碎石化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著對(duì)修復(fù)或加鋪舊水泥混凝土路面需求的快速增長(zhǎng)，解決加鋪層所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和工程問(wèn)題以及節(jié)約工程投資、提高效率、保證行駛質(zhì)量，顯得非常迫切。而舊水泥混凝土路面改建技術(shù)的關(guān)鍵，是對(duì)破損混凝土路面板的處理方法。水泥板碎石化方法是將舊水泥混凝土板塊破碎后作為改建路面的基層或底基層，較好地利用了原混凝土板的強(qiáng)度，不僅節(jié)省投資、有效地防治反射裂縫的產(chǎn)生或發(fā)展，而且有效地解決了廢料的處置問(wèn)題。碎石化技術(shù)雖在國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐中有所應(yīng)用，但仍不成熟

2、，工程界對(duì)舊水泥路面碎石化加鋪層設(shè)計(jì)方法尚未取得共識(shí)，相關(guān)的力學(xué)機(jī)理、加鋪層設(shè)計(jì)理論、路面設(shè)計(jì)及驗(yàn)收指標(biāo)的選取、破碎層特性的表征等仍需做大量的研究工作。本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合成綿高速公路改建工程，通過(guò)理論研究與數(shù)值分析、室內(nèi)外試驗(yàn)等技術(shù)手段，對(duì)碎石化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)行為特性進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 ⑴根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路的試驗(yàn)分析，研究碎石化層的材料特性和結(jié)構(gòu)性能。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、鉆芯取樣、開(kāi)挖檢查坑等手段，獲得了碎

3、石層的級(jí)配等基本物理參數(shù)。研究中，根據(jù)彎沉等效原理，對(duì)FWD彎沉檢測(cè)值進(jìn)行了反演分析，確定路面各結(jié)構(gòu)層的回彈模量值。由于路表彎沉實(shí)為路面各結(jié)構(gòu)層對(duì)荷載作用的綜合響應(yīng)，其中又以路基的豎向變形所占比例最大，因而反演過(guò)程中，根據(jù)結(jié)構(gòu)層內(nèi)荷載擴(kuò)散規(guī)律，采用了由遠(yuǎn)及近、分步反演的方法，即先由遠(yuǎn)離承載板的彎沉值反算路基模量，再由承載板附近的彎沉值反算路面各結(jié)構(gòu)層的模量?？紤]到路面結(jié)構(gòu)在FWD動(dòng)載作用下所表現(xiàn)出的力學(xué)響應(yīng)行為不同于靜載，論文在大型有限

4、元軟件ABAQUS的平臺(tái)上，應(yīng)用python語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)了動(dòng)力有限元的反演程序，對(duì)碎石化前、后成綿高速的路面改建工程檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較為接近的路面各結(jié)構(gòu)層力學(xué)參數(shù)。
　　 ⑵在實(shí)體工程檢測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，選取兩典型的碎石化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)(碎石化加鋪結(jié)構(gòu)1中舊混凝土上層破碎粒徑≤15cm，碎石化加鋪結(jié)構(gòu)2中舊混凝土上層破碎粒徑≤7.5cm)進(jìn)行室內(nèi)瀝青加鋪層足尺疲勞試驗(yàn)。在控制環(huán)境及荷載條件下，重點(diǎn)研究豎向動(dòng)

5、荷載累計(jì)作用所引起的瀝青加鋪層及下臥碎石層力學(xué)狀態(tài)的變化，探討碎石層物理指標(biāo)與加鋪層結(jié)構(gòu)劣化的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了瀝青加鋪層層底應(yīng)變隨荷載重復(fù)作用次數(shù)增長(zhǎng)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，相同環(huán)境及荷載作用下，加鋪層層底應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率與舊混凝土層的碎石化程度有直接的關(guān)系，碎石化程度較低的加鋪層結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)1)的應(yīng)變變化率明顯大于碎石化程度較高的加鋪層結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)2)應(yīng)變變化率，說(shuō)明在基層承載力得以滿(mǎn)足的情況下，適當(dāng)提高舊混凝土路面的碎石化程度將有利于加鋪

6、層結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。
　　 ⑶為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)碎石化程度對(duì)瀝青加鋪層力學(xué)行為特性的影響，建立了混凝土碎石化路面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，模型視瀝青加鋪層、基層及土基為連續(xù)介質(zhì)，舊混凝土碎石層為離散介質(zhì)，分別采用有限差分和顆粒離散元加以模擬，并通過(guò)界面的強(qiáng)制性連續(xù)條件，實(shí)現(xiàn)有限差分和顆粒離散元的耦合。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，將破碎混凝土簡(jiǎn)化成三層，即碎粒層、碎石表層和碎石底層，通過(guò)模擬計(jì)算，探討不同尺度材料組合情況下的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。結(jié)果表明，碎

7、粒層分層厚度越厚，舊混凝土板碎石化程度越高，瀝青加鋪層底承受的拉應(yīng)變、拉應(yīng)力和荷載中心作用處的彎沉也就越大。當(dāng)碎粒層顆粒粒徑由1mm變化到2mm時(shí)，瀝青加鋪層底的拉應(yīng)力、應(yīng)變也相應(yīng)變大；而碎石表層顆粒粒徑由5～8mm減小到3～5mm，即舊混凝土面層破碎越碎，原水泥混凝土面板的強(qiáng)度下降的越多，整體性也就越差，瀝青加鋪層底的拉應(yīng)力、應(yīng)變也就越大。計(jì)算結(jié)果證實(shí)，說(shuō)明在施工過(guò)程中，破碎混凝土塊的粒徑應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。
　　 ⑷針對(duì)舊

8、水泥混凝土路面碎石化后加鋪瀝青面層這類(lèi)特定的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，分別以路表彎沉和結(jié)構(gòu)層底容許拉應(yīng)力為控制指標(biāo)，在2D有限元通用計(jì)算程序的平臺(tái)上，進(jìn)行了典型路面結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算和靈敏性分析程序的二次開(kāi)發(fā)，并通過(guò)計(jì)算，確定了對(duì)碎石化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)可靠性影響較為顯著的因素。計(jì)算結(jié)果表明，以容許拉應(yīng)力為控制指標(biāo)對(duì)路面結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)的影響大小依次為：土基、碎石層、基層與瀝青面層。其中，土基和碎石層對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)的影響占到85％以上，是結(jié)構(gòu)抗拉性能的決定性