水泥混凝土路面板底脱空区域动水压力分布特性

陈开国

（贵州智恒工程勘察设计咨询有限公司，贵州贵阳 550004）

水泥混凝土路面板底脱空区域动水压力分布特性

陈开国

（贵州智恒工程勘察设计咨询有限公司，贵州贵阳 550004）

为了研究脱空区滞留水产生动水压力的分布特性，建立含脱空区混凝土路面⁃滞留水双向流固耦合计算模型，分析了车辆行车位置、行车速度、轴载、脱空区面积等因素对动水压力的影响。研究结果表明：动水压力沿着出口方向呈三次方减小关系；车辆行驶速度、轴载、脱空区面积是影响动水压力的3个重要因素；动水压力大小与行驶速度呈二次方增加关系，与轴载呈线性增加关系，与脱空区面积呈三次多项式增加关系。

混凝土路面；板底脱空；滞留水；动水压力

0 引 言

随着中国经济的快速发展，作为一种高等级路面，水泥混凝土路面被广泛使用［1］。水泥混凝土路面是典型的层状结构体系，在温度、湿度和车辆荷载等作用下会产生翘曲变形，反复的翘曲变形后形成卷曲，从而脱离地基顶面形成界面裂缝甚至板底脱空。在雨水丰富或排水不畅地区，水经过接缝或水泥板裂缝渗入到板底，侵入基层顶面形成滞留水。滞留水在车辆荷载的反复作用下形成高速水流，并对基层产生冲刷作用，使基层细集料从接缝处被动水带出，产生唧泥冒浆现象，从而导致脱空区域不断扩展，加速混凝土路面水损伤［2］。

车辆荷载与水耦合作用下混凝土路面板底脱空区发展问题，实质上是车辆荷载作用下脱空区域滞留水产生的动水压力对表面冲刷的问题。国内外学者普遍认为造成这种现象的内因是路面基层材料抗冲刷性能不足，外因是车辆荷载作用产生较大的动水压力和速度；学者们也相继开展了基层材料抗冲刷性能和动水压力的研究［3⁃6］。

水泥混凝土路面板底脱空问题具有隐蔽性，致使板底滞留水在行车荷载下的运动状态难以观察测量。为明确水泥混凝土路面板底脱空区动水压力分布特性，建立含脱空区水泥混凝土路面⁃滞留水瞬态双向流固耦合计算模型，分析车辆荷载特性、脱空区几何形态等对动水压力的影响，为合理进行路面板脱空的预防和治理提供参考。

1 动水压力作用机理与产生机制

1．1 动水压力的冲刷作用

大量已有研究表明，水损害是造成混凝土路面早期破坏的主要原因之一［7］。由于混凝土路面是层状结构，层间结合处容易出现裂隙，一旦排水不畅就会形成滞水区。当车辆趋近脱空区时，在荷载作用下，混凝土板挤压滞留水产生正压力和流速，进而对脱空区表面颗粒产生挤压和剪切作用；当车辆远离脱空区时，混凝土路面板恢复变形，此时由板底的泵吸作用产生负压力和水流速度，对脱空区表面颗粒产生拉扯和剪切作用。经过动水压力的反复作用，水损害由混凝土面板底部逐渐向上扩展，最终破坏整个混凝土面层。

此外，混凝土在大气压下被水浸泡，材料的空隙通常处于不饱和状态。在正压力作用下，水侵入混合料试件空隙中，残留的空气被压缩，自由水进一步侵入混凝土空隙中，此时流动的有压水流对空隙表面施加法向压力和切向摩擦力，且有可能侵入黏结面的薄弱处；在负压力作用下，水从空隙中流出，此时空隙中空气膨胀，这种膨胀对混合料的黏结力也有一定的破坏作用。

1．2 动水压力的产生和变化机制

脱空区内动水压力是由流体黏性、荷载特性、脱空区形态等多因素综合决定的，其产生与变化机制较为复杂。二维脱空区内动水压力分布解析式为

式中：px为距离脱空区尖端x处的压力；ρ为水的密度；F为施加在路面板上的车辆荷载；ωx为脱空区x处的高度；μ为动力黏滞系数；pL为脱空区出口处水的绝对压力；ωL为脱空区出口处的高度；A（x）、B（x）、C（x）为与脱空形态相关的计算系数。

2 计算模型及参数

模型基于ANSYS Workbench计算平台的子程序APDL和CFX，分别进行固体域建模和流体域建模，并通过子程序FSI进行流固耦合边界数据传递，从而实现双向流固耦合求解。

2．1 固体域模型的建立

水泥混凝土路面结构是由水泥混凝土路面、文克勒弹性地基、土基等组成的典型层状结构体系。以发耳电厂专用公路水泥混凝土路面为例，建立板底脱空状态下的路面有限元分析模型。发耳电厂专用公路水泥混凝土路面面板尺寸为5 m×3Ʊ75 m，其他各层的结构尺寸及材料参数如表1所示。设置脱空区域发生在板角，形状为等腰直角三角形，高为2 cm，直角边长为0Ʊ5～1Ʊ5 m。荷载采用单轴双轮标准轴载BZZ⁃100进行加载，具体加载位置见图1，图中L为脱空区深度。

表1 水泥混凝土路面板和基层参数

图1 荷载加载位置

2．2 流体域模型的建立

假设脱空区充满水且不可压缩，忽略水沿固体边界的渗透；在车辆荷载作用下，水仅沿脱空区出口方向流动。水的流动符合k⁃Epsilon湍流准则，动力黏滞系数为1Ʊ003×10－3Pa·s，密度为998Ʊ2 kg·m－3。流体的边界条件有：脱空区水与混凝土路面的接触面为流固耦合面，与土基的接触面为流固耦合面，与大气接触的自由表面为开放式边界。水在流固耦合面上不可滑移，在开放式边界上随着路面板的挤压和回弹自由进出。

2．3 有限元计算模型

通过APDL和CFX建立的固体域和流体域有限元耦合计算模型如图2所示，其中流固耦合面为移动网格边界。固体区域的单元数为106 232个，节点数为113 969个；流体区域的单元数为1 594个，节点数为1 785个。为了详细了解脱空区内动水压力的分布规律，在流体域计算模型中设置了相应的监测点，如图2中点1～5。

图2 有限元计算模型及动水压力监测点布置

3 计算结果及分析

3．1 动水压力分布特性

当车辆行驶在路面正中央时，在60 kN轴载作用下，0．7 m×0．7 m脱空区内动水压力分布如图3、4所示。

图3 脱空区动水压力分布

由图3、4可知，在车辆驶向脱空区时，路面板脱空区与内水的挤压作用产生正压力，此压力沿脱空区域基本呈三次多项式分布，且其最大值发生在脱空区域的内部尖端处。随着车辆驶离脱空区，车轮

图4 脱空区动水压力分布

驶过路面板的接缝时，作用在路面板上的荷载瞬间消失，此时脱空区内流体间失去相互挤压的驱动力，伴随路面板回弹变形所给予的吸附力，脱空区内产生负压力，该负压力沿着脱空区域基本呈现三次多项式分布，且其最小值发生在脱空区域的内部尖端处。随后水压力随着路面板的振动出现正负交替震荡现象，并逐渐衰减趋近于零。

3．2 行车位置的影响

车辆在路面行驶的过程中，行车位置是变化的。为了探讨行车位置对脱空区动水压力的影响，采用0．7 m×0．7 m脱空区计算模型，分析0Ʊ1、0Ʊ175、0．35、0．525、0．7 m五种车辆运行位置的脱空区动水压力变化规律，结果如图5所示。

由图5可知，当混凝土路面板出现板角脱空且充满滞留水时，随着行车位置向路面边界趋近，脱空区域内的动水压力呈明显增加趋势，行驶位置在0Ʊ1、0Ʊ175、0．35、0．525、0．7 m的动水压力峰值分别为0．075、0．402、3．212、10．841、25．696 kPa，其中0Ʊ7 m行驶位置处的动水压力最大。这表明，行车位置对脱空区域的动水压力影响显著，当车轮在路面边界时为最不利位置；可采取交通管制措施引导车辆尽量驶向板中，有效减缓动水压力引起的路面结构破坏。

图5 车辆行驶位置对动水压力的影响

3．3 行车速度的影响

为分析行车速度对脱空区动水压力的影响，在100 kN轴载作用下，采用0．7 m×0．7 m脱空区计算模型，分析计算40、60、80、100、120 km·h－1行驶速度下脱空区动水压力分布，结果如图6所示。

由图6可知，行驶速度为40、60、80、100、120 km·h－1时，动水压力峰值分别为3．212、5．710、8Ʊ922、12Ʊ848 kPa。这表明，随着车辆运行速度的增加，脱空区域内动水压力呈现明显的二次方增长关系，即车辆行驶速度是造成混凝土路面结构水损害的一个重要因素。通过采取交通管制措施，降低车辆在脱空区的行驶速度，减小动水压力，从而减缓动水压力引起的路面结构破坏。

3．4 车辆轴重的影响

为分析车辆轴重对脱空区动水压力的影响，在100 km·h－1速度下，采用0．7 m×0．7 m脱空区计算模型，分析计算60、80、100、120 kN轴载作用下的脱空区动水压力分布，结果如图7所示。

由图7可知，60、80、100、120 kN轴载作用下，动水压力峰值分别为2．1、2．648、3．212、3Ʊ85 kPa。

图6 车辆行驶速度对动水压力的影响

图7 车辆轴载对动水压力的影响

这表明，随着车辆轴载的增加，脱空区域内动水压力呈现明显的线性增长，即车辆轴载是造成混凝土路面结构水损害的一个重要因素。通过采取交通管制措施，降低脱空区内行驶车辆的轴载，减小动水压力，从而减缓动水压力引起的路面结构破坏。

3．5 脱空区面积的影响

为分析脱空面积对脱空区动水压力的影响，在轴载为100 kN、行驶速度为100 km·h－1的条件下，分别对0．5 m×0．5 m、0．7 m×0．7 m、1．0 m×1．0 m、1Ʊ5 m×1．5 m四种脱空区内动水压力分布进行计算，结果如图8所示。

图8 脱空区面积对动水压力的影响

由图8可知，0Ʊ5 m×0Ʊ5 m、0Ʊ7 m×0Ʊ7 m、1Ʊ0 m×1Ʊ0 m、1Ʊ5 m×1Ʊ5 m四种脱空区的动水压力峰值分别为1Ʊ171、3Ʊ212、9Ʊ364、31Ʊ605 kPa。这表明，随着脱空区域面积的增加，脱空区域内动水压力呈现明显的三次多项式增加趋势，此时产生的动水压力一旦达到脱空区材料破坏的临界值，结构会迅速发生破坏。

4 结 语

（1）以发耳电厂专用公路水泥混凝土路面为例，基于ANSYS Workbench计算平台建立混凝土路面⁃滞留水双向瞬态流固耦合计算模型，并对车辆行驶位置、车辆轴载、车辆行驶速度、脱空区面积等因素对动水压力的影响进行分析。结果表明，脱空区内动水压力是由车辆荷载特征、脱空区形态等多因素综合决定的。

（2）车辆驶向脱空区时，其内动水压力沿出口方向呈三次多项式增加关系；车辆驶离脱空区时，其内动水压力沿出口方向呈三次多项式减小关系；其最大正压力、最大负压力均发生在脱空区尖端处。

（4）车辆行驶速度和轴载是影响脱空区域内动水压力的2个重要因素，动水压力大小与车辆行驶速度呈二次方增加关系，与车辆轴载呈线性增加关系。采取交通管制措施，降低车辆行驶速度和轴载，可有效减缓动水压力引起的路面结构破坏。

（5）随着脱空区域面积的增加，脱空区域内动水压力呈现明显的三次多项式关系增加。考虑到动水压力与脱空面积的关系，当发现路面结构板底脱空病害时，应及时采取灌浆或注浆等修补措施，从根源上消除动水压力产生的条件，这是目前降低动水压力对路面结构破坏最有效的措施。

［1］ 廉向东，付其林，陈拴发，等．基于板底脱空的水泥混凝土路面动水压力试验研究［J］．武汉理工大学学报，2011，33（5）：1⁃4．

［2］ 关增智．半刚性基层材料抗冲刷性能的研究［J］．混凝土，2008（3）：48⁃50．

［3］ 沙爱民．半刚性基层的材料特性［J］．中国公路学报，2008，21（1）：1⁃5．

［4］ 曾 胜，张显安．水泥混凝土板下脱空状况时接缝处弯沉的影响分析［J］．铁道科学与工程学报，2005，2（6）：31⁃36．

［5］ 张 宁，钱振动，黄 卫．水泥混凝土路面板下地基脱空状况的评定与分析［J］．公路交通科技，2004，2（1）：4⁃8．

［6］ 曹世豪，杨荣山，刘学毅，等．无砟轨道层间裂纹内动水压力特性分析［J］．西南交通大学学报，2016，51（1）：36⁃42．

［7］ 曹世豪，杨荣山，刘学毅，等．列车荷载作用下无砟轨道层间裂缝内动水压力分布［J］．中国铁道科学，2016，37（3）：9⁃15．

［责任编辑：杜卫华］

Distribution Characteristics of Hydrodynamic Pressure in Voids Beneath Cement Concrete Pavement Slabs

CHEN Kai⁃guo
（Guizhou Zhiheng Engineering Investigation，Design and Consulting Co．，Ltd．，Guiyang 550004，Guizhou，China）

In order to study the distribution characteristics of the hydrodynamic pressure caused by retained water in the voids beneath cementconcrete pavementslabs，a two⁃way fluid⁃solid coupling model of concrete pavement⁃retained water was established，and the effect of factors such as vehicle position，driving speed，axle load and void area on the hydrodynamic pressure was analyzed．The results show that the hydrodynamic pressure drops with the third power of distance towards the outlet；the hydrodynamic pressure increases along with the driving speed，axle load and void area，which are the three important factors，following a quadratic，linear and cubic polynomial relationship respectively．

concrete pavement；void under slab；retained water；hydrodynamic pressure

U416．01

B

1000⁃033X（2017）08⁃0124⁃05

2016⁃12⁃19

国家自然科学基金（51278431）

陈开国（1969⁃），男，贵州岑巩人，高级工程师，研究方向为公路桥梁勘察设计。