旧水泥混凝土路面补强设计方法研究

1、河南科学第22卷第5期Vol 122No. 52004年10月Oct. 2004HENAN SCIENCE文章编号:100423918(2004 0520669204旧水泥混凝土路面补强设计方法研究陈峙峰(周口市公路管理局, 河南周口466000摘要:针对旧水泥混凝土路面加铺层结构的特点, 通过理论分析和试验研究, 提出了以控制弯沉差和补强层疲劳断裂为基本方法, 并以公路沥青路面设计规范为验算方法来确定旧水泥混凝土路面补强层厚度的多指标设计方法。实际应用表明, 该设计方法具有较好的实用效果。关键词:旧混凝土路面; 补强层; 弯沉差; 断裂中图分类号:U 416. 01文献标识码:A水泥混凝土路

2、面在我国得到了广泛的应用, 修筑的总里程已近13万公里。但是, 近年来由于交通量的大幅度增加和汽车载重量的急剧增长等原因, 许多水泥混凝土路面出现了破坏, 需要进行补强改建。研究旧水泥混凝土路面补强设计方法, 解决工程实际中的问题, 已成为道路工程领域的重要课题之一。国外对旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构的研究开展较早, 并在大量试验基础上提出了相应的设计方法, 如AASHTO 法、COE 经验法、A I 法、ARE 法等1。这些方法与我国路面设计理论相差较大, 无法直接应用, 只能在理论分析的基础上参考借鉴。我国现行的水泥混凝土路面规范对旧水泥混凝土路面上加铺水泥混凝土或钢纤维混凝土的设计作了

3、简单的规定2, 但对旧水泥混凝土路面补强还没有给出具体的设计方法, 需要进一步的理论分析和试验研究, 以形成体系指导设计。本文在路面使用状况评价及力学分析的基础上, 借鉴已有的水泥混凝土路面加铺层设计方法, 提出了以控制弯沉差和补强层疲劳断裂为基本方法, 以公路沥青路面设计3规范为验算方法的多指标旧水泥混凝土路面的补强设计方法。通过实际工程应用, 取得了较好的效果。1多指标旧水泥混凝土路面补强设计方法在行车荷载和温度变化的共同作用下, 旧水泥混凝土路面补强层的主要破坏形式是断裂破坏, 包括旧板缝隙处由弯沉差引起的断裂和在荷载反复作用下引起的疲劳开裂。针对旧水泥混凝土路面加铺层结构的特点, 在现

4、有加铺层结构性能研究成果的基础上, 本文以控制弯沉差和补强层疲劳断裂为基本方法, 并以公路沥青路面设计规范为验算方法来确定补强层的厚度。1. 1以板裂缝处弯沉差为控制指标定义容许弯沉差l r 为旧水泥混凝土路面上加铺半刚性基层沥青路面在使用年限末期的最不利季节, 在标准轴载作用下容许出现的板缝隙处最大弯沉差。根据美国A I 法标准1, 旧水泥混凝土路面上半刚性基层沥青路面的容许弯沉差l r 应满足以下条件l r =(W L -W U 0. 05mm (1设计弯沉差l d 可通过相对弯沉系数A r 来确定3。A r 随使用年限而变化。设计年限按10年30年考虑, 则A r =1. 3121. 4

5、12。因此, 设计弯沉差为l d =l r /A r =0. 0350. 038mm 。根据力学分析, 补强层底面的弯沉差, 随着补强层厚度增加而线性减小, 减小幅度约为4. 0%6. 0%/cm , 平均为5. 0%/cm 。结合国内外已有的试验研究成果, 兼顾安全性, 在设计时按每厘米厚补强层可减少板裂缝处弯沉差为4. 0%进行计算。若实测的旧水泥混凝土路面代表弯沉差为l s , 则补强层厚度h 1为l (2 h 1=l s 4. 01. 2以板裂缝处补强层断裂为控制指标在荷载作用下, 补强层在旧板缝隙处有可能产生折断, 因此, 以板裂缝处补强断裂为临界破坏状态, 及补收稿日期:20042

6、05218基金项目:河南省交通厅科研项目(2001P213作者简介:陈峙峰(19712 , 男, 河南周口人, 周口市公路管理局工程师, 硕士, 主要从事公路工程方面的勘查设计工作。670河南科学第22卷第5期强层层底拉应力应小于材料的容许抗拉强度。所以, 补强层厚度设计控制标准之二为补强层层底最大拉应力m 不超过该层材料的容许拉应力R , 即(3 m R考虑荷载反复作用下, 补强层会出现疲劳破坏, 因此, 根据文3中的规定, 半刚性基层的容许拉应力是由抗折强度sp 表征的, 其计算公式为R =(4 sp /K s0. 11式中, K s 为抗拉强度结构系数。对于无机结合料稳定集料类, K s

7、 =0. 35Ne /A c ; A c 为公路等级系数。高速公路、一级公路为1. 0, 二级公路为1. 1, 三、四级公路为1. 2。针对不同补强层厚度和模量, 通过有限元分析, 根据计算结果绘制了应力图。图1和图2表示当控制旧板裂缝处弯沉差分别为0. 038mm 和0. 035mm 时缝隙处补强层底部的等效应力 。图1弯沉差为0. 038mm 时的应力图Fig. 1Stress with deflection difference 0. 038mm 图2弯沉差为0. 035mm 时的应力图Fig. 2Stress with deflection difference 0. 035mm对拟采

8、用的补强层材料和面层材料进行室内试验, 测得材料的抗压模量和抗拉强度。由于应力图绘制没有考虑面层的影响, 因此, 查应力图时需要修正补强层模量。模量修正时, 先预估一个补强层厚度h j , 按下式进行E j =E h j +E h mh j +h m 333(5补强层厚度的具体计算过程如下:(1 抗拉强度, 按式(4 确定抗拉强度R ;(2 预估补强层厚度h j , 根据式(5 确定E j ;(3 根据E j 和R , 以及设计弯沉差, 查相应的应力图, 确定补强层厚度h 2, 并与h j 比较, 如果两者相差较大, 则重新返回到第二步计算E j , 此时取h j =h 2, 再查应力图确定h

9、 2, 直到与预估基本一致为止。1. 3以公路沥青路面设计规范法为验算指标上述两项控制指标主要针对旧板裂缝对补强层带来的破坏。考虑到现行的沥青路面设计理论和方法, 旧混凝土路面上铺筑半刚性基层沥青路面还应该满足公路沥青路面设计规范中设计指标的要求, 即以沥青面层设计弯沉为指标及各结构层层底拉应力为验算指标进行补强层厚度的设计。因此, 旧水泥混凝土路面补强设计控制指标之三是采用公路沥青路面设计方法中的控制指标。路面结构的计算模型可以简化为两种。模型是把旧水泥混凝土或者破碎板当作补强路面的底基层, 原水泥混凝土路面基层、底基层及土基当作补强路面的基础, 如图3所示; 模型是把旧水泥混凝土板以及原水

10、泥混凝土路面基层、底基层及土基当作补强路面的基础, 如图4所示。按模型进行补强设计, 具体设计步骤为:(1 确定旧水泥混凝土板下土基、基层的综合回弹模量;(2 确定旧水泥混凝土板的计算回弹模量与厚度;(3 补强层作为设计层, 按新建半刚性基层沥青路面设计方法确定补强层厚度。按模型进行补强设计时, 模型中的(1 (2 两步可以合并为一步, 即确定包括旧水泥混凝土及板下土 图3简化为四层体系的计算图示Fig. 3Configuration of four -courses pavement 图4简化为三层体系的计算图示Fig. 4Configuration of three -courses pa

11、vement基、基层三者组成的基础回弹模量值。由此可见, 经过上述的简化, 旧水泥混凝土路面补强设计问题就转化为设计参数确定问题, 即土基综合回弹模量、底基层回弹模量和厚度问题。由于按模型进行补强设计步骤较模型简单, 故下面简单介绍基础回弹模量E 0的确定方法。2根据公路水泥混凝土路面设计规范中关于基顶当量回弹模量的确定方法, 利用弹性层状理论, 将多层体系换算成当量的均质体系。模型中可以把旧水泥混凝土板下的基层、底基层和土基通过承载板法或模量反算得到土基综合模量E 根据文4的研究结果, 双层路面结构中地0, 然后根据E c 及h c 予以换算。基顶面当量回弹模量的换算可采用下述公式E 0=n

12、 E 0-0. 031ln n =0. 356ln (E c /E 0 +0. 703ln (h c /(6式中, 为荷载作用面积的半径, 取=15cm ; h c 为旧板的厚度(cm ; E c 为旧板的模量(MPa ; E 0为旧板下基层、底基层和土基的综合回弹模量; E 0为模型中的基础理论模量(MPa 。由于上述的换算没有考虑旧板与基础可能存在的脱空, 以及旧板裂缝的影响, 基础理论模量势必比实际结果要大, 因此需要对上述的E 根据规范2中的规定, 引入折减系数如表1所示。0作折减。表1不同补强层厚度时的折减系数C fTable 1Depreciation coefficient C

13、f for variable thicken of strengthening course补强层厚度(cm 折减系数C 120. 20. 3140. 30. 4160. 40. 5180. 50. 6200. 60. 7220. 70. 8因此, 采用模型进行计算时, 基础模量E 0可按下式确定E 0=n C f E 0根据以上的计算结果, 旧混凝土路面补强层的设计厚度h d 可按下式确定:h d =max h 1, h 2, h 3(7 (82试验路段设计试验段位于周口市交通路K284+700285+700, 补强层采用骨架密实结构水泥稳定碎石, 其模量为1400MPa , 抗折强度为1.

14、 35MPa , 劈裂强度为0. 9MPa ; 沥青面层采用4cmAC -13,20时模量为1500MPa , 15时1800MPa , 劈裂强度为1. 1MPa 。交通量换算为标准轴载后每车道为1765次/日, 交通量年平均增长率为12%, 设计年限为12年。经过实测, 旧混凝土板的模量为25000MPa , 板厚度为21. 3cm , 实测抗拉强度为4. 356MPa , 混凝土板裂缝处的弯沉差按一倍标准差保证率取0. 165mm , 基顶回弹模量为87MPa 。根据设计资料, 该路段在设计年限内累计标准轴次约为N e =264. 3万次。根据规范3中的规定, 该路段属于二级公路, 其沥青

15、混凝土面层厚度可取4cm 。关于补强层的厚度按照上述方法进行确定。2. 1以板裂缝处弯沉差为控制指标考虑到该路段等级为二级公路, A r 可取下限, 故设计弯沉差为0. 038mm 。由于实测的旧水泥混凝土板路面代表弯沉差l s =0. 165mm , 根据式(2 计算补强层的厚度h 1为19. 24cm 。考虑到4cm 沥青面层对补强层的贡献, 且面层的模量与补强层的模量相近, 可假定面层厚度贡献按折半考虑, 补强层厚度可取为18cm 。2. 2以板裂缝处补强层断裂为控制指标根据设计资料, 可以确定水泥稳定碎石基层材料的容许抗拉强度R 为0. 902MPa 。考虑到面层厚度对降低补强层底部抗

16、拉应力的贡献, 而应力图绘制没有考虑面层的影响, 故按公式(5 对补强层模量予以修正。若预估补强层厚度为14cm , 则E 根据E j 约为1425MPa 。j 和R , 以及设计弯沉差, 查应力图1, 可得补强层厚度h 2为14. 8cm 。2. 3以公路沥青路面设计规范法为验算指标按照图4中的路面结构模型进行计算分析。根据设计资料, 若假定补强层的厚度为14cm , 可以确定由旧水泥混凝土面板及板下土基、基层三者组成的基础回弹模量E 0为256MPa 。由此可以得到满足弯沉指标的补强层厚度为11. 5cm , 与预估补强层厚度14cm 不相符, 所以需要调整补强层厚度。再次假设补强层厚度为

17、13cm , 查表1, 取C f =0. 27。此时E 0=230MPa 。重新计算可得补强层厚度为13. 2cm , 此结果与假设补强层厚度相近。所以, 以公路沥青路面设计规范法为验算指标, 补强层厚度h 3为13cm 。根据上述计算结果, 由式(8 可得补强层的设计厚度h d 为18cm 。其面层厚度为4cm 。该试验路段经过一年多的通车运行, 使用效果良好。通过上述分析与计算可以看出, 按不同设计指标计算补强层厚度将得到不同的结果, 其中以板缝弯沉差为控制指标所得补强层厚度为最大, 以公路沥青路面设计规范法计算值较小, 也就是说补强路面有可能因板缝弯沉差过大而造成位移剪切破坏, 所以应控

18、制板缝弯沉差不超过设计弯沉差。3结论针对旧水泥混凝土路面补强结构层的特点, 通过理论分析和试验研究, 并借鉴国内外现有的加铺层设计方法, 提出的以控制弯沉差和补强层疲劳断裂为基础, 以公路沥青路面设计规范为验算方法的旧水泥混凝土路面补强的多指标设计方法, 可以有效控制补强后沥青路面出现的各种破坏, 从而为旧水泥混凝土路面的维修和改造提供了技术依据。参考文献:1黄仰贤. 路面分析与设计M .北京:人民交通出版社,1998.2J TJ012-94, 公路水泥混凝土路面设计规范S.3J TJ014-97, 公路沥青路面设计规范S.4姜爱锋, 姚祖康. 路面结构中地基顶面当量回弹模量的换算J.同济大学学报,2001,29(5 :536-540.Strengthening design method study of existing cement concrete pavementCHEN Shi 2feng(Zhoukou