舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法研究

1、河南科學(xué)第22卷第5期Vol 122No. 52004年10月Oct. 2004HENAN SCIENCE文章編號(hào):100423918(2004 0520669204舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法研究陳峙峰(周口市公路管理局, 河南周口466000摘要:針對舊水泥混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn), 通過理論分析和試驗(yàn)研究, 提出了以控制彎沉差和補(bǔ)強(qiáng)層疲勞斷裂為基本方法, 并以公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范為驗(yàn)算方法來確定舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)層厚度的多指標(biāo)設(shè)計(jì)方法。實(shí)際應(yīng)用表明, 該設(shè)計(jì)方法具有較好的實(shí)用效果。關(guān)鍵詞:舊混凝土路面; 補(bǔ)強(qiáng)層; 彎沉差; 斷裂中圖分類號(hào):U 416. 01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A水泥混凝土路

2、面在我國得到了廣泛的應(yīng)用, 修筑的總里程已近13萬公里。但是, 近年來由于交通量的大幅度增加和汽車載重量的急劇增長等原因, 許多水泥混凝土路面出現(xiàn)了破壞, 需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)改建。研究舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法, 解決工程實(shí)際中的問題, 已成為道路工程領(lǐng)域的重要課題之一。國外對舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的研究開展較早, 并在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法, 如AASHTO 法、COE 經(jīng)驗(yàn)法、A I 法、ARE 法等1。這些方法與我國路面設(shè)計(jì)理論相差較大, 無法直接應(yīng)用, 只能在理論分析的基礎(chǔ)上參考借鑒。我國現(xiàn)行的水泥混凝土路面規(guī)范對舊水泥混凝土路面上加鋪水泥混凝土或鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)作了

3、簡單的規(guī)定2, 但對舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)還沒有給出具體的設(shè)計(jì)方法, 需要進(jìn)一步的理論分析和試驗(yàn)研究, 以形成體系指導(dǎo)設(shè)計(jì)。本文在路面使用狀況評價(jià)及力學(xué)分析的基礎(chǔ)上, 借鑒已有的水泥混凝土路面加鋪層設(shè)計(jì)方法, 提出了以控制彎沉差和補(bǔ)強(qiáng)層疲勞斷裂為基本方法, 以公路瀝青路面設(shè)計(jì)3規(guī)范為驗(yàn)算方法的多指標(biāo)舊水泥混凝土路面的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法。通過實(shí)際工程應(yīng)用, 取得了較好的效果。1多指標(biāo)舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法在行車荷載和溫度變化的共同作用下, 舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)層的主要破壞形式是斷裂破壞, 包括舊板縫隙處由彎沉差引起的斷裂和在荷載反復(fù)作用下引起的疲勞開裂。針對舊水泥混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn), 在現(xiàn)

4、有加鋪層結(jié)構(gòu)性能研究成果的基礎(chǔ)上, 本文以控制彎沉差和補(bǔ)強(qiáng)層疲勞斷裂為基本方法, 并以公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范為驗(yàn)算方法來確定補(bǔ)強(qiáng)層的厚度。1. 1以板裂縫處彎沉差為控制指標(biāo)定義容許彎沉差l r 為舊水泥混凝土路面上加鋪半剛性基層瀝青路面在使用年限末期的最不利季節(jié), 在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下容許出現(xiàn)的板縫隙處最大彎沉差。根據(jù)美國A I 法標(biāo)準(zhǔn)1, 舊水泥混凝土路面上半剛性基層瀝青路面的容許彎沉差l r 應(yīng)滿足以下條件l r =(W L -W U 0. 05mm (1設(shè)計(jì)彎沉差l d 可通過相對彎沉系數(shù)A r 來確定3。A r 隨使用年限而變化。設(shè)計(jì)年限按10年30年考慮, 則A r =1. 3121. 4

5、12。因此, 設(shè)計(jì)彎沉差為l d =l r /A r =0. 0350. 038mm 。根據(jù)力學(xué)分析, 補(bǔ)強(qiáng)層底面的彎沉差, 隨著補(bǔ)強(qiáng)層厚度增加而線性減小, 減小幅度約為4. 0%6. 0%/cm , 平均為5. 0%/cm 。結(jié)合國內(nèi)外已有的試驗(yàn)研究成果, 兼顧安全性, 在設(shè)計(jì)時(shí)按每厘米厚補(bǔ)強(qiáng)層可減少板裂縫處彎沉差為4. 0%進(jìn)行計(jì)算。若實(shí)測的舊水泥混凝土路面代表彎沉差為l s , 則補(bǔ)強(qiáng)層厚度h 1為l (2 h 1=l s 4. 01. 2以板裂縫處補(bǔ)強(qiáng)層斷裂為控制指標(biāo)在荷載作用下, 補(bǔ)強(qiáng)層在舊板縫隙處有可能產(chǎn)生折斷, 因此, 以板裂縫處補(bǔ)強(qiáng)斷裂為臨界破壞狀態(tài), 及補(bǔ)收稿日期:20042

6、05218基金項(xiàng)目:河南省交通廳科研項(xiàng)目(2001P213作者簡介:陳峙峰(19712 , 男, 河南周口人, 周口市公路管理局工程師, 碩士, 主要從事公路工程方面的勘查設(shè)計(jì)工作。670河南科學(xué)第22卷第5期強(qiáng)層層底拉應(yīng)力應(yīng)小于材料的容許抗拉強(qiáng)度。所以, 補(bǔ)強(qiáng)層厚度設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)之二為補(bǔ)強(qiáng)層層底最大拉應(yīng)力m 不超過該層材料的容許拉應(yīng)力R , 即(3 m R考慮荷載反復(fù)作用下, 補(bǔ)強(qiáng)層會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞, 因此, 根據(jù)文3中的規(guī)定, 半剛性基層的容許拉應(yīng)力是由抗折強(qiáng)度sp 表征的, 其計(jì)算公式為R =(4 sp /K s0. 11式中, K s 為抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)。對于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料類, K s

7、 =0. 35Ne /A c ; A c 為公路等級系數(shù)。高速公路、一級公路為1. 0, 二級公路為1. 1, 三、四級公路為1. 2。針對不同補(bǔ)強(qiáng)層厚度和模量, 通過有限元分析, 根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制了應(yīng)力圖。圖1和圖2表示當(dāng)控制舊板裂縫處彎沉差分別為0. 038mm 和0. 035mm 時(shí)縫隙處補(bǔ)強(qiáng)層底部的等效應(yīng)力 。圖1彎沉差為0. 038mm 時(shí)的應(yīng)力圖Fig. 1Stress with deflection difference 0. 038mm 圖2彎沉差為0. 035mm 時(shí)的應(yīng)力圖Fig. 2Stress with deflection difference 0. 035mm對擬采

8、用的補(bǔ)強(qiáng)層材料和面層材料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn), 測得材料的抗壓模量和抗拉強(qiáng)度。由于應(yīng)力圖繪制沒有考慮面層的影響, 因此, 查應(yīng)力圖時(shí)需要修正補(bǔ)強(qiáng)層模量。模量修正時(shí), 先預(yù)估一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)層厚度h j , 按下式進(jìn)行E j =E h j +E h mh j +h m 333(5補(bǔ)強(qiáng)層厚度的具體計(jì)算過程如下:(1 抗拉強(qiáng)度, 按式(4 確定抗拉強(qiáng)度R ;(2 預(yù)估補(bǔ)強(qiáng)層厚度h j , 根據(jù)式(5 確定E j ;(3 根據(jù)E j 和R , 以及設(shè)計(jì)彎沉差, 查相應(yīng)的應(yīng)力圖, 確定補(bǔ)強(qiáng)層厚度h 2, 并與h j 比較, 如果兩者相差較大, 則重新返回到第二步計(jì)算E j , 此時(shí)取h j =h 2, 再查應(yīng)力圖確定h

9、 2, 直到與預(yù)估基本一致為止。1. 3以公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范法為驗(yàn)算指標(biāo)上述兩項(xiàng)控制指標(biāo)主要針對舊板裂縫對補(bǔ)強(qiáng)層帶來的破壞?？紤]到現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)理論和方法, 舊混凝土路面上鋪筑半剛性基層瀝青路面還應(yīng)該滿足公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求, 即以瀝青面層設(shè)計(jì)彎沉為指標(biāo)及各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力為驗(yàn)算指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)層厚度的設(shè)計(jì)。因此, 舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)之三是采用公路瀝青路面設(shè)計(jì)方法中的控制指標(biāo)。路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型可以簡化為兩種。模型是把舊水泥混凝土或者破碎板當(dāng)作補(bǔ)強(qiáng)路面的底基層, 原水泥混凝土路面基層、底基層及土基當(dāng)作補(bǔ)強(qiáng)路面的基礎(chǔ), 如圖3所示; 模型是把舊水泥混凝土板以及原水

10、泥混凝土路面基層、底基層及土基當(dāng)作補(bǔ)強(qiáng)路面的基礎(chǔ), 如圖4所示。按模型進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì), 具體設(shè)計(jì)步驟為:(1 確定舊水泥混凝土板下土基、基層的綜合回彈模量;(2 確定舊水泥混凝土板的計(jì)算回彈模量與厚度;(3 補(bǔ)強(qiáng)層作為設(shè)計(jì)層, 按新建半剛性基層瀝青路面設(shè)計(jì)方法確定補(bǔ)強(qiáng)層厚度。按模型進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí), 模型中的(1 (2 兩步可以合并為一步, 即確定包括舊水泥混凝土及板下土 圖3簡化為四層體系的計(jì)算圖示Fig. 3Configuration of four -courses pavement 圖4簡化為三層體系的計(jì)算圖示Fig. 4Configuration of three -courses pa

11、vement基、基層三者組成的基礎(chǔ)回彈模量值。由此可見, 經(jīng)過上述的簡化, 舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)問題就轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)參數(shù)確定問題, 即土基綜合回彈模量、底基層回彈模量和厚度問題。由于按模型進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)步驟較模型簡單, 故下面簡單介紹基礎(chǔ)回彈模量E 0的確定方法。2根據(jù)公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于基頂當(dāng)量回彈模量的確定方法, 利用彈性層狀理論, 將多層體系換算成當(dāng)量的均質(zhì)體系。模型中可以把舊水泥混凝土板下的基層、底基層和土基通過承載板法或模量反算得到土基綜合模量E 根據(jù)文4的研究結(jié)果, 雙層路面結(jié)構(gòu)中地0, 然后根據(jù)E c 及h c 予以換算?；斆娈?dāng)量回彈模量的換算可采用下述公式E 0=n

12、 E 0-0. 031ln n =0. 356ln (E c /E 0 +0. 703ln (h c /(6式中, 為荷載作用面積的半徑, 取=15cm ; h c 為舊板的厚度(cm ; E c 為舊板的模量(MPa ; E 0為舊板下基層、底基層和土基的綜合回彈模量; E 0為模型中的基礎(chǔ)理論模量(MPa 。由于上述的換算沒有考慮舊板與基礎(chǔ)可能存在的脫空, 以及舊板裂縫的影響, 基礎(chǔ)理論模量勢必比實(shí)際結(jié)果要大, 因此需要對上述的E 根據(jù)規(guī)范2中的規(guī)定, 引入折減系數(shù)如表1所示。0作折減。表1不同補(bǔ)強(qiáng)層厚度時(shí)的折減系數(shù)C fTable 1Depreciation coefficient C

13、f for variable thicken of strengthening course補(bǔ)強(qiáng)層厚度(cm 折減系數(shù)C 120. 20. 3140. 30. 4160. 40. 5180. 50. 6200. 60. 7220. 70. 8因此, 采用模型進(jìn)行計(jì)算時(shí), 基礎(chǔ)模量E 0可按下式確定E 0=n C f E 0根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果, 舊混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)層的設(shè)計(jì)厚度h d 可按下式確定:h d =max h 1, h 2, h 3(7 (82試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)試驗(yàn)段位于周口市交通路K284+700285+700, 補(bǔ)強(qiáng)層采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石, 其模量為1400MPa , 抗折強(qiáng)度為1.

14、 35MPa , 劈裂強(qiáng)度為0. 9MPa ; 瀝青面層采用4cmAC -13,20時(shí)模量為1500MPa , 15時(shí)1800MPa , 劈裂強(qiáng)度為1. 1MPa 。交通量換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載后每車道為1765次/日, 交通量年平均增長率為12%, 設(shè)計(jì)年限為12年。經(jīng)過實(shí)測, 舊混凝土板的模量為25000MPa , 板厚度為21. 3cm , 實(shí)測抗拉強(qiáng)度為4. 356MPa , 混凝土板裂縫處的彎沉差按一倍標(biāo)準(zhǔn)差保證率取0. 165mm , 基頂回彈模量為87MPa 。根據(jù)設(shè)計(jì)資料, 該路段在設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次約為N e =264. 3萬次。根據(jù)規(guī)范3中的規(guī)定, 該路段屬于二級公路, 其瀝青

15、混凝土面層厚度可取4cm 。關(guān)于補(bǔ)強(qiáng)層的厚度按照上述方法進(jìn)行確定。2. 1以板裂縫處彎沉差為控制指標(biāo)考慮到該路段等級為二級公路, A r 可取下限, 故設(shè)計(jì)彎沉差為0. 038mm 。由于實(shí)測的舊水泥混凝土板路面代表彎沉差l s =0. 165mm , 根據(jù)式(2 計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)層的厚度h 1為19. 24cm ?？紤]到4cm 瀝青面層對補(bǔ)強(qiáng)層的貢獻(xiàn), 且面層的模量與補(bǔ)強(qiáng)層的模量相近, 可假定面層厚度貢獻(xiàn)按折半考慮, 補(bǔ)強(qiáng)層厚度可取為18cm 。2. 2以板裂縫處補(bǔ)強(qiáng)層斷裂為控制指標(biāo)根據(jù)設(shè)計(jì)資料, 可以確定水泥穩(wěn)定碎石基層材料的容許抗拉強(qiáng)度R 為0. 902MPa ?？紤]到面層厚度對降低補(bǔ)強(qiáng)層底部抗

16、拉應(yīng)力的貢獻(xiàn), 而應(yīng)力圖繪制沒有考慮面層的影響, 故按公式(5 對補(bǔ)強(qiáng)層模量予以修正。若預(yù)估補(bǔ)強(qiáng)層厚度為14cm , 則E 根據(jù)E j 約為1425MPa 。j 和R , 以及設(shè)計(jì)彎沉差, 查應(yīng)力圖1, 可得補(bǔ)強(qiáng)層厚度h 2為14. 8cm 。2. 3以公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范法為驗(yàn)算指標(biāo)按照圖4中的路面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析。根據(jù)設(shè)計(jì)資料, 若假定補(bǔ)強(qiáng)層的厚度為14cm , 可以確定由舊水泥混凝土面板及板下土基、基層三者組成的基礎(chǔ)回彈模量E 0為256MPa 。由此可以得到滿足彎沉指標(biāo)的補(bǔ)強(qiáng)層厚度為11. 5cm , 與預(yù)估補(bǔ)強(qiáng)層厚度14cm 不相符, 所以需要調(diào)整補(bǔ)強(qiáng)層厚度。再次假設(shè)補(bǔ)強(qiáng)層厚度為

17、13cm , 查表1, 取C f =0. 27。此時(shí)E 0=230MPa 。重新計(jì)算可得補(bǔ)強(qiáng)層厚度為13. 2cm , 此結(jié)果與假設(shè)補(bǔ)強(qiáng)層厚度相近。所以, 以公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范法為驗(yàn)算指標(biāo), 補(bǔ)強(qiáng)層厚度h 3為13cm 。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果, 由式(8 可得補(bǔ)強(qiáng)層的設(shè)計(jì)厚度h d 為18cm 。其面層厚度為4cm 。該試驗(yàn)路段經(jīng)過一年多的通車運(yùn)行, 使用效果良好。通過上述分析與計(jì)算可以看出, 按不同設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)層厚度將得到不同的結(jié)果, 其中以板縫彎沉差為控制指標(biāo)所得補(bǔ)強(qiáng)層厚度為最大, 以公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范法計(jì)算值較小, 也就是說補(bǔ)強(qiáng)路面有可能因板縫彎沉差過大而造成位移剪切破壞, 所以應(yīng)控

18、制板縫彎沉差不超過設(shè)計(jì)彎沉差。3結(jié)論針對舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的特點(diǎn), 通過理論分析和試驗(yàn)研究, 并借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有的加鋪層設(shè)計(jì)方法, 提出的以控制彎沉差和補(bǔ)強(qiáng)層疲勞斷裂為基礎(chǔ), 以公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范為驗(yàn)算方法的舊水泥混凝土路面補(bǔ)強(qiáng)的多指標(biāo)設(shè)計(jì)方法, 可以有效控制補(bǔ)強(qiáng)后瀝青路面出現(xiàn)的各種破壞, 從而為舊水泥混凝土路面的維修和改造提供了技術(shù)依據(jù)。參考文獻(xiàn):1黃仰賢. 路面分析與設(shè)計(jì)M .北京:人民交通出版社,1998.2J TJ012-94, 公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范S.3J TJ014-97, 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范S.4姜愛鋒, 姚祖康. 路面結(jié)構(gòu)中地基頂面當(dāng)量回彈模量的換算J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(5 :536-540.Strengthening design method study of existing cement concrete pavementCHEN Shi 2feng(Zhoukou