沖擊碾壓改建路面施工對路基動(dòng)力效應(yīng)的試驗(yàn)研究

張少均,柳 凱,朱磊磊,王 帆,張 帆

(1.中建七局安裝工程有限公司，河南 鄭州 450000；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710061)

0 引言

舊混凝土路面的改造通常是采用重力沖擊性錘來破碎路面，然后通過振動(dòng)壓路機(jī)壓穩(wěn)，上邊攤鋪整體面層。沖擊碾壓機(jī)將混凝土路面破碎和夯實(shí)合為一體，大大提高了施工效率和經(jīng)濟(jì)性，因而得到廣泛的應(yīng)用。沖擊碾壓機(jī)由牽引車?yán)瓌?dòng)非圓型輪翻轉(zhuǎn)，不規(guī)則圓形輪子的高低半徑產(chǎn)生位能起伏與駕駛的動(dòng)力結(jié)合在一起沿路面對土石方原材料采取靜壓、揉搓、沖擊性的持續(xù)沖擊碾壓工作，其持續(xù)性的高幅低頻沖力沖擊性碎裂砼表面由于沖擊碾壓機(jī)具有的高沖擊能量特性，在沖壓過程中，對路面產(chǎn)生顯著動(dòng)力響應(yīng)[1-4]。如何清楚沖擊碾壓過程中改建路面的應(yīng)力狀態(tài)和破碎機(jī)理，成為該技術(shù)需要重點(diǎn)研究的問題[5-6]。近年來，相關(guān)學(xué)者更多的是基于現(xiàn)場檢測進(jìn)行沖擊碾壓改建路面地基動(dòng)力效應(yīng)的分析，但由于缺乏地基震動(dòng)特性理論支持，且對震動(dòng)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)更多的是根據(jù)施工類動(dòng)力作用安全標(biāo)準(zhǔn)，很難準(zhǔn)確反應(yīng)沖擊碾壓施工的震動(dòng)特性，容易造成安全隱患[7-10]。同時(shí)，一些學(xué)者采用數(shù)值分析建立地基模型進(jìn)行舊改建路基沉降量、壓實(shí)度、孔隙率等靜態(tài)響應(yīng)分析(碾壓路基壓實(shí)效果的研究，停留于影響壓實(shí)效果因素的定性分析)[11-12]，但針對沖擊碾壓技術(shù)的動(dòng)力特性分析較少，對土體應(yīng)力場、位移場等的變化規(guī)律分析較少[13-15]?；诖?，本文基于動(dòng)力三維有限元分析方法，以某一高速公路水泥混凝土路面三期改造為背景，采用五楞沖擊壓實(shí)路基對舊水泥混凝土路面變形和受力破碎特征進(jìn)行分析，探討沖擊壓實(shí)路基下水泥混凝土路基應(yīng)力狀態(tài)和破碎機(jī)理。

1 模型建立

1.1 模型尺寸和約束條件

項(xiàng)目采用國產(chǎn)YCT20型五楞沖擊壓路機(jī)。機(jī)型沖擊輪高度2.0 m，輪寬2 m×0.9 m，行走速度10～15 km/h。沖擊能20 kJ，對地面產(chǎn)生集中沖擊力2 000～2 500 kN，以1.5～2.2次/s的低頻周期高振幅沖擊力沖擊破碎混凝土板面。工程施工中，為加強(qiáng)破碎力，沖擊輪上局部焊有鋼趾。

采用有限元法對五楞沖擊壓路機(jī)沖擊破碎舊路面進(jìn)行分析。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測和有限元測試，路面結(jié)構(gòu)為混凝土面層、基層和土基層，各層次結(jié)構(gòu)性能參數(shù)見表所示，確定路面板長×寬×厚為5 m×4.5 m×0.25 m。基層和土層長×寬×厚為25 m×22.5 m×(0.3+25)m。模型構(gòu)建中，假設(shè)路面結(jié)構(gòu)層為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性線彈性材料。為降低計(jì)算量，僅對各單塊路面板進(jìn)行受力分析，不計(jì)接縫傳荷能力，如圖1為建立的有限元網(wǎng)格劃分模型。

圖1 路面結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 路面結(jié)構(gòu)層性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of pavement structure結(jié)構(gòu)層彈性模量/MPa深度/(°)泊松比密度/(kg·m-3)抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa摩擦角/(°)面板層28 0000.250.162 2004.53040基層15000.300.262 000———土基層100250.361 500———

1.2 等效荷載施加

沖擊荷載擬采用1.6 MPa，隨著沖擊壓路機(jī)的前進(jìn)，沖擊輪作用路面板位置不斷發(fā)生變化。根據(jù)沖擊壓路機(jī)沿板邊行駛路徑，擬定4種典型的輪壓位置來模擬不同沖擊輪路徑位置時(shí)的路面板變形及板底受理情況，如圖2為4種典型路徑示意圖。

2 靜力結(jié)果分析

2.1 水泥混凝土面板變形

針對四種沖擊輪作用位置下的水泥混凝土面板層變形特征分析結(jié)果見圖3。可以看出，各作用位置下水泥混凝土面板以豎向Y方向?yàn)橹?，而水平X、Z向位移量均小于0.3 mm。荷載作用的1、2、3位置時(shí)在縱向和橫向側(cè)形成最大下沉區(qū)，位置1板角處產(chǎn)生最大豎向位移，位移量為4.71 mm。位置4在輪壓作用處出現(xiàn)最大下沉區(qū)，位置4在板中產(chǎn)生最小豎向位移，最小位移量為3.96 mm，表明板角位置屬于薄弱環(huán)節(jié)，最先出現(xiàn)破碎。同時(shí)在沖擊輪作用下，各位置輪壓周邊均形成了不同程度的上翹，出現(xiàn)縱橫彎曲現(xiàn)象。

2.2 混凝土面板應(yīng)力分布

計(jì)算獲得舊水泥混凝土面板應(yīng)力分布情況，獲得如圖4和圖5所示的水泥面板底部應(yīng)力等值線。可以看出，水泥面板底部形成拉應(yīng)力區(qū)，4種輪壓位置下的板底最大縱向應(yīng)力分別為0.64、1.58、0.84、0.76 MPa，最大橫向應(yīng)力分別為2.46、0.18、2.35、0.12 MPa。在位置1和位置3下水泥混凝土板底以橫向拉應(yīng)力為主，面板層底部產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于縱向拉應(yīng)力。由于沖擊碾壓施工過程中沖擊輪是逐步前傾的，因而形成的橫向拉應(yīng)力是造成水凝混凝土面板層出現(xiàn)縱向撕裂的原因。位置2和位置4下的板底橫向拉應(yīng)力小于縱向拉應(yīng)力，板底以縱向拉應(yīng)力位置。在位置1、3板角位置形成局部應(yīng)力集中，最大應(yīng)力達(dá)到4.7 MPa，一旦發(fā)生拉裂，則板角處最先形成裂縫，并向中間擴(kuò)展。從應(yīng)力分布面積看，沖擊輪正下方以及整個(gè)板底均形成較大的縱向拉應(yīng)力，相較于橫向應(yīng)力更多的集中于板角或輪底位置，表現(xiàn)出典型的縱橫彎曲相耦合的受力特征[16]。

圖2 4種典型路徑?jīng)_壓位置示意圖

圖3 路面板頂面位移圖

圖4 水泥面板層板底縱向應(yīng)力等值線圖

圖5 水泥板板底橫向應(yīng)力等值線圖

2.3 土基的變形分布

圖6為沖擊壓實(shí)數(shù)遍后的沖擊輪作用中間位置土基層變形結(jié)果圖?？梢钥闯?，沖擊壓路機(jī)作用影響深度約12 mm，作用位置1、3(板邊)間形成的沖擊荷載作用深度要稍低于作用位置2、4(板中)，且隨著深度增加而逐漸降低。沖擊位置1下，土基頂部形成最大位移量為4.72 mm，位置4下的土基頂部最小位移為3.96 mm，在土基頂面形成最大變形區(qū)，且位置2、4明顯大于位置1、3。此時(shí)，沖擊碾壓不僅打裂了混凝土面板，有效提高了路基壓實(shí)度，釋放了內(nèi)部應(yīng)力，通過足夠沖擊碾壓次數(shù)，不同深度下的壓實(shí)度均得到了一定程度的提升。

圖6 土基豎向位移云圖

3 沖擊碾壓路面層破碎壓實(shí)分析

上節(jié)通過靜力有限元分析了沖擊碾壓對舊水泥混凝土路面的土體壓力和變形關(guān)系。由于沖擊碾壓本身是一個(gè)動(dòng)力作用過程，沖擊荷載作用位置不斷變化，因此，采用動(dòng)力有限元的瞬態(tài)分析沖擊壓路機(jī)破碎舊混凝土路面板內(nèi)應(yīng)力和變形情況。

根據(jù)沖擊壓路機(jī)沿縱向板邊緣和中線形式擬定如圖7所示兩種不同的沖壓路線，其中沿箭頭方向假定為沖擊板的第一點(diǎn)在橫向邊緣，每完成一遍沖擊，但塊板將碾壓4次。沖擊輪模型采用1.6 MPa的瞬態(tài)移動(dòng)荷載，作用時(shí)間為0.02 s。

圖7 沖擊壓路機(jī)行駛路線示意圖

3.1 路面板層變形

對沖擊壓路機(jī)沿2種不同路線下的路面板變形特征分析。沖擊壓路機(jī)沿箭頭方向前進(jìn)一遍，對水泥板沖碾4次，如圖8為不同碾壓線路下的路面板頂面位移等值線。可以看出，在瞬態(tài)沖擊荷載作用下，兩種路線下的板塊均發(fā)生了不同程度的彎曲變形。沖擊輪沿線路1沖碾一遍時(shí)，在板邊一側(cè)形成最大變形區(qū)，變形蔓延至整個(gè)板塊，其中變形最大達(dá)到0.32 mm。沖擊輪沿線路2沖碾一遍時(shí)，最大變形區(qū)出現(xiàn)在板邊中部對稱區(qū)域，變形同樣分布整個(gè)板塊，最大變形值達(dá)0.28 mm，且變形分布較線路1較為均勻。整體比較而言，兩條線路下沖壓變形等值線形狀較為相似，在沖擊輪前板板塊變形等值線呈現(xiàn)三角形分布，沖擊輪后半部分的變形等值線呈線一個(gè)啞鈴狀分布，荷載作用位置最下方形成最大變形位移量。同時(shí)，沖擊輪沿板邊行走產(chǎn)生的變形量相較于板中行走較大，表明板邊位置更易因變形量過大而發(fā)生破碎。

圖8 路面板頂面位移圖

3.2 路面板受力

對混凝土路面板應(yīng)力分布分析表明，在沖擊碾壓作用下，沖擊輪正下方周邊位置為受拉區(qū)，在板邊兩輪間出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，比較圖9中路面板底縱向應(yīng)力分布圖可以看出，沖碾線路1和2下的應(yīng)力等值線分布情況較為相似，沿沖碾方向形成兩個(gè)十字相交啞鈴狀等值曲線，相交點(diǎn)即為受拉去變形隆起區(qū)域，隨后在板邊形成另一個(gè)啞鈴狀等值線，中間區(qū)域?yàn)槭芾瓍^(qū)，最大拉應(yīng)力也出現(xiàn)在該位置。從圖中可以看出，在板塊中拉、壓區(qū)域縱橫交替，因而形成明顯的彎曲變形，此外，線路2中產(chǎn)生的最大拉、壓應(yīng)力稍大于線路1。

圖9 水泥板板底縱向應(yīng)力等值線圖

圖10給出了沿沖壓作用下的路面板底橫向應(yīng)力等值分布圖。兩種線路橫向應(yīng)力等值線較類似，沖擊輪兩側(cè)形成最大拉應(yīng)力，并出現(xiàn)明顯的彎曲現(xiàn)象。板底橫向壓應(yīng)力最大值為2.922 MPa，應(yīng)力分布區(qū)間2.814～2.922 MPa，板底橫向拉應(yīng)力最大值為3.06 MPa，應(yīng)力分布區(qū)間為2.946～3.061 MPa，可以看出，線路2較線路1產(chǎn)生的應(yīng)力水平較高，理論上沖碾過程中更以形成縱向斷裂[17]。

圖10 水泥板板底橫向應(yīng)力等值線圖

3.3 路面板內(nèi)最大拉應(yīng)力和沉降

對沖擊碾壓過程中板內(nèi)的應(yīng)力和沉降變化進(jìn)行分析，獲得如圖11所示板內(nèi)最大拉應(yīng)力及沉降變化趨勢。隨著沖擊碾壓遍數(shù)的增加，板內(nèi)橫向、縱向拉應(yīng)力均呈現(xiàn)下降趨勢。由于沖擊碾壓的作用，使大板塊斷裂為小板塊，板內(nèi)應(yīng)力得到重新分布，隨著板塊破碎程度的增加，積聚在板塊內(nèi)的應(yīng)力得到逐漸釋放，應(yīng)力狀態(tài)不斷下降。

圖11 板內(nèi)最大拉應(yīng)力和沉降變化趨勢

在沖擊碾壓過程中，由于沖擊輪的高沖擊能量對路面不斷重復(fù)作用，原路基層得到不斷補(bǔ)充壓實(shí)。由于水泥路面使用中，存在部分板底脫空、斷角情況，因而通過模擬沉降量計(jì)算，獲得沖擊碾壓對原路基補(bǔ)充壓實(shí)和消除板底脫空作用，從圖11中沉降量的變化趨勢可以看出，隨著打裂次數(shù)的增加，沉降量變化較大。在對水泥混凝土面板路基進(jìn)行打裂壓穩(wěn)過程中，原有大塊水泥板被打裂城小塊水泥碎塊，再通過碾壓后，板底脫空被消除，整體結(jié)構(gòu)沉降量最大達(dá)到了3.676 mm，可以看出，沖擊碾壓對路面基層的壓實(shí)作用是很明顯的。

3.4 混凝土路面板內(nèi)破碎形成

通過模擬沖擊碾壓混凝土路面板裂縫的發(fā)展過程如圖12所示。路面板層縱向最先形成縱向斷裂，隨后在板底處形成橫向斷裂，并由下向上逐步擴(kuò)展。隨著碾壓次數(shù)的增加，當(dāng)碾壓第2遍后，路面層縱向斷裂帶延伸至板底，面板中部形成橫向斷裂也逐漸向上擴(kuò)展，但此時(shí)更多的是集中于板底部分。當(dāng)碾壓至第3遍時(shí)，板中部的橫向斷裂帶延伸至板的全寬，形成橫縱交錯(cuò)裂縫，部分橫向斷裂帶反射至面板表面。水泥混凝土沖擊1遍后，橫向斷裂帶擴(kuò)展至面板表層，并最終將整個(gè)水泥混凝面板層分割成均勻碎塊。通過貫穿可以發(fā)現(xiàn)，裂縫在貫穿全板時(shí)，在垂直上下方向并未發(fā)現(xiàn)斜向斷裂。

圖12 沖碾作用下的路基面板裂縫發(fā)展

4 結(jié)論

運(yùn)用有限元分析軟件，對沖擊碾壓破碎水泥混凝土板進(jìn)行了靜態(tài)力學(xué)分析和瞬態(tài)動(dòng)力效應(yīng)分析，獲得不同形式路線下的水泥混凝土路基應(yīng)力狀態(tài)和破碎產(chǎn)生機(jī)理，研究獲得的主要結(jié)論有：

a.靜態(tài)力學(xué)分析中，板角形成最大位移，板底產(chǎn)生最大應(yīng)力，板角處作為路面層薄弱處，最早出現(xiàn)破碎斷裂。輪壓處周邊位置板塊出現(xiàn)翹曲變形，存在縱橫彎曲現(xiàn)象。沖擊對路基作用深度最大約12 mm，且隨著深度增加而不斷減小。

b.瞬態(tài)動(dòng)力分析表明，沖壓1遍后，路面層縱向表層最先形成縱向斷裂帶，隨后在板底形成橫向斷裂帶，并由下向上擴(kuò)展。3遍后，板中部橫向裂縫擴(kuò)展至路面板層全寬，形成橫縱交錯(cuò)裂縫，部分橫向裂縫反射至表面。當(dāng)完成一定遍數(shù)沖壓后，橫向斷裂帶擴(kuò)展至面板表層，貫穿整個(gè)面板塊，將路面半層分割成均勻碎塊。