碎石化的旧水泥路面上水泥混凝土加铺层应力强度因子分析.pdf

1 6 0 科技研究 城 市道桥 与 防洪 2 0 1 5 年 l 2 月第 1 2 期 碎石化的旧水泥路 面 卜 水泥混凝土加铺层 应力强度因子分析 王征 ( 杭州市公路管理局， 浙江杭州 3 1 0 0 3 0 ) 摘要： 碎石化后加铺水泥混凝土层是旧水泥混凝土路面一种旧路改建方式 ， 反射裂缝是其病害形式之一。为了预估水泥混 凝土加铺层的反射裂缝， 分析碎石化技术是否对水泥混凝土加铺层有减缓反射裂缝发生的效果 ， 采用 A B A Q U S 有限元软件对 旧水泥路面上水泥混凝土加铺层的应力强度因子进行分析。对比碎石化水泥混凝土面层和直接加铺水泥混凝土面层两种路 面结构的应力强度因子， 研究了碎石化的旧水泥混凝土路面上水泥混凝土加铺层的断裂破坏机理。结果表明， 对旧水泥混凝 土路面碎石化可以降低反射裂缝发展速度或推迟反射裂缝产生时间， 从而延长路面使用寿命。 关键词： 道路工程 ； 加铺层 ； 碎石化 ； 应力强度因子； 反射裂缝 中图 分类 号 ： U 4 1 ； U 2 文献标 志码 ： A 文 章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 5) 1 2 0 1 6 0 0 4 0 引言 水泥混凝 土路面碎石 化 l 1 1 是 一种 对 旧水泥 混 凝土路面处治的破碎技术 ， 是旧水泥混凝土路面 改造或大修 的重要手段。 实施碎石化的设备主要 有 多 锤 头 MHB( Mu l t i p l e - H e a d B r e a k e r ) 类 设 备 和共振式设备两种类型。 多锤头破碎技术因其防 反 射 裂缝 效 果 好 、 施 工 速 度 快 、 功 效 高 、 对 环 境 和交通影 响小等优 点而被 广泛利 用 。 碎石化工艺在国外水泥混凝土路面应用 中 非常广泛 ， 早在七八十年代 ， 美国就开始逐渐发 展石化工艺 。截至 2 0 1 0年 ， 碎石化技术 已在美 国 3 5个州开始大规模使用 。 美国沥青协会及很 多州 已将 其 纳入 规 范 ，并 将 其作 为 一种 水 泥路 面有 效 的改 造方 法进 行 推广 。碎 石 化最 早 是在 密歇根州采用 。自 1 9 8 6年以来该州 已经完成了 近 6 O项 工 程 ，各项 工 程 的设 计 使 用 年 限 均 为 2 0年 。伊利诺伊州从 1 9 9 0年起已有 l 0个路段 采用 碎 石化 处 理 ，研究 成果 已编成 碎 石化 施 工 技术规范。M a r s h a l l 等人对该州碎石化后的路面 进行 了沥青混合料的加铺层设计 ，采用力学经 验设计法 ，把加铺层底 的拉应变作为疲劳破坏 的控制指标【2 I 1 。 T u n w i n d等人通过一系列试验对 比 了多锤 头碎 石 化 与 共 振 碎 石化 的优 缺 点 ， 建 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 0 5 作者简介： 王征( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 浙江杭州人， 高级工程师， 从事公 路工程 研究工 作 。 立 了碎 石化 施 工质 量 的评 价 标 准【 4 】 。S t e p h e n等 人 对 德克 萨斯 州运 用碎 石化 的情 况 做 了详 细 阐 述 ， 并 提 出判 断一 个 公 路 能 否运 用 碎 石 化 的方 法 。 我 国 的 旧水 泥 混凝 土路 面破 碎 技 术起 步 较 晚 ， 2 0 0 2年才从美 国引入 MH B型路 面破 碎设备 。 山东省最先应用碎石化技术 ， 目前 已累计完成 1 5 0 多条水 泥混凝土路 面的改造 。自 2 0 0 3年起 ， 浙江 、 安徽等省开始应用该技术。截止 2 0 0 6 年 6 月 ， 国 内已有近 2 0 0 k m水泥混凝土路面应用了碎石化 技术进行改造。胡昌斌等人对冲击碾压做了现场 试验 和力学机理分 析 ， 从技 术原理 、 施 工功效 、 施 工费用和加铺结构的效果 4 个方面对比了楞式冲 击碾压技术 、多锤头破碎技术和共振破碎技术 l6 1 。 邓松通过 弹性有 限元模型计算得 出碎石化层 下部 的最佳厚度【 7 。万伟采用 弹性有 限元模型 ， 对 比分 析 了直接加铺与碎石化后加铺两种情况下 加铺 层 的应力状态喁 1 。欧国林则采用 随机服务 系统理论 ， 分析 了碎石化及加铺设计 时各道工序 、机械之间 的动态匹配规律 ，建立施工过程中机群配置的优 化模型f 9 J 。东南大学张玉宏提 出土基状况是判断碎 石化是 否可行 的关键 因素 ，分析 了碎石化后混凝 土板各层受力特点，对于碎石化后直接加铺沥青 面层进行 了力学分析 1 O 】 。 反射裂缝是旧水泥路面直接加铺混凝土层的 一 种 主要病害之一 ， 在美 国 A A S HT O 2 0 0 2公路设 计指南中对其进行了病害预估。旧水泥路面碎石 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 1 2 月第 1 2期 城 市道桥 与防洪 科技研究1 6 1 化 以后再加铺水 泥混凝土层 的反 射裂缝 ，尚未有 人进行预估 。旧水泥路面碎 石化 以后分为上部( 厚 约 3 4 e m) 、 中部( 厚约 1 0 c m) 和下部( 厚约 1 0 e ra) 三个部分( 如图 1 所示 ) ， 且要保证碎石化结构层 各个 部分的水泥混 凝土块颗粒粒 径满足表 1 所示 的要求1 1- 13 】 。 碎石化的过程就是将水泥混凝土板块 破碎 成较小的片段 或颗粒 ， 碎石化后路 面中部 ， 特 别是下部颗粒因体积膨胀受限处于“ 预压应力” 的 状态 ， 而由于材料 内裂缝沿粗骨料颗粒发展 ， 水泥 混凝土颗粒间呈现出复杂的咬合嵌挤状态。综上， 碎石化与不碎石化的水泥混凝土面层的力学性质 有很 大不同 ， 故 A A S H T O 2 0 0 2公 路设 计指南 中旧 水泥路 面直接加铺水 泥混凝 土层 反射裂缝 的预估 方法不能直接用于预估旧水泥路面碎石化以后再 加铺水泥混凝土层的反射裂缝。 松散层 ( 碎石化层上部4 c m 左右) 碎石化层中部 ( 1 0 c m 左右) 碎石化层下部 ( 1 0 e m 左右) 图 1 碎石 化结构层 表 1 碎 石化 后检查验 收标准 本论文对于旧水泥路面碎石化后加铺水泥混 凝土面层 的应力强度 因子进行分析 ，评价碎石 化 对于反射裂缝的影响， 并进行反射裂缝预估。 1 路面断裂力学应力强度因子理论 为准确进行裂缝 扩展 的力学分析 ，按照裂缝 在混凝土路面板中的位置和裂缝的扩展模式进行 分类14 ,15 】 。按裂缝的位置分为埋藏裂缝、 贯穿裂缝 和表面裂缝 。按裂缝的扩展模 式分为张开型裂缝 (I 型) 、 滑开型裂缝( 型) 、 撕开型裂缝( 型) 和 复合型。 ( 1 ) 应力强度因子 应力强度因子 K I 、 K 、 K 表征了三种裂缝尖 端附近应力应变弹性场的强度 ，控制着裂缝附近 小范围内的整个弹性场，它不仅表示应力应变的 大小， 还表示整个场的能量。 ( 2 ) 断裂判据 裂缝尖端周围应力强度因子 表示在外部荷 载的作用下， 断裂弹性构件裂缝尖端的力学形态。 裂缝尖端应力应变场强度是影响裂缝尖端形态各 种因素的一种综合表现形式，也就是把不同裂缝 尖端趋 向开裂的不 同程度用数值表示 出来。因此 ， 碎石化的旧水泥路面上水泥加铺层是否在旧水泥 板接缝处断裂是由裂缝尖端的应力强度因子决定 的。 把 I 型裂缝在平面应变状态下断裂的临界值 以 KI e 表 示 ， 在平面应力状 态下 以 K e表示 ， 把 裂 缝 发 生断 裂破 坏 时 的快速 扩展 现象 称 为失 稳 扩 展 ， 那么得到 K的准则可 以叙述如下 ： 当裂缝尖 端 应力强度 因子 达到平面应变状态下断裂的临界 值 K c 或平面应力状态下临界值 c 时， 裂缝将发 生失稳扩展。 对 于 型裂缝问题有类似 的判别式 ， 即 ： K e。 2 旧水泥路面碎石化后加铺水泥混凝土面 层应力强度因子分析 2 1 假设 本文选择单块水泥混凝土板建立模型，模型 分析 中建立基本假设如下 ： ( 1 ) 路 面各结构 层是均 匀 、 连续 、 各 向同性 的 连续弹性体； ( 2 ) 碎石化层、 面层和夹层均采用板单元， 路 基采用温克勒地基 ； ( 3 ) 不考虑板底部不存在支撑 的影响 ； ( 4 ) 水泥混凝土板的翘曲变形属于小挠度弯曲 问题， 混凝土板的挠度相对于混凝土板厚度很小； ( 5 ) 面层和夹层间不连续 ， 充分接触 ， 但不存 在摩擦力 ，夹层、碎石化层及以下各层均是连续 的； ( 6 ) 板的温度沿着板厚呈线性分布 ， 选择标准 轴载作为车辆荷载 ； ( 7 ) 水泥混凝土加铺 层采用竖向和横向弹簧单 元模拟横向接缝间的传荷能力 ，并采用竖向的剪 切接地弹簧单元模拟路肩和行车道之间的传荷能 力 ； ( 8 ) 水泥混凝土与传力杆间完全粘结， 两者变 形协调， 传力杆为直线规则排列， 两个传力杆之间 没有任何加强作用 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 4 科技研究 城 市道桥 与 防洪 2 0 1 5 年 1 2 月第 1 2 期 既有桥梁加固经济效益评价方法研究 郝伟 ( 兰州交通大学 ， 甘肃兰州 7 3 0 0 7 0 ) 摘 要 ： 为了能较准确地评价桥梁加固工程的经济效果 ， 运用工程经济学的基本原理 ， 通过对桥梁通行交通量的类型和车辆运 输成本变化的分析， 给出了桥梁加固所引起的直接经济效益和间接经济效益的计算模型。提出了桥梁加固经济效益评价方法。 最后例举简单算例说明方案评价过程 ， 由计算结果可知该方法能较准确地反映桥梁加固工程的经济效果 ， 能够为既有桥梁改造 方案的合理选择提供参考。 关键词 ： 交通量； 车辆运输成本 ； 直接经济效益 ； 间接经济效益； 评价方法 中图分 类号 ： U 4 4 5 7 文献 标志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 1 6 4 0 5 0 引言 桥梁加固后使得其荷载等级 、承载能力等技 术指标得到很大程度的提高 ，使用功能和行车服 务质量得到一定改善， 从而产生巨大的经济效益 ， 因此，公路管理部门必须对桥梁加固经济效益进 行全面评价 。在进行桥梁的技术改造工作时 ， 只有 掌握 了先进 、 科 学 、 完整 的评价方法 进行决 策 ， 才 能确定桥梁加固项 目是否经济、 合理， 让有限资金 发挥更大 的经济效益 。 但是 ，目前项 目经济评价仍然缺乏有效的量 化分析和完整 的系统分析 ，难 以准确 的描述项 目 投资 的经济性 。虽然 国内的学者在公路建设项 目 经济评价方面做了大量的研究工作，但总的来说， 我 国公路建设项 目评价 的有关理论 、 内容 、 方 法还 需要进一步研究和探 ” 。特别是桥梁工程作为公 路 建设项 目的一部分， 具有 较强 的独 立性和 特殊 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 2 8 作者简介： 郝伟( 1 9 7 0 一 ) ， 女， 陕西人 ， 副教授， 从事工程经济分 析与评价研究工作。 究 D 济南： 山东大学 ， 2 0 1 3 8 】8刘红艳， 陈浩， 尹治国 水泥混凝土路面碎石化施工振动对桥梁 安全影响的测试与分析 J J 交通标准化， 2 0 1 4 ，4 2 ( 5 ) ： 5 4 5 6 【 9 】 欧国林 基于水泥路面改造的面板就地再生工艺研究及质量管 理【 D 重庆： 重庆交通大学， 2 0 0 9 【 1 O 】 张玉宏 水泥混凝土路面碎石化综合技术研究【 D 1 南京： 东南 大学， 2 0 0 6 1 1 1 D B 3 7 T 1 1 6 0 2 0 0 9 ， 旧水泥混凝土路面碎石化技术规程 s 】 性 ，在桥梁技术改造 经济评价方 面的研究 就更为 欠缺。因此 ， 必须针对桥梁加固技术的本身特点建 立一套相适应的经济评价方法 ，这对于完善我国 公路建设项 目评价理论体系具有非常重要的理论 意义。 从 目前阶段而言， 利用传统的经济评价方法 不能完全准确 的评价桥 梁加 固后的实际效果， 桥梁 改造工程缺乏一套比较严谨的经济评价和决策方 法 ，所 以桥梁加 固经济评价方法的研究课题具有 非常重要的现实意义和前瞻性 。 本文主要论述了桥梁加固经济效益评价的重 要意义， 给出了桥梁加固经济效益评价的基本概 念， 提 出了桥梁加固经济效益评价 的内容， 并对桥 梁加 固经济效益评价方法论进行 了探讨 。 1 经济效益评价的基本概念 经济效益评价就是站在全社会 的角度 ，根据 资源合理配置的原则，对由于桥梁加固而引起的 经济效益进行分析计算 ，从 而评 价桥梁加 固的经 济性 。 桥梁加固引起的经济效益分为两部分【21 ： 一是 【 1 2 贺铭， 高艳龙， 黄莘 多锤头碎石化技术在旧混凝土路面改造中 的应用 J 重庆交通大学学报， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 5 ) ： 6 4 6 7 【 1 3 潘玉芳， 宋瑞超， 熊大路 水泥混凝土路面碎石化施工f J J 中国 公路 ， 2 0 0 4 ( 9 ) ： 4 5 4 6 【 1 4 赵全满 多锤头碎石化技术在 旧路改造中的适用性研究【 D 】 西 安： 长安大学 2 0 1 3 1 5 】 李鑫 水泥混凝土路面结构分析和开裂机理维修技术研究 D J 长沙： 长沙 理工大学 ， 2 0 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m