底应力的变化规律一致，表明测试结果和方法是可靠的。

图4　传感器布置与安装

部位厚型耐久试验路面(46cm)原设计钢筋混凝土路面(28cm)轴载100kN轴载200kN轴载100kN轴载200kN应力/MPa应力/MPa应力/MPa应力/MPa临界荷位上0-0.124-0.155-0.31中0-0.1550.0620下0.1240.2790.2730.496板角表面100-0.124-0.217200-0.093-0.217300-0.093-0.1244005000-0.279备注传感器编号从板角顶点起为1#、2#、3#、4#、5#,间距25cm。

(2)在100 kN和200 kN轴载作用下，原设计钢筋混凝土板在临界荷位处的拉应力均明显大于厚型混凝土板的应力，表明增加板厚对于减小临界荷位处的应力效果明显。

(3)在100 kN和200 kN轴载作用下，厚型板角的应力都为0，板角没有挠曲变形，而原设计相对较薄的钢筋混凝土板角产生了压应力，产生了挠曲变形。表明完全接触条件下，增加板厚可以显著减小板角变形和应力，避免板角的断裂破坏。

(4)厚型板和原设计钢筋混凝土板的板角应力和临界荷位板底应力都远小于设计拉应力和理论计算应力，这主要是现场新铺路面结构与设计完全接触模型状态较吻合，同时板较厚，原设计板中也加了钢筋，板具有较大的刚度和抗变形能力，使测试的应力值偏小。

3.3厚型混凝土路面现场施工工艺

厚型混凝土路面的施工工艺和接缝构造与普通混凝土路面基本相同，包括：①基层准备；②分幅宽度放样；③安装模板；④混凝土拌和；⑤摊铺混凝土；⑥振捣密实；⑦抹面和抗滑构造施工；⑧养生；⑨接缝施工。由于混凝土板厚度较大，普通混凝土路面切缝机不能满足切缝深度要求，可以采用切割深度较大的切割机锯缝，若缩缝处设置传力杆，可以在浇筑过程中采用专门的结构成型接缝及深度，本研究结合厚型混凝土路面的接缝特点和板厚，发明了厚型混凝土路面接缝成型装置，使厚型混凝土路面浇筑成型后不需要再锯缝而直接成缝。此外，厚型混凝土路面施工的模板需要根据设计的板厚单独加工制作。

3.4厚型混凝土路面的经济效益评价

表5是厚型混凝土路面与沥青混凝土路面的经济效益对比分析。

从表5可以看出，采用46 cm厚混凝土板路面的造价比采用4+5+7面层采用改性沥青混凝土的路面结构低5元/m2，在预期的使用寿命期内，比沥青路面投入低60%，沥青路面在15年期间需要投入多次的预防性养护、罩面和大修费用，而厚型混凝土路面使用期间的养护主要是接缝防水材料更换，费用低，此外，沥青路面维修、改建期间将产生废料和开采新料，对环境产生破坏，而水泥路面则长期使用，不产生养护维修废料，有利于保护环境，因此，无论是近期一次性投入还是长期投入，厚型混凝土路面都比沥青路面具有显著的经济效益和社会效益。

表5　厚型混凝土路面使用经济效益分析

4　结论

(1)板角断裂是混凝土路面最常见且量最多的破坏形式，其主要原因是混凝土路面板角渗水、脱空和重载作用，板角的实际工作状态与设计状态不一致，导致板角更容易断裂破坏。

(2)脱空板角表面应力沿角平分线方向呈抛物线变化，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则在距板角一定长度范围内快速增大，然后增长很平缓，脱空使板角应力显著增大，且远大于完全接触板的应力。

(3)重载作用下，薄板比厚板更容易产生板角断裂破坏，增加板厚可以显著减小脱空板角的应力，为避免混凝土路面的板角断裂破坏，可采取增加板厚的措施，但最大板厚不宜超过45 cm，再增加厚度对于减小板角应力的意义不大。

(4)现场试验路面表明，厚型混凝土路面可以显著减小板角应力和板在临界荷位的应力，其施工工艺简便，性价比远高于沥青路面，对于重载交通的道路，采用厚型混凝土路面结构，可以增加板角刚度，减小板角挠度，避免混凝土路面的板角脱空断裂破坏，延长混凝土路面使用寿命。

[1] 杨锡武， 王东， 张祖堂. 汽车超载对水泥混凝土路面破坏影响的力学机理分析[J]. 重庆交通学院学报，2004，23(6)：46-49.

[2] 杨锡武.公路水泥混凝土路面典型结构设计方法[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]杨锡武.路面养护维修与实用技术[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4] 蒋应军， 戴学臻， 陈忠达，等. 重载水泥混凝土路面损坏机理及对策研究[J]. 公路交通科技，2005，22(7)：31-35.

[5] 石小平， 刘占山， 姚祖康. 控制挠度的混凝土路面结构设计方法[J].同济大学学报，1991，19(2)：177-186.

(责任编辑：曾晶)

Mechanism of Slab Corner Fracture and Application Study of Thick Type Concrete Pavement

YANG Xiwu1*，LI Jie2，CHENG Minglei2，JIANG Guangli2，ZHOU Pengcheng2，ZHANG Qingchun2，ZHENG Jinjun1

(1. School of Civil Engineering， Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074， China;2 Highway Engineering Division，Tangshan Department of Transportation， Tangshan 063000， China )

The reasons of Concrete slab corner fracture were analyzed. The concrete slab corner stress change rule in different foundation contact condition was studied in numerical simulation method. The numerical simulation results show that the causes of concrete slab corner easily fracture are that the slab actual foundation contact condition is not consistent with the design contact condition， and the corner stress of slab changed with the foundation contact condition， the voids lab coner stress change curve is a parabola and increasing thickness of slab can significantly reduce the voids stress. Based on the rule of voids coner surface stress changing with thickness of lab， a thick type test pavement (46 cm in thickness) was paved and the load stress of corner surface and critical loading position were tested and the construction process of thick type concrete pavement was investigated in the course of test pavement building and its economical efficiency was evaluated. The field thick type slab test results prove that increasing the thickness of slab can observably reduce the stress of voids coner surface and critical load position， thick type concrete pavement is not only simple in construction process but also has long service life and cheaper cost than asphalt pavement in the long run.

slab corner; fracture; mechanics mechanism; thick type concrete pavement; construction process

B

1000-5269(2016)03-0119-07

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.28

2016-02-16

唐山市科技局科技计划项目(12110219a)

杨锡武(1963-)，男，教授，博士，研究方向：路基路面工程，Email：yangxw01@126.com.

杨锡武，Email：yangxw01@126.com.

U416.216