1、第 3 6卷 , 第 2期 2 0 1 1年 4 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 6,No 2 Ap r, , 20 1 1 水 泥 混凝 土拓 宽罩 面 工 程碾压 混凝 土 刚性基 层 应 用研 究 黄 昌明 ,袁万杰 , 何 阳春 ( 1 佛 山市三水区交通建设 投资有 限公 司,广东 佛 山5 2 8 1 0 0 ; 2 广东华美加工程顾问有限公 司, 广东 广州 5 1 0 6 2 7 ) 摘要 针对水泥混凝 土路 面拓宽罩面结构的受力特征 , 通过现行设计规范中复合式路 面疲 劳应力验算 、 采 用 有限元对碾压混
2、凝土刚性基层 拼接面板板边 ( 纵向板 中) 位置 的拉应力 、 拉杆受力计算和接缝剪应力 的验算。结 果 表明 , 尽管随着汽车荷 载作用位置不 同, 沥青罩面层底、 混凝 土板 顶和拉杆 的受力有所差异 , 但均可满 足沥青罩 面抗剪强度 的计算要求。 【 关键词 水 泥混凝 土路 面; 拓宽罩面 ; 碾压 混凝土 ; 有 限元 【 中图分类号 】U 4 1 8 8 文献标识码 】B 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 O l 1 ) 0 2 0 1 9 8 0 5 Ap p l i c a t i o n Re s e a r c h o n Ro l l e r Co
3、m p a c t e d Co n c r e t e o f Ri g i d Ba s e f o r W i d e n- o v e r l a y Ce m e n t Co n c r e t e Pa v e me n t HUANG C h a n g mi n g , YU AN W a n j i e ,HE Y a n g c h u n ( 1 F o s h a n S a n s h u i T r a f fi c C o n s t r u c t i o n I n v e s t me n t C o , L t d,F o s h a n,Gu a n
4、g d o n g 5 2 8 1 0 0,C h i n a ; 2 G u a n g D o n g C A C E n g i n e e r i n g C o n s u h a n t s C o , L t d , G u a n g z h o u ,G u a n g d o n g 5 1 0 6 2 7 , C h i n a ) Ke y w o r d s c e m e n t c o n c r e t e p a v e me n t ; w i d e n - o v e r l a y ; r o l l e r c o m p a c t e d c o
5、 n c r e t e ; F i n i t e e l e m e n t 道路拓宽工程最核心的问题就是减少新老路基 结合 部位 因不 协调 变形 出现 的不均匀 沉 陷以及 由此 产生 的路面纵 向裂缝 。针对 旧水 泥混 凝土 路 面 的拓宽部分结构组合设计 , 若采用半刚性材料或者 柔性材料 , 在与旧水泥混凝 土路面纵向拼接部位产 生的竖向变形很难达到协调, 在行 车荷载反复作用 下 , 因该部 位存 在一定 的纵 向或者横 向相对 位移 , 纵 向接 缝处 必 将 出 现 较 大 的横 向拉 应 力 和纵 向剪 应 力, 最终沿此部位形成纵向反射裂缝 , 影响路面的耐 久性 。
6、因此 , 为保证新旧路 面纵 向拼接部位竖 向变形的协调性, 通过合理控制拓宽路基的沉降变 形量, 与l 13 混凝土路面拼接层采用碾压混凝 土刚性 材 料 , 较 之采用水 泥混凝 土 既节约 了工程 造价 , 又因 其 刚度较 大 , 可通 过设 置层间 拉杆 , 协调新 旧路面 因 刚度 差引起 的不 协调 变 形 , 缓解 路 面 拓 宽拼 接 部位 产生 的反射 裂缝 , 延 长路 面的使 用寿命 。为此 , 结合 工程实际, 并借助有 限元法对新 旧路面结构拼接部 位的受力状况进行分析和计算, 合理评价水泥混凝 土 路面 拓宽 部分采用 碾压混 凝土 拼装结 构的 技术可 行 性
7、。 1 复合式拓宽路 面结构及力学分析 结合工程实际情况 和已有工程经验 , 沥青 罩面层 为 1 3 c m, 碾 压 混 凝 土与 旧水 泥 混 凝 土板 等 厚为 2 8 c m, 下设水稳基层、 底基层和未筛分碎石垫 层 , 路面结构组合设计如图 l 所示。以2 0 1 3年作为 路面结构力学验算基准期 , 对拓宽路面碾压混凝土 板加铺沥青罩面设计分析年限取为 1 5 a , 计算分析 年限内标准轴载累计作用次数 3 1 6 x 1 0 次。根据 我国现行路面设计规范 们有关要求进行结构验算, 具体计算结果为: 加铺沥青罩面层后碾压混凝土面板的荷载疲劳 遵 力 仃p r :1 9 2
8、MP a ; 加铺沥青罩面层后碾压混凝土面板的温度疲劳 应力 = 0 0 7 MP a ; 变异水平按高级考虑 , 可靠度系数 y =1 5 0 ; 据此 可以得 出 : , , , ( or p , +o r 打 )=1 5 0( 1 9 2+ 【 收稿日期 】2 0 1 0 1 1 2 0 作者简介 】黄吕明( 1 9 7 1 一) , 男 , 广东阳春人, 工程师 , 主要从事路桥建设 管理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 黄昌明 , 等 : 水泥混凝土拓宽 罩面工程碾压混凝 土刚性基层应用研究 1 9 9 0 0 7 )= 2 9 9 =
9、 3 5 MP a 计算结果表明 : 拓宽路面加铺 1 3 c m沥青罩面 的碾 压混 凝 土 板 结 构 满 足 分 析 年 限 1 5 a的 使 用 要 求 , 并 具 有一 定 的结构 安 全储 备 。 5 c m,AC一 1 6 C改性 沥青 混合 料 改性 乳化 沥青 粘层 8 c m,GA C一 2 0 C普 通沥 青混 合料 +外 掺抗 车 辙剂 l c m。应 力吸 收层 ( 不参 与结 构计 算 ) 2 8 c m, 碾 压 混凝土 , 厂 , = 3 5 MP a 2 0 c m,5水 泥稳 定碎 石基 层 1 8 C lT I ,3水 泥稳定 碎石底 基 层 1 8 c
10、m 未筛 分碎 石 路基 图 1拓 宽路面加铺 罩面结构设计 图 2新 旧混凝土路面 拼接结构的 有限元分析 2 1 有 限元计 算模 型 建立 采 用 A N S Y S大 型有 限元 通用 软件 , 建 立 了该 路 面结构 的空间实体有 限元模型 , 其 中路 面结构采用 s o l i d 6 5单 元进 行离 散 分 析 , 拉杆 采 用 b e a m1 8 8单 元 进 行离 散 分 析 , 模 型 共 建 立 2 8 6 6 2个 节 点 , 6 4 6 8 8 个 单元 , 路 面结 构 建 立 有 限元 模 型 如 图 2所 示 。 车 辆荷 载加 载 如 图 3所示 。
11、图 2混 凝 土 路 面 拓 宽 有 限 元 模 型 图 3混 凝 土 路 面 车 辆 荷 载 加 载 示 意 图 汽 车 荷 载 采 用 单 轴 双 轮 ,汽 车 轮 载 采 用 1 8 9 c m x 1 8 9 c m 的 正方 形垂 直 均 布 荷 载 模 拟 , 双 轮 问距 3 2 c m, 两侧 轮 隙间距 为 1 8 2 c m, 接 触 压应 力 为 0 7 MP a , 荷 载 作 用 在 拼 宽 面 板 板 中 边 缘 位 置 。 旧混 凝 土与 拼接 混 凝 土 板 间 接缝 处 设 置 拉 杆 , 拉 杆 的直 径 为 1 6 m m, 长 度 8 0 c m、 间
12、距 6 0 C E。各 结 构 层参 数见 表 1 。 表 1 旧路各结构层材料参数 注 :( 1) 表 新 建 结 构 ; ( 2) 表 不 1 日路 面结 构 。 将 B Z Z一1 0 0标 准 车 辆荷 载作 用 于道 路 拓宽 处 的路 面板 顶时 , 分 析新 、 旧面板 各结构 层 的应力 分布 和拉 杆的受 力 情况 。拉 杆设 置参 考现 行公 路水 泥混 凝 土 设 计 规 范 , 拉 杆 的 直 径 为 1 6 m E,间 距 5 0 c m, 长为 8 0 c m。 2 2 车辆荷 载作 用于混 凝 土面板 中部 通过有 限元模型计算 , 在车辆荷载作用于混凝 土 面板
13、 中部 情况 下 , 水 泥 混 凝 土板 顶 和沥 青 面层 层 底应 力分 布 , 见表 2 , 表 3 。 表 2 荷载 作用于板中时沥青面层底及拉杆应力 分布情 况 MP a 注 :负 值 为 压 应 力 ; 正 值 为 拉 应 力 。表 3一表 5同 。 在 邻 近 汽 车 荷 载 位 置 沥 青 层 底 均 表 现 为 压 应 力 , 随 着距 离汽 车荷 载作 用位 置 的增加 , 逐 渐在 新 旧 路 面拼 接部 位 的沥青 面层 底 表现 为拉应 力 。其 中新 旧 混 凝 土 板 拼 接 处 沥 青 面 层 底 竖 向 剪 应 力 为 0 0 0 8 MP a , 沥 青
14、面 层 底 纵 向 最 大 拉 应 力 为 0 0 l l MP a , 横 向最 大拉 应 力 为 0 0 2 2 MP a , 竖 向 最 大拉 应力 为 0 0 1 5 MP a 。 碾压 混凝 土板 顶 的纵 向拉应 力发 生 在临近 拼 接 纵 缝 的 荷 载 作 用 位 置 处 , 且 最 大 纵 向 拉 应 力 为 0 2 4 3 MP a 。横向拉应力发生在远离拼接纵缝 的荷 载作用 位 置 处 , 横 向最 大 拉 应 力 为 0 1 4 9 MP a 。碾 压 混凝 土 板 顶 的纵 、 横 向应力 均 随 距离 汽 车 荷载 作 学兔兔 w w w .x u e t u
15、t u .c o m 公路工程 3 6卷 表 3荷载作用于板中时混凝土板顶应力分布情况 MP a 用 位置 的增 加 , 逐 渐 由拉 应 力 表 现为 压 应力 。 碾压 混凝土板顶的竖向拉应力发生在临近荷载作用位置 的拼接纵缝处 , 最大拉应力为 0 0 8 2 MP a , 最大竖 向 压应力则出现在荷载作用位置 。 旧水泥混凝土板顶的纵向拉应力亦发生在临近 拼接纵缝 的荷 载作 用位置处 , 纵 向最大 拉应力 为 0 1 1 1 M P a ; 横 向 和 竖 向拉 应 力 均 发 生 在 临 近 荷 载 作 用 位 置 拼 接纵 缝 板 角 处 , 横 向最 大 拉应 力 为 0
16、0 5 6 MP a , 竖 向最大 拉应 力 为 0 0 2 1 MP a 。横 向和 竖向最大压应力则均发生在临近拼按纵缝的荷载作 用 位置处 。 新【 日 混凝土板间设置的横 向拉杆 , 在临近汽车 荷载作用位置的最大拉应力为 1 1 1 0 M P a , 最大拉 力为 2 4 5 k N, 其余拉杆受力 随其距汽车荷载作用 位置的增加而减小。 2 3车辆荷 载作 用 于混凝 土 面板接 缝 处 通过有限元模型计算 , 当车辆荷载作用于新旧 混凝 土面板 接缝 处 时 , 水 泥混 凝 土 板顶 和 沥 青 面层 层 底应 力分 布如表 4和表 5所示 。 在邻 近汽 车荷 载位置沥
17、青层底 同样 均表 现为压 应力 , 随着 距离汽 车荷 载作用位 置的增加 , 逐渐在 新 旧路面拼接部位的沥青面层底表现为拉应力。其中 新旧混凝土板拼接处 沥青面层层底竖向剪应力 为 0 0 0 9 MP a , 沥 青 面 层 底 部 纵 向 最 大 拉 应 力 为 0 0 0 9 MP a , 横 向最 大 拉应 力 为 0 0 1 5 MP a , 竖 向最 大拉应 力为 0 0 1 7 MP a 。 碾压混凝土板顶的纵向拉应力发生在临近拼接 表 4 荷载作用于接缝处沥青面层底及拉杆应 力 分布情况 M P a 表 5荷载作用于接缝 处混凝土板顶应力分布 情况 MP a 纵缝 的 荷
18、载作 用处 , 且集 中于 拉杆横 向设 置范 围内 , 纵向最大拉应力为 0 2 3 9 M P a 。横向拉应力发生在 临近拼接 纵缝 的荷 载作 用 位置 处 , 且 横 向最 大 拉应 力 为 0 1 3 9 MP a 。碾 压 混 凝 土板 顶 的纵 、 横 向应 力 均随距离汽车荷载作用位置的增加 , 逐渐 由拉应力 表现 为压应力 。碾 压混凝 土板顶 的竖向拉应力 发生 在 临 近荷 载作 用位 置 的拼 接 纵缝 处 , 竖 向最 大拉应 力 为 0 0 9 1 MP a , 最 大 竖 向压 应 力 则 出现 在 荷 载作 学兔兔 w w w .x u e t u t u
19、.c o m 第 2期 黄 昌明 , 等 : 水泥混凝土拓 宽罩 面工程碾压混凝土刚性基层应用研究 2 0 1 用位 置处 。 旧水 泥混凝 土 板顶 的纵 向拉应 力则 发 生在 临 近 荷载作 用 位置 的拼 接 纵 缝 处 , 且 集 中 于拉 杆 横 向设 置范 围 内 , 纵 向最 大 拉应 力 为 0 1 0 6 MP a 。横 向 和 竖 向拉 应 力均 发生 在 临近荷 载作 用 位置 两侧 的拼接 纵缝 处 , 横 向最 大拉 应 力 为 0 0 4 2 MP a , 竖 向最大 拉 应 力 为 0 0 2 9 MP a 。横 向和竖 向最 大 压 应 力 则 均 发 生在
20、临近 荷载 作用 位置 的 拼接 纵缝 处 。 新 旧混 凝 土板 间设 置 的横 向 拉 杆 , 在 临 近汽 车 荷 载作 用 位 置 的最 大拉 应 力 为 0 9 9 0 MP a , 最 大 拉 力为 2 1 9 k N, 其余拉杆受 力随其距 汽车荷载作用 位 置 的增 加而 减小 。 综 合 上 述计 算 结 果 和 分 析 , 新 旧混 凝 土板 拼 接 处 沥青 面层 层底 竖 向剪应 力 和竖 向拉应 力 随着 车辆 荷 载 由作 用 于板 中至 作 用 于 板 接 缝 处 略 有 增 大 ; 而 沥青 面层底 纵 、 横 向 拉应 力 则 随着 车辆 荷 载 由作 用 于
21、板 中至作 用 于板 接缝 处减 小 。 碾压混凝土板顶的纵、 横 向拉应力随着车辆荷 载由作用于板中至作用于板接缝处减小 , 且其拉应 力 出现 的位置存 在 不 同 ; 碾 压 混 凝 土板 顶 的竖 向拉 应力则随着车辆荷载由作用于板中至作用于板接缝 处 略有增 大 , 且其 拉应 力 出现 的位 置基 本相 同。 旧水 泥混 凝 土 板顶 的纵 、 竖 向拉 应 力 随 着 车辆 荷载 由作 用 于板 中 至作 用 于 板 接 缝 处 减 小 , 而竖 向 拉应 力值 则增 加 , 且 其 拉应力 出现 的位 置均 不 同 。 新 旧混凝 土板 间设 置 的横 向拉 杆所 产 生 的拉
22、应 力随着车辆荷载由作用于板 中至作用于板接缝处减 小, 其变化规律基本一致 。 3新 旧混凝土板接缝 处剪应力验算 沥青罩面层路面材料属于颗粒材料 , 为了使路 面结构 不发 生剪 切 破 坏 , 应 限制 其 结 构 内 的剪 应 力 不超过结构层材料的抗剪强度 , 即 r r , 其 中抗剪 强 度 r , 由库仑 理论 得 到 : 7 - = C+ t g 式 中 : 为结 构 层 可 能 破 坏 面 上 的正 应 力 ; C为 材 料 的粘 聚力 ; 为 材料 的 内摩 阻角 。 当验 算 沥 青 面层 的 抗 剪 强度 时 , 需 要 确定 易 于 发生面层表面推移、 拥包等现象
23、的夏季高温时沥青 混合 料 的容 许剪应 力 。此 容 许剪 应力 为 沥青 混合 料 的抗 剪强 度 ,r 除 以相 应 的抗 剪 切结 构 强 度 系 数 K , , 即: r = 7 - ; 沥青混合料的抗剪强度结构系数同行车 AT 荷载作用情况6 - 关 , 在缓慢制动时 , K , = ; 在紧急制动时, K = 半 。其中N 为在设计年限内 n C 制 动 的标 准 累计 轴次 , 可 按 总 累计 轴数 的 5 0 计 , 即 3 1 61 0 5 0 =1 5 81 0 次 ; A c为 道 路 等 级 系数 , 高速 公 路为 1 0 。 根 据上 述公 式计 算抗 剪 强度
24、 , 其 中 代入 X轴 方 向 的最大 正 应力 计 算 o r = 一0 0 8 8 MP a , 根 据 经 验取 c = 0 2 MP a , = 3 7 。 , 可 得 : =c+o r t g =0 20 0 8 8t g 3 7。=0 2 7 4 缓 慢制 动 时 , 、 r 按 总 累计 轴数 的 5 计 : N 0 ” _ 2 9 7 8 ; 7R = 乏= 0 o 9 2 M P a o 紧急制 动 时 : 2 R T :O 2 28 M Pa o 验 算剪 切条 件 :由计 算 知 r 一 =0 0 0 9 MP a , 即 7 = 0 0 0 9 M P a 。 显 然
25、 , 无 论 是 缓 慢 制 动 还 是 紧 急制动 , 7 - r , 均满足抗剪强度的要求。 4 结 论 在 常用基层类型不适宜于对 混凝 土路面进 行 拼接 的情 况下 , 采 用 碾 压 混 凝 土 结 构 可 通 过拉 杆 与 旧水 泥混 凝 土路 面 板 刚 性 铰 结 , 达 到 协 调 新 旧路 基 不协 调变 形 的 目的 。 根据汽车荷载作用位置不同计算 , 新 旧混凝 土 面 板 接 缝 处 沥 青 面 层 底 部 竖 向 剪 应 力 为 0 0 0 9 MP a , 沥 青面层 底 部 纵 向最 大 拉 应 力 为 0 0 1 1 MP a , 横 向最 大拉 应 力
26、为 0 0 2 2 MP a , 竖 向 最 大 拉 应 力 为 0 01 7 MPa。 碾压混凝土板顶的纵 向最大拉应力为 0 2 4 3 MP a , 横 向最 大 拉 应 力 为 0 1 4 9 MP a , 竖 向最 大 拉应 力 为 0 9 1 MP a 。 旧混 凝 土板 板 顶 的 纵 向最 大 拉 应 力 为 0 1 1 1 MP a , 横 向最大拉应 力为 0 0 5 6 MP a , 竖 向最 大 拉应 力为 0 0 2 9 MP a 。 新 旧混 凝 土 板 间 设 置 的 横 向 拉 杆所 产 生 的 最 大 拉应 力 为 1 1 1 0 MP a , 碾 压 混 凝
27、 土设 计 强 度 满 足其抗拉要求 。 新 旧混 凝 土 板 接 缝 处 产 生 的 剪 应 力无 论 是 缓慢 制 动还 是紧 急制 动 情况 下 , 均 小 于 沥青 罩 面层 的抗 剪强 度 , 满足抗 剪 强度 的计 算 要求 。 参考 文献 1 周富杰 , 孙立军 复合路面荷载型反 射裂 缝 的力 学分析 和试 验 路验证 J 土木工程 学报 , 2 0 0 2,( 1 ) 5 O一5 6 2 祝云琪 , 曾四平 R c c A c复合 式路 面反射 裂缝 应力 强度 因 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 2 公路工程 3 6卷 ( 上接 第
28、1 9 5页) 本工程超前预报 中, 全为国产仪器 。 超前 地质 预报 是隧 道施 工 的重 要 组成部 分 , 应纳 入施 工组织 计划 , 在 工 序 循 环安 排 中给超 前 地 质预报预留足够必要的时间, 使超前地质预报能准 确 获取 第一手 资料 , 为乌 细 沟 隧道 超 前 地质 预 报 的 综合分析、 准确判断打下坚实的基础。 参考文献 1 朱鹏飞 宜、 万线隧道工程地质超前地质预测预报 策划 与应用 效果初步评价 J 现代隧道技术, 2 0 0 5 钟世航 陆地 声纳法 及其 解决 隧道 地质预 报等 问题 的效果 A 铁路隧道及地下工程 M 中国铁道出版社 , 1 9 9
29、 3 程世吉, 何振起 , 等, 宜万线别 岩槽隧道地质超前预报 J 现 代隧道技术 。 2 0 0 4 , ( 增刊) 李貅 瞬变电磁法理论与应用c M 陕西科技 出版社 , 2 0 0 2 罗卫华 , 肖书安, 李德久 , 等 T S P系统在隧道工程施 工地质预 报中的应用和发 展 J 中南 公路工 程 , 2 0 0 6 , 3 1 ( 1 ) : 1 3 5 1 3 7 王跃飞 , 张志龙 , 罗卫华 深埋长大公路隧道超 前地质预报技 术方法研究现状 J 中南公路工程 , 2 0 0 6 , 3 1 ( 1 ) : 2 4 2 7 ( 上接第 1 9 7页) 3 00 7 0 S B
30、 S , 图 4 6种 沥青 混合料相对变形对比 从表 4试验 结果 和 图 3 、 图 4可知 ,A C 2 0级 配 沥青混合料 的动稳定度大于 A C 1 6级配沥青混合料 的动稳定度 , A C 2 0级配沥青混合料的相对变形小于 AC 1 6级配沥青混合料 ; 比较不同沥青相同级配的沥 青 混 合料 抗 车 辙 能力 , 3 0 沥 青 A C 2 0级 配 和 A C 1 6 级配沥青混合料的动稳定度大 , 其动稳定度值高达 7 1 2 6次和 6 6 1 9次 ; 其相对变形 小, 仅为 5 1 和 5 8 。其高温稳定性优于 S B S沥青混合料和 7 0 沥青 混合 料 。
31、3 结 论 选用 3种 沥青 进 行 3大 指标 试 验 和粘 度 试验 , 试验结果 表 明 3 0 沥 青 的高温 性 能好。 选取 两种 级 配的沥青混合料进行同轴剪切试验和车辙试验, 同 轴剪切试验和车辙试验结果一致表 明: 沥青种类相 同的条件下, 较之于 A C 1 6级配沥青混合料 , A C 2 0 级 配沥青混合 料 的抗 剪强 度 和 动稳定 大、 相对 变形 小 , 高温稳定性好。相同级配, 由于 3 0 沥青的高温 性能 指标 优 异 , 较之 于 7 0 沥青 混 合料 和 S B S改 性 沥青混合料, 3 O 沥青混合料的抗剪强度和动稳定最 大、 相对变形最小 ,
32、 高温稳定性最好。采用硬质沥青 和较粗的级配, 可提高沥青混合料的高温稳定性能。 2 3 4 参考文献 】 彭-J l J , 崔鹏 , 孙立军 沥青混合料抗剪 强度评价 J 常州 工学院学报 2 0 0 7 2 0 , ( 1 ) 毕玉峰 , 孙立军 沥青混合料抗剪试验方法研究 J 同济大学 学报 ( 自然科学版) 2 0 0 5 , 3 3 , ( 8 ) : 1 0 2 61 0 3 9 马 峰 , 傅珍 硬质沥青 和高模量沥青混凝土在法国的应用 J 中外公路 , 2 0 0 8 , 1 2 , ( 2 8 ) : 2 2 1 2 2 3 冯俊领, 郭 忠印 , 杨群, 等 沥青混合料同轴剪切试验方法研 究 J 同济大学学报 ( 自然科学版 ) , 2 0 0 8 。3 6。 ( 1 O) : 1 3 9 5一 l 3 9 8 : 2 3 4 5 6 5 O 5 0 5 O 5 O 8 8 7 7 6 6 5 S 、 陕斟茛器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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