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摘要:随着国民经济快、协调发展,我国道路交通量日益增大,车辆迅速大型化且严重超载,高速公路路面在车辆荷载的作用下和气候、水文等自然因素的影响下,常常在通车2-3年便出现了较为严重的早期破损现象,降低了公路服务能力,并对交通安全和环境保护等造成有害影响,因此,加强路面设计,使路面经常保持良好的技术状况,确保高速公路路面的服务水平。本文简单阐述了水泥混凝土路面设计理论及力学模型,分析了实际中混凝土面板与基层的接触界面状况及面层与基层开裂的相互影响。
关键词:水泥混凝土路面设计理论差异研究
Abstract: with the national economy fast, the coordinated development, our country road traffic increases day by day, the large-scale and severe overloading vehicles quickly, the highway pavement in vehicle load under the effect of climate, hydrology and natural factors of influence, often in open to traffic 2-3 years will appear a serious early damage phenomenon, reduce the highway service ability, and the traffic safety and environment protection cause harmful effects, therefore, strengthen the road surface design, make the road often maintain good technology condition, ensure the highway pavement service level. In this paper, the author briefly expounds the cement concrete pavement design theory and mechanical model, analyses the actual concrete in the panel and interface status and the surface of the cracking of the influence each other.
Keywords: cement concrete pavement design theory different research
中图分类号: U416.216文献标识码:A文章编号:
1、水泥混凝土路面设计理论及力学模型
水泥混凝土路面设计理论目前有两种,弹性层状体系理论:水泥混凝土路面是一种弹性层状结构,可应用弹性层状体系理论求解水泥混凝土路面问题。应用此理论求解时引入如下基本假定,第一,各层材料为均质、各向同性、完全弹性、变形微小,以弹性模量和泊松比表征其弹性性质;第二,在水平方向无穷远处和垂直方向无限深处的应力和位移等于零;第三,层间的接触面完全光滑,即层面间无摩阻力,可以相对滑移,接触面上的竖向位移和法向应力连续,或者层间的接触面为完全结合,层面间的位移和应力完全连续。
弹性地基板理论:水泥混凝土路面板在荷载作用下变形小,在进行荷载和挠度分析时,将其视为弹性板,地基视为弹性地基,因此水泥混凝土路面在力学上可视为弹性地基上的弹性板,简称弹性地基板。弹性基层板理论把水泥混凝土面层看作是支撑于弹性基层上的小挠度弹性薄板。弹性地基层理论认为:路面板与基层在接触界面附近各自保持完好,路面板弹性基层保持光滑,板与基层沿接触面法向的位移相等、应力相等,但沿切向可以相对滑动,且切向剪力忽略不计。也就是说:路面面板与基层始终保持接触,面板的挠度即为基层相应点的挠度,弹性基层在接触面处仅对路面板作用有竖向反力,板与基层间摩阻力忽略不计。此理论分析时采用如下假设:第一假定在变形过程中,板与基层的接触面始终是吻合的,即板面与基层表面的竖向位移是相同的;第二假定在板与地基的两接触面之间没有摩阻力(可以自由滑动),即接触面上的剪应力视为零。
弹性地基板理论是分析水泥混凝土路面挠度和应力时最常用的一种理论,考虑到混凝土面板的厚度不到其平面尺寸的十分之一,荷载作用下板的挠度又远小于其厚度,因此混凝土路面的构造和工作状态符合弹性地基薄板小挠度理论。
基于弹性地基板的理论建立的路面理想模型(如图所示)视面层与基层为光滑接触,其含意为:面层与基层相互分离,且在分离界面上始终保持接触,不出现任何竖向空隙或脱空,面层和基层各自在其附近保持完好。
图2-1 路面理想模型
2、实际中混凝土面板与基层的接触界面状况
按现行的路面设计理论,面层与基层保持光滑接触,脱空是一种不考虑的设计状态。前面已经分析过,水泥混凝土路面的层间结构的初始状态是面层和基层紧密结合,但是,随着荷载的作用和温度的影响,这种初始状态逐渐发生分离破坏,这种分离是必然的。分离后的面层与基层会出现相对移动,这种移动将使面层与基层由理想的完全接触变为不均匀的多支点弹性接触,从而导致面层与基层之间非均匀脱空的現象,使面层与基层不能保持光滑接触。层间非均匀脱空的发生,使得理想的光滑接触支承条件与路面实际状况显著不同,造成路面在实际承载力远低于设计理想路面承载力。
分离界面形成后,面层与基层脱离,分离界面是一个因材料破坏形成的界面,因分离界面附近材料破坏而形成的一个松散破碎层。由于面层与基层的分离不是单纯的脱离,分离作为一种破坏,并不形成一个理想的分离界面。由于水沿路面割缝或裂缝进行入面层与基层的界面后,在车辆荷载作用下,会引破碎层的冲刷脱空,使面层与基层的接触状况进一步恶化。破坏层的非均匀膨胀,加剧路面非均匀脱空,使路面承载条件更加恶化。
实际路面板与基层间相互作用关系和经典计算模型相比的差异,水泥混凝土面层不是均匀、光滑地支撑在完好的基层上,由于水泥混凝土材料属于脆性材料,对支承状况的比较敏感,这种面层与基层之间的不均匀的支承将会使混凝土路面的承载力下降,导致混凝土路面的早期损坏。
3、面层与基层开裂的相互影响
路面板开裂后,路面板由原来的一个整体分为二部分,对于裂纹两侧断裂板,其支承条件并不一致,各自处于非均匀支承的基层上。有时破坏的路基层连同路基一同下沉,引起断裂板整体下沉;有时断裂板要不均匀支承下板继续断裂,出现更加破碎的情况。
因此,对于普通水泥混凝土路面结构而言,面层的开裂不是破坏的终结,而是进一步引起基层局部破坏,从而使路面板进一步发展。
基层开裂后,基层的整体刚度下降,另外基层中的裂纹和面层相交处,往往同时引起面层和基层的粘结破坏,导致非均匀支承出现,这两种不利因素的联合作用会显著降低路面的承载力。若考虑水的作用,基层开裂对面层的影响会更大。由于脆性的水泥混凝土面层是支承在基层上的,所以基层引起整体性下降,非均匀支承和水作用,会对面层产生极其不利的影响。
注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词:水泥混凝土路面设计理论差异研究
Abstract: with the national economy fast, the coordinated development, our country road traffic increases day by day, the large-scale and severe overloading vehicles quickly, the highway pavement in vehicle load under the effect of climate, hydrology and natural factors of influence, often in open to traffic 2-3 years will appear a serious early damage phenomenon, reduce the highway service ability, and the traffic safety and environment protection cause harmful effects, therefore, strengthen the road surface design, make the road often maintain good technology condition, ensure the highway pavement service level. In this paper, the author briefly expounds the cement concrete pavement design theory and mechanical model, analyses the actual concrete in the panel and interface status and the surface of the cracking of the influence each other.
Keywords: cement concrete pavement design theory different research
中图分类号: U416.216文献标识码:A文章编号:
1、水泥混凝土路面设计理论及力学模型
水泥混凝土路面设计理论目前有两种,弹性层状体系理论:水泥混凝土路面是一种弹性层状结构,可应用弹性层状体系理论求解水泥混凝土路面问题。应用此理论求解时引入如下基本假定,第一,各层材料为均质、各向同性、完全弹性、变形微小,以弹性模量和泊松比表征其弹性性质;第二,在水平方向无穷远处和垂直方向无限深处的应力和位移等于零;第三,层间的接触面完全光滑,即层面间无摩阻力,可以相对滑移,接触面上的竖向位移和法向应力连续,或者层间的接触面为完全结合,层面间的位移和应力完全连续。
弹性地基板理论:水泥混凝土路面板在荷载作用下变形小,在进行荷载和挠度分析时,将其视为弹性板,地基视为弹性地基,因此水泥混凝土路面在力学上可视为弹性地基上的弹性板,简称弹性地基板。弹性基层板理论把水泥混凝土面层看作是支撑于弹性基层上的小挠度弹性薄板。弹性地基层理论认为:路面板与基层在接触界面附近各自保持完好,路面板弹性基层保持光滑,板与基层沿接触面法向的位移相等、应力相等,但沿切向可以相对滑动,且切向剪力忽略不计。也就是说:路面面板与基层始终保持接触,面板的挠度即为基层相应点的挠度,弹性基层在接触面处仅对路面板作用有竖向反力,板与基层间摩阻力忽略不计。此理论分析时采用如下假设:第一假定在变形过程中,板与基层的接触面始终是吻合的,即板面与基层表面的竖向位移是相同的;第二假定在板与地基的两接触面之间没有摩阻力(可以自由滑动),即接触面上的剪应力视为零。
弹性地基板理论是分析水泥混凝土路面挠度和应力时最常用的一种理论,考虑到混凝土面板的厚度不到其平面尺寸的十分之一,荷载作用下板的挠度又远小于其厚度,因此混凝土路面的构造和工作状态符合弹性地基薄板小挠度理论。
基于弹性地基板的理论建立的路面理想模型(如图所示)视面层与基层为光滑接触,其含意为:面层与基层相互分离,且在分离界面上始终保持接触,不出现任何竖向空隙或脱空,面层和基层各自在其附近保持完好。
图2-1 路面理想模型
2、实际中混凝土面板与基层的接触界面状况
按现行的路面设计理论,面层与基层保持光滑接触,脱空是一种不考虑的设计状态。前面已经分析过,水泥混凝土路面的层间结构的初始状态是面层和基层紧密结合,但是,随着荷载的作用和温度的影响,这种初始状态逐渐发生分离破坏,这种分离是必然的。分离后的面层与基层会出现相对移动,这种移动将使面层与基层由理想的完全接触变为不均匀的多支点弹性接触,从而导致面层与基层之间非均匀脱空的現象,使面层与基层不能保持光滑接触。层间非均匀脱空的发生,使得理想的光滑接触支承条件与路面实际状况显著不同,造成路面在实际承载力远低于设计理想路面承载力。
分离界面形成后,面层与基层脱离,分离界面是一个因材料破坏形成的界面,因分离界面附近材料破坏而形成的一个松散破碎层。由于面层与基层的分离不是单纯的脱离,分离作为一种破坏,并不形成一个理想的分离界面。由于水沿路面割缝或裂缝进行入面层与基层的界面后,在车辆荷载作用下,会引破碎层的冲刷脱空,使面层与基层的接触状况进一步恶化。破坏层的非均匀膨胀,加剧路面非均匀脱空,使路面承载条件更加恶化。
实际路面板与基层间相互作用关系和经典计算模型相比的差异,水泥混凝土面层不是均匀、光滑地支撑在完好的基层上,由于水泥混凝土材料属于脆性材料,对支承状况的比较敏感,这种面层与基层之间的不均匀的支承将会使混凝土路面的承载力下降,导致混凝土路面的早期损坏。
3、面层与基层开裂的相互影响
路面板开裂后,路面板由原来的一个整体分为二部分,对于裂纹两侧断裂板,其支承条件并不一致,各自处于非均匀支承的基层上。有时破坏的路基层连同路基一同下沉,引起断裂板整体下沉;有时断裂板要不均匀支承下板继续断裂,出现更加破碎的情况。
因此,对于普通水泥混凝土路面结构而言,面层的开裂不是破坏的终结,而是进一步引起基层局部破坏,从而使路面板进一步发展。
基层开裂后,基层的整体刚度下降,另外基层中的裂纹和面层相交处,往往同时引起面层和基层的粘结破坏,导致非均匀支承出现,这两种不利因素的联合作用会显著降低路面的承载力。若考虑水的作用,基层开裂对面层的影响会更大。由于脆性的水泥混凝土面层是支承在基层上的,所以基层引起整体性下降,非均匀支承和水作用,会对面层产生极其不利的影响。
注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。