旧水泥混凝土路面碎石化应力响应分析.pdf

Ma i n t e n a n c eMa c h in e 养 r y C 机 on械s t r uc t i o n 施 T e 工 c hn 技 o l o 术 g y RM CM _ 旧水 泥 混 凝 土路 面 碎 石 化应 力 响应 分 析 Ana l y s i s o f S t r e s s Re s po ns e t o Ru bbl i z a t i o n o f Ol d Ce m e n t Co nc r e t e Pa v e m e n t 冯永飞， 石振武 FENG Yong f ei ，SH I Zhen W U 东 北 林 业 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 黑 龙 江 哈 尔 滨 1 5 0 0 4 0 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， N o r t h e a s t F o r e s t r y U n iv e r s i t y ， H a r b i n 1 5 0 0 4 0 ， H e il o n g j i a n g ， C h i n a 【 摘要 】 应用AB A Qu s 有限元分析软件研究 了利用多锤头路面破 碎机进行 旧水泥混凝土路面碎 石化施工时 ， 重锤 作用 于 不 同位 置 以及 不 同板底 联 结情 况 下 的应 力 响应 。 选 取 不 同工 况 下 的相 关力 学指 标进 行 对 比分 析 ， 结 果表 明 ： 多 锤头 破碎 机 破碎 效 果较 好 ， 而且 影 响范 围和 影 响 深度 都 比较 小 ， 不 同作 用 位置 效 果会 有差 别 ， 板 底 联结 情 况对 破碎 效 果 有 一 定 影 响 。 【 Ab s t r a c t】S t r e s s r e s p o n s e o f t h e h e a v y h a mme r e f f e c t o n d if f e r e n t l o c a t io n s a n d a s s o c i a t i o n s o f p a v e me n t S bot t om i s st u di ed by A BAQUS f i ni t e el em en t s of t w ar e， w h en m ult i hea d br eak er i s w or k i ng on r ubbl i z at i on of ol d cem ent concr et e pa vem en t Com pa r i ng r el evan t m echanical i ndices of dif f er ent condit i ons，r esult s i ndicat e：m ul t i hea d br eak er S const r uct i on ef f ec t is f avor abl e，m eanw hi l e t he i n f l uenci ng scope and dept h ar e sm al l，w hi ch w i l l be dif f er ent i n def f er ent l ocat i ons ， and dif f er ent associ at i ons of pavem ent S bot t om have cer t ai n i nf l uence on cr ushi ng ef f ec t 【关键词 】 旧路 ； 改 造 ； 碎 石化 ； 有 限 元法 【 K e y wo r d s】o l d r o a d ； r e c o n s t r u c t io n r u b b l i z a t io n ； f i n i t e e l e me n t me t h o d 中 图 分 类 号 ： U4 1 6 2 1 6 文 献 标 志 码 ： B 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 0 3 3 X( 2 0 1 0 ) 1 1 0 0 5 5 -0 4 0 弓I 言 旧水 泥 混 凝 土 路 面 加 铺 沥 青 面 层 是 旧 水 泥 路 面 改 造 的 主 要 形 式 之 一 ，但 由 于 旧水 泥 混 凝 土 路 面 的 接 缝 和 裂 缝 处 不能承 受拉应 力 和剪 应 力 ，加铺 层 上容 易 出现 反 射 裂缝 。 要 解决 沥 青加 铺层 的反射 裂 缝 问题 必须 对 旧水 泥 路 面 作 必 要 的 处 理 。 碎 石 化 是 一 种 较 新 的 旧 水 泥 混 凝 土 路 面处 治技 术 ， 在 国外 已有 l 0 多年 的应 用经 验 并 获 得 了 巨大 的成 功 。 通 过 碎 石 化 可 以减 小 水 泥 混 凝 土 路 面 板 的 板块 尺 寸 ， 减小 接 缝和 裂 缝 处 的位 移 ， 从 而 消 除反 射 裂缝 产 生 的根 源 ， 是 一 种 有 效 的解 决 途 径 _ 1 _ 。在 碎 石 化 技 术 中 ， 公认 处治 效 果较 好 的设 备就 是 多锤 头 破碎 机 。 本 文 将 结 合 山 西 省 s 3 l 1 忻 台 线 旧 水 泥 混 凝 土 路 面 加 铺 沥 青 面 层 试 验 段 的 施 工 实 践 ，应 用 ABAQUS 通 用 有 限 元 软件 ， 建立 三维 有 限 元模 型 ， 模 拟 多锤 头路 面破 碎 机作 用 下 旧水 泥 混 凝 土 路 面 的 力 学 响 应 ， 并 进 一 步 分 析 相 关 因 素 的 影 响 1 工 程 概 况 山 西 省 道 S3 1 1 忻 州 至 台 怀 镇 段 是 由 忻 州 方 向 往 五 台 山 旅 游 区 的 必 经 之 路 公 路 等 级 为 二 级 。 路 面 为 2 3 c m厚 水泥 混凝 土 路 面 ， 路 面 宽 9 m， 每 侧 路 肩 宽 1 5 i n ， 路 拱 横 坡 1 5 ， 路 肩 横 坡 与 路 面 一 致 。 课 题 组 选 取 K5 4+ o 0 0 K5 6 + 0 6 0 段 作 为 试 验 段 在 K5 5 + 2 5 0 K5 6 + 0 6 0段 拟 定 的 方案 为 ： 先 进行 旧水泥 混凝 土 路 面板 碎 石化 处理 ， 后铺 筑 沥 青 混凝 土 路面 加铺 层 2 碎 石 化 简 介 碎 石 化 处 理 方 法 最 早 是 被 美 国 亚 拉 巴 马 州 交 通 局 用 来 处理 损害 较 重 的混凝 土 路面 的。碎 石 化技 术 的原理 是 通 过 对 水 泥 混凝 土路 面 进 行 均 匀 的冲 击 、 破碎 、 压 实 在 损 失 一部 分 结构 强度 和 整体 性 的情 况 下 ，把水 泥 混凝 土 路 面 在荷 载作 用 和 温度 变 化情 况 下 的位移 降 低到 沥 青混 RM CM 。 。 凝土 面层 允许 的范 围 内，为加 铺 沥青 混凝 土 路面 提供 坚 实 、 安 全 的基 础 ， 从 而 彻底 解决 反 射 裂缝 问题 。 国 内碎 石化使 用 比较 广 泛 的是 多锤 头破 碎 机 其 原 理 是对 设 在 自行式 底 盘后 部 的两 排锤 头 通过 分别控 制 其落锤 高度 来 快速 冲 击破 碎 混凝 土路 面 。破 碎机 每 分钟 冲击 3 0 3 5 次 ，锤 头 最 大 工 作行 程 1 5 2 4 mm。 机器 重 约 2 2 2 6 t 。行走 宽度 每 幅 1 3 9 13 1 ， 破 碎 后 的混凝 土 碎块 尺 寸一 般在 7 5 c m以下 。该 机 械携 带 两种 标 ； 隹质 量 分 别 为 4 5 4 k g 和 6 8 1 k g 的 重 锤 分 两 排 成 “ 品 ” 字 形 装 配 在 整 台 机 械 的尾 部 ， 质 量 大 的锤 头 分 布在 外 侧 ， 重 锤 底 部 为 宽2 5 4 c n l 、 长 2 0 3 2 c m的 破 碎 刃 条 。每 对 重 锤 单 独 以 一 套 液 压 提 升 系统 为动 力 ， 在 破碎 时 按 一定 规律 下 落 。 重锤 下落 时可 产 生 冲 击能 量 ， 使 旧路面 破碎 。破碎 后 的路面 经z 型 钢 轮 压 路 机 碾 压 ， 形 成 下 层 嵌 挤 、 表 面 均 匀 的 结 构 ( 图 1 ) 。 图 1破 碎 后 的 水 泥 混 凝 土 路 面 3 多 锤 头 破 碎 水 泥 路 面 有 限 元 分 析 3 1 计 算 模 型 与 参 数 国 内外 学者 对碎 石 化机 理 作 了积极 而 卓有 成 效 的探 讨 其 中有 限元 方法是 一 种 既科 学又 高效 的手段 ， 在 业 界 得 到了广泛 的应用 。 在 以往 的分析计算 中研 究者一般将 整 个 路 体 结 构 假 设 为 一 个 整 体 ， 而 忽 略 了 旧水 泥 混 凝 土 路 面 板与 下部结 构之 间可 能存在 相对错 动 的实际情 况 ， 因此结 果 带有一定 的局 限性 。本 文采 用A B AQ U S 大 型通 用有 限元 软件 ， 建 立三 维足 尺 寸路 面模 型 ， 考 虑 水泥 路面 板 与基 层 的不同联结 情况 对 旧水泥 混凝 土面板 与 下部结 构 分别建 模 。在A B A QU S 有 限元软 件 中利用T i e ( 绑定) 来模 拟粘 结 良 好 的 层 问 关 系 ， 使 各 部 分 之 间 不 出 现 相 对 位 移 ； 利 用 Co n t a c t ( 接触) 来模 拟 出现相 对滑动 的两部 分之间 的关 系 ， 并 且 设置 摩擦 系数为0 8 。采用c 3 D 8 R 单 元( 8 节点 六面体线性 缩 减 积 分 单 元)对 整 个 路 体 进 行 网格 划 分 。 模 型参 数按 照 S 3 1 1 忻 台线 实际 结构 取值 。路 面 由 旧 水 泥 混 凝 土 板 和 水 稳 基 层 及 路 基 组 成 ， 旧 水 泥 混 凝 土 面 板 厚 度 为0 2 3 m， 水稳 基 层厚 度 为0 2 1T I ， 路 基 高 度 取 3 0 m。模 型采 用三 维 足尺 模 型 ， 长度 为5 m， 宽 度 为4 5 i n 。为 反 映半 空 间地 基 的特性 ， 地基 采 用扩 大尺 寸 。 在 横 断面 施 加 约 束 ， 限制 其在 行 车 方 向的位 移 ； 在 路 面 中线所 在 的纵 向截面 施加 约 束 ， 限制其 横 向位 移 ； 靠 近 边坡 纵面 不 施加 约 束 ， 为 自由面 ； 在 路基 底 部 施 加 垂直 约 束 ， 限 制路 基 底 面在 竖 直 方 向的位 移 。 为简 化计 算作 如 下假 定 ： 各层材 料 均 为连 续 、 均 匀 、 各 向 同性 线弹 性体 ； 不计 路面 结 构 自重 。 计 算模 型 中 的材料 参 数采 用如 下 数值 ：水 泥 混凝 土 板模 量 为3 0 G P a ，泊 松 比 为0 1 5 ；水 稳基 层模 量 为1 4 0 0 MP a ， 泊 松 比为0 2 5 ； 路 基土 模量 为4 0 MP a ， 泊 松 比为0 3 5 。 锤 头 落 下 对 水 泥 路 面 的 冲 击 力 可 以 根 据 能 量 原 理 来 求解 ， 设 锤 与板 接 触 的最 大 应 力 为P m ， 考虑 到接 触 应 力 随 时 间呈三 角形 分 布 ， 冲 击荷 载远 大于锤 重 ， 根 据动 量 定 理 有 1 p AA = m 。 ( 1 )2 m a x u 、 ， V o = N H 式 中 ： A 破 碎 刃 条 底 面 积 ； 锤 与 板 动 力 接 触 历 时 ： 日 落 锤 高 度 ： m夯 锤 质 量 ： 锤板 接 触 时 的初速 度 ； r重 力 加速 度 。 取落 锤 高度日为 1 2 I n ，破 碎 机相 关 参数 按 前述 数 据 选取 。则 由式( 1 ) 得 到锤 板 间接 触 的峰值 应 力P m = 1 3 1 At 。 冲击 荷载 的瞬 间接触 时 间 为6 0 m s ， 对 应 的锤 板 间接 触 的 峰值 应 力 为2 1 6 MP a 。 为分 析锤 头 作 用于 路 面板 不 同位 置 的应 力 响应 拟定 了如 图2 所 示 的6 种 工 况( 7 - 况 1 、 工 况 2与 工 况 5、 工 况 6 的 区 别 在 于 约 束 条 件 ) 。 图 2锤 头 作 用 在 路 面 板 的 不 同 位 置 3 2 应 力 响 应 分 析 按 照上 述 的思 路与 相 关参 数建 立 旧水 泥路 面板 与基 层联 结 良好 和 出现错 动 两 种结 构 类 型 的模 型( 分别 简 称 板底 连 续 、 板 底 滑 动) 。通 过 对 不 同工 况 下模 拟计 算 得 到 一 系列 应 力 云 图 。 见 图3 ( 图 中仅 以板 内拉 应 力为 例) 。 由 模 拟 得 到 的应力 云 图可 以得 知 在锤 头作 用 的位 置 ，板 的 上部 受锤 头 直接 作 用形 成压 应 力 ， 而 在板 底 形成 拉应 力 ； 在锤 头作 用 位置 两 侧板 内出现 剪应 力 。 在 冲 击过 程 中 ， 路 RM CM 。 。 工 况3 外 ， 板 底拉 应 力 基 本达 到 混 凝 土 的破 坏 强 度 可 以 使 混凝土 板 发 生弯拉 破坏 。 对 于板 底连 续 情 况 ， 除重 锤作 用 于 板 角 的 工 况 2、 工 况 6 外 ， 其 他 几 种 工 况 都 达 不 到 混 凝 土 破 坏 的 应 力 水 平 所 以 对 于 使 用 状 况 比 较 好 的 水 泥 路 面进 行破 碎 时应 适 当采取 增 大重 锤 提升 高度 等措 施 以获 得 更 大 的 冲 击 能 量 从 而 将 水 泥 板 击 碎 。 实 际 上 混 凝 土 路面 板 由于长 期使 用 ， 板 中必然 存在 大 量 的缺 陷 ， 在 受到 外 力作用 时 这些微 裂 缝会 引起应 力集 中 ，所 以混 凝 土板 中 的真 实应 力应 该 会 比模 拟 所得 到 的结 果要 有 定程 度 的 增 大 ， 实 际 中 混 凝 土 的 破 碎 要 比模 拟 中 也 更 容 易 一 些 。 如 图 3 所 示 板 内 拉 应 力 峰 值 都 出 现 在 与 重 锤 作 用 位 置 相 对应 的板 底 。 所 以弯 拉破 坏 应该 是 从板 底开 始 的 并 且混 凝 土 属于 脆性 材 料 ， 一旦 发 生弯 拉破 坏便 很 快 贯通 ， 使 结 构 完 全 破 坏 。 图8 为板 面压 应 力 的 对 比 ， 可 以看 到 在 工 况2 、 工 况 6 中板 内压 应 力明 显 比其他 工 况要 大 ，这与 前面 几 个指 标 的规律 致 。在板 底 滑动 情况 下板 内压应 力 比板 底连 续 情 况也 有 一定 的增 大 ，但 是增 加 幅度 很小 ，一 般 不超 过 1 O 说 明板 底 联结 情 况 对于 板 内压 应 力 响应 有 一定 的 影 响 但 程 度 有 限 。 苫 倒 工 况 l 工 况 2 工 况 3 工 4 工 I兄5 _2 - 况6 图 8不 同工 况 下 水 泥 板 压 应 力 对 比 f 3 板 内最 大剪应 力 。 剪切 破 坏也 是 冲击破 碎 的一 种 破 坏 形式 。 重锤 冲 击板体 时 ， 在 重锤 作 用 区域 的边 缘 会 出 现剪切 应 力 ， 如 图9 所 示 。 当剪 应 力超 过混 凝 土板 的抗 剪 强度 混凝 土板 也会 出现剪 切破 坏 。 图9水 泥 板 剪 应 力 云 图 图 1 0 为 不 同板 底 联 结 情 况 各 工 况 下 板 内 剪 应 力 峰 值 的对 比 。 可 以看 到 ， 在 板底 滑 动和 板底 连 续N , e e 情 况 板 内 的剪 应 力差 异 非常小 ， 几乎 可 以忽 略 ， 说 明板 底联 结情 况 星 粒 R 工 况 l 工 况2工 况 3 I 况4工 况 5 工 况6 图 1 0不 同 工 况 下水 泥 板 剪 应 力对 比 对 于板 内剪 应 力无 明显 影 响 。剪应 力在 不 同工 况 下 的分 布规 律 与前 面 的指 标类 似 。路用 水泥 混凝 土抗 剪 强度 般 在 1 8 2 5 MP a 从 图 l O 来 看 ， 在 各 种 工 况 下 板 内的 剪 应 力都 超过 或 接近 于混 凝 土 的破坏 剪 应 力 ，说 明在 冲 击 作 用下 水泥 路面 会 发生 剪切 破 坏 ； 由图9 可 知剪 应 力一 般 出现 在 路面 板 的上 缘 因此 剪 应力 是破 碎 过程 中表 面 破 碎 为 J 、 粒径 的主 要 原 因 而 深层 的彻底 破 碎依 然要 靠 弯 拉 破 坏 来 实 现 。 4 结 语 碎 石化 技术 由于具 有施 工 便捷 、 环境 污 染少 、 对 防 止 加铺 层 反射 裂缝 有 明显 效 果等 优点 ，在 旧水泥 混凝 土 路 面 改 建 工 程 中 得 到 很 好 的 应 用 。 多 锤 头 破 碎 机 是 现 在 应 用 比 较 广 泛 的 碎 石 化 机 械 ， 其 锤 击 影 响 范 围 比 较 小 ， 而 且 击 碎 效 果 也 很 理 想 。 配 合 Z型 压 路 机 施 工 ， 可 为 加 铺 层 提 供较 为理 想 的基 层 。水 泥板 与 下部 结 构 的联结 情 况和 重 锤作 用位 置 会对 破 碎效 果 形成 一定 的 影 响。施 工 中应 采 取 适 当 措 施 ， 保 证 破 碎 效 果 。 壹耋塞 ： 1 徐柱杰 ， 凌建 明， 黄 琴龙 旧水泥混凝 土路面共振碎 石化效 果研 究口中N公路学报 ， 2 0 0 8 ， 2 1 ( 5 ) ： 2 6 3 2 2 胡昌斌 冲击压路机破碎改建 旧水 泥混凝 土路 面技 术 M 北京 ： 人 民 交 通 出版 社 ， 2 00 7 3 石振武， 程 有坤 碎石化技术在 旧水泥混凝土路 面改 建工程 中的 应用 I 筑路机械与施工机械化 ， 2 0 0 8 ， 2 5 ( 3 ) ： 5 1 5 4 4 刘 展 A B AQUS 6 6 基础教程与 实例详解 M 北京： q - 国水利水 电 出版 社 2 0 0 8 5 邓 松 高等级公路 大修改建的部分关键技术研 究 D 南京 ： 东 南大学 ， 2 0 0 6 6 申爱琴 ， 张艳红 ， 郭寅川 ， 等 三类沥青路 面结构 力学响应的对比 分析 长安大学学报 ： 自然科 学版 ， 2 0 0 9， 2 9 ( 4 ) ： 1 7 收 稿 日 期 ： 2 01 0 -01 11 责 任 编 辑 ： 王 玉 玲 如如0 4 3 3 2 2 0 0 4 2 0 8 6 4 2