瀝青隔離層對水泥混凝土道面荷載響應(yīng)的影響研究

趙 策

(上海民航新時代機場設(shè)計研究院有限公司 上海 200335)

民用機場道面結(jié)構(gòu)形式多采用承載力強、使用壽命長的水泥混凝土道面，基層材料一般采用水泥穩(wěn)定碎石[1]。為防止水泥混凝土面層與水泥穩(wěn)定碎石基層之間產(chǎn)生薄弱的過渡層[2]、避免層間水對基層的侵蝕和沖刷，同時解決土工布隔離層現(xiàn)場鋪設(shè)問題及土工膜隔離層造成的道面板滑移隱患，近2年在新建水泥混凝土道面設(shè)計、施工時多在基層和面層之間設(shè)置瀝青隔離層。

在道面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，認(rèn)為隔離層作為一種層間處治方式，厚度可以不計，對道面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)不產(chǎn)生影響[3]。瀝青隔離層作為一種新興的機場道面隔離層材料，厚度為2 cm，由同步碎石封層和2層微表處或稀漿封層組成，其與土工布隔離層或土工膜隔離層無論是材料上還是厚度上均存在本質(zhì)區(qū)別，因此對道面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)影響也有待研究。

目前，隔離層在公路水泥混凝土路面中應(yīng)用廣泛，隔離層對鋪面結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響也集中在公路路面方面，但研究成果大多基于數(shù)值計算或室內(nèi)試驗[4-6]，鮮有通過現(xiàn)場工程進(jìn)行實證性的研究。本文依托實體工程，通過在道面中埋設(shè)應(yīng)變傳感器，進(jìn)行荷載作用下的道面力學(xué)響應(yīng)測試，分析設(shè)置瀝青隔離層對水泥道面板受力的影響。

1 現(xiàn)場試驗方案

1.1 道面參數(shù)

依托華東地區(qū)某機場擴(kuò)建工程，道面結(jié)構(gòu)為水泥混凝土道面。道面各結(jié)構(gòu)層厚度通過鉆芯獲取，材料力學(xué)參數(shù)通過實驗室或現(xiàn)場實測獲取，具體數(shù)值見表1。

表1 道面結(jié)構(gòu)及材料力學(xué)參數(shù)

其中，為對比分析設(shè)置瀝青隔離層與否對結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生的影響，參照組水泥板底部未設(shè)置隔離層。試驗在1 d之內(nèi)完成，當(dāng)日最高氣溫29 ℃，道面養(yǎng)生齡期為54 d。

試驗所選板塊平面尺寸均為5 m×5 m，四周通過接縫與相鄰水泥板相連，其中垂直于荷載行駛方向的橫縫為假縫，平行于荷載行駛方向的縱縫為企口縫。

1.2 傳感器埋設(shè)

道面設(shè)計中以板底拉應(yīng)變作為結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計指標(biāo)，試驗中機場道面結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測采用較為成熟的光纖光柵應(yīng)變傳感器，在澆筑混凝土?xí)r埋設(shè)于道面板中，以獲取水泥板底產(chǎn)生的拉應(yīng)變。在道面結(jié)構(gòu)分析中，臨界荷載位置為縱縫板中和板角，因此在試驗中將傳感器埋設(shè)于縱縫板中和板角2種位置，傳感器的平面定位示意見圖1。

圖1 應(yīng)變傳感器在水泥混凝土板中埋設(shè)位置示意

1.3 荷載與加載方式

受試驗條件限制，荷載施加選用同步碎石封層車，包括3種輪軸類型，由前至后分別為單軸單輪、單軸雙輪和雙軸雙輪，對應(yīng)的輪軸重量分別為59，58，179 kN，其中雙軸雙輪的前軸重為85 kN，后軸重為94 kN。

加載方式采用靜態(tài)加載和動態(tài)加載2種形式，施加荷載選取軸重較大的雙軸雙輪，加載位置包括縱縫中部和板角2種情況。民用飛機在飛行區(qū)內(nèi)的滑行速度一般為0～50 km/h，但與飛機相比，加載車荷載較小，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載車行駛速度超過20 km/h時，板內(nèi)應(yīng)變小，不能通過傳感器準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)，因此在動態(tài)加載時荷載移動速度取值為5，10，15，20 km/h，以分析荷載移動速度對試驗結(jié)果的影響。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)加載試驗結(jié)果分析

在靜態(tài)荷載作用下，監(jiān)測無隔離層與設(shè)置瀝青隔離層條件下水泥混凝土板底的拉應(yīng)變，不同荷位的拉應(yīng)變見圖2。

圖2 靜態(tài)荷載作用下板底拉應(yīng)變

由圖2可見，設(shè)置瀝青隔離層會增加板底的拉應(yīng)變。在本文試驗荷載條件下，設(shè)置瀝青隔離層后，縱縫中部拉應(yīng)變由3×10-6增加到6.9×10-6，增長率為130%；板角拉應(yīng)變由2.8×10-6增加到6.5×10-6，增長率為132%。分析認(rèn)為，設(shè)置隔離層對板底拉應(yīng)變產(chǎn)生明顯影響是因在有限的試驗條件下，所施加的車輛荷載為90 kN左右，而飛機單個起落架輪載通常為400～1 000 kN，遠(yuǎn)大于試驗中所用的車輛荷載，而在較低的荷載水平下，道面結(jié)構(gòu)中傳遞到基層的應(yīng)力較小，基層對道面結(jié)構(gòu)受力貢獻(xiàn)小，水泥板自身及板底支撐成為影響受荷條件下板底拉應(yīng)變的主要影響因素，因此，板底的瀝青隔離層對水泥板的受力產(chǎn)生了顯著影響。

2.2 動態(tài)加載試驗結(jié)果分析

2.2.1板底拉應(yīng)變峰值影響分析

在移動荷載作用下，監(jiān)測無隔離層與設(shè)置瀝青隔離層條件下水泥混凝土板底的拉應(yīng)變，不同荷位的拉應(yīng)變峰值隨荷載移動速度的變化曲線見圖3，設(shè)置瀝青隔離層相對于無隔離層條件下的板底峰值應(yīng)變增長率見圖4。

圖3 移動荷載作用下板底拉應(yīng)變峰值

圖4 移動荷載作用下設(shè)置瀝青隔離層板底拉應(yīng)變增長率

由圖3可見，在不同荷載移動速度下，設(shè)置瀝青隔離層的板底拉應(yīng)變均明顯大于無隔離層的板底拉應(yīng)變；隨著荷載移動速度的增加，板底的拉應(yīng)變逐漸減小，但減小的趨勢逐漸趨于平緩。圖4中的結(jié)果表明，隨著荷載移動速度的增加，設(shè)置瀝青隔離層相對于無隔離層條件，板底拉應(yīng)變的增長率逐漸增大，且增長率隨著速度變化呈現(xiàn)放大的趨勢。

分析認(rèn)為，在移動荷載作用下，板體變形不充分，且荷載移動速度越大，荷載作用于水泥板的時程越短，板體瞬時發(fā)生的變形越小，板體發(fā)生等效變形時對應(yīng)的靜態(tài)荷載也越小，綜合2.1中的分析結(jié)果，則設(shè)置瀝青隔離層對水泥板的受力影響越大。

2.2.2板底拉應(yīng)變動態(tài)曲線影響分析

以荷載移動速度為10，20 km/h時縱縫中部工況為例，分析設(shè)置瀝青隔離層對板底力學(xué)響應(yīng)的影響，板底應(yīng)變值隨荷載移動在一個完整時程中的變化曲線見圖5、圖6。

圖5 10 km/h移動荷載速度下縱縫板中位置在一個完整時程中板底拉應(yīng)變變化曲線

圖6 20 km/h移動荷載速度下縱縫板中位置在一個完整時程中板底應(yīng)變變化曲線

由圖5可見，在荷載經(jīng)過時，板底在4種不同的軸載下均產(chǎn)生了拉應(yīng)變峰值，但在峰值之間無軸載作用時，及軸載完全經(jīng)過后，設(shè)置瀝青隔離層的板體在恢復(fù)變形的過程中，因自身振動產(chǎn)生的應(yīng)變曲線變化相對更加平緩，曲線波動次數(shù)更少、幅度也更低。圖6結(jié)果因移動荷載速度較大，有無隔離層情況下的峰值之間的曲線變化趨勢差異較小，但在荷載經(jīng)過后板體恢復(fù)變形的過程中，無隔離層的板體產(chǎn)生的振動相對于設(shè)置瀝青隔離層的情況更加明顯。

綜上所述，分析認(rèn)為設(shè)置瀝青隔離層可以降低水泥板在動態(tài)荷載瞬時作用后板體的振動幅度及頻率，減少面層和基層之間的硬接觸，在一定程度上起到了應(yīng)力緩沖的作用。

3 結(jié)論

本文依托現(xiàn)場工程，利用光纖光柵傳感器監(jiān)測荷載作用下水泥混凝土道面板底拉應(yīng)變，對比分析無隔離層和設(shè)置瀝青隔離層對道面力學(xué)響應(yīng)的影響，得到以下結(jié)論。

1) 相對于無隔離層條件，設(shè)置瀝青隔離層會增大荷載作用下的板底拉應(yīng)變，且荷載移動速度越快，板底拉應(yīng)變的增加幅度越大。

2) 瀝青隔離層可作為應(yīng)力緩沖層，降低水泥板的振動。

3) 建議在水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮瀝青隔離層對結(jié)構(gòu)受力的影響，但為明確影響程度，需在后續(xù)研究中進(jìn)一步探究飛機荷載作用下設(shè)置瀝青隔離層對結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。