袁 捷，杜 浩，凌建明，朱 劍

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 南京210005）

機(jī)場水泥道面（Portland cement concrete，PCC）局部翻建時(shí)將面臨既有道面拆除問題，目前一般采用鎬頭機(jī)方式.由于鎬頭機(jī)工作時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)周邊保留區(qū)域的道面和基礎(chǔ)造成擾動(dòng)，常出現(xiàn)“修好一塊，壞了一片”的工程現(xiàn)象.究其原因，主要是對(duì)鎬頭機(jī)拆除工況下水泥道面的力學(xué)行為缺乏理論研究，進(jìn)而無法合理地選擇諸如鎬頭機(jī)沖擊能量、沖點(diǎn)位置、釬桿直徑等工藝參數(shù).鎬頭機(jī)破碎錘由錘體、釬桿和機(jī)架三部分組成，以液壓為動(dòng)力源，直接或間接驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，靠活塞沖程時(shí)的動(dòng)能沖擊釬桿，從而對(duì)混凝土產(chǎn)生破碎作用.在鎬頭機(jī)沖擊荷載作用下，水泥道面在很短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生貫穿裂縫并破碎成小塊，由于水泥道面板之間的接縫傳荷以及基層傳荷作用，周邊保留板也將對(duì)沖擊荷載產(chǎn)生力學(xué)響應(yīng).基于此，筆者采用三維有限元方法分析了鎬頭機(jī)拆除工況下道面破除板和保留板的力學(xué)行為，可為完善水泥道面拆除工藝提供重要的理論參考依據(jù).

1 鎬頭機(jī)拆除工況的數(shù)值分析模型

1.1 模型尺寸和邊界條件

分析模型為2塊水泥板放置在一定厚度基層上的雙板模型.單塊板尺寸為5m×5m×0.4m；基層厚度30cm，長寬與面層相同；墊層和土基簡化為Winkler地基.面層和基層施加側(cè)面的法向約束，考慮層間接觸，參考相關(guān)文獻(xiàn)［1－3］將摩擦系數(shù)取為1.5.有限元實(shí)體模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示.

采用在接縫兩側(cè)對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)設(shè)置彈簧單元的方法模擬接縫的剪力傳遞作用［4］，總的接縫剛度q按Friberg方法［5］進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)Hammons提出的結(jié)點(diǎn)“貢獻(xiàn)面積”方法［6］進(jìn)行接縫剛度分配，彈簧單元設(shè)置如圖2所示，圖中，a和b分別為分析模型中接縫板邊方向和板厚方向兩相鄰彈簧結(jié)點(diǎn)距離的一半.計(jì)算結(jié)果：板角彈簧剛度KC為25.165 MPa，板邊彈簧剛度KE為50.33 MPa，板中彈簧剛度KI為100.66 MPa.

1.2 材料參數(shù)

假設(shè)面層水泥混凝土及基層（如水泥穩(wěn)定碎石）均為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性材料，相應(yīng)的表征參數(shù)為彈性模量E和泊松比μ，其取值見表1.

表1 材料模型參數(shù)取值Tab.1 Material parameters of model

1.3 荷載圖示

鎬頭機(jī)作用在水泥道面上的荷載是一隨時(shí)間、沖錘速度、釬頭侵入混凝土位移等因素影響的動(dòng)力荷載，且具有明顯的沖擊荷載特點(diǎn)，釬頭與混凝土之間的沖擊荷載可簡化為半波正弦曲線，荷載作用在板邊中部，邊緣距接縫30cm（圖3—4）.圖3 中，A（t）為沖擊載作用值；A0為沖擊荷載作用峰值；ω為圓頻率，ω＝2π／T，其中T為沖擊荷載作用周期；φ為沖擊荷載作用初相位.

圖3 釬桿簡諧振動(dòng)示意Fig.3 Simple harmonic motion of drill rod

圖4 荷載作用位置Fig.4 Load position

由于動(dòng)力分析不僅過程復(fù)雜、繁瑣，而且材料參數(shù)取值方面尚存在較大爭議.對(duì)于位置固定的荷載，由動(dòng)載產(chǎn)生的應(yīng)力一般均略小于靜載情況，但差異不大.因此實(shí)際研究中往往采用等效靜力簡化的手段［7－8］.本模型將鎬頭機(jī)的沖擊荷載簡化為靜止的恒定荷載，靜荷載大小可通過沖量定理確定：

式中：F為沖擊作用力；m為 釬桿質(zhì)量；v0、vt分別為釬桿的初速度和末速度；t為沖擊作用時(shí)間.

取1／4周期進(jìn)行計(jì)算（t＝T／4），則vt＝0，初速度v0的取值范圍根據(jù)相關(guān)研究成果［9－10］一般8～12 m·s－1，模型中釬桿沖擊速度v0取為10m·s－1.鎬頭機(jī)破碎時(shí)釬頭與混凝土的接觸面簡化為等面積的矩形，接觸壓力在接觸面積內(nèi)均勻分布.根據(jù)搞頭機(jī)沖擊能量的不同，模型中小型、中型和大型鎬頭機(jī)的荷載參數(shù)見表2.

表2 鎬頭機(jī)荷載參數(shù)Tab.2 Load parameters of breaking hammer

2 不同工況下道面力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 道面豎向變形分布特征

分別采用表1中小型、中型和大型液壓破碎錘的荷載參數(shù)（下同），計(jì)算了鎬頭機(jī)作用下道面的變形分布，拆除板和保留板的道面頂面的豎向位移Uz等值線圖如圖5所示.

圖5 道面板頂面豎向位移Uz 等值線圖（單位：mm）Fig.5 Contour map of vertical displacement Uzon top surface of PCC slab（unit：mm）

可見，拆除板和保留板均存在縱橫彎曲現(xiàn)象，隨著鎬頭機(jī)沖擊能量的增大，板塊彎曲現(xiàn)象越明顯.拆除板向下位移最大值出現(xiàn)在荷載作用處，不同鎬頭機(jī)作用下分別為1.30、2.93和4.78mm；保留板最大向下位移出現(xiàn)在板邊，分別為1.06、2.48和3.86 mm；向上位移的最大值出現(xiàn)在保留板的板角，分別為0.45、0.98和1.46mm.鎬頭機(jī)沖擊道面時(shí)，保留板產(chǎn)生翹曲，進(jìn)而和基層之間形成局部脫空，改變了層間接觸狀態(tài).

2.2 拆除板應(yīng)力分布特征

分別計(jì)算了鎬頭機(jī)作用下拆除板拉應(yīng)力分布，底面拉應(yīng)力σ拉等值線圖如圖6所示.

圖6 拆除板底面拉應(yīng)力σ拉等值線圖（單位：MPa）Fig.6 Contour map of tensile stressσ拉on bottom surface of removal slab（unit：MPa）

結(jié)果表明拆除板的最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在板底，不同鎬頭機(jī)作用下的最大拉應(yīng)力分別為4.2、9.5和15.3 MPa，且以橫向力為主（產(chǎn)生縱縫）.機(jī)場水泥混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度一般為5.0 MPa左右，實(shí)際可達(dá)到8～9 MPa，可見采用小型鎬頭機(jī)進(jìn)行道面拆除效果不佳（與實(shí)際情況一致）；而中型和大型鎬頭機(jī)則可輕易將板塊拆除.

2.3 保留板應(yīng)力分布特征

分別計(jì)算了鎬頭機(jī)作用下保留板的應(yīng)力分布.結(jié)果表明保留板的頂面都為拉應(yīng)力區(qū)，底面也有一部分拉應(yīng)力區(qū)，保留板底面和頂面的拉應(yīng)力σ拉等值線圖分別如圖7和圖8所示.

圖7 保留板底面拉應(yīng)力σ拉等值線圖（單位：MPa）Fig.7 Contour map of tensile stressσ拉on bottom surface of reserved slab（unit：MPa）

圖8 保留板頂面拉應(yīng)力σ拉等值線圖（單位：MPa）Fig.8 Contour map of tensile stressσ拉on top surface of reserved slab（unit：MPa）

可見，保留板拉應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在板底，不同鎬頭機(jī)作用下板底最大拉應(yīng)力分別為1.1、2.4和3.3MPa，而板頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力分別為0.7、1.7和2.7 MPa.隨著鎬頭機(jī)沖擊能量的增大，保留板將承受較大的拉應(yīng)力水平，這一水平的應(yīng)力雖然不至于直接破壞保留板，但是有可能在保留板內(nèi)部（特別是板底）形成損傷.為了減少鎬頭機(jī)拆除時(shí)對(duì)于保留板的損傷，不能僅考慮拆除效率而使用很大的沖擊能量，特別是第一次沖擊時(shí)，應(yīng)在保證拆除效率的前提下，應(yīng)盡可能選擇沖擊能量較小的液壓破碎錘進(jìn)行施工.

2.4 層間剪應(yīng)力分布特征

分別計(jì)算了鎬頭機(jī)作用下道面板及基層的層間剪應(yīng)力分布，層間剪應(yīng)力τ等值線圖如圖9所示.不同鎬頭機(jī)作用下拆除板與基層的層間剪應(yīng)力最大值分別為0.7、1.7和2.7 MPa；保留板與基層的層間剪應(yīng)力最大值分別為0.4、0.9和1.4 MPa.

圖9 道面板與基層的層間剪應(yīng)力τ 等值線圖（單位：MPa）Fig.9 Contour map of interface shear stressτbetween PCC slab and subbase（unit：MPa）

當(dāng)半剛性基層與水泥板結(jié)合良好時(shí)，層間粘結(jié)強(qiáng)度一般在1.0～2.0 MPa之間［11］.因此，當(dāng)使用中型或大型液壓破碎錘拆除時(shí)，拆除板不僅由于板底拉應(yīng)力而破碎，且與基層的層間剪應(yīng)力也較大，會(huì)造成水泥板與基層的局部脫離，提高了鎬頭機(jī)拆除作業(yè)效率（與實(shí)際情況一致）.然而，鎬頭機(jī)的沖擊能量過大，也會(huì)造成保留板與基層的層間剪應(yīng)力較大，尤其當(dāng)水泥板與基層的結(jié)合較弱時(shí)，容易引起保留板與基層的局部脫離，影響保留區(qū)域道面結(jié)構(gòu)的荷載響應(yīng)，進(jìn)而影響到道面的使用性能和壽命.

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)道面拆除時(shí)力學(xué)響應(yīng)的影響

3.1 面層厚度

選取20、24、28、32、36、40和44cm 七種厚度的水泥板，分析面層厚度對(duì)鎬頭機(jī)作用下道面力學(xué)響應(yīng)的影響，計(jì)算中其他道面結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，荷載選用中型液壓破壞錘.（下同）計(jì)算結(jié)果如圖10所示.

從圖10可以看出，面層厚度對(duì)拆除板、保留板及基層的力學(xué)響應(yīng)影響非常顯著.隨著面層厚度的增大，道面板的應(yīng)力明顯降低.面層厚度為44cm時(shí)，拆除板的底面最大拉應(yīng)力也有8.0 MPa，機(jī)場水泥混凝土面層的最大厚度一般不超過44cm，故采用中型液壓破碎錘已能破碎各種厚度的水泥板.當(dāng)面層厚度小于30cm 時(shí)，保留板的底面拉應(yīng)力峰值超過5.0MPa，與基層的層間剪應(yīng)力峰值也能達(dá)到2.0 MPa，極易引起保留板的破壞，因此若不采取相關(guān)保護(hù)措施，中型液壓破碎錘不適合拆除厚度30cm 以下的水泥混凝土道面.

圖10 面層厚度對(duì)道面力學(xué)響應(yīng)的影響Fig.10 Effect of surface thickness on pavement mechanical response

3.2 接縫傳荷剛度

調(diào)整接縫傳荷剛度q為基礎(chǔ)模型的1／4、1／2、1、2和4 倍（即251.65、503.3、1 006.6、2 013.2 和4 026.4 MPa），荷載參數(shù)和其他道面結(jié)構(gòu)參數(shù)均保持不變，分析接縫傳荷剛度對(duì)鎬頭機(jī)作用下道面力學(xué)響應(yīng)的影響，計(jì)算結(jié)果如圖11所示.

圖11 接縫傳荷能力對(duì)道面力學(xué)響應(yīng)的影響Fig.11 Effect of load transfer on pavement mechanical response

可見，接縫剛度增大不利于拆除板的破碎，但影響較小，拆除板的底面拉應(yīng)力變化幅度在0.8 MPa（10%）以內(nèi).而保留板的底面拉應(yīng)力峰值增加了1.2 MPa，增長幅度超過70%.因此，實(shí)際施工時(shí)宜通過切縫或鋸斷傳力桿（或拉桿）等手段來減弱道面的接縫傳荷能力，以減小對(duì)保留道面的影響.

3.3 基層厚度及地基強(qiáng)度

選取15、20、25、30、35和40cm 六種基層厚度以及30、50和70 MN·m－3三種地基反應(yīng)模量進(jìn)行分析（圖12和圖13），可見隨著基層厚度和地基強(qiáng)度的增加，拆除板及保留板的最大拉應(yīng)力均略有降低，幅度不超過10%，因此可認(rèn)為基層厚度與地基強(qiáng)度對(duì)道面拆除時(shí)力學(xué)響應(yīng)的影響基本可以忽略.

圖12 基層厚度對(duì)道面力學(xué)響應(yīng)的影響Fig.12 Effect of base thickness on pavement mechanical response

圖13 地基強(qiáng)度對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響Fig.13 Effect of foundation strength on pavement mechanical response

4 結(jié)語

（1）以ABAQUS作為分析平臺(tái)，通過對(duì)模型尺寸、位移邊界條件、層間接觸條件、荷載模型、材料模型、接縫傳荷模型等進(jìn)行合理簡化，建立了考慮接縫和基層傳荷效應(yīng)的雙板有限元分析模型，可用于模擬鎬頭機(jī)拆除工況下水泥道面的力學(xué)行為.

（2）鎬頭機(jī)用于拆除道面板時(shí)其相鄰板的力學(xué)響應(yīng)與鎬頭機(jī)的沖擊能量大小呈正相關(guān)，表現(xiàn)為板角存在一定程度的翹曲位移，宜造成保留板與基層之間出現(xiàn)局部脫空問題.保留板的應(yīng)力響應(yīng)水平雖不至于直接破壞道面，但有可能形成損傷，因此，不能僅考慮拆除效率而使用很大的沖擊能量.

（3）分析表明面層厚度對(duì)鎬頭機(jī)作用下道面力學(xué)響應(yīng)的影響很大，拆除施工前應(yīng)首先調(diào)查清楚面層水泥板的厚度，根據(jù)面層厚度選擇合適的鎬頭機(jī).面層厚度小于30cm 時(shí)，應(yīng)選擇小型液壓破碎錘；面層厚度大于30cm 時(shí)，選用中型液壓破碎錘即可，一般情況下不應(yīng)使用大型液壓破碎錘.

（4）減小接縫傳荷能力對(duì)拆除板的影響較小，但有利于保留板的受力.切縫劃定拆除邊界時(shí)應(yīng)有足夠的深度，以切斷傳力桿或拉桿，減小鎬頭機(jī)對(duì)保留板塊的擾動(dòng).

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