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

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术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。本专利技术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是本专利技术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专利技术，下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步详细阐述：如图1所示，本专利技术所述的本专利技术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。本专利技术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；道本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪亮，王倩，许晔，吕文江，朱月风，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61