舊水泥混凝土路面補強設計方法研究

1、河南科學第22卷第5期Vol 122No. 52004年10月Oct. 2004HENAN SCIENCE文章編號:100423918(2004 0520669204舊水泥混凝土路面補強設計方法研究陳峙峰(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, 通過理論分析和試驗研究, 提出了以控制彎沉差和補強層疲勞斷裂為基本方法, 并以公路瀝青路面設計規(guī)范為驗算方法來確定舊水泥混凝土路面補強層厚度的多指標設計方法。實際應用表明, 該設計方法具有較好的實用效果。關鍵詞:舊混凝土路面; 補強層; 彎沉差; 斷裂中圖分類號:U 416. 01文獻標識碼:A水泥混凝土路

2、面在我國得到了廣泛的應用, 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, 需要進行補強改建。研究舊水泥混凝土路面補強設計方法, 解決工程實際中的問題, 已成為道路工程領域的重要課題之一。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, 并在大量試驗基礎上提出了相應的設計方法, 如AASHTO 法、COE 經(jīng)驗法、A I 法、ARE 法等1。這些方法與我國路面設計理論相差較大, 無法直接應用, 只能在理論分析的基礎上參考借鑒。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計作了

3、簡單的規(guī)定2, 但對舊水泥混凝土路面補強還沒有給出具體的設計方法, 需要進一步的理論分析和試驗研究, 以形成體系指導設計。本文在路面使用狀況評價及力學分析的基礎上, 借鑒已有的水泥混凝土路面加鋪層設計方法, 提出了以控制彎沉差和補強層疲勞斷裂為基本方法, 以公路瀝青路面設計3規(guī)范為驗算方法的多指標舊水泥混凝土路面的補強設計方法。通過實際工程應用, 取得了較好的效果。1多指標舊水泥混凝土路面補強設計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強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, 在現(xiàn)

4、有加鋪層結(jié)構(gòu)性能研究成果的基礎上, 本文以控制彎沉差和補強層疲勞斷裂為基本方法, 并以公路瀝青路面設計規(guī)范為驗算方法來確定補強層的厚度。1. 1以板裂縫處彎沉差為控制指標定義容許彎沉差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), 在標準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 法標準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 應滿足以下條件l r =(W L -W U 0. 05mm (1設計彎沉差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。設計年限按10年30年考慮, 則A r =1. 3121. 4

5、12。因此, 設計彎沉差為l d =l r /A r =0. 0350. 038mm 。根據(jù)力學分析, 補強層底面的彎沉差, 隨著補強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)外已有的試驗研究成果, 兼顧安全性, 在設計時按每厘米厚補強層可減少板裂縫處彎沉差為4. 0%進行計算。若實測的舊水泥混凝土路面代表彎沉差為l s , 則補強層厚度h 1為l (2 h 1=l s 4. 01. 2以板裂縫處補強層斷裂為控制指標在荷載作用下, 補強層在舊板縫隙處有可能產(chǎn)生折斷, 因此, 以板裂縫處補強斷裂為臨界破壞狀態(tài), 及補收稿日期:20042

6、05218基金項目:河南省交通廳科研項目(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計工作。670河南科學第22卷第5期強層層底拉應力應小于材料的容許抗拉強度。所以, 補強層厚度設計控制標準之二為補強層層底最大拉應力m 不超過該層材料的容許拉應力R , 即(3 m R考慮荷載反復作用下, 補強層會出現(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力是由抗折強度sp 表征的, 其計算公式為R =(4 sp /K s0. 11式中, K s 為抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。對于無機結(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。針對不同補強層厚度和模量, 通過有限元分析, 根據(jù)計算結(jié)果繪制了應力圖。圖1和圖2表示當控制舊板裂縫處彎沉差分別為0. 038mm 和0. 035mm 時縫隙處補強層底部的等效應力 。圖1彎沉差為0. 038mm 時的應力圖Fig. 1Stress with deflection difference 0. 038mm 圖2彎沉差為0. 035mm 時的應力圖Fig. 2Stress with deflection difference 0. 035mm對擬采

8、用的補強層材料和面層材料進行室內(nèi)試驗, 測得材料的抗壓模量和抗拉強度。由于應力圖繪制沒有考慮面層的影響, 因此, 查應力圖時需要修正補強層模量。模量修正時, 先預估一個補強層厚度h j , 按下式進行E j =E h j +E h mh j +h m 333(5補強層厚度的具體計算過程如下:(1 抗拉強度, 按式(4 確定抗拉強度R ;(2 預估補強層厚度h j , 根據(jù)式(5 確定E j ;(3 根據(jù)E j 和R , 以及設計彎沉差, 查相應的應力圖, 確定補強層厚度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算E j , 此時取h j =h 2, 再查應力圖確定h

9、 2, 直到與預估基本一致為止。1. 3以公路瀝青路面設計規(guī)范法為驗算指標上述兩項控制指標主要針對舊板裂縫對補強層帶來的破壞?？紤]到現(xiàn)行的瀝青路面設計理論和方法, 舊混凝土路面上鋪筑半剛性基層瀝青路面還應該滿足公路瀝青路面設計規(guī)范中設計指標的要求, 即以瀝青面層設計彎沉為指標及各結(jié)構(gòu)層層底拉應力為驗算指標進行補強層厚度的設計。因此, 舊水泥混凝土路面補強設計控制指標之三是采用公路瀝青路面設計方法中的控制指標。路面結(jié)構(gòu)的計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作補強路面的底基層, 原水泥混凝土路面基層、底基層及土基當作補強路面的基礎, 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、底基層及土基當作補強路面的基礎, 如圖4所示。按模型進行補強設計, 具體設計步驟為:(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算回彈模量與厚度;(3 補強層作為設計層, 按新建半剛性基層瀝青路面設計方法確定補強層厚度。按模型進行補強設計時, 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算圖示Fig. 3Configuration of four -courses pavement 圖4簡化為三層體系的計算圖示Fig. 4Configuration of three -courses pa

11、vement基、基層三者組成的基礎回彈模量值。由此可見, 經(jīng)過上述的簡化, 舊水泥混凝土路面補強設計問題就轉(zhuǎn)化為設計參數(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。由于按模型進行補強設計步驟較模型簡單, 故下面簡單介紹基礎回彈模量E 0的確定方法。2根據(jù)公路水泥混凝土路面設計規(guī)范中關于基頂當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?；斆娈斄炕貜椖Ａ康膿Q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為模型中的基礎理論模量(MPa 。由于上述的換算沒有考慮舊板與基礎可能存在的脫空, 以及舊板裂縫的影響, 基礎理論模量勢必比實際結(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不同補強層厚度時的折減系數(shù)C fTable 1Depreciation coefficient C

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

14、 35MPa , 劈裂強度為0. 9MPa ; 瀝青面層采用4cmAC -13,20時模量為1500MPa , 15時1800MPa , 劈裂強度為1. 1MPa 。交通量換算為標準軸載后每車道為1765次/日, 交通量年平均增長率為12%, 設計年限為12年。經(jīng)過實測, 舊混凝土板的模量為25000MPa , 板厚度為21. 3cm , 實測抗拉強度為4. 356MPa , 混凝土板裂縫處的彎沉差按一倍標準差保證率取0. 165mm , 基頂回彈模量為87MPa 。根據(jù)設計資料, 該路段在設計年限內(nèi)累計標準軸次約為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 。關于補強層的厚度按照上述方法進行確定。2. 1以板裂縫處彎沉差為控制指標考慮到該路段等級為二級公路, A r 可取下限, 故設計彎沉差為0. 038mm 。由于實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 計算補強層的厚度h 1為19. 24cm ?？紤]到4cm 瀝青面層對補強層的貢獻, 且面層的模量與補強層的模量相近, 可假定面層厚度貢獻按折半考慮, 補強層厚度可取為18cm 。2. 2以板裂縫處補強層斷裂為控制指標根據(jù)設計資料, 可以確定水泥穩(wěn)定碎石基層材料的容許抗拉強度R 為0. 902MPa ?？紤]到面層厚度對降低補強層底部抗

16、拉應力的貢獻, 而應力圖繪制沒有考慮面層的影響, 故按公式(5 對補強層模量予以修正。若預估補強層厚度為14cm , 則E 根據(jù)E j 約為1425MPa 。j 和R , 以及設計彎沉差, 查應力圖1, 可得補強層厚度h 2為14. 8cm 。2. 3以公路瀝青路面設計規(guī)范法為驗算指標按照圖4中的路面結(jié)構(gòu)模型進行計算分析。根據(jù)設計資料, 若假定補強層的厚度為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回彈模量E 0為256MPa 。由此可以得到滿足彎沉指標的補強層厚度為11. 5cm , 與預估補強層厚度14cm 不相符, 所以需要調(diào)整補強層厚度。再次假設補強層厚度為

17、13cm , 查表1, 取C f =0. 27。此時E 0=230MPa 。重新計算可得補強層厚度為13. 2cm , 此結(jié)果與假設補強層厚度相近。所以, 以公路瀝青路面設計規(guī)范法為驗算指標, 補強層厚度h 3為13cm 。根據(jù)上述計算結(jié)果, 由式(8 可得補強層的設計厚度h d 為18cm 。其面層厚度為4cm 。該試驗路段經(jīng)過一年多的通車運行, 使用效果良好。通過上述分析與計算可以看出, 按不同設計指標計算補強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所得補強層厚度為最大, 以公路瀝青路面設計規(guī)范法計算值較小, 也就是說補強路面有可能因板縫彎沉差過大而造成位移剪切破壞, 所以應控

18、制板縫彎沉差不超過設計彎沉差。3結(jié)論針對舊水泥混凝土路面補強結(jié)構(gòu)層的特點, 通過理論分析和試驗研究, 并借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有的加鋪層設計方法, 提出的以控制彎沉差和補強層疲勞斷裂為基礎, 以公路瀝青路面設計規(guī)范為驗算方法的舊水泥混凝土路面補強的多指標設計方法, 可以有效控制補強后瀝青路面出現(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依據(jù)。參考文獻:1黃仰賢. 路面分析與設計M .北京:人民交通出版社,1998.2J TJ012-94, 公路水泥混凝土路面設計規(guī)范S.3J TJ014-97, 公路瀝青路面設計規(guī)范S.4姜愛鋒, 姚祖康. 路面結(jié)構(gòu)中地基頂面當量回彈模量的換算J.同濟大學學報,2001,29(5 :536-540.Strengthening design method study of existing cement concrete pavementCHEN Shi 2feng(Zhoukou