基于板底脫空壓漿處治前后力學(xué)行為對比分析

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(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 陜西西安710055;2.中鐵一局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)分公司, 陜西西安710054)

0 引言

水泥混凝土路面在服役期間，受車輛荷載和溫度荷載的耦合作用，板底基層將產(chǎn)生累積塑性變形，致使路面板底與基層之間不再連續(xù)接觸，形成板底脫空[1]，另一方面，脫空處隨著雨水的侵入，其間的積水與基層材料中的細(xì)料形成泥漿，產(chǎn)生唧漿病害，加重板底的損傷程度[2]。板底壓漿作為路面板底脫空處治的一種方法，由于其成本低，舊路面利用率高，技術(shù)成熟，工藝簡便，且交通封閉時(shí)間短，因此已在工程中得到廣泛應(yīng)用[3]。

近年來國外在路面板底脫空方面的研究成果較少[4-6]，相比而言國內(nèi)關(guān)于路面板底脫空方面研究較多，麻麗妹[7]引入自膨脹補(bǔ)償收縮理論對壓漿材料進(jìn)行改良，推薦無機(jī)自補(bǔ)償壓漿材料適宜配合比，提出壓漿材料沖刷系數(shù)指標(biāo)；童申家[8]討論了兩種壓漿材料脆性發(fā)展的規(guī)律，從長齡期使用性能考慮，建議選用有機(jī)壓漿材料來減弱材料后期的脆性發(fā)展。我國采用的壓漿材料主要為水泥粉煤灰類漿體，材料相對單一，且該材料可因硬化產(chǎn)生體積收縮等弱化行為，致使被壓漿材料填滿的路面板底脫空區(qū)域發(fā)生再次脫空[9]，處治效果并不理想。因此，壓漿后的路面板力學(xué)效應(yīng)亟待研究。

鑒于此，本文分別建立了板底脫空及壓漿處治的有限元模型，探究脫空狀態(tài)及壓漿狀態(tài)不同尺寸、厚度、材料模量的工況下，路面板彎沉及彎拉應(yīng)力兩大指標(biāo)的變化趨勢，總結(jié)其發(fā)展規(guī)律，為壓漿材料性能弱化研究確立技術(shù)依據(jù)，促進(jìn)研究發(fā)展與方便實(shí)際應(yīng)用。

1 有限元計(jì)算模型

1.1 參數(shù)設(shè)置

模型中路面結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)依據(jù)現(xiàn)行《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40-2011)取值，采用彈性地基上有限尺寸薄板建立有限元計(jì)算模型[10]，演化混凝土路面板底脫空及壓漿處治。將水泥路面簡化為面層、脫空層、基層及土基，結(jié)構(gòu)采用solid185單元模擬。土基取7 000 mm×6 000 mm×6 000 mm，基層取7 000 mm×6 000 mm×190 mm，面層取5 000 mm×4 000 mm×300 mm，脫空部分和壓漿部分為半徑1 000 mm、高10 mm的1/4圓柱體。路面各層的材料參數(shù)如表1所示。路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示，有限元分析模型如圖2所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)表Tab.1 Pavement structure and material parameters table

圖1路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(單位：mm)
Fig.1Pavementstructurecalculationmodel(Unit:mm)

圖2有限元分析模型
Fig.2Finiteelementanalysismodel

1.2 荷載施加

我國現(xiàn)行《規(guī)范》[11]中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)軸載的輪載P=100/4(kN)，輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa。本文選用單軸—雙輪載作為計(jì)算荷載，為了滿足計(jì)算精度以及考慮方便單元?jiǎng)澐?，將橢圓形輪載簡化為單輪長寬均為200 mm的雙輪矩形輪載，輪間的距離為300 mm，雙輪組中心的間距為1 800 mm，輪載圖示見圖3，由于本文采用的是板角脫空模型，因此考慮最不利情況，施加荷載的初始位置位于脫空正上方，荷載作用位置見圖4。

圖3單軸—雙輪組圖示(單位：mm)
Fig.3Singleshaft-doublewheelgroupdiagram(Unit:mm)

圖4圖4荷載作用位置圖(單位：mm)
Fig.4Loadlocationmap(Unit:mm)

2 脫空及壓漿處治形式對水泥板板角彎沉和受力影響

2.1 板底脫空尺寸及處治尺寸對水泥板板角彎沉及受力影響

為對比分析壓漿處治前后脫空尺寸及處治尺寸對水泥板板角彎沉和受力影響，路面板底脫空尺寸及壓漿處治尺寸分別選取為200 mm、400 mm、600 mm、800 mm和1 000 mm，其他參數(shù)保持不變。其計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示，其計(jì)算結(jié)果折線圖如圖5、圖6。

表2 脫空尺寸對路面板板角應(yīng)力及彎沉影響計(jì)算結(jié)果Tab.2 Void size of the road slab angle stress and deflection calculations

表3 處治尺寸對路面板板角應(yīng)力及彎沉影響計(jì)算結(jié)果Tab.3 Treatment size of the road slab angle stress and deflection calculations

圖5不同脫空及處治尺寸下路面板彎沉折線圖
Fig.5Differentvoidandtreatmentsizeundertheroadplatebendcurve

圖6不同脫空及處治尺寸下路面板彎拉應(yīng)力折線圖
Fig.6Differentvoidandtreatmentsizeundertheroadbendingbendingstresslinechart

由表2、表3，圖5、圖6可以得出：

① 板底脫空路面的彎沉隨著脫空尺寸的增大而逐漸增大，總體增幅達(dá)到37.30 %；當(dāng)脫空尺寸由200 mm增大到400 mm時(shí)，彎沉增長速率最大，達(dá)到2.32 %；而當(dāng)脫空尺寸由400 mm逐漸擴(kuò)大到800 mm時(shí)，對應(yīng)彎沉增長速率減緩；當(dāng)從800 mm演化到1 000 mm時(shí)，彎沉上升趨勢較大。根據(jù)其演化特點(diǎn)，可以提出在本模擬條件下脫空演化三階段：當(dāng)脫空尺寸為200～400 mm時(shí)為突變階段，400～800 mm時(shí)為發(fā)展階段，800～1 000 mm時(shí)為加速擴(kuò)展階段。而對比板底壓漿處治之后可以發(fā)現(xiàn)，壓漿后隨著處治尺寸的不同，板底彎沉均明顯下降，降幅可達(dá)7.76 %以上。特別地，當(dāng)壓漿尺寸為1 000 mm時(shí)，對應(yīng)彎沉下降率達(dá)到28.47 %，說明此時(shí)壓漿處治效果較好。

② 板底脫空路面的彎拉應(yīng)力隨著脫空尺寸的增大，呈整體增大的趨勢。當(dāng)脫空尺寸由200 mm演化至400 mm時(shí)，彎拉應(yīng)力出現(xiàn)突變，增長率達(dá)到14.35 %，而脫空尺寸在400～1 000 mm范圍內(nèi)時(shí)，彎拉應(yīng)力增長較緩慢。而對比壓漿后板底彎拉應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，壓漿后板底彎拉應(yīng)力下降明顯。尤其當(dāng)壓漿尺寸為1 000 mm時(shí)，對應(yīng)彎拉應(yīng)力降幅達(dá)到31.38 %，壓漿處治效果明顯；當(dāng)壓漿尺寸由200 mm演化到400 mm時(shí)，彎拉應(yīng)力增長速率達(dá)到2.71 %，說明在此過程中，壓漿尺寸的影響較大。

2.2 板底脫空深度及處治厚度對水泥板板角彎沉及受力影響

為對比分析壓漿處治前后脫空深度及處治厚度對水泥板板角彎沉和受力影響，路面板底脫空深度及壓漿處治厚度分別選取為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm和25 mm，其他參數(shù)保持不變。其計(jì)算結(jié)果如表4、表5所示，其計(jì)算結(jié)果折線圖如圖7、圖8。

表4 脫空深度對路面板板角應(yīng)力及彎沉影響計(jì)算結(jié)果Tab.4 Void depth of the road slab angle stress and deflection calculations

表5 處治厚度對路面板板角應(yīng)力及彎沉影響計(jì)算結(jié)果Tab.5 Treatment thickness of the road slab angle stress and deflection calculations

圖7不同脫空深度及處治厚度下路面板彎沉折線圖
Fig.7Curvediagramofthedeflectionofthepavementslabwithdifferentvoiddepthstressofpavement

圖8不同脫空深度及處治厚度下路面板彎拉應(yīng)力折線圖
Fig.8Curvediagramofbendingandbendingunderdifferentvoiddepthandthicknessandtreatmentthickness

由表4、表5，圖7、圖8可以得出：

① 當(dāng)板底脫空深度在5～10 mm時(shí)，板底彎沉產(chǎn)生突變，這是由于水泥板突然失去基層約束而導(dǎo)致的。而隨著脫空深度的繼續(xù)增長，板底彎沉和彎拉應(yīng)力基本趨于平穩(wěn)狀態(tài)，在不考慮板底脫空受力后空隙閉合而形成二次支撐即脫空區(qū)域不變化的情況下，相應(yīng)的彎沉和應(yīng)力都應(yīng)該變化不大，這與線彈性理論分析一致。

② 隨著處治厚度的不同，板底的彎沉和彎拉應(yīng)力均明顯下降，且降幅分別可達(dá)到27.4 %和31.4 %以上。而對比處治尺寸下彎沉和彎拉應(yīng)力變化趨勢發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處治厚度為5～10 mm、處治尺寸超過800 mm時(shí)，處治厚度對路面板的影響程度大于處治尺寸；當(dāng)處治厚度大于10 mm、處治尺寸為400～800 mm時(shí)，處治尺寸對路面板影響程度更高。

2.3 板底基層模量及壓漿模量對水泥板板角彎沉及受力影響

參考相關(guān)文獻(xiàn)，壓漿模量選取100～1 000 MPa之間是合理的[2]。為了研究板底基層模量和壓漿模量對水泥板板角彎沉及受力的影響，賦予基層模量分別為800 MPa、1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa、1 600 MPa進(jìn)行研究，賦予壓漿模量分別為100 MPa、200 MPa、500 MPa、800 MPa、1 000 MPa，其他參數(shù)保持不變。其計(jì)算結(jié)果如表6、表7所示，其計(jì)算結(jié)果折線圖如圖9、圖10。

表6 基層模量對路面板板角應(yīng)力及彎沉影響計(jì)算結(jié)果Tab.6 Basic modulus of the road slab angle stress and deflection calculations

表7 壓漿模量對路面板板角應(yīng)力及彎沉影響計(jì)算結(jié)果Tab.7 Grouting modulus of the road slab angle stress and deflection results

圖9基層模量對路面板彎拉應(yīng)力及彎沉折線圖
Fig.9Baselayermodulusofthepavementbendingstressandbendinglinechart

圖10壓漿模量對路面板彎拉應(yīng)力及彎沉折線圖
Fig.10Groutingmodulusofpavementbendingstressandbendinglinechart

由表6、表7，圖9、圖10可以得出：

① 基于板底脫空和壓漿尺寸1 000 mm、脫空和壓漿處治厚度10 mm工況下，隨著基層模量及壓漿層模量的逐漸增加，對應(yīng)水泥路面板的彎沉和彎拉應(yīng)力均逐漸降低。尤其地，在壓漿處治過程中，壓漿模量在100～400 MPa范圍內(nèi)彎沉和彎拉應(yīng)力下降速率較快，說明在此范圍內(nèi)彎沉及彎拉應(yīng)力對壓漿模量敏感性較高。

② 在基層模量等于800 MPa的條件下，當(dāng)壓漿模量等于基層模量時(shí)，彎沉與彎拉應(yīng)力的下降率分別為31.48 %和33.1 %；當(dāng)壓漿模量小于基層模量時(shí)，彎沉與彎拉應(yīng)力的下降率分別為30.2 %和32.2 %；當(dāng)壓漿模量大于基層模量時(shí)，彎沉與彎拉應(yīng)力的下降率分別為32.1 %和33.4 %。綜上可以認(rèn)為，當(dāng)壓漿模量大于基層模量時(shí)，處治效果更好。

③ 當(dāng)壓漿材料模量大于基層材料模量時(shí)，隨著壓漿材料模量增加，路面板彎沉和彎拉應(yīng)力下降趨勢漸漸平緩，而壓漿材料模量在大于1 200 MPa后，其處治效果將大幅降低，材料性能沒有充分利用。綜上認(rèn)為，壓漿材料模量的選擇不宜與基層材料模量相差過大，且在0～200 MPa范圍內(nèi)是合適的。

3 結(jié)論

① 在本文建模和模擬條件下，根據(jù)板底脫空尺寸對路面板底的影響提出板底脫空演化三階段：脫空尺寸在200～400 mm時(shí)為突變階段，在400～800 mm時(shí)為發(fā)展階段，在800～1 000 mm時(shí)為加速擴(kuò)展階段。壓漿處治過程中應(yīng)著重控制處治尺寸變化的影響，及時(shí)地處理能有效降低路面板開裂的趨勢，從而預(yù)防路面病害的發(fā)生。

② 隨著處治厚度不同，板底彎沉和彎拉應(yīng)力降幅分別可達(dá)27.4 %和31.4 %以上，處治效果明顯。當(dāng)處治厚度較小時(shí)，其對路面板的影響較處治尺寸大；而當(dāng)處治尺寸較小時(shí)，處治尺寸對路面板的影響更大。

③ 在壓漿處治過程中，當(dāng)壓漿材料模量值大于基層材料模量值時(shí)，其處治效果較好。但壓漿材料模量值不宜大于1 200 MPa，同時(shí)壓漿材料模量的選擇宜與基層材料模量相差在0～200 MPa范圍內(nèi)，否則壓漿處治效果將大幅降低，材料性能將得不到充分利用。