重載作用下貧水泥混凝土基層剛性路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)實驗研究

胡 朋 王保群 成英才

(山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院1) 濟(jì)南 250023) (山東魯東路橋有限責(zé)任公司2) 東營 257000

0 引 言

貧水泥混凝土作為一種高強(qiáng)度耐沖刷基層[1-2]，可以克服水泥混凝土路面基層強(qiáng)度不足等問題，有效避免早期破壞[3-5].目前對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究多采用有限元.趙煒誠等[6]采用層間接觸模型進(jìn)行了三維有限元分析；王麗娟等[7]采用有限元模擬對設(shè)瀝青夾層水泥混凝土路面早齡期力學(xué)行為和性狀形成的結(jié)構(gòu)效應(yīng)、瀝青夾層效應(yīng)進(jìn)行了研究；Itani等[8]利用有限元研究了土工格柵加固薄層混凝土防止裂縫發(fā)展的原理；董開亮[9]應(yīng)用ANSYS分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對超厚水泥混凝土路面荷載應(yīng)力的影響，在采用有限元建模分析時考慮了考慮層間作用.有限元可以較好的分析路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但其結(jié)果的準(zhǔn)確性多依賴于材料參數(shù)的準(zhǔn)確程度和模型的合理性，而且需要現(xiàn)場試驗的驗證.現(xiàn)場試驗可以比較準(zhǔn)確地獲取路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但試驗費(fèi)用昂貴，試驗工況較少[10].

文中在大型模型箱內(nèi)鋪筑和真實路面同厚度的路面模型，采用大型MTS模擬車輛輪胎荷載并對路面模型進(jìn)行加載，得到不同位置面層底部和基層底部的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)，期望為以貧混凝土為基層的剛性路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)和路面長期性能提供一種高效經(jīng)濟(jì)的研究方法.

1 結(jié)構(gòu)模型試驗

1.1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

我國水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范建議路面板厚度依據(jù)交通等級不同，設(shè)計范圍在18～32 cm，在極重交通條件下超過32 cm.為了更容易獲取路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)，設(shè)計路面層厚度18 cm，貧混凝土基層厚度采用20 cm，路基厚度100 cm，路面結(jié)構(gòu)見圖1.綜合考慮路基路面模型的實驗結(jié)果可靠性、吊裝和加載的方便性，確定模型箱尺寸為2 m×1.5 m×1.38 m(長×寬×高).

按照設(shè)計尺寸進(jìn)行鋼模型箱加工制作，并進(jìn)行路基、基層和面層施工.面層水泥混凝土配合質(zhì)量比：水泥∶碎石∶砂∶水=325∶1 150∶765∶195.經(jīng)過試驗其抗壓強(qiáng)度均值為38 MPa.貧水泥混凝土配合質(zhì)量比：水泥∶碎石∶砂∶水=170∶1 358∶764∶138.經(jīng)過試驗其抗壓強(qiáng)度均值為16 MPa.路基土壓實度達(dá)到96%，滿足規(guī)范要求值.

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型、加載位置和傳感器埋設(shè)圖(單位：cm)

1.2 傳感器設(shè)置

根據(jù)傳感器的工作原理，檢測層底的拉應(yīng)力是比較困難的.對于路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)研究，目前基本上都是檢測層底拉應(yīng)變.本文路面結(jié)構(gòu)模型箱試驗采用振弦式應(yīng)變計，傳感器內(nèi)置溫度編碼芯片，具有溫度測量、溫度修正、編號記憶功能，適合于橋梁、道路、大體積結(jié)構(gòu)體的長期檢測和自動化檢測.傳感器和數(shù)據(jù)采集儀見圖2.為了分析水泥混凝土面層層底應(yīng)變在不同荷載作用下變化規(guī)律，在水泥混凝土面層層底、基層層底分別設(shè)置應(yīng)變傳感器，見圖1.

圖2 MR振弦式應(yīng)變傳感器、采集儀

1.3 加載方案

1.3.1加載壓頭

我國常見貨車輪胎的尺寸為：外直徑0.8～1.2 m，截面寬度20～28 cm.本次試驗設(shè)計和真實輪胎形狀基本一致的弧形鋼壓頭，直徑取1 m，截面寬度取26 cm，具體尺寸見圖3.

圖3 加載壓頭尺寸設(shè)計圖(單位:mm)

由于剛性板作用于路面上時，板底壓力分布和柔性板壓力分布存在較大差異，為了更加真實的模擬車輛輪胎荷載，在壓頭下粘貼一層貨車輪胎.加載壓頭加工完成并粘貼輪胎后見圖4.

圖4 加工后的加載壓頭

1.3.2加載壓強(qiáng)計算

由于輪胎的變形，荷載增大時會導(dǎo)輪胎接地面積增大，從而影響接地壓強(qiáng).本項目在試驗之前，對加載壓頭分別施加30～80 kN的荷載，進(jìn)行壓頭接地面積檢測.根據(jù)所測得的輪胎接地面積，計算出接地壓強(qiáng)，結(jié)果見表1.由于本文采用單輪加載，為方便和其他研究成果進(jìn)行對比分析，將其換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載后也列在表1中.

表1 加載輪接地參數(shù)

文獻(xiàn)[11]在內(nèi)蒙古呼和浩特市榆林治超檢查站對過往的貨車進(jìn)行單軸軸重、輪胎接地面積現(xiàn)場測試，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行接地壓強(qiáng)換算，測試結(jié)果及接地壓強(qiáng)具體見表2.

表2 輪胎接地壓強(qiáng)和接地面積

將表1～2中的軸重和壓強(qiáng)關(guān)系曲線表示見圖5.本文所采用的加載壓頭的接地壓強(qiáng)和實際貨車輪胎作用下的接地壓強(qiáng)十分接近，可以確保本試驗所設(shè)計的加載壓頭符合實際情況，能比較真實地模擬車輛荷載作用.

圖5 接地壓強(qiáng)對比

1.3.3加載方案

采用50 t的移動桁吊將模型箱吊裝到位，調(diào)整大型MTS作動器，使加載壓頭位于加載位置.路面板短邊邊緣中部(1#位置)、板中心(2#位置)和長邊邊緣中部(3#位置)為三個典型位置，車輛荷載作用于路面不同位置處，會對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生不同的影響，本研究將荷載施加在此三個位置，見圖1.受大型MTS反力架空間的限制，本次試驗未對板角進(jìn)行加載.按照設(shè)計的加載位置進(jìn)行加載，荷載大小按照表1施加，加載穩(wěn)定后讀取6個應(yīng)變計數(shù)據(jù).

2 實驗結(jié)果

2.1 面層層底應(yīng)變

分別采集圖1的1#、2#和3#位置面層層底應(yīng)變，得到不同位置處的數(shù)據(jù)見圖6.1#位置位于短邊邊緣中部，距離邊緣40 cm，2#位置位于面板中間，3#位置位于長邊邊緣中部，距邊緣40 cm.

圖6 1#～3#位置加載面層層底應(yīng)變規(guī)律

由圖6可知，在路面板短邊方向進(jìn)行加載僅對加載位置的面板底部應(yīng)變影響較大，板中和長邊邊緣的層底應(yīng)變較小.在板中加載時也有類似規(guī)律，僅在作用點處面板底部拉應(yīng)變較大.然而在長邊邊緣中部加載時，不僅引起加載位置處板底應(yīng)變較大，在板中間位置層底也會產(chǎn)生較大拉應(yīng)變.

2.2 基層層底應(yīng)變結(jié)果

同樣，采集圖1中所示的1#、2#和3#位置處的底基層層底應(yīng)變，得到基層層底不同位置處的數(shù)據(jù)見圖7.

圖7 1#～3#位置加載基層層底應(yīng)變規(guī)律

由圖7可知，基層層底的應(yīng)變規(guī)律和面層層底應(yīng)變規(guī)律基本上一致，在3#位置施加荷載時，不僅荷載位置處的基層層底拉應(yīng)變增大，面板中間位置基層層底的拉應(yīng)變也隨著荷載的增加而顯著增加，而且兩個位置應(yīng)變值比較接近.

3 數(shù)據(jù)分析與討論

從面層層底的應(yīng)變結(jié)果來看，當(dāng)單輪荷載達(dá)到80 kN時，縱縫邊緣中部產(chǎn)生的應(yīng)變最大，達(dá)到了25 με.其他位置的應(yīng)變均小于該位置面層層底拉應(yīng)變.

對比面層和基層的層底拉應(yīng)變可以發(fā)現(xiàn)，基層層底的拉應(yīng)變普遍比面層層底拉應(yīng)變大，約為2倍.由于結(jié)構(gòu)模型未設(shè)置適當(dāng)?shù)牡谆鶎?，貧混凝土基層直接鋪筑在路基土上，造成兩者之間模量相差較大，使得基層層底拉應(yīng)變較大.我國水泥混凝土路面設(shè)計時，很多時候在貧混凝土基層底部設(shè)置了級配碎石墊層、二灰土、石灰土等底基層，其模量值見表3.貧水泥混凝土的抗壓模量值為10～20 GPa，上述底基層材料的模量值和貧混凝土基層相比，僅為貧混凝土的10%～20%，兩者之間模量相差過大，造成了貧混凝土基層層底產(chǎn)生過大的拉應(yīng)變.因此今后在進(jìn)行路面設(shè)計時，應(yīng)注意模量的過渡，在貧混凝土基層層底設(shè)置過渡層，使模量逐漸降低，設(shè)置模量較高的水泥穩(wěn)定類材料，其抗壓模量值可達(dá)10 GPa以上.

表3 常見材料的模量值 單位：MPa

本研究采用單輪加載，單輪重30～80 kN，如按照標(biāo)準(zhǔn)軸進(jìn)行換算，單軸重較大，可以有效的模擬重載車輛對路面的破壞作用.但同時另一方面，路面結(jié)構(gòu)模型尺寸較小，和真實路面相比存在一定的差距，因此，今后應(yīng)進(jìn)行更大尺寸的模型進(jìn)行加載實驗.

4 結(jié) 論

1) 荷載作用在路面板長邊邊緣時，面層層底和基層層底拉應(yīng)變都比較大；在未設(shè)置底基層情況下，基層層底拉應(yīng)變約為面層層底拉應(yīng)變的2倍.

2) 在進(jìn)行以貧水泥混凝土作為基層的路面設(shè)計時，基層層底應(yīng)設(shè)置模量較高的底基層，避免出現(xiàn)模量較低的墊層或者低模量底基層.

3) 通過大型MTS對路面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行加載，可以經(jīng)濟(jì)高效研究路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)，同時也為路面長期性能研究增加了一種實驗方法.