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农村膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土路面破坏原因及数值模拟
摘要： 随着农村公路的普及，农村膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土公路的破坏问题日益突出，急需寻求此类公路的破坏原因，提出预防对策。
本文通过对衡阳市某段农村膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土路面的现场调查，整理该路段路面破坏类型，分析破坏原因，并应用 ANSYS 有限元软
件模拟研究路面破坏机理，从而为农村膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土公路的日常养护和病害防治提供理论依据。
关键词： 膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土；路面破坏；有限元
Absrtact: With the popularization of rural highways, the destruction of cement concrete highways in rural areas has be免费信息e increasingly prominent. It is urgent to find out the causes of the destruction of such highways and put forward preventive measures. based on the field investigation of a certain section of rural cement concrete pavement in Hengyang City, this paper sorted out the types of pavement damage, analyzed the causes of damage, and applied ANSYS finite element software to simulate and study the mechanism of pavement damage, thus providing a theoretical basis for the daily maintenance and disease prevention of rural cement concrete highway.
Key words: cement concrete; pavement damage; finite element method
中图分类号： U416 文献标志码： B 文章编号： 1003-8965（2019）04-0000-03
1 概述
膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土路面具有建设费用低，耐久性好，使用寿 命长，养护费用低等诸多优点，因而在农村公路建设中得 到 了 广 泛 应 用。 但 是 ， 往 往 使 用 不 到 几 年 时 间 水 泥 混 凝 土 就会暴露许多病害，如路面板断缝、断板和坑洼等，严重 影 响 道 路 使 用 质 量 和 效 益。 衡 阳 市 某 段 农 村 水 泥 混 凝 土 路 面，就出现了类似的问题。部分混凝土板块破坏严重，裂 缝甚至宽达几厘米，断板、沉陷等现象也十分严重。鉴于 该路面破坏情况具有一定的普遍性，通过现场调查，研究 破坏原因，对农村膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土公路的建设提出建议，改善 路面的使用性能，延长路面的使用年限，具有十分重要的 工程实践意义。
2 调查路段基本情况
本文调查对象是衡阳市某段农村膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土公路。所 调查段路为三级公路，膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土路面，双车道，双幅路， 中央未设分隔带，两侧设有分隔带。单块路面板长度 5 m， 宽 度 4.0m， 设 计 车 速 为 40 km/h， 全 长 4.6 公 里。 路 段 基 层 为 两 层 水 泥 混 凝 土 路 面 结 构， 分 别 为 稳 定 土 质 路 基 和 膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土面板层。
3 调查结果
根据现场调查，此路段存在如下病害：
1） 横 向 裂 缝、 纵 向 裂 缝。 该 路 段 纵 向 裂 缝 一 般 为 纵 向 通 长 的 裂 缝， 把 水 泥 混 凝 土 板 块 分 成 两 块 。 横 向 裂 缝 一 般 出 现 在 纵 向 通 长 裂 缝 和 纵 向 施 工 缝 之 间。 纵 横 向 裂 缝 宽 度都较大。
2） 交 叉 裂 缝。 交 叉 裂 缝 把 混 凝 土 板 分 成 三 块 以 上， 也称破碎板。交叉裂缝可能由纵横向裂缝不规则发展形成， 缝宽也较大。
3） 角 隅 裂 缝。 混 凝 土 路 面 出 现 边 角 破 损 或 缺 角、 断 裂 现 象， 其 剥 落 面 垂 直 并 贯 穿 于 整 个 板 厚。 角 隅 裂 缝 常 常 伴随接缝破坏、沉陷等多重破坏。
4）轻微裂缝。这里把缝宽在 3 mm 以下的归为轻微
裂缝，经常出现在裂缝的一侧或末端。
5） 填 缝 料 丢 失、 接 缝 碎 裂。 填 缝 料 丢 失， 接 缝 被 砂 石等硬物占据。在温度作用下，接缝边缘路面板被挤碎。 6） 沉 陷。 路 面 板 出 现 裂 缝 并 分 成 多 板 块， 各 板 块 出
现不同程度的高差即为沉陷。
7） 露 骨。 水 泥 混 凝 土 骨 料 出 现 在 表 面， 影 响 行 车 的
平稳性。
4 破坏原因分析
根 据 调 查 结 果 和 查 阅 相 关 文 献 资 料， 导 致 该 路 段 路 面
破坏的原因主要有以下几个方面。
4.1 路面设计不合理
根据现场调查结果，该路段路面只有两个结构层，稳 定土基和面板层，缺少基层。缺少基层，混凝土面层则直 接作用于土基上，由于土基塑性变形量大、抗冲刷能力低、 细料含量多而极易产生唧泥现象。在唧泥作用下，伴随着 填缝料失效、接缝破坏、面层失去防水能力等系列问题， 导致面板板角开裂等病害。在雨水和地下水的共同作用下， 细 料 很 容 易 被 带 出 去， 土 基 局 部 会 被 掏 空， 从 而 进 一 步 产 生错台、断裂等病害。此外，缺少基层的路面，土基顶面 压力大，造成土基顶面开裂，并反射到路面面层，形成反
基金项目： 国家级大学生创新创业训练计划项目（ 201713924002 ）。 作者简介： 邓杰（1998.4 ~ ），男，湖南交通工程学院学生。
指导老师： 肖珍（1986 ~ ），男，工程师，硕士研究生，湖南交通工程学院教师，主要从事建筑结构设计及混凝土结构耐久性研究。
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膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥与混凝土
射裂缝。
4.2 路面施工原因
填缝料缺失直接导致接缝处破坏。缺失填缝料，雨水、 路 面 积 水 很 容 易 通 过 接 缝 渗 入 到 基 层， 当 车 辆 通 过 接 缝 位 置，可能会导致基层出现汲泥作用，频繁汲泥作用会淘空 基层材料，使路面板在接缝处发生断裂破坏。现场检测发 现该路段路面多处接缝已经被小砂石等填满，当小砂石等 硬物进入接缝位置后，将占据接缝空间，在大幅度升温条 件下，可能会导致接缝处板块边缘爆裂、破碎或隆起。 根 据 现 场 检 测 结 果， 水 泥 混 凝 土 路 面 板 的 厚 度 和 抗 压 强度都存在一定范围的波动。厚度较薄、抗压强度较弱的 地方，路面板就较弱；厚度较大、抗压强度较强的地方， 路面板就较强。强弱交界位置，容易产生局部应力集中， 形成裂缝，这种裂缝在车辆荷载的反复作用下会扩展。这 也可能是部分板块完好无损，部分板块破坏严重的原因。 而混凝土表面砂浆不足或表面耐磨性差，导致了膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝 土路面露骨现象。
4.3 超载
超载也是路面破坏的重要原因之一。刚性路面达到相
16
轴载与标准轴载换算成 16 次方的关系，可见超载对路面 寿命影响很大。该段路段曾作为 315 省道的部分路段，据 调 查 资 料 显 示， 常 有 载 重 20t 的 货 车， 装 载 至 50t， 严 重 超载。根据轴载等效换算系数公式，50t 的货车对路面作 用 一 次 相 当 于 20t 的 货 车 对 路 面 作 用 2.3×10 6 次， 超 载 已严重影响了该路段路面寿命。
5 有限元模拟分析
通过分析，未设计基层、施工质量差和超载是导致该 路 段 路 面 破 坏 的 主 要 原 因。 本 文 为 进 一 步 研 究 该 段 路 面 破 坏机理，本文采用 ANSYS 有限元软件对该段路面混凝土 路面受载情况进行模拟分析。
5.1 现场破坏现象
据观察，破坏的主要现象是路面板带有纵向通长裂缝， 通 长 裂 缝 距 中 间 纵 向 施 工 缝 为 1.10m ～ 2.40m 不 等 , 通 长 纵 向 裂 缝 和 中 间 纵 向 施 工 缝 间 有 数 量 不 等 的 横 向 裂 缝， 如图 1 所示。
图 1 典型裂缝 图 2 有限元模型
5.2 有限元模型
本 文 水 泥 混 凝 土 面 板 采 用 solid45 实 体 单 元， 路 基 层 采 用 免费信息bine14 线 性 阻 尼 弹 簧 单 元， 相 对 地 基 弹 性 模 量 为 9.2×10 6 Pa。 建 立 双 层（ 面 板 层 和 土 质 路 基 层 ） 混 凝 土 路 面 有 限 元 模 型。 在 路 面 板 边 缘 中 间 加 载， 轮 压 取 0.15m×0.2m， 轴 重 取 100kN， 每 轴 4 个 轮， 每 轮
2
25kN。 并 将 轮 压 均 布 荷 载 简 化 成 集 中 力 进 行 加 载。 模 型 加载情况如图 2 所示。
5.3 模拟结果
该 模 型 加 载 后 的 等 效 应 力 图 如 图 3 所 示， 其 轮 载 附 近 出 现 应 力 极 大 值， 加 轮 载 一 侧 的 板 块 应 力 水 平 比 另 外 一 侧 高，板块四个角的应力值较小。
图 3 等效应力等值图 图 4 路径 1 等效应力分布
分 析 不 同 路 径 上 应 力 的 分 布 情 况。 取 三 条 路 径 ， 纵 向 一条（路径 1）：从（0.3，0.2，0）到（0.3，0.2，5）； 横向两条（路径 2 和路径 3）：从（0，0.2，0.5）到（4.5， 0.2，0.5） 和 从（0，0.2，2） 到（4.5，0.2，2）。 三 条 路径上的等效应力分布情况分别如图 4、5、6 所示。
图 5 路径 2 等效应力分布 图 6 路径 3 等效应力分布
根 据 路 径 1 应 力 分 布 情 况， 可 知 在 靠 近 中 间 纵 向 施 工 缝、轮载附近，有效应力出现峰值，混凝土弯拉应力大， 容 易 出 现 开 裂 现 象。 在 此 处 出 现 裂 缝 后， 就 会 继 续 横 向 发 展。 向 通 长 纵 向 裂 缝 方 向 继 续 发 展， 形 成 典 型 裂 缝 中 的 横 向裂缝。
根 据 路 径 2、3 应 力 分 布 情 况， 可 知 除 了 加 载 处 有 峰 值 应 力 外， 横 方 向 上 1.35m 处 等 效 应 力 出 现 峰 值， 容 易 产生开裂。此位置与路面现场的纵向通长裂缝位置相近。
6 结语
膨胀水泥|油井水泥|抗硫酸盐水泥|低热和中热水泥|早强水泥混凝土路面破坏严重地影响公路服务质量和使用 效 益。 本 文 通 过 对 衡 阳 市 某 段 农 村 水 泥 道 路 路 面 破 坏 形 态 进行调查，发现该段路面存在横向裂缝、纵向裂缝，交叉 裂缝，角隅裂缝，轻微裂缝，填缝料丢失、接缝碎裂，沉 陷，露骨等破坏现象。通过分析，得出未设计基层、施工 质 量 差 和 超 载 是 导 致 该 段 路 面 破 坏 的 主 要 原 因。 此 外， 为 进一步严重该段路面的破坏机理，本文采用 ANSYS 有限 元 软 件 对 该 段 路 面 混 凝 土 路 面 受 载 情 况 进 行 模 拟， 模 拟 裂 缝与现场检测结果一致。
