水泥混凝土路面坑洞修复有限元分析

罗 祺，郭 懿，黄 浩

(1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

水泥混凝土路面坑洞修复有限元分析

罗 祺1，2，郭 懿1，黄 浩1

(1.广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西 南宁 530029；2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004)

水泥混凝土路面作为高级路面的重要结构形式，凭借其刚度大、承载能力强、耐水，耐高温性强、材料易得，使用寿命长、维护费用低等优势得到了史无前例的快速发展。但是水泥混凝土路面在使用过程中会产生各种各样的病害，其中路面坑洞病害成为当前水泥路面亟待解决的主要问题之一。文章提出利用超短超细钢纤维进行水泥混凝土路面坑洞病害处治，并且通过大型通用有限元软件ANSYS对路面坑洞修复的实际情况进行有限元分析，验证超短超细钢纤维作为路面坑洞修复材料的优越性，同时对不同工况下已修复路面实际承受的车辆荷载进行力学分析，研究其受力规律。

水泥混凝土路面；坑洞；超短超细钢纤维；有限元分析

0 引言

自1990年以来，随着我国经济的不断提升，基础设施建设也呈一番热火朝天之势，水泥混凝土路面作为高级路面的重要结构形式，凭借其刚度大、良好的承载能力以及耐水、耐高温性能和材料来源丰富、设计使用寿命长、维护费用低等优势得到了史无前例的快速发展。截至2010年年底，我国已经建成的水泥混凝土路面约为170万公里。在总里程约为285万公里的高级路面(沥青混凝土路面和水泥混凝土路面)公路中，水泥混凝土路面占到了60%。中国已经成为当今世界上拥有水泥混凝土路面里程最多的国家之一[1]。

随着水泥混凝土公路里程的逐年增加，加上早期修建的水泥混凝土路面已接近使用年限，目前我国水泥混凝土路面面临的养护维修任务越来越重。路面由于长期暴露在自然环境中遭受日晒雨淋、冻融温差和各种各样化学物质的不停侵蚀，同时长期经受车辆的冲击荷载、循环荷载及车轮的磨耗，必然产生不同程度的损坏。如果破损水泥混凝路面没能得到及时有效的修复，将大大影响路面的工作状况，从而降低水泥混凝土路面的使用年限。其中水泥混凝土路面坑洞病害成为当前水泥路面亟待解决的主要问题之一。

1 水泥混凝土路面坑洞修复材料研究

研究与应用表明，虽然水泥混凝土路面坑洞修复材料种类众多，但这些材料都具有一些缺陷，也没有形成国家规范以指导工程技术人员进行坑洞修补的设计和施工。通过对比不同种类的修补材料在实际工程中的应用结果能够看出，钢纤维增强混凝土在公路水泥混凝土路面坑洞快速修复中拥有广阔的应用前景和重要的现实意义[2-3]。

然而就传统钢纤维混凝土在水泥混凝土路面坑洞修复上仍存在着一些问题：(1)基本力学特性有待进一步提升：传统普通钢纤维直径、体积较大因此掺入量由于受到混凝土结团的影响，一般只能掺入体积率的2%～3%的钢纤维，影响了搅拌工艺因此无法进一步提高钢纤维的体积掺量，导致钢纤维改善混凝土的力学性能有所限制。(2)施工性能有待改善：普通钢纤维的长度(20～40 mm)偏大，施工和易性差，如果在搅拌时钢纤维分布不够均匀，那么会造成混凝土强度局部偏弱。因此，在设计坑洞修复新材料时笔者提出了使用超短超细钢纤维增强混凝土进行坑洞修复，通过增大了钢纤维的体积掺量，使得钢纤维混凝土在各方面的性能上都有很大的提升。本文通过大型通用有限元软件ANSYS对路面坑洞修复的实际情况进行有限元分析，进一步验证超短超细钢纤维作为路面坑洞修复材料的优越性。同时对不同工况下已修复路面实际承受车辆荷载进行力学进行分析并找出其受力规律。

2 水泥混凝土路面坑洞有限元模拟

2.1 路面结构参数及基本假定

路面模型将下部地基用弹性地基代替，从而将研究对象简化为由水泥混凝土面层、贫混凝土基层、弹性地基组成的弹性层状体系，各层结构参数取值如表1所示。

表1 各结构层参数表

为了使构建的三维有限元模型更好地符合水泥混凝土路面实际情况，对材料的性质和各层结构边界条件作如下基本假定：

(1)各结构层为均匀、连续、各向同性的连续弹性体；

(2)水泥混凝土面层与贫混凝土基层以及面层与修补块层间完全连续，弹性地基与贫混凝土基层之间接触状况为绝对光滑；

(3)弹性地基底面各向位移和转角为零，地基侧面水平方向位移为零，水泥混凝土路面层各横截面无约束，两侧侧面法向位移为零，贫混凝土基层横截面及侧面法向位移为零；

(4)不计路面各层结构自重，且不考虑接缝处填缝材料的传荷能力。

2.2 模型建立及工况

为保证运算结果的精度，采用精确性较高的六面体单元solid 65来模拟水泥混凝土路面面层、贫混凝土路面基层、钢纤维修补层；采用四面体单元solid 92来模拟弹性地基层；考虑层间接触状态时，采用8节点目标元targe170和8节点面面元conta174来模拟，整个模型采用映射网格划分方式。在靠近面层部分加密。模型总计划分42 201单元，54 276节点。划分单元后的有限元模型如图1所示。其中，X方向为路面横向；Y方向为路面厚度方向；Z方向为路面板行车方向。

图1 单元网格划分示意图

荷载施加：由于有限元计算中，荷载最终等效为施加在节点上的节点力，因此，根据实际加载形式，按照等效原则，直接将荷载加载节点上来模拟实际加载情况。根据轴型的不同，汽车荷载一般可以分为单轴单轮、单轴双轮及双轴双轮等，本文只考虑单轴双轮的情况，车辆荷载采用标准轴BZZ-100，轴重为100kN，垂直荷载为P=0.7MPa，为便于有限元分析，本文轮压作用范围简化为20cm×20cm的正方形，双轮中心距为30cm，两侧轮隙间距为180cm。

(1)轮胎作用在坑洞边缘，坑洞深度为10cm。对比坑洞修补前后，水泥混凝土路面板底的应力情况。坑洞布置情况及车辆荷载施加情况如图2所示：

图2 坑洞工况及车辆荷载施加情况示意图

2.3 计算结果分析

在实际路面坑洞病害的发展过程中，由于养护不及时，路面坑洞出现后往往不能得到及时的修复。因此水泥混凝土路面存在带坑洞服役的工况，在载荷的不停作用下路面坑洞病害会进一步扩大和加深。因此比较水泥混凝土路面修补前与修补后的两种不同工况，对路面养护修复具有重要的指导作用。

表2 不同坑洞位置计算结果表

图3 坑洞修补前后板底应力柱状图

从表2和图3中可以看到，当路面板出现坑洞以后，如果未能及时修补，将会对板底造成很大的影响。通过用钢纤维混凝土进行坑洞修补后，可以看到，板底的剪应力比未修补前减小了21.97%、板底沿厚度方向的拉应力更是明显降低，幅度达到13倍左右，板底最大主应力和等效应力比修补前减小了50%左右。由此通过计算可知，当路面出现坑洞以后，应该第一时间进行坑洞的修复，否则路面将在更为不利的条件下工作。通过坑洞的修补，能够使得路面恢复正常的受力情况，以此来增加路面使用的寿命。

(2)因为实际路面上的修补块深浅不一，这里可通过改变修复坑洞的厚度，进一步研究不同深度修补对坑洞受力情况的影响规律。不同厚度坑洞计算数据见表3：

表3 不同厚度坑洞计算结果表

为了更直观地查看数据，将上述数据绘制成图，如图4～6所示：

图4 底部应力随厚度变化图

图5 横截面应力随厚度变化图

图6 横截面应力随厚度变化图

从表3及图4～6，可以得到以下几点结论：

(1)通过对比坑洞底面、横截面、侧面的最大主应力可以看到，坑洞侧面的最大主应力均大于底面以及横截面的最大主应力，因此可以判断如果实际路面发生模型模拟的荷载情况，其侧面最容易发生破坏。因此，在进行水泥混凝土路面坑洞修复施工的过程中，坑洞侧面必须进行凿毛处理，以加强新旧混凝土之间的机械咬合力。

(2)通过图4可以看到，随着坑洞深度的逐渐加深，其底部受到的应力呈现逐渐减小的趋势，其中等效应力σe减小的幅度最大，全厚度修补(30cm)的坑洞等效应力比5cm厚度修补的等效应力减小了50%左右。

(3)通过图5可以看到，随着坑洞厚度的逐渐加深，横截面所受应力逐渐增大。

(4)通过图6可以看到，坑洞厚度变化对坑洞侧面应力几乎没有影响。

综上所述，尽管厚度加深对底部受力有利，对横截面受力不利，但就影响而言，底部受力使得坑洞更容易发生破坏，因此可以判断，在相同的情况下，加大坑洞修补的厚度会得到更好的修补效果。但是由于考虑到实际的施工工艺以及造价方面的要求，坑洞的深度并不是越厚越好。在坑洞修复设计时，应在考虑受力情况的前提下，综合施工以及造价方面的要求进行合理的设计。

3 结语

本文通过有限元软件对路面坑洞修复的实际情况进行有限元分析，同时对不同工况下已修复路面实际承受车辆荷载进行力学分析。得到以下结论：

(1)水泥混凝土路面坑洞修复后板底受到的应力比修复前大大减小，因此在发现水泥混凝土路面坑洞病害时，应第一时间进行修复，以此保持路面良好的使用状况和寿命；

(2)在相同的情况下，加大坑洞修补的厚度会得到更好的修补效果。但是由于考虑到实际的施工工艺以及造价方面的要求，在坑洞修复设计时应在考虑受力情况的前提下，综合施工以及造价方面的要求进行合理的设计。

[1]易志坚，黄宗明.路面破坏与防治—设置隔离层的水泥混凝土路面[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]谢勇成.水泥混凝土路面超薄层快速修补技术[J].公路，2000.7：62-65.

[3]廖福勇.水泥混凝土路面局部破坏快速修补技术探究[J].沿海企业与科技，2005.10：121-149.

Finite Element Analysis of Cement Concrete Pavement Potholes Repair

LUO Qi1，2，GUO Yi1，HUANG Hao1

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.School of Civil Engineering，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004)

The cement concrete pavement as an important structure form for advanced pavement has ob-tained the unprecedented rapid development by virtue of its large stiffness，strong bearing capacity，water resistance，strong temperature resistance，readily available materials，long life，low maintenance cost and other advantages.However，during the use，the cement concrete pavement will produce a variety of diseases，among which the pavement potholes disease has become one of main problems to be solved for current ce-ment pavement.This article proposed using the ultra-short superfine steel fiber for the treatment of cement concrete pavement potholes disease，and through the large-scale finite element software ANSYS，it conduc-ted the finite element analysis on the actual situation of pavement potholes repair and validated the superior-ity of ultra-short superfine steel fibers as pavement potholes repair material，meanwhile it conducted the me-chanical analysis on the actually incurred vehicle load of repaired pavement under different conditions to identify its force regularity.

Cement concrete pavement；Potholes；Ultra-short superfine steel fiber；Finite element analysis

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.011

1673-4874(2015)04-0039-04

2015-03-01

罗 祺，博士，主要从事道路与桥梁设计研究工作。