马钉锚固在旧水泥混凝土罩面中的应用.pdf

s H AN GH AI H z —s◎ 马钉锚 固在 1日水 泥混凝 土罩 面中的应 用 吴 文彪 ，田小革 ，薛永 宽。 ，李淑 明 ( 同济大学 道路 与交 通 工程教 育部 重点 实验 室 ； 长沙理 工 大学交 通运输 工 程学 院 ) 摘要 ： 在调查了解 国内外许 多旧路改造实践T程的前提下 ， 提 出采用钢筋 马钉锚同相邻水泥混凝 土板来进行沥青混凝 土罩 面改 造的方法 ， 增强加铺改造后路面的整体防止反射 裂缝效果。为确定可行性 ， 采用 国际著名的通用有限元 软件 A NS Y S对其温度应力和 荷载应力进行了计算和分析。计算结果表 明该法对防止或减缓旧水泥混凝土路 面上沥青混凝土罩面层的反射裂缝是有效的。 关键 词 ： 马 钉 ；锚 同 ；旧 水 泥 混 凝 土 ；改 造 ；罩 面 0 引 言 旧水 泥混凝 土路 面加 铺 改 造 中 ， 旧板 干缩 已基 本 完成 ， 且 在罩 面后 旧板 不直 接与 大气接 触 ， 旧板 中的最 大温度 梯度 也得 到 很 大程 度 的减 小 ， 从 而 因 干湿 循 环 引起 的伸缩变 形 和温度 因素 引起 的翘 曲变形 受 到约 束 而产生 的 内应 力 已经 大 大 减 小 ， 故 采 用 钢 筋 马钉 将 多 块 板沿纵 向连 接起 来 ( 相 当于 把 横 缝 之 间 的水 泥 混 凝 土板 加长 ) ， 利用 钢筋 强传 递荷 载 的能力及 钢 筋 与水 泥 混凝 土相 近 的热 胀 冷 缩 特 性 ， 加 强 旧板 的整 体 性 和 连 续性 ， 增强 加铺 改 造后 的路 面 的整体 防止 反 射 裂缝 效 果基本 上是 可行 的 。为 了进一 步确定 马钉 锚 固 旧水 泥 混凝 土 板 罩 面方 案 的 可 行性 ， 本 文采 用 ANS YS对 马 钉锚 固罩 面方 案 和不采 取任 何 防止反 射裂 缝措 施 的罩 面方案 的温度 效应 和荷 载效 应进 行 了对 比分析 。 1 相 关计算 参数 的确 定 1 ． 1 温度场 对 于在 旧水泥 混凝 土路 面上进 行 沥青罩 面 以后 结 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 0 1 2 4 构 的温 度 场 ， 在 本 研 究 中 ， 采 用 半 刚性 基 层 沥 青 混 凝 土路 面 的温度 场 的 回归 公 式 ( 按 四层 结 构 考 虑 ， 从 上 至下 分 别 为 沥青 罩 面 层 、 旧水 泥 混 凝 土 板 层 、 基 层 和 土 基 )： T{ 3 7 ， y } 一 P ～ ( i 一 1 ， 2 ， 3 ， 4 ) ( 1 ) 其 中 ， P1 ， P2一 P】 e - k 1, l 1 ， P3一 P2 P 2 2 ， P 4一 P。 P s ； 6 为控 制 温差 随深 度变 化 的 因子 ， 有 ( 6 ， 6 。 ， ，6 ) 一( 5 ， 4 ， 3 ， 2 ) ； h 为第 i层 结 构 的厚 度 ， Z为 每 一 层 的相 对坐 标 。 1 ． 2行 车荷 载 行 车荷载 取为 B Z Z 一1 0 0 ， 荷 载集度 q 一0 ． 7 MP a ， 轮载 作用 范 围等效 为 1 8 ． 9 c m1 8 ． 9 c m 的正方 形 ， 双 轮 间距为 3 2 c m， 两 侧轮 隙间距 1 8 2 c m。 在计 算 分 析 过 程 中 ， 考 虑 三 种 不 同 的荷 载 位 置 ， 即 ： ( 1 ) 荷 载 对 称 于接 缝 中心 ； ( 2 ) 荷 载 位 于 接 缝 的一 侧 ， 并 紧靠 接缝 的 中心 ； ( 3 ) 荷 载 位 于 接 缝 的一 侧 ， 并 与旧水泥 混 凝 土 板 的边 缘 对 齐 。荷 载 位 置见 图 l 所示 。 J p 刁 ! 沥青混凝土加铺层 旧水泥混凝土板 > 基 层 ： ＼ < 士 寡| 图 1 三 种 荷 载 位 置 图 示 沥青混凝 土加铺 层 旧水泥混凝土板 I l 基 层 ＼ < 基t N 。 ． 1 2 0 1 1上冯么咯 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ◎一 ⋯一 2有限元 模型 2 ． 1 几何 模型 为 了从 理 论 上分 析钢筋 马钉 加 固旧水 泥混 凝 土板 后进行 沥青 混凝 土罩 面方案 的 可行 性 及其相 应 的设 计 方法 ， 采 用 ANS YS有 限 元 程 序 ， 在 一 定 假 设 的 基 础 上 ， 对 该方 案进 行 了系统 的分 析 。 主要 分析 采 用 马 钉 ( a ) 和不采 用马钉 的两 种罩 面方 案在 行车 荷载 和温 度变 化 条 件下 罩面 结构 的响应 。 计 算时采 用静 力 分 析 方 法 ， 研 究对 象 由沥 青 混 凝 土 加铺 层 、 旧水 泥 混凝 土 板 、 钢 筋 马钉 、 基 层 和 土基 组 成 。计算 模 型如 图 2 所 示 。 图 2 计 算 模 型 实际 的基础 是 无 限 深 的 ， 但 是在 采 用 有 限元 分 析 时取一 个有 限 的深 度 值 ， 且 底 部 设 为 完全 同定 。为 使 采 用有 限深度 基 础 时 的计 算 结 果 与实 际 相 符 ， 通 常取 一 个相 对较 大 的深 度 值 。在 本 方 案分 析 中 ， 基 础 的深 度 取为 8 m。 对 于计算 模 型 的长 度 ， 在 没 有采 用 传 力 杆 或其 它 传 荷措施 时 ， 通 常都 是分 析相邻 的两 块板 。但 是 ， 对 于 采用 钢筋 马钉加 固 的 旧水 泥 混凝 土 路 罩 面 结构 ， 由 于 钢 筋马钉 将相 邻 的两 块 板 联 系起 来 ， 能在 相 邻 的板 问 传递 一定 的荷 载 ， 因此 外 部 荷 载 作用 的影 响 范 围会 有 所扩 大 。在本 研 究 巾， 采 用 AN S YS分 析 相 邻 的 四块 板在温 度变 化或 在 中部 接缝 处受 到行 车荷 载作 用 时的 响应 。 2 ． 2计算假 定 计 算分 析时 ， 对各结 构层 作如 下 的假定 ： ( 1 ) 各层 均为均 匀 、 各 向同性 的线 弹性体 。 ( 2 ) 旧水 泥混 凝 土板 与基 层 问 的接 触 条 件 取 为 完 全光 滑 ， 其 余各 层层 问均 为完全 连续 。 ( 3 ) 旧水泥 混凝 土板 、 沥青罩 面层 仅考 虑一 个 车道 宽度 ； 基层 和土基 的宽 度在 行 车道 两 侧 ， 宽 度 为 3 ． 6 + 3 ． 6 +3 ． 6 —1 0 ． 8 lI 1 ， 士基 的深度取 为 8 1T I 。 ( 4 ) 模 型的 长 度 取 为 四 块 混 凝 土 板 长 ( 5 m) 加 上 2 8 土 么咯 N 。 ． 】2 0 1 J 沥青混凝土加铺层 ————— ———— 1 ———— — — —— 一 J J旧 水 泥 I l 混 凝 土 板 i l 基层 土基 ( b ) 接缝 宽 度 。 ( 5 ) 模型 底部 完全 约束 ， 沿宽 度方 向两 侧 自由 。 ( 6 ) 沿长度 方 向的 沥青层 两端 ， 在计 算 温度应 力 时 设 为 固定 ， 在计 算荷 载应 力 时设 为 自由 。 2 ． 3 单 元模 型 2． 3 ． 1 钢 筋 单元 由于在 提 出 使 用 钢 筋 马 钉 加 固 方 案 的 时 候 ， 主 要是 考 虑 使 用 钢 筋 马 钉 将 相 邻 的 两 块 板 连 接 起 来 ， 防止 在 外 部 因 素 的 作 用 下 产 生 过 大 的 相 对 水 平 位 移 ， 从 而 达 到 减 缓 反 射 裂 缝 的 产 生 。 由 于 钢 筋 马 钉 的抗 弯 能力 有 限 ， 所 以 在 分 析 时 忽 略 其 传 递 垂 直 荷 载的能力 ， 即认 为使 用钢筋 马钉对 减少相 邻两块 板 在 行 车荷 载 作 用 下所 产 生 的 相 对 垂 直 变 形 的 作 用 较 小 ， 可 以忽 略 。 在分析的时候 ， 对于钢筋马钉 ， 可以近似地采用杆 单元 ( ANS YS中的 L i n k 1 0单 元 ) 来 模 拟 ， 即用 杆 单 元 模拟 钢筋 马 钉 把 相 邻 的两 块 板 表 面 的 固定 点 连 接 起 来 ， 忽 略埋 入两 块板 中 的部分 钢筋 。 2 ． 3 ． 2 三 维 2 0节点 等参 单元 对 于 旧路罩 面结 构 中 的沥青 混凝 土层 、 旧水 泥混 凝 土板 、 基 层 和土 基 均 采 用 三维 2 O节点 等 参 单 元 ( 见 图 3 ) 爵斟 ● ● ●，J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m S H AN GHAI H I GHW AYS 图 3计 算 模 型 与 有 限 元 网格 3计算 结果 3 ． 1 无 马 钉 和 设 置 马 钉 时 ， 路 面 结 构 温 度 应 力 的 对 比 设 旧路罩 面 结 构 表 层 的 最 大 变 温 幅 度 为一 6 0℃ ， 路 面结构 的温度 场参 照半 刚性基 层沥 青路 面温 度 场 的 经验 公式 ， 即式 ( 1 ) 。其 它 参数 见表 1 。 采用 上述材料 参数 和 温 度 场 ， 计 算得 到采 用 和 不 采用 钢筋 马钉锚 固时 ， 整个 罩面 结构 的温度 应力 结果 。 ( 1 ) 未 加筋罩 面结 构 中 AC层 及 P C层上 下表 面 的 ( x l O ) 3 71 0 3 58 O 3 4 50 3 3 20 3 1 90 3 0 60 2 93 0 2 8 00 2 6 70 2 5 40 24 09 ⋯一l ⋯ ＼ 一 ⋯ 二 一 — | l i l l l { ： 1 J } ； 0 ： ⋯ ^ ⋯ ⋯ ～ ～ ■ 寸一 ⋯ ～ 一0 L 一j ＼ ⋯ ＼ ⋯ ⋯ 一 0 ． I ～L l I ， 吨 、 l1 { { ； ： I l i j l ( a ) 无 马 钉 AC表 面 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 DI ( c) 无 马 钉 P C表 面 温度 应力 如 图 4所示 。 表 1计算 参数 ◎ 参数 参数值 沥青混凝土 的温度收缩系数 a 2 ． 5 l 0 5 水泥混凝土 的温度收缩系数 n 。 1 ． 0 3 1 0 基层材料的温度收缩系数 ％ 0 ． 8 1 0 — 5 土基 的温度收缩系数 0 ． 4 5 1 0 — 5 ( 1 0 3 7 49 2． 4 8 8 6 8 7 2． 9 0 4 6 2 5 3． 31 7 5 6 3 3． 7 3 0 5 01 4． 1 4 3 4 3 9 4． 5 5 6 3 7 7 4． 9 6 9 3 1 5 5． 3 8 2 2 53 5． 79 5 1 9l 6． 20 8 1 29 6． 621 — 1 一 l — l 一2 —2 — 2 — 3 - 3 } l I l l I 鱼 ． DI ST ( b )无 马 钉 AC底 面 l l i 攀 E f f 1 l } i ⋯ i _ ， i 5 ^ l ～0 一 } l j l ■ } I 0 一 ＼ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 DI S T 图 4无 马 钉 罩 面 结 构 中表 面 的 温 度 应 力 ( d)无 马钉 P C 底面 N 。 ． 1 2 0 1 1上冯么姥 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ◎s一 ⋯G— s ( 2 ) 加筋 罩面 结构 中 AC层 及 P C层 上下 表面 的温 度应 力如 图 5 所 示 。 0 l l I l I i l l l I I I I i 一—一彳 一 ～ 一 一 ⋯一 一 一～ 一 _ — 产 一 _■⋯ l — I l l ～卜⋯ ， l ——一 } ～} ～— — 0一 一 一～ } ～— — 一 } 一 一 4 一一— — 一0～ ～ l l I l ， l I { ； 一—— 一～ 一～ 一 一 0 ～ — 十～ 一 一 } ～ ～{ - - ～ 一 ⋯～ ～～ # ⋯ ⋯ # — — 一弹， ～I — — — — — ． ．}一 一 j I i ! l l ； l ——⋯ ～ { ⋯ — ； ⋯ 一 } ～ } — 一 ～ 一一 } — 一 一⋯ 一{ — — 一 一 l ! ； i } { l t { 【 I l I l j I c l ～一 t ⋯ ～～ 一～一 r 1 ⋯一一盯 一 十 ‘ ⋯ }⋯～ 一 ! } j { { l j l } f f } i } i f ； f ⋯ f ～ r ⋯ r r叶 一 F ～ l j ： l l 1 l l l “ 产 ～ ， 7 。 ； } - I }{ I i l ～ 十 一卜 ⋯ r 一 叶 一 ～ ⋯ ⋯ 一{ 一 ’ ⋯ }一 l f I } I i I Wx I j ； O l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 DI S T 【 1 0 3 1 1 21 4 2 7 7 l 092 ． 8 5 2 97l 42 4 8 4 9 99 6 72 8 56 8 60 7 l 4 0 48 5． 7l 2 35 4． 28 4 2 4 2 ．8 5 6 1 21 ． 4 28 O 《 a ) 有 马 钉 时 AC表 面 O l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 ( ) DI S q ( C) 有 马 钉 时 P C 表 面 3 29 2． 8 9 5 3 07 9． 4l 8 2 8 6 5． 941 2 6 ‘5 2 46 4 2 43 8． 98 7 2 22 5 5l O 2 O1 2． 033 1 7 98． 55 6 1 58 5． 07 9 1 371 ． 60 2 1 1 58 J 25 l j l l j } l ⋯ {⋯ ～ ～ 一 1 一 ～ 一 ⋯ r ⋯ ～ 一 f ‘ } 一 一{ ⋯ ⋯一 一 ～ 0 ⋯⋯ { 一 一 ⋯一 ～^ 一 一 } ⋯ ～ 一 ～ 一 ⋯ l { i I } ； ⋯ 一一 0 一 ～一 一一 静 ～ 一⋯ ⋯ 十 一 l { l { } l { { l { ‘ } ⋯ ⋯ ～ p ～ ～ ⋯ 中一 ～ ～ l l l l l { l ⋯ ⋯ r一 ，⋯ ⋯ 一7 ⋯一 r ‘ r～一 ?一7～ ～ ， ～一 ⋯ I Ⅲ 一 } 一一 I t 一 一一}～ } 一 { 一 一卜一 ． 一 { f ～一{ 一} 一 ⋯～ r ⋯一 1 }～一一⋯ z 一 ～■ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 DI S T ( x l 0 ) 1 4 9 2 5 - 3 5 649 8 -72 7 92 3 一 l 09 9 3 4 8 一 l 47 0． 77 3 一I 8 42． 1 9 8 —2 21 3． 62 3 -2 58 5 0 48 -2 95 647 3 -3 3 27 8 98 - 3 6 99 3 23 ( b )有 马 钉 时 AC 底 面 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 DI s 1 ’ ( d) 有 马钉 时 P C底 面 图 5有 马 钉 罩 面 结 构 中 表 面 的 温 度 应 力 ( 3 ) 从 图 4 、 罔 5可 以看 出 ： ①对 比采用 马钓 和不采 用马 钉 的计算结 果 可 以发 现 ： 采 用 马钉对 旧路 罩 面 结 构 的 温度 响 应 的影 响主 要 表现 在接缝 处 沥青 层 和水 泥混 凝 土 板 的应 力 ， 其 它 部 位 的应力基 本不受 是 否采用 马钉 的影 响 。 ②对 于 A C层表面 的水平 拉应 力， 当不采用 马钉 时 ， 由于接缝处 的水 泥混凝 土板可 以产 生较大 的 收缩 ， 从而 使接缝附近 区域 的应力 大于板 中部 区域 的应 力； 而 采用 马钉后 ， 约束 了接缝处相邻两板 的相对水平位 移 ， 从 使 接缝处的温度应 力小 于板 中部 区域 的应 力 。同样 ， 采 用 马钉后也使沥青罩面层底部 的拉应力大大减小 。 ⑧采用 马钉 锚 同相 邻 水 泥 混凝 土板 后 ， 会 使 水 泥 混凝 土板底 部 的拉应 力有一 定 的增大 。这 对于 整 个罩 面结 构来讲 也是 不利 的一 面 。 3 ． 2无马钉 和设 置马 钉 时 ， 路面 结构 荷载应 力 的对 比 采用 ANS Y S分析 了= ： 种 不 同荷 载下 的罩面 结构 的响应 。对 比分析 指标 为 ： ( 1 ) 接缝 处相邻 板板 边 的相 对水 平位移 。( 2 ) 接缝 处相 邻板 板边 的相对 垂 直位 移 。 3 0上冯么咯 N 1 2 0 1 1 ( 3 ) 接缝 处 沥青混 凝 土层底 的弯 拉应 变 。( 4 ) 接 缝 处沥 青 层底 面 的垂 直剪 应 变 。 其 中 ， AC层 底 面 的垂 直 剪 应 变 取 沿 接 ( 裂 ) 缝 三 条线 巾的剪应 变 的最 大值 ， 三 条线 点位 图见 图 6 。 2 1 3 AC r PC 图 6三 条 线 点 位 图 上 述荷 载应 力 的计算结 果 见表 2 。 由表 2可 以看 出 ： 采用 马钉 将 相 邻 两块 水 泥混 凝 土板联 系起来 后 再 进 行 罩 面 ， 可 以减 小 相 邻 板 间 的相 对水 平位 移 ， 大大 降 低 罩 面层 底 部 的弯 拉应 变 和竖 向 剪应 变 。 因此 ， 采 用马钉 锚 固罩 面方案 ， 对 于防 止或 延 缓沥 青 罩 面 层 的 反 射 裂 缝 的 产 生 和 发 展 是 非 常 有 利 的 。 广 东清 远段 1 0 7国道 整个试 验路 段 的施 工完 成 于 们 伯 舛 " 钔 卵 叭 弭 0 8 6 4 3 9 7 4 2 3 2 2 2 2 2 j 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 6年 1月 1 6日； 经过 跟踪 观 测 ， 至 2 0 0 9年 为止 ， 尚 未见 到有 明显 的反 射 裂缝 出现 。这说 明采用 马 钉锚 固 来 处理 旧水 泥混凝 土 的罩面 是可 行 的办法 。 表 2路 面 结构 荷载 应 力 的 对 比 荷载 是否采 最大相对水 平 最大弯沉差 弯拉应变 剪应变 位 置 用 马 钉 位 移 ／ o ． 0 1 m n ／ 0 ． 0 1 I ll 13 3 ． ／ u e 是 0 ． 91 2 3 0 — —5 7 8 ． 9 4 2 7 2 4 7 ． 2 8 6 3 1 否 1 ． 1 2 9 2 8 7 2 3 ． 5 l 4 0 3 5 9 ． 0 1 6 2 是 0 ． 8 5 8 21 0 ． 6 7 3 0 8 6 2 1 ． 6 87 4 7 6 3 ． 5 5 3 8 2 否 0 ． 9 7 4 1 7 0 ． 7 6 3 7 4 7 5 3 ． 2 l 9 8 9 5 8 ． 1 0 7 9 是 0 ． 8 6 8 2 4 0 ． 6 8 6 4 8 — 6 4 3． 1 77 5 8 2 9 ． 4 6 1 7 3 否 0 ． 9 4 6 59 0 ． 7 7 5 4 7 7 8 1 ． 4 87 0 9 2 O ． 3 0 4 8 注： 由于荷载 1是对称荷载 ， 且整个 罩面结 构也 对称于 荷载 中心 ， 因 此相邻 两板边缘的最大弯沉差理论上应等于 0 ， 所 以在本分析 中就没 有 再列 ⋯分 析 。 4 结 语 ( 1 ) 从上 述计 算分 析结果 可 以看 } { J ： 设 置马 钉将 四 块水 泥混凝 土板 连 接起 来 ， 可 以改 善 罩 面层 在接 缝 处 的拉应 力 ( 降温时 ) 的分 布 ， 并 使 沥 青 层 巾 的拉 应 力 得 到一定程 度 的减小 。但是 采用 马钉 又会 在一 定 程度 上 增 大水泥 混凝 土板 底 部 的拉 应 力 ， 对 于罩 面结 构 来 讲 是不利 的 。 ( 2 ) 采 用 马钉 将 相邻 板 块 锚 固起 来 后 可 以降 低 相 邻 板块在 行车荷 载 作 用 下 的相 对 水 平 位 移 ， 大 大 减 小 接缝 处沥 青层 底 面 的 弯拉 应 变 和 竖 向剪 应 变 。可见 ， 采用 钢筋 马钉将 相邻 板块 连接起 来 的措施 对 于 防止罩 面层 中产生 反射 裂缝是 有 利 的。 由此 表 明采用 钢 筋 马 钉锚 固相邻 水泥 混 凝 土 板后 再 进 行 沥 青 混凝 土罩 面 ， 可 以有 效地 减缓 反射 裂缝 的产生 和发 展 。 ⋯⋯一 一s◎ ( 3 ) 实际 上 ， 本 项 目的试 验 路 段 在 2 0 0 7年 9月 开 始施 工 ， 在 通过 测 定 用 钢筋 马 钉 连 接前 的 旧板 接缝 位 置两侧 板 上 的弯沉值 差与 用钢 筋马 钉连接 后 的 旧板相 同接缝 位 置两侧 板 上 的弯 沉值 差 相 比较 ， 后 者 的 弯沉 值 差 明显减 小 。另 外 ， 用 钢 筋 马 钉连 接 旧板 的工 作 在 2 0 0 7年 9月 初 就 已完 成 ， 到 1 2月 底 AC罩 面 层 施 工 时 ， 已经 受过 两个 多月 的施 工荷 载和 温度循 环 的作 用 ， 没 有 出现 旧板 断 裂现象 ， 初 步证 明该方 案是 可 行 的 ， 有 益 于 旧板加铺 改造 后路 面 的防止 反射 裂缝 的效果 。 参 考文 献 ： [ 1 ]周 富杰 ， 孙立军 ， 张南 鹭 ， 等． 五种措施 防治反射 裂缝效果 的 实验室评价 [ J ] ． 同济大 学学报 ： 自然科 学版 ， I 9 9 8 ， 2 6 ( 2 ) ： l 6 6 一 l 71 ． [ 2 ]陈峙峰． 旧水泥混凝土路 面沥青加铺 层设计 及其应用 技术 研究[ D] ． 大连 ： 大连理工大学 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ]周德云 ， 姚祖 康．旧水泥混凝 土路 面上 沥青加铺 层 的三维 有 限元分析[ J ] ． 中国公路学报 ， l 9 9 0 ， 3 ( 3 ) ： 1 8 — 2 6 ． [ 4 ]李淑明 ， 蔡喜棉 ， 许志鸿． 防 止反射裂 缝的沥青 加铺层设 计 方法[ J ] ． 华东公路 ， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 3 - 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