移动荷载下设CA砂浆功能层的水泥混凝土路面结构受力分析

赵艳玲

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

水泥混凝土路面具有强度高、温度稳定性好、养护费用低、耐久性好等优点[1]。然而大量早期和近期修建的水泥混凝土路面断板、错台、唧浆、板底脱空等病害严重，翻修改建任务艰巨，严重制约了水泥混凝土路面的发展和使用。调查发现水泥混凝土路面断板、错台、唧浆、板底脱空等病害主要是由于基层不良支撑引起的，在面层和基层间设置功能层是一种行之有效的解决方法[2]。功能层可以防止水泥浆渗入到基层，避免形成薄弱的层间过渡层，使面层与基层更接近连续接触状态，从而有改善层间受力状态，防止水泥混凝土路面过早的出现各种病害。为改善水泥混凝土路面层间的不良接触状况，国内外的专家学者进行了大量的探索，提出了很多措施，如在层间铺筑塑料薄膜或土工布隔离层、沥青混凝土功能层、橡胶沥青应力吸收层等等，这些本质上都属于功能层的范畴。塑料薄膜或土工布隔离层等这一类的材料虽然能防止层间过渡层的产生，但作用有限，施工质量难以保证。沥青混凝土功能层、橡胶沥青应力吸收层等这类的材料，一方面可以防止层间过渡层的产生，一方面可有效保护基层免受侵蚀，提高水泥路面的长期使用性能，但施工工序复杂，受温度影响大，造价较高[1]。

鉴于现有的层间功能层材料在工程实践中并未达到理想的效果。做出新的尝试，在水泥混凝土面板和基层间设置一层水泥乳化沥青砂浆薄层(CA砂浆功能层)以构成一种新型的水泥混凝土路面结构。借助CA砂浆刚柔复合型材料的特性，改善面板与基层之间的不良接触问题，防止水泥混凝土面板底部薄弱过渡层的产生，改善层间受力状况。借助有限元软件建立移动荷载作用下的路面结构三维有限元模型，分析设置CA砂浆功能层前后路面结构所受荷载应力的变化，探讨CA砂浆功能层的作用。

1 有限元模型的建立

1.1 建立路面结构建模

(1)模型假设

借助有限元软件建立路面结构的三维有限元模型，路面结构由下到上分为地基基础、基层、CA砂浆功能层、水泥混凝土面板四层结构，假设各层为均匀、连续和各向同性的弹性体，层与层间变形协调，并且不考虑相邻板块间的相互作用[3]。

(2)本构关系

CA砂浆功能层的本构关系为粘弹性，采用Burgers模型来模拟，其他层的本构关系均为线弹性。

(3)网格划分

路面结构各层均采用C3D8R实体单元，单元网格划分时，按照距离荷载移动带的远近，由疏到密。

(4)边界条件

将地基视为弹性半空间体，通过收敛性分析，取为有限尺寸，其他各结构层尺寸根据设计要求取定。路基底面施加固定约束，路基、基层、CA砂浆功能层四周施加水平方向的约束，面层四周均为自由面[3]。

1.2 移动荷载的施加

移动荷载采用标准轴载BZZ-100，具体参数如表1所示。

为了便于分析，将规范中的圆形轮胎接触面等效转换成长方形接触面，转换后单个轮胎作用面积近似为0.213cm×0.167cm，两轮中心间距调整为0.3195m，两侧轮隙间距调整为1.8m，这样就将行驶的车辆轮载等效简化为移动的垂直均布矩形荷载[4]。在荷载移动方向上设置横向的宽度与均布荷载宽度相同荷载移动带，荷载移动带的纵向长度为车辆行驶的距离，再将荷载移动带划分为许多小矩形，利用Fortran语言编写VDLOAD用户子程序，设置多个荷载步，每个荷载步结束时，荷载整体向前移动一个小矩形面积，荷载的移动速度可以通过设置每个荷载步的时间大小来实现[4]。移动荷载作用下的路面结构模型图如图1所示。

图1 移动荷载作用下的路面结构模型

2 移动荷载作用下路面结构动态响应分析

分别建立了移动荷载作用下设置和未设置CA砂浆功能层的路面结构模型，进行路面竖向位移、面层应力、基层应力的动态响应对比分析，研究CA砂浆功能层的作用。

2.1 竖向位移对比分析

设与不设CA砂浆功能层的水泥混凝土路面结构竖向位移随车辆荷载移动的变化情况以及最大弯沉值对比情况分别如图2、图3所示。

图2 路面结构竖向位移变化曲线

图3 两种路面结构最大弯沉值

由图2可知，随着车辆荷载的移动，设与不设CA砂浆功能层的路面结构竖向位移值变化趋势基本相同，而在整个加载过程中，设CA砂浆功能层的路面结构竖向位移值总是要小于不设CA砂浆功能层的路面结构。从图3可以看出设CA砂浆功能层后路面结构最大弯沉值由0.845mm变为0.6409mm，减小了24.2%左右。

2.2 面层应力对比分析

设CA砂浆功能层前后路面结构面层层底最大拉应力随着荷载的移动变化情况如图4所示。

图4 面层层底最大拉应力的变化曲线

由图4可知，设CA砂浆功能层后，面层层底最大拉应力较不设CA砂浆功能层时降低，且面层层底最大拉应力的波动幅度及波动周期变大，从图上还可以看出，设CA砂浆功能层后，面层层底最大拉应力峰值由不设CA砂浆功能层时的1.002MPa下降为0.8845MPa，下降了11.7%。

水泥混凝土路面面板的横向、纵向断裂一般都是由于拉应力超过极限弯拉应力造成的，因此分析设CA砂浆功能层前后水泥混凝土路面面板水平方向上的拉应力，对于研究CA砂浆功能层的作用机理十分必要。设CA砂浆功能层前后路面结构水平方向的拉应力变化情况如图5、图6所示。

图5 面层底沿着荷载移动方向上的最大拉应力变化情况

图6 面层底垂直荷载移动方向上的最大拉应力变化情况

由图5、图6可以看出，随着荷载的移动，设CA砂浆功能层后，面层底沿着荷载移动方向上的最大拉应力及垂直荷载移动方向上的最大拉应力总是低于不设CA砂浆功能层时的值，而变化规律相似。从图上还可以看出，在加载过程中，增设CA砂浆功能后面层垂直荷载移动方向上的拉应力峰值由0.5865MPa下降为0.3569MPa，下降了39.1%，而面层沿着荷载移动方向上的拉应力峰值由0.9995MPa降低到0.2806MPa，降幅达71.9%。可见，增设CA砂浆功能层后面层层底水平方向上受拉状况明显得到改善。

2.3 基层应力对比分析

设CA砂浆功能层前后路面结构基层层底最大拉应力随着荷载的移动变化情况如图7所示。

由图7可知，设CA砂浆功能层后，基层层底最大拉应力降低，基层层底最大拉应力的变化规律与不设CA砂浆功能层时大体相同。由图还可以看出，在轮载的移动时间内，设CA砂浆功能层后，基层层底最大拉应力峰值由不设CA砂浆功能层时的0.2931MPa下降为0.2017MPa，下降了约31.2%。

设与不设CA砂浆功能层的水泥混凝土路面结构基层水平方向的拉应力变化情况如图8、图9所示。

图8 基层底沿着荷载移动方向上的最大拉应力变化情况

图9 基层底垂直荷载移动方向上的最大拉应力变化情况

由图8、图9可以看出，设CA砂浆功能层后，基层底沿着荷载移动方向上的最大拉应力及垂直荷载移动方向上的最大拉应力均降低，二者的变化规律变化不大。还可以看出，增设CA砂浆功能后基层垂直行车方向上的拉应力峰值由0.2929MPa下降为0.2016MPa，下降了31.2%，而基层沿着荷载移动方向上的拉应力峰值由0.1951MPa降低到0.1147MPa，降幅达41.2%。可见增设CA砂浆功能层后基层层底水平方向上受拉状况明显得到改善，可有效抑制基层裂缝的生成。

3 结论

(1)设CA砂浆功能层后路面结构最大弯沉值减小了24.2%左右。可见CA砂浆具有缓冲和扩散荷载的作用，有利于减小地基沉降变形，防止层间脱空现象的出现。

(2)设CA砂浆功能层后，面层层底最大拉应力、面层垂直行车方向上的拉应力、面层沿着荷载移动方向上的拉应力均有所降低，其中沿着荷载移动方向的拉应力降幅最大。可见，增设CA砂浆功能层后面层的受力状况，尤其是面层层底水平方向上受拉状况明显得到改善，这将很大程度上降低路面早期开裂的概率，大大延长水泥混凝土路面的使用寿命。

(3)设CA砂浆功能层后，基层层底最大拉应力、基层垂直行车方向上的拉应力、基层沿着荷载移动方向上的拉应力均有所降低，其中基层沿着荷载移动方向的拉应力降幅最大。可见，设CA砂浆功能层后基层水平方向上受力状况明显得到改善，可有效抑制基层反射裂缝的生成。