水泥混凝土路面研究

1、考慮地震影響的最優(yōu)水泥混凝土路面研究 摘要：本文首先根據(jù)相似理論的分析，計(jì)算得出了模型的相似系數(shù)，并且根據(jù)模型材料的選取原則，確定了模型的材料類(lèi)型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了路基路面的物理模型。然后在研究地震對(duì)不同配合比以及不同配筋設(shè)計(jì)的水泥混凝土路面的影響的基礎(chǔ)上，通過(guò)比較不同配合比，及不同配筋設(shè)計(jì)的模型在振動(dòng)臺(tái)上的破壞情況，找出幾組抗震效果較好的模型，通過(guò)分析幾組抗震效果較好模型的配合比及配筋設(shè)計(jì)，比較誰(shuí)更經(jīng)濟(jì)合理。最終得出一種或幾種實(shí)際抗震效果好，且經(jīng)濟(jì)適用的路面設(shè)計(jì)方案. 關(guān)鍵詞：抗震； 配合比 ；配筋設(shè)計(jì)； 路面破壞 ；經(jīng)濟(jì)效益 1前言水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，耐久性好，養(yǎng)

2、護(hù)費(fèi)用低，抗滑性好，適于夜間行車(chē)等優(yōu)點(diǎn)，能適用于現(xiàn)代高速、重載而繁密的汽車(chē)運(yùn)輸要求，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少，所以在飛機(jī)場(chǎng)跑道、高速公路、干線(xiàn)公路、城市道路、廠礦道路以及停車(chē)站場(chǎng)上采用較多，它也特別適用于隧道內(nèi)路面和過(guò)水路面。 近幾年，世界各地地震頻發(fā)，各種建筑物和構(gòu)筑物正承受著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。西南地區(qū)地處的“青藏高原地震區(qū)”，是我國(guó)最大的一個(gè)地震區(qū)，也是地震活動(dòng)最強(qiáng)烈、大地震頻繁發(fā)生的地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這里8級(jí)以上地震發(fā)生過(guò)9次；77.9級(jí)地震發(fā)生過(guò)78次，均居全國(guó)之首。2008年5月12日，汶川發(fā)生特大地震,震級(jí)為8.0級(jí)，震中烈度11度，屬特大地震，對(duì)地面的建筑物造成了巨大的破壞。直接嚴(yán)重受災(zāi)地

3、區(qū)達(dá)105km2。震中地區(qū)的公路受到了嚴(yán)重的損毀（見(jiàn)圖12）。很多公路的交通通行中斷，嚴(yán)重影響到抗震救災(zāi)搶險(xiǎn)人員、機(jī)械、物資及受災(zāi)群眾的運(yùn)送，對(duì)抗震救災(zāi)造成了巨大的阻力。   圖1 漢旺-天池公路水泥混凝土路面破壞現(xiàn)象 圖2江油-北川水泥混凝土路面破壞現(xiàn)象  2010年4月14日，玉樹(shù)發(fā)生兩次地震，最高震級(jí)7.1級(jí)。地震發(fā)生后，地震應(yīng)急遙感技術(shù)協(xié)調(diào)組利用4月15日獲取的QuickBird衛(wèi)星影像對(duì)城區(qū)周?chē)牡缆菲茐倪M(jìn)行了遙感信息提取與評(píng)估，地震及次生災(zāi)害造成了214國(guó)道、308省道等部分路段和橋梁的損毀。 目前西南地區(qū)二級(jí)公路分布很廣，并以水泥

4、混凝土路面為主。除了選線(xiàn)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度等應(yīng)符合公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范外，路基路面在地震中實(shí)際抗震效果也應(yīng)作相應(yīng)研究。研究不同配合比及不同水泥用量，不同配筋方式的路面在地震中破壞情況，在此基礎(chǔ)上，找出一種最經(jīng)濟(jì)實(shí)用抗震的路面設(shè)計(jì)類(lèi)型，可為該地區(qū)道路路基路面設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)，以減少該地區(qū)道路在地震中的破壞，結(jié)合公路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，真正做到確保國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的“生命線(xiàn)”的暢通和安全。 地震情況下除特殊地質(zhì)路段是路基路面整體嚴(yán)重破壞以外，大部分路段是因?yàn)槁坊e(cuò)動(dòng)或不均勻沉降而使路面受較大剪力而破壞。在此類(lèi)型破壞條件下，路面破壞越小，就能在越短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)通行，從而保證救援工作的順

5、利實(shí)施或減小交通阻塞所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。 從目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)路基、邊坡方面已有相應(yīng)研究，我國(guó)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也對(duì)公路路基抗震設(shè)計(jì)有明確要求,但從現(xiàn)行的規(guī)范看，尚無(wú)路面方面的明確規(guī)定,而且，雖然地震中路面破壞以路基引起的較多，但路面本身的破壞仍具有重要的意義，因此針對(duì)路面的抗震研究具有較大的工程實(shí)踐意義。 2.振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)一般設(shè)計(jì) 本研究試驗(yàn)是在模擬抗震的情況下，根據(jù)模型相似材料選擇原則選擇材料，再按材料采用不同配合比制作成不同的模型。再進(jìn)行28天極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，優(yōu)選出符合抗震強(qiáng)度的水泥混凝土路面的配合比。 2.1 振動(dòng)臺(tái)特征 

6、;本次試驗(yàn)所用振動(dòng)臺(tái)系成都理工大學(xué)國(guó)家地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的液壓施加初始位移、液壓鎖緊、瞬間釋放型彈簧式二維振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。主要有臺(tái)面、剛性支撐框架、油壓及控制系統(tǒng)、加速度傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。 2.2 模型尺寸 考慮到振動(dòng)臺(tái)及模型箱的尺寸，本次小型振動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)選取20米長(zhǎng)，6米寬，26厘米厚的水泥混凝土路面作為控制范圍，其中基層厚20厘米，路基邊坡高度H與邊坡寬度b之比為1：1.5. 按幾何比尺換算得模型路面的長(zhǎng)、寬、高分別為：1米、30厘米、1.3厘米. 2.3 模型相似材料的選擇 模型試驗(yàn)的相似材料，雖然選取范圍較廣，但其

7、物理力學(xué)參數(shù)都應(yīng)符合相似要求，而且還應(yīng)具備以下條件：(1)均勻、各向同性；(2)力學(xué)性能穩(wěn)定，不易受環(huán)境條件(溫度、濕度等)的影響；(3)改變?cè)吓浔认嗨撇牧系牧W(xué)性能變化不大，保證材料力學(xué)性能的穩(wěn)定性，利于進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)；(4)便于模型加工、制作；(5)易于實(shí)施量測(cè)(包括粘貼應(yīng)變片等)；(6)取材方便，價(jià)格較低。 根據(jù)上述原則分別確定所選用的材料如下： 西南地區(qū)二級(jí)公路水泥混凝土路面通常采用的水泥有普通硅酸鹽水泥,復(fù)合硅酸鹽水泥等，一般不使用低強(qiáng)度的325水泥，極少使用高強(qiáng)度的525水泥。因此本實(shí)驗(yàn)選取了標(biāo)號(hào)為325R的復(fù)合硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)為425及425R的普通硅酸鹽水泥

8、。 根據(jù)相似理論在水泥混凝土路面鋼筋選用中的應(yīng)用，確定采用鐵絲模擬原型中的拉筋，用鋼絲模擬原型中的橫向、豎向鋼筋。根據(jù)幾何相似比，確定采用4.0mm的鐵絲作為模型的拉筋，用2.5mm的鋼絲作為模型的傳立桿，用2.0mm的鋼絲作為模型的豎向鋼筋. 砂的選用不得低于公路水泥混凝土施工技術(shù)規(guī)范中細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)II級(jí)并符合細(xì)集料級(jí)配規(guī)范。故選用廣泛使用的天然河砂，含水率2%.粗集料應(yīng)使用質(zhì)地堅(jiān)硬，耐久，潔凈的碎石或卵石，并符合公路水泥混凝土施工技術(shù)規(guī)范中碎石，卵石技術(shù)指標(biāo)和粗集料級(jí)配規(guī)范。我們按幾何相似比理論，篩除粒徑大于一厘米的，剩余的作為模擬碎石。含水率1% 西南地區(qū)

9、路基土以粘土分布較為廣泛，我們的實(shí)驗(yàn)采用天然含水率的粘土（成都粘土）。施工過(guò)程中加石灰壓實(shí)可以在普通工程中使用。 由于外加劑的使用多以改善拌和物流變性，調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時(shí)間和硬化性能為目的，而本實(shí)驗(yàn)石料的選用多為粒徑小于5mm碎石（卵石），較大程度增加了混凝土的流動(dòng)性；試驗(yàn)以28d為養(yǎng)護(hù)周期，不考慮早期強(qiáng)度的對(duì)比，故為了減少試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡€(gè)數(shù)而又不影響試驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)路面混凝土均不使用外加劑2 .4 模型試驗(yàn)相似關(guān)系的確定 對(duì)于模型振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，保持模型和原型之間的相似是很重要的。因?yàn)橹挥羞@樣才能使實(shí)物在振動(dòng)條件下的規(guī)律性在模型上得到反映，才能通過(guò)模型的物理量推求實(shí)物相應(yīng)的物理量。

10、按照理想的情況不僅模型的幾何尺寸要與原型保持相似，而且制作模型的材料的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)也應(yīng)和原型很好地相似；不論是在模型受到靜荷載時(shí)，還是在模型受到動(dòng)荷載時(shí)也都能保持模型和原型的相似；不僅在彈性振動(dòng)階段，而且在振動(dòng)破壞階段，既在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)直到破壞的整個(gè)過(guò)程中，都始終要保持模型和原型的相似。但由于實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的限制，一般的試驗(yàn)?zāi)壳斑€難于作到模型和原型的全面相似，完全真實(shí)模型一般是難以實(shí)現(xiàn)的,如果在全部決定判據(jù)中,有一個(gè)或幾個(gè)起支配作用的條件下不能滿(mǎn)足,則必然導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的變異.這種相似條件不能完全滿(mǎn)足的模型就是近似模型.為此只有針對(duì)模型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)所需解決的主要問(wèn)題，就其中某一項(xiàng)或某

11、幾項(xiàng)指標(biāo)使其相似或接近相似來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的和要求。實(shí)踐證明，這樣做不僅是可能，而且是有效的。 本次物理模擬試驗(yàn)根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的大小根據(jù)實(shí)際情況確定為Cl=1/20，而模型所用材料與原型一致，Cp =1/1， CE =1/1。根據(jù)相似法則可以求得其他相似指標(biāo)（如表1所示）。表1 相似系數(shù)取值計(jì)算表Table 1 Similar coefficient Value calculation物理量符號(hào)及關(guān)系式相似系數(shù)物理量符號(hào)及關(guān)系式相似系數(shù)長(zhǎng)度CL1/20內(nèi)摩擦角無(wú)因次1/1質(zhì)量密度CP1/1應(yīng)變無(wú)因次1/1彈性模量CE1/1位移CuCL1/20時(shí)間C= CL CP0.5CE-0.

12、51/20速度CV= CP-0.5 CE0.51/1泊松比無(wú)因次1/1加速度Ca= CP-1CECL-11/0.05應(yīng)力CCE1/1力Cf= CE CL21/400粘聚力CC=CE1/1頻率CW= CP-0.5CE0.5 CL-11/0.053. 配合比設(shè)計(jì) 3.1混凝土配制強(qiáng)度 根據(jù)公路水泥混泥土路面設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，水泥混凝土的強(qiáng)度以28d齡期的彎拉強(qiáng)度控制，各交通等級(jí)要求的混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不得低于表2的規(guī)定。表2 混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Table 3.1 Cement concrete flexural strength standard交通等級(jí)特重重中等輕水泥混凝土

13、的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）5.0504.54.0試驗(yàn)混凝土配置強(qiáng)度即根據(jù)上述原則確定。 3.2 混凝土配合比混凝土配合比是指混凝土中各組成材料（水泥、水、砂、石）之間的比例關(guān)系。有兩種表示方法：一種是以1m3 混凝土中各種材料的用量(kg)表示;另一種即本試驗(yàn)是用單位質(zhì)量的水泥與各種材料用量的比值表示。將組成材料經(jīng)過(guò)和易性調(diào)整和28天抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，符合公路水泥混泥土路面設(shè)計(jì)規(guī)范的要求的材料組成如表3所示幾組的組成材料配合比。表3 設(shè)計(jì)配合比Table 3 Design mix混凝土類(lèi)型水泥標(biāo)號(hào)設(shè)計(jì)強(qiáng)度（MPa）模型個(gè)數(shù)水水泥)砂碎石（卵石）)碎石325R4.510.411.01.643.58

14、碎石4255020.401.01.553.46碎石425R5.010.401.01.553.46卵石325R4.010.421.01.723.83卵石4254.530.431.01.773.94卵石425R4.510.431.01.773.944. 配筋設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)所采用路面模型中縱逢拉桿：5根；傳立桿：8根。 5. 模型制作及養(yǎng)護(hù)5.1 路基 含水率：天然含水率壓實(shí)：模型底部是水泥板（見(jiàn)圖3）（易于對(duì)模型加工且保證在搬運(yùn)過(guò)程中模型不易變形或破壞）。將土倒在水泥板上，用木質(zhì)邊框固定。分層壓實(shí)，并加生石灰使其更易壓實(shí)。 5.2路面基層水泥：骨料=5%，厚度 1 cm

15、 （見(jiàn)圖4）。 5.3 路面面層自制鋁合金邊框：長(zhǎng)1m ，寬 0.3m，厚 0.02m；塑料隔板：長(zhǎng)0.25m，寬0.15m，高0.02m；澆注：加橫向，縱向或豎向鋼筋后對(duì)每小塊分步澆注。  圖3 路基模型制作 圖4路面基層模型制作 圖5路面面層模型制作5.4 養(yǎng)護(hù)每天早晚澆水，并用塑料薄膜蓋好。 6.振動(dòng)實(shí)驗(yàn)及配合比的優(yōu)選 為了驗(yàn)證制作水泥混凝土路面受震情況，因此對(duì)模型進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)是將養(yǎng)護(hù)28天后的模型放入振動(dòng)臺(tái)的支撐框架內(nèi)，開(kāi)動(dòng)機(jī)器進(jìn)行振動(dòng)（如圖6所示），實(shí)驗(yàn)表明，振動(dòng)后路面模型有不同的變形及裂縫（見(jiàn)圖7），經(jīng)過(guò)振動(dòng)，路面

16、與路基之間的松脫現(xiàn)象十分明顯，同時(shí)路基破壞要比路面要嚴(yán)重。而路面是在路基破壞之后才產(chǎn)生的。但路面的破                圖6 震動(dòng)試驗(yàn) 圖7 破壞現(xiàn)象根據(jù)變形情況、破壞程度及經(jīng)濟(jì)因素，選擇表3中第3組,如表4所示配合比的水泥混凝土加立筋的組合。其配合比以用單位質(zhì)量的水泥與各種材料用量的比值表示的配合比為m(水):m(水泥):m(砂):m(碎石)=0.40:1.00:1.55:3.46，水灰比:W/C=0.40作為抗震設(shè)計(jì)路面類(lèi)型。該類(lèi)

17、型施工方便，經(jīng)濟(jì)型較好，且對(duì)地震影響有減緩作用。表4 選用配合比Table 4 Selection mix混凝土類(lèi)型水泥標(biāo)號(hào)設(shè)計(jì)強(qiáng)度模型個(gè)數(shù)水水泥砂碎石（卵石）)碎石425R5.0(MPa）10.401.001.553.46（ ）7.結(jié)論及建議通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)我們確定了如表4所示的配合比作為參考配合比,其抗震強(qiáng)度可達(dá)公路水泥混泥土路面設(shè)計(jì)規(guī)范重交通的要求,對(duì)地震有減緩作用,且施工方便,經(jīng)濟(jì)效益好。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)也得知在振動(dòng)過(guò)程中，路基的變形要早于路面，路基與路面之間的松脫現(xiàn)象也十分明顯。 根據(jù)試驗(yàn)及實(shí)際情況的調(diào)查，在地震中，路面尤其是水泥混凝土的破壞在填挖方不大的很多情況下將直接導(dǎo)

18、致道路的通行受阻，為道路的保通帶來(lái)不利的影響，因此，確定最不宜受損,同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也較好的路面形式也是十分必要的。 參考文獻(xiàn)1. 鄧初首，道路混凝土原材料的選用與抗折強(qiáng)度影響因素的探討J.四川建筑科學(xué)研究，第二期，20052. 江守一郎等著，模型實(shí)驗(yàn)的理論和應(yīng)用M,北京:科學(xué)出版社19843. 竇斌，吳翔，蔣國(guó)盛等，互錨式薄壁擋土墻高路堤結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究及應(yīng)用M。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2006，4. 李宗森,余萍,胡孝平，相似理論在混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J,國(guó)外建材科技，2008 年第29 卷第1 期，5. 韋璐, 張雪冰，相似理論在水泥混凝土路面試驗(yàn)研究中的應(yīng)用J,市政·交通·水利工程設(shè)計(jì)，2007，086. 姚祖康.水泥混凝土路面設(shè)計(jì)理論和方法M.北京：人民交通出版社，20037. 姚祖康.水泥混凝土路面設(shè)計(jì)M. 合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1999.8. 崔廣心.相似理論與模型試驗(yàn)M.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1990.9. 劉義虎，楊果林，黃向京.干濕循環(huán)作用下水對(duì)膨脹土路基破壞機(jī)理的試驗(yàn)研究J.中外公路，2006,26 (3).【10】肖金平Journal of sino-foreign h