橋梁預(yù)制場(chǎng)硬化層再利用的可行性分析

吳文亮，李明匯

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

山區(qū)高速公路一般修建在高山深谷之中，交通運(yùn)輸不便，沿線橋梁眾多，橋梁預(yù)制場(chǎng)的設(shè)置受到場(chǎng)地的諸多限制[1-2]。李江海等[3]總結(jié)了影響橋梁預(yù)制場(chǎng)選址因素；夏祥斗[4]建立了現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制場(chǎng)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)體系?？紤]到縮短運(yùn)距、施工便利、易于吊裝、減少征地等因素，山區(qū)道路橋梁預(yù)制場(chǎng)通常設(shè)置在路基之上[5-6]。預(yù)制場(chǎng)硬化層的常規(guī)處理方法為[7]：在墊層施工之前破除掉預(yù)制場(chǎng)的臺(tái)座和混凝土硬化層，整平至路基頂層面標(biāo)高，重新整平路基。但這種方法耗費(fèi)大量的人力、物力，且施工工期長(zhǎng)，同時(shí)硬化層棄渣堆放占用土地，對(duì)環(huán)境不利。

從保護(hù)環(huán)境、節(jié)約成本、減少建筑垃圾、縮短工期等角度出發(fā)，提出硬化層再利用方案，即保留混凝土硬化層，并作為路面結(jié)構(gòu)層中的墊層、底基層使用。由于混凝土修補(bǔ)困難，對(duì)硬化層進(jìn)行再利用，要求硬化層在預(yù)制場(chǎng)使用過(guò)程中不能出現(xiàn)較嚴(yán)重的病害[8-9]。然而在預(yù)制場(chǎng)使用過(guò)程中超載現(xiàn)象較為嚴(yán)重，現(xiàn)有公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)時(shí)采用單軸軸重100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸重，規(guī)范僅適用于單軸不超過(guò)130 kN和雙軸不超過(guò)260 kN的軸載[10]。另外，對(duì)于復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，需分析水泥混凝土板接縫對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，目前還沒(méi)有成熟的研究模型延緩或抑制反射裂縫的出現(xiàn)[11-12]。本文通過(guò)ABAQUS軟件分析在超常交通荷載情況下，多軸荷載共同作用對(duì)水泥混凝土板的影響，計(jì)算混凝土板的板內(nèi)應(yīng)力，確定硬化層不被破壞的合理厚度；并將混凝土板作為路面結(jié)構(gòu)層，分析硬化層接縫對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的影響，對(duì)比不同路面結(jié)構(gòu)類型接縫的影響，選擇合適的路面結(jié)構(gòu)；最后對(duì)預(yù)制場(chǎng)再利用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，驗(yàn)證預(yù)制場(chǎng)再利用的可行性與合理性。

1 預(yù)制場(chǎng)硬化層厚度計(jì)算

據(jù)調(diào)查某山區(qū)高速公路需在路基上修建橋梁預(yù)制場(chǎng)21個(gè)(其中挖方區(qū)5個(gè)，填方區(qū)16個(gè))，預(yù)制場(chǎng)總長(zhǎng)度達(dá)到10 392 m，預(yù)制場(chǎng)總面積約2.7×106m2。預(yù)制場(chǎng)硬化層再利用施工基本思路為：預(yù)制場(chǎng)建設(shè)時(shí)需要先在路基上鋪筑0.2 m厚的未篩分碎石(路基標(biāo)高以下0.05 m，一般路段墊層厚度為0.15 m)；再鋪筑0.2 m厚的C25水泥混凝土作為硬化層；待預(yù)制場(chǎng)完成制梁工作之后，先鑿除臺(tái)座，并對(duì)損壞部分進(jìn)行修補(bǔ)，之后將0.2 m未篩分碎石作為路面墊層使用，0.2 m C25水泥混凝土作為路面底基層使用。預(yù)制場(chǎng)主要承擔(dān)運(yùn)梁和砂石的建筑材料工作，在使用過(guò)程中超載情況十分嚴(yán)重。經(jīng)調(diào)查砂石運(yùn)輸車(圖1)整車質(zhì)量達(dá)到100 t，而采用兩輛三軸轉(zhuǎn)運(yùn)車，轉(zhuǎn)運(yùn)梁總重可達(dá)120 t(圖2)。

圖1 砂石運(yùn)輸車

圖2 運(yùn)梁車

1.1 運(yùn)輸通道軸載計(jì)算

荷載通過(guò)輪胎作用于路面，分析荷載應(yīng)力的關(guān)鍵是要簡(jiǎn)化輪胎在路面上的印跡，傳統(tǒng)計(jì)算車輪接地面積是將接觸形狀簡(jiǎn)化為當(dāng)量圓；但實(shí)際上輪胎與地面的接觸面積并非圓形，荷載越大，接觸面積越趨近于矩形[13-15]。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可得一定雙輪荷載情況下單輪輪印的長(zhǎng)度與寬度[16-18]，如表1所示。

表1 輪印長(zhǎng)度與寬度參數(shù)

單輪與路面的接觸壓力

(1)

式中：P代表輪胎與路面的接觸壓力；G代表荷載總重，包括自重和貨重；N代表縱軸數(shù)；M代表橫軸數(shù)；L為單軸配置輪數(shù)；A為單輪接地面積。

三軸運(yùn)梁車雙輪荷載為100 N。根據(jù)表1查得重載情況輪跡尺寸為：L=32 cm，B=24 cm。由式(1)計(jì)算單輪接地壓力

砂石車雙輪荷載為81.6 N。根據(jù)表1查得重載情況輪跡尺寸為：L=31 cm，B=22 cm。由式(1)計(jì)算單輪接地壓力

因此，選擇三軸運(yùn)梁車作為計(jì)算荷載分析重載交通水泥混凝土板的板內(nèi)應(yīng)力 。

1.2 水泥混凝土路面有限元模型

本文采用ABAQUS對(duì)預(yù)制場(chǎng)水泥混凝土路面進(jìn)行應(yīng)力分析。水泥混凝土層采用平面尺寸4 m×5 m的混凝土板，考慮三軸運(yùn)梁車多軸作用在同一塊板上的情況，臨界荷位在縱縫中部。模型假定水泥混凝土層、未篩分碎石基層、土基層具有各向同性，在模型底面施加3個(gè)方向上的固定約束，對(duì)于基礎(chǔ)的4個(gè)側(cè)面均施加X(jué)、Y方向上的約束(X方向代表車輛行進(jìn)的方向，Y方向代表橫斷面方向，Z方向代表縱向深度方向)。對(duì)混凝土板橫斷面方向施加橫斷面水平位移約束，兩側(cè)側(cè)面位移自由。各層參數(shù)如表2所示。

表2 硬化層在預(yù)制場(chǎng)使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算參數(shù)

三軸運(yùn)梁車相應(yīng)的規(guī)格參數(shù)為：輪間距為0.32 m，軸與軸之間間距為2.1 m，雙輪間距為1.72 m。三軸運(yùn)梁車共載作用如圖3所示。

圖3 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)模型

圖4 ABAQUS應(yīng)力云圖

ABAQUS應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。通過(guò)分析不同厚度水泥混凝土路面模型可得：混凝土板的板內(nèi)拉應(yīng)力隨著厚度的增大而減小，當(dāng)混凝土板厚度為0.2 m時(shí)，最大應(yīng)力值為1.509 MPa；當(dāng)混凝土板厚度為0.25 m時(shí)，最大應(yīng)力值為1.324 MPa。一般情況下，混凝土板的板內(nèi)應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)1.5 MPa，因此當(dāng)混凝土板的板厚為0.25 m時(shí)滿足要求，選擇0.25 m的水泥混凝土板作為橋梁預(yù)制場(chǎng)硬化層。

2 硬化層再利用的可行性分析

待預(yù)制場(chǎng)使用完畢先鑿除臺(tái)座，并對(duì)損壞部分進(jìn)行修補(bǔ)，采用復(fù)合路面結(jié)構(gòu)，將0.2 m的未篩分碎石作為路面墊層使用，0.2 m的C25水泥混凝土作為路面底基層使用。路面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 路面結(jié)構(gòu)

2.1 復(fù)合式路面有限元模型的建立

為深入分析復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力，本文通過(guò)三維有限元法對(duì)設(shè)置及未設(shè)置水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石層的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，假定路面結(jié)構(gòu)滿足彈性層狀體系，各層之間完全連續(xù)接觸。

交通荷載為標(biāo)準(zhǔn)BZZ-100，輪胎內(nèi)壓為標(biāo)準(zhǔn)0.7 MPa，分析是將單輪當(dāng)量圓接觸面積按相等當(dāng)量成0.189 m×0.189 m的矩形面積，兩側(cè)輪間距為1.82 m，接縫寬為0.01 m，地基基礎(chǔ)長(zhǎng)寬擴(kuò)大2 m，深6 m。研究表明，當(dāng)行車荷載一側(cè)緊貼接縫邊緣處，另一側(cè)作用于加鋪層內(nèi)側(cè)時(shí)，瀝青層產(chǎn)生的應(yīng)力最大，即最不利荷位。因此，本文選取這種荷載作為最不利荷位進(jìn)行分析，如圖6所示。驗(yàn)算時(shí)參數(shù)取值見(jiàn)表3。

圖6 車輪加載荷位及作用尺寸

參數(shù)名稱數(shù)值設(shè)計(jì)軸載/kN100瀝青層上面層厚度/cm5瀝青層中面層厚度/cm6瀝青層下面層厚度/cm8水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量/MPa1 500上基層水泥穩(wěn)定碎石的厚度/cm20下基層水泥穩(wěn)定碎石的厚度/cm20水泥硬化層厚度/cm25未篩分碎石的厚度/cm20未篩分碎石抗壓回彈模量/MPa180

2.2 接縫影響分析

根據(jù)瀝青混凝土加鋪層路面結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算參數(shù)生成的有限元模型進(jìn)行劃分，接縫處網(wǎng)格劃分采用加密處理以確保模型的精度。有限元模型如圖7所示。對(duì)比設(shè)置及未設(shè)置水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層的復(fù)合式路面各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果如表4所示。

圖7 有限元模型

計(jì)算指標(biāo)含水泥穩(wěn)定碎石基層不含水泥穩(wěn)定碎石基層最大彎沉/0.01 mm16.463 431.571 5瀝青層底拉應(yīng)力/MPa0.037 6160.074 850瀝青層底最大剪應(yīng)力/MPa0.021 3260.391 367

由表4可以看出，相對(duì)于直接在水泥混凝土上攤鋪瀝青面層而言，增加兩層0.2 m厚水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，最大彎沉、瀝青層底拉應(yīng)力、瀝青層底剪應(yīng)力分別有不同程度的降低。增加水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石層對(duì)剪切型裂縫具有很好的抑制作用。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

該工程路基上橋梁預(yù)制場(chǎng)硬化層的再利用可節(jié)約費(fèi)用1 647萬(wàn)元，同時(shí)每個(gè)預(yù)制場(chǎng)可節(jié)省清理工期約20 d，為加快路面施工、縮短施工周期、提前開(kāi)放交通創(chuàng)造了有利條件；最大限度地利用棄渣，大大減小了對(duì)環(huán)境的破壞，符合中國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。全線可節(jié)約棄渣場(chǎng)地約33 753 m2，減少占用農(nóng)田。經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 經(jīng)濟(jì)效益分析

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)硬化層在預(yù)制場(chǎng)使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，及對(duì)硬化層作為路面結(jié)構(gòu)層可能出現(xiàn)的反射裂縫問(wèn)題進(jìn)行了分析，通過(guò)設(shè)置0.25 m厚的橋梁預(yù)制場(chǎng)硬化層，保證硬化層在預(yù)制場(chǎng)使用過(guò)程中不發(fā)生較嚴(yán)重病害。相對(duì)于直接攤鋪瀝青層而言，將水泥混凝土硬化層作為墊層并設(shè)置0.4 m厚水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，能夠延緩并抑制硬化層接縫產(chǎn)生的張拉裂縫和剪切裂縫的出現(xiàn)，驗(yàn)證了橋梁預(yù)制場(chǎng)硬化層再利用的可行性。研究成果將對(duì)未來(lái)山區(qū)高速公路建設(shè)帶來(lái)直接的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。橋梁預(yù)制場(chǎng)混凝土硬化層再利用技術(shù)，不僅能節(jié)約工期、降低造價(jià)，而且能有效保護(hù)環(huán)境，減少建筑垃圾。

這一技術(shù)的研究及推廣具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，能減少土地的征用和對(duì)環(huán)境的破壞，合理利用了建筑垃圾，符合中國(guó)現(xiàn)行的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。