本发明是一种基于静力学分析确定水泥路面嵌缝料变形指标的方法，属于道路工程水泥路面嵌缝技术领域。
背景技术：
近年来，随着我国公路的迅速发展和国民经济的不断提高，水泥路面作为一种主要的路面结构形式，在国内有着广泛的应用。众所周知，水泥路面因其具有着承载能力大、稳定性好、使用寿命长和强度大等优点，如今已成为高级路面中的主要铺装形式之一。然而，尽管水泥路面有着诸多的优点，但是其也有着致命的缺点。为了适应水泥路面的变形需要，消除温度内应力和温度翘曲应力，保证路面的整齐外观以及提高路面的使用性能，应在路面上设置各种接缝并对其进行密封。水泥路面设置接缝，正是防止其不规则断裂的有效措施之一。
如何确定水泥路面嵌缝料的变形指标，使嵌缝料更好适应水泥路面接缝的水平宽度和竖向相对位移变化，延长嵌缝材料使用寿命，提高嵌缝料密封效果和水泥路面行车舒适性，这是长期困扰水泥路面的嵌缝技术是一项难题。接缝是水泥路面中必不可少的组成部分，同时也是路面结构中最薄弱、最容易损坏的环节之一，易产生唧泥、错台、断板等病害，严重影响了水泥路面平整性和行车舒适性，甚至影响到人们的生命财产安全。由于接缝施工一直都不受重视，嵌缝质量往往不太理想。嵌缝材料是一种具有粘结性、弹性、耐久性和耐候性的高分子聚合物。当嵌缝料应用到水泥路面接缝中时，其往往能够达到密封、防水的效果。但是，若嵌缝材料的性能较差，往往会导致嵌缝料出现老化破损，并产生嵌缝料外溢，接缝渗水，杂质嵌入等危害，从而致使更换嵌缝料而产生额外的经济损失并妨碍正常车辆通行。
同时，水泥路面的刚性模量大，设置接缝处易损坏。为了提高路面使用性能、延长结构寿命，保障接缝嵌缝料的优良工作性能、防止雨水、杂物等进入具有着非常重要的作用。由于接缝的存在，使路面整体性受到了破坏，路面板和地基都将产生很大的集中应力。在水泥路面实际使用过程中，多数的破坏都产生在接缝及其附近处，从而导致路面板的整体承载能力大幅度降低。因此，确定水泥路面嵌缝料的变形指标，对于从力学角度揭示嵌缝料的耐久性问题及解决当前路面嵌缝料破坏的诸多问题可提供依据，具有重要的现实意义。
国内外对水泥路面嵌缝料的静载响应下的力学分析以及嵌缝料的耐久性问题，现已取得了一些有益的成果。国内研究者针对水泥路面接缝处嵌缝材料易损坏、角点易开裂等问题，分析了嵌缝料自身特性与变形能力、接缝宽度之间的关系。此外，嵌缝料不但受水平拉、压应力作用，还受到竖向剪切应力作用的影响，受荷板与相邻的未受荷板会产生竖向位移差，在荷载作用下混凝土板沿竖直方向产生轻微的剪切振动效应，从而促使嵌缝料也受到相应的振动剪切效应。目前虽然我国也提出了关于公路水泥混凝土路面的设计规范，但在评价系统中却并没涉及嵌缝材料路用性能的评价指标。受力性能对嵌缝料的影响是一个复杂的过程，许多问题仍有待进一步的深入探讨。因此，分析水泥路面嵌缝料的竖向和水平位移、应力-应变关系，有利于提高水泥路面的使用性能，并延长其使用寿命，为确定水泥路面嵌缝料变形指标提供科学依据。
随着计算机技术的突然兴起，有限元的分析方法在工程领域中的应用得到了迅猛的发展，逐渐应用于水泥路面力学分析研究中。通过建立适当的水泥路面数值模型、确立恰当的计算参数，以实现对各种复杂工程问题的准确模拟。国内外研究学者也将有限元软件运用到路面力学研究中，对路面力学的研究也不再仅限于假设和简化，而能够模拟路面结构中的各种真实状态，因而成为水泥路面受力性能分析的主要方法和手段。考虑到难以通过实际路面实验探讨嵌缝料静载作用下力学响应规律，本发明应用数值模拟方法进行分析。该方法具有费用低、周期短、信息完整及再现性好等优点，已逐渐成为一种非常有效的方法。本发明以通用有限元软件作为分析平台，基于静力学分析确定水泥路面嵌缝料的变形指标，有利于延长嵌缝料的使用寿命，提高水泥路面的使用性能，也为提高水泥路面嵌缝料的耐久性提供依据。
综上所述，本发明作为一种运用有限元数值模拟软件通过静力学分析来确定水泥路面嵌缝料的变形指标的方法，根据弹性层状体系理论进行模拟，建立更符合实际情况的水泥路面结构模型，系统分析荷载大小及其作用位置、材料属性、几何尺寸、层间接触状态、边界接触条件、单元类型、网格划分等工况因素对嵌缝料受力状态的影响，探讨嵌缝料在静载作用下的力学响应规律，从而确定接缝处嵌缝料的竖向位移、水平位移及水平状态下的拉、压应力-应变规律，提出水泥路面嵌缝料的变形指标。对改善水泥路面嵌缝料的耐久性和密封效果具有重要的现实意义，使嵌缝料可以更好地适应水泥路面接缝的水平宽度和竖向相对位移变化，延长其嵌缝材料的使用寿命，提高嵌缝料的密封效果及水泥路面的行车舒适性。
技术实现要素：
(1)技术问题
本发明目的是提供一种基于静力学分析确定水泥路面嵌缝料变形指标的方法，该方法基于有限元理论且充分考虑水泥路面的层间接触状态、材料属性、荷载大小等工况因素对嵌缝料变形指标的影响，确定合理的嵌缝料变形指标，解决目前嵌缝料难以适应水泥路面接缝的水平宽度和竖向相对位移变化，从而导致嵌缝料出现拉伸开裂、脱落、渗水、挤出等耐久性问题，延长嵌缝料使用寿命，更好满足水泥路面使用和发展要求。
(2)技术方案
水泥路面嵌缝料受力复杂，难以直接通过室内试验确定其变形指标以适应水泥路面接缝的水平宽度和竖向相对位移变化。本发明首先根据现行规范中对水泥路面的材料属性及几何尺寸要求，建立含有接缝处嵌缝料的水泥路面结构初始模型，如图1；然后，确定模型边界约束条件，采用8节点二维平面应变的减缩积分实体单元进行网格划分，确定计算域，选定相应的静力学模型分析方法，利用有限元方法分析嵌缝料在静载作用下的力学响应规律，考虑不同荷载大小及其作用位置、材料属性、层间接触状态等工况因素对嵌缝料的水平和竖向位移变化以及水平方向拉、压应力-应变的影响；最后，考察水泥路面嵌缝料的顶部角点处的竖向位移和水平位移随荷载大小和其作用位置、嵌缝料材料属性、层间摩擦系数等因素影响时的分布规律，得到水泥路面接缝处嵌缝料的局部位移云图和水平拉、压应变云图，为确定水泥路面嵌缝料的变形指标，延长水泥路面结构的受用寿命、改善路面使用性能提供依据。
(3)有益效果
近年来，随着我国公路事业迅速发展，水泥路面已成为高等级路面的主要铺装类型之一，广泛用于道路工程，且以接缝式水泥路面为主。我国水泥路面己由建设为主，转为建设、养护并重的阶段，目前对水泥路面嵌缝料受力性能的研究已日益受到重视。水泥路面接缝处的水平和竖向位移往往会对嵌缝材料的粘附性失效、材料挤出等现象带来较大的危害，为了提高水泥路面嵌缝料的耐久性、改善水泥路面的路用性能，因而有必要准确地确定水泥路面嵌缝料的变形指标。本发明以有限元理论为基础，通过建立静力学模型能准确模拟水泥路面嵌缝料的受力状况，再现水泥路面嵌缝料的实际工作状态，更科学地确定其变形指标。本发明的确定方法具有再现性好、费用低、周期短、信息完整等特点，为解决接缝处嵌缝料难以适应水泥路面接缝的水平宽度和竖向相对位移变化，从而导致嵌缝料出现拉伸开裂、脱落、渗水、挤出等耐久性问题提供科学依据，延长嵌缝料使用寿命，从构造上确保水泥路面的整体性、平顺性和密水性，提高水泥路面耐久性和行车舒适性。
附图说明
图1水泥路面结构有限元模型示意图
1-水泥路面面层；2-水泥路面基层；3-土基；4-嵌缝料；5-水泥混凝土；6-水泥稳定粒料；7-荷载
具体实施方式
本发明目的是提供一种基于静力学分析确定水泥路面嵌缝料变形指标的方法，具体实施步骤如下：
(1)根据现行《公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40-2011)》中有关规定，确定水泥路面的材料属性及几何尺寸要求，建立含有接缝处嵌缝料的水泥路面结构有限元初始模型；
(2)确定有限元模型边界约束条件，选择8节点二维平面应变的减缩积分实体单元进行网格划分，并加密接缝处嵌缝料及其周围网格，以便采用网格技术模拟嵌缝料在静载作用下的力学响应规律，分析其受力状态；
(3)分别设置作用于路面结构、嵌缝料的载荷载大小及其作用位置、材料属性、几何尺寸，并确定路面板与基层间的接触参数，在不同工况下运行有限元软件，分别保存计算结果；
(4)分析不同工况下水泥路面嵌缝料水平、竖直方向的最大位移、最大剪切应变与应力、最大拉应力与应变、最大压应力与应变，并以云图形式直观显示；
(5)经统计、分析计算结果，分别比较嵌缝料水平和竖直方向最大的相对位移、相对剪切应变、相对拉应变、相对压应变，以嵌缝料最大的相对变形结果作为控制变形指标，并提出最大容许值，作为水泥路面嵌缝料设计依据。