CN105956241A - 一种水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定水泥混凝土路面灌浆材料的性能要求方法，步骤如下：a)建立板角脱空有限元模型；b).对灌浆材料的应力应变进行计算和分析；c)对灌浆材料取不同的弹性模量值，并对其应力应变进行计算和分析；d)对于灌浆材料的粘结强度、剪切强度、抗拉强度、弹性模量提出要求。本发明首次提供了一种车辆荷载作用下对于水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料的仿真分析方法和性能要求的确定方法，为灌浆材料设计和水泥混凝土路面板底再次脱空的预估提供了依据。

Description

一种水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法
技术领域
本发明属于水泥混凝土路面养护领域，具体涉及一种水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法。
背景技术
水泥混凝土路面是一种刚度大、扩散荷载强、稳定性好的路面结构,其路面的适用性非常强，加之具有材料的来源广泛以及便于施工等优点使水泥混凝土路面能够较好地满足现代交通，尤其是重交通公路的需求，因而在全国范围内得到了广泛的应用，已经成为我国两大路面型式之一。
目前，大部分水泥混凝土路面在没有达到其使用年限就出现了不同程度的损坏，水泥混凝土路面板底脱空是其中一种较普遍的破坏形式。水泥混凝土路面的板底脱空是造成路面板断裂和错台的直接原因，尤其是在接缝处产生的脱空，如果不及时进行处治，势必造成路面面板的断裂和路面使用性能的衰变，这将会大大降低路面的使用性能。目前国内外对于板底脱空的处理方法主要是填充灌浆材料，然而大部分经过灌浆材料在使用两三年甚至更短的时间内便产生破坏。车辆荷载是导致灌浆材料破坏的主要原因之一。在车辆荷载作用下，灌浆材料内部会产生较大的拉应力，灌浆材料和其下卧层之间会产生较大的剪应力，导致灌浆材料本身的开裂、破碎以及灌浆材料与下卧层之间的分离。在车辆荷载引起的动水压力作用下，破碎的灌浆材料将会被挤出，导致路面板底的二次脱空。
目前，尚未见车辆荷载作用下水泥混凝土路面板底脱空处灌浆材料仿真或者解析分析方法，也未见根据交通、气候、材料等对于灌浆材料提出性能要求，从而无法对于灌浆材料进行材料组成优化设计，也不能预估灌浆材料的使用寿命，所以有必要提供一种仿真分析方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法，利用有限元模型建立可以对车辆荷载下灌浆材料的应力应变进行动力学分析，并对灌浆材料的粘结强度、剪切强度、抗拉强度和弹性模量提出要求，以为灌浆材料组成设计和水泥混凝土路面再次脱空预估提供依据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法，包括以下步骤：
a)建立板角脱空有限元模型：
创建板底脱空处填满灌浆材料的水泥混凝土路面结构的三维几何模型，该三维几何模型包括从上向下依次布置的面层(1)、基层(3)、底基层(4)和路基(5)；在板底脱空区域填充灌浆材料并使灌浆材料与基层(3)和底基层(4)接触成为连续层；然后在ANSYS软件中输入路面的面层(1)、基层(3)、底基层(4)和路基(5)的材料属性，选取单元类型后再采用自由划分网格方式来进行网格划分，然后对进行网格划分后的模型施加边界条件约束；
b)对灌浆材料的应力应变进行计算和分析：
对施加边界条件约束的模型，在灌浆材料取不同的弹性模量值条件下，采用瞬态分析方法，在荷载作用下多次进行计算，利用ANSYS Woekbench软件对计算结果进行分析和提取，得到灌浆结构处的总位移、拉应力、剪应力、滑移量及粘结应力随时间的变化，从而确定灌浆材料的抗拉强度、抗剪强度、粘结强度、弹性模量。
所述板底脱空区域为长方体状。
所述材料属性是密度、弹性模量和泊松比。
所述单元类型为SOLID45。
所述边界条件约束为：道路结构层间变形是连续的，不相对滑动，并且不相对分离；设定路基底面各向位移为零，四周对法向位移进行约束，模型的侧面为对称约束作用；设沿车辆行驶方向为X方向，地面上与车辆行驶方向垂直的为Y方向，垂直于地面的方向为Z方向；在车辆行驶方向上限制x方向上的位移和y轴、z轴的转动，垂直车辆行驶方向上限制z方向上的位移和x轴、y轴的转动；道路结构部分为自由边界；荷载对称布置在水泥混凝土路面板破坏最严重的板角区域，取一个轮胎的竖向载荷为35KN，并将轮胎与路面的接触形状简化为长方形，其长为22.75cm，宽为15.65cm，车辆荷载速度为120km/h。
所述荷载作用的时间步为0.01s。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明首次提供了一种车辆荷载作用下水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料的仿真分析和性能要求确定方法，该方法通过对灌浆材料动力响应有限元分析，获得了灌浆材料内部的应力应变以及灌浆材料与下卧层之间的剪应力应变，根据力学分析结果对于灌浆材料的粘结强度、剪切强度、抗拉强度和弹性模量提出要求。本发明可以为灌浆材料组成设计优化和水泥混凝土路面再次脱空预估提供依据，以最终延长灌浆材料的寿命，推迟水泥混凝土路面再次脱空出现的时间。
附图说明
图1是本发明所述模型的结构示意图。
图2是荷载布置整体图。
图3是荷载时间历程曲线图。
图4是灌浆材料总位移变化图。
图5是灌浆材料处拉应力变化图。
图6是灌浆材料处剪应力变化图。
图7是灌浆材料滑移量变化图。
图8是灌浆材料粘结应力变化图。
图9是灌浆材料取不同弹性模量时的总位移变化图。
图10是灌浆材料取不同弹性模量时的拉应力变化图。
图11是灌浆材料取不同弹性模量时的剪且应力变化图。
图12是灌浆材料取不同弹性模量时的滑移量变化图。
图13是灌浆材料取不同弹性模量时的粘结应力变化图。
图14是灌浆材料弹性模量对于最大位移的影响图。
图15是灌浆材料弹性模量对于最大拉应力的影响图。
图16是灌浆材料弹性模量对于最大剪且应力的影响图。
图17是灌浆材料弹性模量对于最大滑移量的影响图。
图18是灌浆材料弹性模量对于最大粘结应力的影响图。
图中：1、面层；2、灌浆材料；3、基层；4、底基层；5、路基。
具体实施方式
为更清楚的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细阐述：
如图1所示，本发明所述的本发明所述的车辆荷载下灌浆材料结构从上到下依次包括面层1(即水泥混凝土面板)，基层3，底基层4，路基5。在板底脱空区域填充灌浆材料2，并使灌浆材料2与其上面的基层和其下面的底基层充分接触成为连续层。
本发明对所述的一种车辆荷载作用下灌浆材料仿真分析和性能要求确定方法，包括如下步骤：
a)建立板角脱空有限元模型：
采用ANSYS软件，创建板底脱空处填满灌浆材料的水泥混凝土路面结构的三维几何模型。根据表1设置各结构层尺寸，分别取面层长为L1，宽为B1，高为H1；基层长为L2，宽为B2，高为H2；底基层长为L3，宽为B3，高为H3；板底脱空区域取长方体，长为L，宽为B，高为H，生成该三维模型。该三维几何模型包括从上向下依次布置的面层1、基层3、底基层4和路基5；在板底脱空区域填充灌浆材料2使灌浆材料2与其上面的面层和其下面的基层充分接触成为连续层，参见图1和图2。
表1水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料模型尺寸和参数表
然后在ANSYS软件中设置结构的单元类型为SOLID45。接着单击Material Props(即材料属性)，根据表1依次设置四种材料的材料属性，该材料属性是分析所需的密度ρ、弹性模量Ε、泊松比ν。接着在网格划分步骤中设置普通网格划分尺寸，采用自由(free)划分网格方式来进行网格划分，最后对进行网格划分的模型施加边界条件约束。
边界条件约束为：道路结构层间变形是连续的，既不相对滑动，又不相对分离；设定路基底面各向位移为0，四周对法向位移进行约束，模型的侧面为对称约束作用；设沿车辆行驶方向为X方向，地面上与车辆行驶方向垂直的为Y方向，垂直于地面的方向为Z方向。在车辆行驶方向上限制X方向上的位移和Y轴、Z轴的转动，垂直车辆行驶方向上限制Z方向上的位移和X轴、Y轴的转动；道路结构部分为自由边界；荷载对称布置在水泥混凝土路面板破坏最严重的板角区域，取一个轮胎的竖向载荷为35KN，并将轮胎与路面的接触形状简化为长方形，其长为22.75cm，宽为15.65cm，车辆荷载速度为120km/h，荷载时间历程曲线见图3。其中，x轴为X方向上的一条线，y轴为Y方向上的一条线。
b)对灌浆材料结构有限元模型内部的应力应变进行计算：
设置分析类型为Transient，即采用瞬态分析方法，取荷载作用6次进行计算分析，时间步取0.01s，利用ANSYS Woekbench软件后处理程序对计算结果进行分析和提取，先从有限元位移、应力等图形中确定位移或应力等最大的点，然后绘制这些点的位移或应力等随时间的变化图，结果见图4-图8，根据该变化图最终得到最大的位移或应力。如从图4位移变化图中可得出总位移最大值为0.00031m，从图5拉应力变化图中可得出拉应力最大值为0.064MPa，从图6剪应力变化图中可得出剪应力最大值为0.44MPa，从图7滑移量变化图中可得出灌浆材料与水泥面板之间的最大滑移量为0.008mm，从图8粘结应力变化图中可得出灌浆材料与基层的粘结应力最大值为25KPa。
c)对灌浆材料取不同的弹性模量值，并对其应力应变进行计算和分析：
弹性模量Eg的取值分别为100MPa、150MPa、200MPa、250MPa、300MPa，重复上述步骤b)中有限元分析方法的过程，得到不同弹性模量时灌浆材料的位移、拉应力、剪应力、滑移量及粘结应力随时间的变化图，见图9～图13，进一步可以得到弹性模量对于最大位移量、最大拉应力、最大剪应力、最大滑移量及最大粘结应力的影响，结果见图14～图18。可知在其他条件相同时，弹性模量越大，灌浆材料的总位移、拉应力、剪应力、滑移量及粘结应力的最大值越小。
d)综合以上分析，对于这种路面结构和脱空尺寸，对于灌浆材料提出如下要求：抗拉强度应不小于0.064MPa、抗剪强度应不小于0.44MPa、粘结强度应不小于25KPa，弹性模量应不小于150MPa，且在条件允许的情况下应尽量取弹性模量大的灌浆材料。
当路面结构、气候、脱空尺寸等参数变化时，对灌浆材料的性能要求也要相应变化，应按照上述方法确定。
本发明通过以下步骤即可实现对车辆荷载作用下水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能要求的确定。
a)建立板角脱空有限元模型；
b)对灌浆材料的应力应变进行计算和分析；
c)对灌浆材料取不同的弹性模量值，并对其应力应变进行计算和分析；
d)对于灌浆材料的粘结强度、剪切强度、抗拉强度、弹性模量提出要求。

Claims (6)

1.一种水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)建立板角脱空有限元模型：
创建板底脱空处填满灌浆材料的水泥混凝土路面结构的三维几何模型，该三维几何模型包括从上向下依次布置的面层(1)、基层(3)、底基层(4)和路基(5)；在板底脱空区域填充灌浆材料并使灌浆材料与基层(3)和底基层(4)接触成为连续层；然后在ANSYS软件中输入路面的面层(1)、基层(3)、底基层(4)和路基(5)的材料属性，选取单元类型后再采用自由划分网格方式来进行网格划分，然后对进行网格划分后的模型施加边界条件约束；
b)对灌浆材料的应力应变进行计算和分析：
对施加边界条件约束的模型，在灌浆材料取不同的弹性模量值条件下，采用瞬态分析方法，在荷载作用下多次进行计算，利用ANSYS Woekbench软件对计算结果进行分析和提取，得到灌浆结构处的总位移、拉应力、剪应力、滑移量及粘结应力随时间的变化，从而确定灌浆材料的抗拉强度、抗剪强度、粘结强度、弹性模量。
2.根据权利要求1所述的水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法，其特征在于，所述板底脱空区域为长方体状。
3.根据权利要求1所述的水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法，其特征在于，所述材料属性是密度、弹性模量和泊松比。
4.根据权利要求1所述的水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法，其特征在于，所述单元类型为SOLID45。
5.根据权利要求1所述的水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法，其特征在于，所述边界条件约束为：道路结构层间变形是连续的，不相对滑动，并且不相对分离；设定路基底面各向位移为零，四周对法向位移进行约束，模型的侧面为对称约束作用；设沿车辆行驶方向为X方向，地面上与车辆行驶方向垂直的为Y方向，垂直于地面的方向为Z方向；在车辆行驶方向上限制x方向上的位移和y轴、z轴的转动，垂直车辆行驶方向上限制z方向上的位移和x轴、y轴的转动；道路结构部分为自由边界；荷载对称布置在水泥混凝土路面板破坏最严重的板角区域，取一个轮胎的竖向载荷为35KN，并将轮胎与路面的接触形状简化为长方形，其长为22.75cm，宽为15.65cm，车辆荷载速度为120km/h。
6.根据权利要求1所述的水泥混凝土路面板底脱空灌浆材料性能的确定方法，其特征在于，所述荷载作用的时间步为0.01s。
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