压浆处治对旧水泥混凝土路面板力学响应影响的数值模拟

2019-09-23

广西大学学报（自然科学版） 2019年4期

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055)

0 引言

随着交通量的迅速增长，以及超载重载车辆的影响，导致大多数水泥混凝土路面在车辆荷载的反复作用下，板底基层将发生累积塑性变形，使得路面板底与基层间发生脱空现象[1-2]。针对水泥混凝土路面出现的板底脱空问题，国内外一些学者将具有一定强度的压浆材料通过无损技术注入脱空部位，以补偿因板底脱空而失去的结构层，通过板底压浆处治使得路面板性能得到一定程度上的恢复，延长路用性能[3-5]。

近年来国外对板底脱空后压浆处治技术的研究较少[6]，相比而言国内对板底压浆的研究较多，王乾等[7]通过对板底脱空旧水泥混凝土路面板力学行为和板底脱空压浆处治技术的研究,进一步分析在荷载作用下不同路面板底压浆位置、面积、浆体模量、路面板厚度和基层厚度等因素对压浆处治路面板应力和挠度的影响，得到不同压浆材料的有效处治面积；童申家等[8-9]通过对两种压浆材料进行试验研究得出两种压浆材料的胀缩性能、抗压强度和抗折强度均随龄期的增长而增长；麻丽妹[10]引入自膨胀补偿收缩理论对压浆材料进行改良，推荐无机自补偿压浆材料适宜配合比，提出压浆材料冲刷系数指标。现有的压浆处治主要集中在压浆材料的性能方面，而对处治后水泥混凝土面板的力学性能研究不多，亟需进行此方面的研究[11-13]。

鉴于此，本文通过ANSYS有限元软件建立了静载作用下压浆处治水泥混凝土路面力学三维模型，系统分析了不同压浆尺寸、压浆厚度、压浆模量、面层厚度、基层厚度和基层模量以及荷载大小下水泥混凝土面板的力学性能，明确了压浆处治后的水泥混凝土路面力学性能演变规律，为今后如何选择合适的压浆材料确立了技术依据。

1 路面板底压浆计算模型

1.1 材料参数设置

根据我国现行的《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D 40—2011)，采用弹性半空间地基有限元为基础建立三维有限元模型，将水泥混凝土路面简化为面层，压浆层，基层和土基，各层材料参数如表1所示[14]。

表1 水泥混凝土路面结构层参数Tab.1 Structure layer parameters of cement concrete pavement

压浆材料种类较多，不同的压浆材料对板底脱空水泥混凝土面板的处治效果不同，本文采用浆体模量代表不同种类的压浆材料，参考规范对于水泥混凝土路面基层模量的规定，并考虑到注浆难易程度，分别采用100～1 000 MPa浆体模量的板底压浆处治模型进行计算分析。

1.2 模型构建体系

在进行有限元模拟过程中，边界条件的简化会影响模拟结果的准确性。因此须合理地设置模型的边界条件，采用的基本假定为：

①有限尺寸的弹性地基模型是将地基看成是均质的、各向同性的弹性半无限体;

②各结构层层间位移连续;

③基础底面完全约束，面层、基层以及土基侧面只有法向约束;

④不计重力的影响。

本文采用的网格划分为：面层和压浆层采用较密的网格100 mm×100 mm来满足计算精度，基层采用200 mm×200 mm的网格尺寸，土基对路面板应力影响较小，采用400 mm×400 mm的较大尺寸的网格来节省计算时间。

压浆层建立在旧水泥混凝土路面板脱空层基础之上，为用户关心的区域，需要对其进行局部细化，利用ANSYS中的EREFINE(eleme～refine)功能，采用“相容”的网格加密技术。在网格划分之前，需要将压浆层先划分成符合对应网格划分要求的小块区域，然后再对各小块区域进行对应的网格划分。

图1 有限元计算模型
Fig.1 Finite element calculation model

图2 脱空层压浆模型
Fig.2 Stripping laminating model

1.3 压浆形态及荷载条件

由路面板底脱空成因分析可知，脱空大都首先发生在路面板的板角或板边处[15]，分别建立当压浆位置位于板角和板中时的三维有限元模型，计算结果如表所示，通过分析可知，水泥混凝土路面板在行车荷载作用下，板角压浆对水泥混凝土路面板的影响最为明显，此结果和文献[10]、[14]和[15]得出的结果相同，而实际工程中板底脱空形状为椭球体最接近演化实际情况。因此，本文最终选用位于板角上缘与脱空形状为椭球体进行压浆处治从而进行力学分析。

表2 压浆位置等效应力结果Tab.2 Equivalent stress results of grouting position

(a) 板底压浆位于板角和板中路面板等效应力云图

(b) 板底压浆位于板角和板中路面板竖向位移云图

轮胎接地压强为0.7 MPa。通常水泥混凝土路面结构分析时，BZZ-100简化为两个长192 mm(行车方向)和宽186 mm(垂直行车方向)的双轮矩形垂直均布荷载，为便于有限元计算分析，将轮胎与路面的接触面理想化为单轮长宽均为200 mm的双轮矩形轮载，轮间的距离为300 mm，双轮组中心的间距为1 800 mm，轮载图示和布载方式见图4。

2 压浆处治路面板力学行为分析

2.1 压浆参数对压浆处治路面板力学行为分析

为研究压浆参数对压浆条件下水泥混凝土路面板力学性能的影响，分别建立压浆尺寸200～1 000 mm，压浆厚度5～25 mm以及压浆模量100～1 000 MPa的模型。其他结构参数：面层厚度30 cm，荷载大小100 kN，基层弹性模量1 200 MPa，基层厚度20 cm。计算结果如表3，表4，表5和图5所示。

表3 压浆尺寸对路面板应力及挠度影响计算结果Tab.3 Calculation results of stress and deflection of road panel by grouting size

表4 压浆厚度对路面板应力及挠度影响计算结果Tab.4 Calculation results of stress and deflection of road panel by grouting thickness

表5 压浆模量对路面板应力及挠度影响计算结果Tab.5 Calculation results of stress and deflection of road panel by mold modulus

图5 不同压浆参数下水泥混凝土路面应力和挠度曲线图

由表3，表4，表5和图5可知：

①在加入压浆材料后，水泥混凝土面板的弯拉应力和挠度随压浆尺寸和压浆厚度的增大而增大，随着压浆模量的增大而减小。在压浆处治前期，压浆模量对水泥混凝土面板的弯拉应力和挠度影响较压浆尺寸和压浆厚度大，且变化趋势随着压浆尺寸、压浆厚度和压浆模量的增大而逐渐减弱。

②当压浆尺寸在200～1 000 mm以及压浆厚度在5～25 mm时，压浆处治后水泥混凝土面板的弯拉应力增幅均未达4 %，而当压浆模量在100～1 000 MPa时，压浆处治后水泥混凝土面板弯拉应力减小了15.67 %，说明压浆模量对水泥混凝土面板的处治有较为明显的影响。

2.2 结构参数对压浆处治路面板力学行为分析

为研究结构参数对压浆条件下水泥混凝土面板力学性能的影响，分别建立面层厚度24～32 cm，荷载大小100～180 kN，基层模量800～1 600 MPa以及基层厚度14～22 cm的模型。其他压浆参数：处治尺寸1 000 mm，处治厚度10 mm，压浆模量1 000 MPa。计算结果如表6，表7，表8和表9所示。

表6 面层厚度对路面板应力及挠度影响计算结果Tab.6 Calculation results of stress and deflection of road panel by surface thickness

表7 荷载大小对路面板应力及挠度影响计算结果Tab.7 Calculation results of stress and deflection of road panel by load size

表8 基层模量对路面板应力及挠度影响计算结果Tab.8 Calculation results of stress and deflection of road panel by base modulus

表9 基层厚度对路面板应力及挠度影响计算结果Tab.9 Calculation results of stress and deflection of road panel by base thickness

由表6，表7，表8和表9可知：

①研究压浆处治水泥混凝土路面板面层厚度为24～32 cm、基层模量为800～1 600 MPa和基层厚度为14～22 cm时范围内，表中四种力学性能指标均呈下降趋势，说明面层厚度、基层模量以及基层厚度的递增将改善了路面板受力状态，相比较之下，随着面层厚度的增大，压浆处治后水泥混凝土面板弯拉应力和挠度减小幅度分别为23.17 %和14.01 %，说明面层厚度对改善水泥混凝土面板性能更为显著。

②由于压浆区域的存在，当压浆处治下水泥混凝土面板的交通荷载从100 kN增加到180 kN时，水泥混凝土面板的弯拉应力和挠度增幅均超过80 %，在道路实际运营期间，当重车比例(车辆轴载大于15 kN)达到40 %以上时，路面载荷为重等交通荷载水平，为避免水泥混凝土面板的疲劳脆裂，应使用强度更高的水泥类压浆材料进行板底压浆处治，以提高压浆处治路面板的路用性能。