论半刚性基层裂缝或切缝对水泥混凝土路面结构的影响

摘要：采用三维有限元法对半刚性基层有无裂缝、裂缝宽度变化、裂缝位置变化的水泥混凝土路面结构进行荷载应力及温度应力分析，结果表明：裂缝或切缝的存在使路面结构中面层和基层的荷载应力显著增大，使温度应力有一定程度的减弱。

关键词：水泥混凝土路面；半刚性基层；荷栽应力；温度应力

Abstract: the three-dimensional finite element method rigid grassroots have crack, the crack width change, crack's change of position on cement concrete pavement structure load stress and temperature stress analysis, the results show that the fracture or cut the seam in pavement structure of the surface and load stress increase significantly, make temperature stress a certain degree of abate.

Keywords: cement concrete pavement; Semi-rigid base; Lotus plant stress; Temperature stress

中图分类号： U416.216 文献标识码： A 文章编号：

近几年，以无机结合料为稳定材料的半刚性基层越来越多地被应用于公路建设，这是因为半刚性基层具有强度高、稳定性好、刚性大等特点，能承受更大的车辆荷裁作用，可以适应大交通的需要。我国现行《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2002）在假设混凝土板下无裂缝，均匀支撑的基础上，采用弹性地基上的小挠度薄板理论，以荷载应力和温度应力产生的综合疲劳损坏作为设计标准。然而半刚性基层材料——尤其是水泥稳定碎石类为脆性材料，对温度、湿度敏感，在强度形成及使用过程中，因温度变化产生温度收缩裂缝和因含水量变化而产生干缩裂缝。裂缝的存在破坏了路面结构整体性和连续性，并在一定程度上导致结构强度的削弱(如裂缝处弯沉增大，回弹模量降低等)。

1计算模型与参数

采用三维有限元法对半刚性基层带裂缝或切缝的路面结构进行荷载应力及温度应力的对比分析。视路面结构为弹性层状体系，研究对象是由水泥混凝土面层、带有裂缝或切缝的半刚性基层和地基组成，建立空间三维模型。为反映半无限大空间地基的特性，地基采用扩大尺寸来模拟。对各结构层作如下假定：(1)各结构层为均匀、连续、各向同性的连续弹性体。(2)各层层间竖向、水平位移均连续。(3)地基底面各向位移为零，地基侧面水平方向位移为零。(4)接缝宽度假设为1cm，且接缝处无传荷能力。(5)不计路面结构的自重影响。

交通荷载采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压0.7MPa，单个轮压作用范围18.9cm×18.9cm，双轮间距为32cm，两侧轮隙间距为182cm。经过不同荷位计算分析比较，车轮荷载作用在接缝一侧的偏荷载对加铺层最为不利。温度计算时，以广西区某地为例，正最大温度梯度Tg=90℃/m。

2 基层有、无裂缝路面结构应力的对比分析

为了比较有、无裂缝时路面结构应力的变化情况，分别计算了有、无裂缝时临界荷位处各结构层的应力状态。

可以得出，对于荷载应力，路面结构中面层、基层的最大拉应力、最大剪应力和米赛斯等效应力全部大于无缝状态。有裂缝或切缝时，面层的最大拉应力增大了39.07%，基层的、和分别增大了50.69%、42.49%、53.25%。可见，裂缝的存在破坏了路面结构整体性和连续性，路面结构的荷载应力显著增大。对于温度应力，有裂缝或切缝时，面层的最大拉应力减小了2.13%，基层的、和分别减小了17.14%、14.46%、12.74%。裂缝的存在破坏了路面结构的连续性，由于面板的膨胀系数、膨胀应力大于基层，基层断裂后对面板的摩阻作用减弱，致使面层温度应力减小，基层温度应力减小。

3 基层裂缝宽度变化对路面结构应力的影响分析

由于温度和含水量变化半刚性基层材料产生温度收缩裂缝和干缩裂缝，随着雨水或雪水的浸入，基层变软，在大量行车荷载反复作用下，导致路面强度大大降低，产生冲刷和卿泥现象，使裂缝加宽，加速路面的破坏。为了分析基层裂缝或切缝对路面结构应力的影响，分别取裂缝宽度0cm、0.5cm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm计算路面结构应力。

可以看出，对于荷载应力，面层的、和与基层裂缝宽度近似呈线性递增关系，当基层裂缝或切缝的宽度从0cm增大到5cm，最大拉应力增大了9.47%；基层的应力与基层裂缝宽度呈非线性递减关系，当基层裂缝或切缝的宽度从0cm增大到5cm，基层的和分别减少了35.15%、20.05%、26.27%。可见，基层应力随裂缝宽度的增加而减小，减小速率随裂缝扩大不断减缓。

对于温度应力，面层、基层的、和与基层裂缝宽度近似呈线性关系，当基层裂缝或切缝的宽度从0cm增大到5cm，面层最大拉应力减小了4.80%，基层的、和增大5.31%、17.46%、10.11%。可见，路面结构中各层温度应力与裂缝宽度基本上呈线性关系，且随着裂缝宽度的增加，各层温度应力基本上没有变化，故裂缝宽度对路面结构温度应力的影响可以忽略不计。

4基层裂缝位置变化对路面结构应力的影响分析

为了分析裂缝位置对路面结构荷载应力的影响，分别取基层裂缝与路面板缩缝对齐、基层裂缝位于路面板中部位置、基层裂缝位于路面板1/4处三种状况计算路面结构荷载应力、温度应力，裂缝宽度为1cm。基层裂缝或切缝位于路面板中部位置（临界荷位处）水泥混凝土路面板主控应力—最大拉应力最大。对于荷载应力，工况2的最大拉应力分别比工况1、3的最大拉应力大70.05%、1.73%；对于温度应力，工况2的最大拉应力分别比工况1、3的最大拉应力大3.88%、7.82%。可见，基层裂缝或切缝位于路面板中部位置时，面层最易破坏。

5 结语

裂缝的存在破坏了路面结构整体性和连续性，路面结构的荷载应力显著增大；基层应力随裂缝宽度的增加而减小，减小速率随裂缝扩大不断减缓。基层裂缝或切缝位于路面板中部位置时，面层最易破坏。

基层断裂后对面板的摩阻作用减弱，致使面层、基层温度应力减小；路面结构中各层温度应力与裂缝宽度基本上呈线性关系；随着裂缝宽度的增加，各层温度应力基本上没有变化，故裂缝宽度对路面结构温度应力的影响可以忽略不计。基层裂缝或切缝位于路面板中部位置时，面层温度应力最大。