超薄水泥路面修复层受力状态及力学模拟分析

李 军，何建彬，杨景权

(1.黑龙江省高速公路管理局,黑龙江 哈尔滨 150040；2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089；3.黑龙江省远升工程咨询有限公司，黑龙江 哈尔滨 150090；4.中咨公路养护检测技术有限公司，北京 100089)

1 引 言

超薄水泥路面快速修补技术可以在交通影响较小的情况下，对旧水泥混凝土道面上进行修复层的铺筑，从而改善路面使用性能和提高耐久性的方法。传统的公路修补方法修复和养生工期长，对交通影响巨大，而超薄修复层具有施工快、养生时间短、快速通车等优点，因此近些年得到了更多的发展和应用，对于超薄水泥修复层的技术有着越来越高的要求。

因此本文通过构建合理的有限元模型，分析超薄水泥路面结构力学响应影响规律，明确修复层合理厚度、模量、与原路面的粘结关系对修复层的拉应力和剪切应力的影响。对修复层的材料和结构优化具有一定的参考价值。

2 模型建立及参数设置

2.1 荷载参数设置

本文荷载采用单轴双轮的形式和标准轴载作用，其大小为100 KN，接地压强为0.7 MPa。荷载作用面积半径为10.65 cm(即图7-4中δ=10.65 cm)，两轮中心距为32 cm(即图1中r=16 cm)。

图1 轮载示意图

在昼夜温差较大的地区，路面板在热胀冷缩的作用下，在其内部会产生疲劳破话。因此考虑到修复面层在厚度方向存在着温差，产生相应的附加温差应力(水平方向)，另一方面，界面的剪切应力是本文中一个研究重点，因此本文将温差作用所产生的间接荷载简化为水平力直接荷载作用，水平作用系数为0.2，紧急制动系数为0.5。

2.2 道面结构模型的建立

由设计规范可知，旧水泥混凝土面层厚度范围为4～6 m，长宽比不超过1.35，平面面积不大于25 cm2。本文主要研究修复层和原路面板之间的作用，因此尽量减少模型体量，突出研究对象，故采用单块板进行建模。为了保证计算精度，在单块板之下的基层及地基尺寸均比板长和板宽拓宽0.5 m。

确定好各结构层尺寸之后，需要对模型中各结构层材料性能参数进行确定。所有结构层均为实体结构层，需要确定的参数为弹性模量及泊松比，参考现有处理，可都采用线弹性模型，各参数均采用典型参数，如表1所示。

表1 各结构层模型尺寸及参数

3 模拟结果及受力分析

3.1 荷载作用位置的影响分析

两种荷位下的，超薄水泥路面修复层中拉应力和剪应力的受力结果云图如图2～3所示。

图2 荷位Ⅰ下的拉应力与剪应力分布云图

图3 荷位Ⅱ下的拉应力与剪应力分布云图

从图2～图3中可见，不同荷载位置产生的拉应力大小均比较接近。最大主应力的最大值位置均在修复层表面。对剪应力而言，第二种荷位(荷位Ⅱ)的剪应力大得多，因此后文均使用第二种荷位进行后续分析。修复层的剪应力比拉应力大，同时抗剪强度比抗拉强度大，因此修复层既可能先剪坏，也可能先拉坏，两者均需要考虑。

3.2 界面粘结效果的影响分析

针对第二种荷载位置(荷位Ⅱ)，考察修复层和原混凝土板之间的粘结作用的影响。此时不采用tie连接，而使用摩擦系数来表示。摩擦系数考虑选取5、2、0.5、0.1这四种工况。云图结果如图4～图7所示。

图4 摩擦系数为5时的拉应力与剪应力分布云图

图5 摩擦系数为2时的拉应力与剪应力分布云图

图6 摩擦系数为0.5时的拉应力与剪应力分布云图

图7 摩擦系数为0.1时的拉应力与剪应力分布云图

根据云图4～图7结果作出曲线如图8所示。

图8 修复层内应力与摩擦系数关系图

从图7中可见，修复层的两种内应力的大小与修复层与原混凝土路面的摩擦系数有着很大的关系，摩擦系数反应了层间粘结状态的优劣，层间粘结状态越好，摩擦系数越大，修复层内应力越小；随着摩擦系数的减小，拉应力和剪切应力逐渐增大，且应力增加速度逐渐加快，说明界面粘结状态的降低将会导致超薄磨耗层内部产生较大的拉应力和切应力，加速其破坏。

3.3 超薄修复层厚度的影响分析

为了研究修复层厚度对内应力的影响，改变修复层厚度为0.03 m、0.025 m、0.02 m及0.01 m，在摩擦系数为2，水平力为0.2时进行计算。云图结果如图9～12所示。

图9 修复层厚度为0.03 m时的拉应力和剪应力

图10 修复层厚度为0.025 m时的拉应力和剪应力

图11 修复层厚度为0.02 m时的拉应力和剪应力

图12 修复层厚度为0.01 m时的拉应力和剪应力

根据云图结果作出曲线如13所示。

图13 修复层内应力与修复层厚度关系图

从图12中可见，修复层的两种内应力的大小与修复层厚度有着很大的关系；随着修复层厚度的增加，拉应力和剪切应力逐渐减小，且切应力减小的趋势更加明显，说明确保基本厚度是超薄修复层在荷载作用下耐久性的基本保证。

3.4 水平力的影响分析

为了研究汽车的刹车制动时候的水平力对超薄修复层内应力的影响，对其所产生的水平力与竖向力的比值——水平力系数进行研究。对水平力系数取0.2、0.35、0.5时的拉应力和剪应力进行研究(修复层厚度为0.02 m，摩擦系数为2)。根据云图结果作出曲线如图14所示。

图14 修复层内应力与水平力系数关系图

从图14中可见，水平力系数增加时，修复层内部的拉应力和剪应力的水平均明显升高，说明频繁的刹车制动产生的水平力对修复层内应力都会产生较大的影响。在该地区如何引导通过车辆减速慢行通过是影响薄层修复的一个影响因素。

4 结 论

综上，超薄水泥路面修复层受力状态与荷载作用位置、旧水泥路面界面粘结状态、修复层本身的厚度以及水平力的大小这四个影响因素有关。首先在荷载最不利作用位置下，与旧水泥路面层间粘结状态越好，摩擦系数越大，修复层内应力越小，而界面粘结状态的降低将会加速超薄磨耗层的破坏；其次增加修复层的厚度，可以同时降低修复层内部的拉应力和剪切应力，提高修复层的耐久性；最后频繁的刹车制动产生的水平力对修复层内应力都会产生较大的影响，也是影响修复层使用寿命的关键因素。