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抑制反射裂縫的裝配式復(fù)合路面接縫性能研究

2022-12-19 16:37:12趙鴻鐸付夕原趙舉飛馬魯寬
關(guān)鍵詞:加鋪裝配式寬度

趙鴻鐸,夏 昶,付夕原,趙舉飛,馬魯寬

(1.同濟(jì)大學(xué)a.道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.民航飛行區(qū)設(shè)施耐久與運(yùn)行安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804;2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,武漢 430010)

隨著裝配式路面技術(shù)的發(fā)展,裝配式復(fù)合路面成為瀝青路面修復(fù)的主要結(jié)構(gòu)形式之一[1]。但在車輛沖擊荷載和自然環(huán)境的綜合作用下,裝配式復(fù)合路面接縫變形過大會(huì)導(dǎo)致瀝青加鋪層層底產(chǎn)生應(yīng)力集中,進(jìn)而產(chǎn)生反射裂縫,影響路面使用壽命[2-4]。因此,探究復(fù)合路面的接縫性能與反射裂縫的形成關(guān)系,對(duì)裝配式復(fù)合路面反射裂縫的抑制和防治具有重要意義。

復(fù)合路面接縫性能指標(biāo)主要包括接縫處的豎向彎沉和接縫寬度[5]。對(duì)于接縫處的豎向彎沉指標(biāo),美國瀝青協(xié)會(huì)(The Asphalt Institute)通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)接縫處的平均彎沉和彎沉差做出了相應(yīng)規(guī)定[6]。周志剛[7]應(yīng)用疲勞損傷力學(xué)理論與方法,計(jì)算出了舊水泥混凝土路面瀝青層結(jié)構(gòu)疲勞壽命與彎沉差、接縫撓度傳荷系數(shù)及平均彎沉的關(guān)系曲線拐點(diǎn)位置。單景松等[8]利用接縫彈簧剛度建立舊水泥混凝土路面接縫模型,發(fā)現(xiàn)當(dāng)接縫處相鄰板彎沉差處于較低水平時(shí),可通過控制彎沉差來延緩反射裂縫的擴(kuò)展。對(duì)于接縫寬度指標(biāo),現(xiàn)有研究多依賴于數(shù)值模擬。焦一等[9]發(fā)現(xiàn)隨著瀝青層厚度的增加和基層裂縫寬度的減少,最不利位置的最大剪應(yīng)力明顯下降。張偉等[10]基于彈性斷裂力學(xué)理論進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在不設(shè)傳力桿的對(duì)稱荷載作用下,基層裂縫寬度對(duì)道面應(yīng)力影響較小,在非對(duì)稱荷載作用下基層裂縫寬度對(duì)道面應(yīng)力影響較大;在兩種荷載條件下,傳力桿的設(shè)置均可削弱機(jī)輪荷載對(duì)機(jī)場(chǎng)道面結(jié)構(gòu)的損壞,且裂縫寬度越小,傳力桿作用越大。劉柏康等[11]發(fā)現(xiàn)瀝青加鋪層的抗反射裂縫能力隨著裂縫寬度增加而減小。

現(xiàn)有研究對(duì)于豎向彎沉的規(guī)定多依賴于經(jīng)驗(yàn),而相應(yīng)的理論研究缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)等因素的考慮;對(duì)于接縫寬度的研究較少考慮接縫寬度與瀝青層底應(yīng)力的定量關(guān)系,難以從理論角度分析控制接縫寬度指標(biāo)來抑制反射裂縫的機(jī)理。為此,本文圍繞裝配式復(fù)合路面接縫性能,選定接縫處相鄰板彎沉差和接縫寬度作為控制指標(biāo),基于彈性地基梁理論和疲勞損傷分析,對(duì)接縫性能開展研究,以達(dá)到抑制裝配式復(fù)合路面瀝青加鋪層反射裂縫的目的。研究成果可有效指導(dǎo)裝配式復(fù)合路面接縫設(shè)置。

1 接縫性能表征指標(biāo)

裝配式復(fù)合路面一般結(jié)構(gòu)形式[12]如圖1 所示。

圖1 裝配式復(fù)合路面一般結(jié)構(gòu)形式Fig.1 General form of precast composite pavement structure

裝配式復(fù)合路面的反射裂縫按照形成機(jī)理可以分為溫度型和荷載型兩種。對(duì)于溫度型反射裂縫,可以通過改進(jìn)瀝青層材料、增設(shè)防反措施及加強(qiáng)層間粘結(jié)等方法進(jìn)行防治;荷載型反射裂縫則更多通過控制接縫性能進(jìn)行防治[13-14]。因此,本文從抑制荷載型反射裂縫的目的出發(fā),開展接縫性能的研究。

汽車荷載經(jīng)過接縫前后可以分為3 個(gè)階段:①汽車荷載經(jīng)過接縫一側(cè),裝配式路面板產(chǎn)生相對(duì)位移,加鋪瀝青層產(chǎn)生剪切應(yīng)力;②汽車荷載經(jīng)過接縫上部,加鋪瀝青層層底受彎拉應(yīng)力作用;③汽車荷載經(jīng)過接縫另一側(cè),加鋪瀝青層產(chǎn)生與駛?cè)霑r(shí)相反的剪切應(yīng)力。3 個(gè)階段循環(huán)往復(fù)導(dǎo)致了接縫處荷載型反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

由上述分析可知,當(dāng)荷載作用于接縫一側(cè)時(shí),若裝配式復(fù)合路面接縫處相鄰板變形一致,板塊將近似于整體受力,可有效控制瀝青層層底剪切應(yīng)力;當(dāng)荷載作用于接縫中部時(shí),減小接縫寬度有助于降低瀝青層層底彎拉應(yīng)力。因此,本文選擇裝配式復(fù)合路面接縫處相鄰板彎沉差Δδ 和接縫寬度s 作為接縫性能表征指標(biāo),分別考慮接縫處瀝青加鋪層的剪切應(yīng)力和彎拉應(yīng)力,進(jìn)而抑制荷載型反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。其中,相鄰板彎沉差的計(jì)算方法為

式中:δL為受荷板接縫處彎沉(μm);δU為未受荷板接縫處彎沉(μm)。

2 瀝青加鋪層力學(xué)響應(yīng)求解

2.1 瀝青加鋪層剪切應(yīng)力的求解

在瀝青加鋪層剪切應(yīng)力求解時(shí),裝配式路面板(混凝土板)與瀝青加鋪層假定為結(jié)合式雙層板,接縫采用彈簧模擬,并用剪切彈簧剛度量化其性能?;趶椥缘鼗豪碚摚?jiǎn)化后的模型如圖2 所示。

圖2 偏荷載作用下的彈性地基梁模型Fig.2 Beam on elastic foundation model under eccentric load

圖2 中:點(diǎn)O 表示荷載作用的左邊界;點(diǎn)A 表示荷載作用的右邊界;荷載作用長(zhǎng)度為d;h 為等效單層板厚度,h=ha+hc,ha為瀝青層厚度,hc為混凝土板厚度;ks為考慮接縫寬度和傳力桿影響的剪切彈簧剛度;kn為考慮接縫處瀝青層和防反層影響的剪切彈簧剛度。

將瀝青加鋪層和裝配式路面板等效為單層板,等效彎曲剛度D[8]可表示為

式中:μ 為等效單層板的泊松比;Ec和Ea分別為裝配式水泥混凝土板及瀝青層的模量;h0為等效單層板中性軸至瀝青層表面的距離。

2.1.1 基本模型

根據(jù)Winkler 地基模型,基本求解方程可表示為

式中:dx 為x 方向上梁的微分單元;dw 為梁撓度的微分單元;p(x)為偏荷載分布集度;k 為地基反應(yīng)模量;w(x)為梁段x 位置處的撓度。

該微分方程的齊次通解[15]可表示為

式中:wOA、w-∞~O和wA~+∞分別為OA 段、-∞~O 段和A~+∞段梁的撓度為梁的柔度指標(biāo);Ai(i=1,2,3,4)為OA 段待定系數(shù);Bi(i=1,2,3,4)為-∞~O段待定系數(shù);Ci(i=1,2,3,4)為A~+∞段待定系數(shù)。

在OA 段時(shí),梁上有長(zhǎng)度為d 的行車荷載作用,因此其任一點(diǎn)撓度還應(yīng)加上行車荷載p 產(chǎn)生的撓度p/k,其余梁段解的形式皆同式(5)。

2.1.2 邊界條件求解待定系數(shù)

在無窮遠(yuǎn)處,有w|x→±∞=0,代入式(5),對(duì)x→-∞和x→+∞處的梁端進(jìn)行求解,即有

又因?yàn)閏os βx 和sin βx 不能同時(shí)為0,可得

在A 點(diǎn),邊界條件連續(xù),即有

式中:w|AL、w|AR、θ|AL、θ|AR、M|AL、M|AR、Q|AL、Q|AR分別表示A點(diǎn)左右兩側(cè)的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪切力,下標(biāo)處R 表示右趨近,L 表示左趨近。

將式(5)代入式(8),對(duì)于OA 段,A 點(diǎn)的x 軸坐標(biāo)值xA=d;對(duì)于A~+∞段,A 點(diǎn)的x 軸坐標(biāo)xA=0,從而可得

式中:wA、θA、MA、QA分別表示A 點(diǎn)的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪切力。

在O 點(diǎn),由于接縫兩端彎矩和剪切力相等,且彎矩為0,從而可得

式中:M|OL、M|OR、Q|OL、Q|OR、w|OL、w|OR分別表示O 點(diǎn)左右兩側(cè)的彎矩、剪切力和撓度。

由式(10)可以解得

聯(lián)立式(9)和式(11),求解各待定系數(shù),瀝青層剪切應(yīng)力為

式中Qa為瀝青層剪切力,表示

ha為瀝青層厚度(m);a 為有限寬長(zhǎng)板條邊緣處裂縫的長(zhǎng)度(m);kj、ka、kg分別為接縫、瀝青層、夾層(若有)的單位剪切剛度。

2.1.3 剪切疲勞壽命和裂縫擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子

當(dāng)瀝青加鋪層較薄時(shí)(如超薄磨耗層),可采用疲勞方程計(jì)算瀝青加鋪層層底剪切疲勞壽命[8]即

式中:Nf為瀝青加鋪層層底剪切疲勞壽命;τj為瀝青層極限剪切應(yīng)力。

當(dāng)瀝青加鋪層為普通瀝青混合料時(shí),剪切作用下裂縫擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子可表示為

式中b 為有限寬長(zhǎng)板條邊緣處裂縫的寬度。

2.2 瀝青加鋪層彎拉應(yīng)力的求解

基于彈性地基梁理論,接縫處瀝青加鋪層彎拉應(yīng)力的計(jì)算模型如圖3 所示。該模型將瀝青加鋪層和裝配式混凝土板視為雙層梁(上層梁和下層梁),不考慮層間摩阻力即層間完全光滑。同時(shí),因該路面結(jié)構(gòu)與所受荷載對(duì)稱,采用了對(duì)稱簡(jiǎn)化分析,O 點(diǎn)為該對(duì)稱結(jié)構(gòu)中點(diǎn);其中,瀝青加鋪層分為兩部分,接縫處的瀝青層視為非彈性地基梁,其余部分為彈性地基梁,荷載作用長(zhǎng)度為2l,l=OB;接縫寬度為2 s,s=OA;A 點(diǎn)為路面板與接縫的邊界位置;B 點(diǎn)為荷載作用的邊界位置;σp 為傳力構(gòu)件的抗彎作用。

圖3 對(duì)稱荷載作用下的彈性地基梁模型Fig.3 Beam model of elastic foundation under symmetrical load

2.2.1 Winkler 地基模型

雙層梁采用Winkler 地基模型,其基本變形方程[16]可表示為

式中:w1和w2分別為上下層梁的撓度;D1和D2分別為上、下層梁的剛度;k2和kv分別為彈性地基本身的反應(yīng)模量和下層梁支撐上層梁的反應(yīng)模量。

求解得到上下層梁撓度通解如下

不含Winkler 地基的中間段,基本模型為

該非齊次微分方程的基本解為

式中:w、θ、M、Q 分別表示雙層梁坐標(biāo)為x 處的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪切力;Ji(i=1,2,3,4)為待定系數(shù)。

2.2.2 邊界條件

在O 點(diǎn),剪切力及轉(zhuǎn)角為0,從而有

在A 點(diǎn),根據(jù)上層梁邊界條件連續(xù)有

在A 點(diǎn),下層梁彎矩和剪切力為0,從而有

通過求解式(22)和(23),其余各式所有待定系數(shù)可解。瀝青層層底拉應(yīng)力為

式中:Da為瀝青層剛度;Mp為不可伸縮類接縫加筋作用所產(chǎn)生的抵抗彎矩;Wz為瀝青層橫截面的彎曲截面系數(shù)。

2.2.3 彎拉疲勞裂縫擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子

將接縫處的瀝青層看作純彎拉,彎拉作用下裂縫擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子KM[17]可表示為

式中M 為裂縫處彎矩值。

2.3 反射裂縫擴(kuò)展壽命的求解

基于彈性地基梁理論,分析了瀝青加鋪層剪切應(yīng)力和彎拉應(yīng)力的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上,可基于斷裂力學(xué),采用Paris 公式[18]計(jì)算反射裂縫的擴(kuò)展壽命,其表達(dá)式如下

式中:c 為分段裂縫長(zhǎng)度(m);N 為疲勞裂縫擴(kuò)展壽命;FA和n 為疲勞裂縫擴(kuò)展參數(shù),與材料有關(guān);ΔK 為應(yīng)力強(qiáng)度因子變化幅值。

3 考慮反射裂縫抑制的接縫性能分析

3.1 接縫性能分析方法及參數(shù)設(shè)置

3.1.1 接縫性能分析方法

為抑制荷載型反射裂縫,本文采用的接縫性能分析方法如下。

(1)基于接縫處瀝青加鋪層剪切應(yīng)力、彎拉應(yīng)力及裂縫擴(kuò)展壽命的求解方法,計(jì)算每段裂縫擴(kuò)展所需疲勞作用次數(shù),累加即可得到最終疲勞裂縫貫穿所需的疲勞作用次數(shù)。

(2)分別根據(jù)疲勞作用次數(shù)與相鄰板彎沉差和接縫寬度的關(guān)系,同時(shí)考慮接縫性能的衰減,依據(jù)裂縫擴(kuò)展壽命進(jìn)行接縫性能指標(biāo)要求的劃定,進(jìn)而得出為抑制反射裂縫發(fā)生所對(duì)應(yīng)的接縫性能要求。

3.1.2 分析參數(shù)設(shè)置

在接縫處相鄰板彎沉差及裂縫擴(kuò)展壽命的計(jì)算過程中,所采用的參數(shù)設(shè)置如下。

(1)加載力。根據(jù)中國路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[19],軸載為雙輪組單軸載為100 kN,取單輪加載力大小為50 kN,作用長(zhǎng)度0.2 m,則線應(yīng)力為2.5×105N/m。

(2)瀝青加鋪層剪切彈簧剛度。根據(jù)足尺板換算可以得出,足尺板與長(zhǎng)梁在同一撓度傳荷系數(shù)、同一彎沉差下對(duì)應(yīng)梁的彈簧剛度,得出梁的單位寬度剪切彈簧剛度為2 000 MN/m。再通過剪切力分配的有限元試算,足尺板中瀝青層傳遞的剪切力為接縫處傳遞總剪切力的10%~20%,故瀝青加鋪層厚為0.05 m 時(shí),取剪切彈簧剛度為200 MN/m,其他厚度條件下?lián)税幢壤逯怠?/p>

(3)分層迭代近似計(jì)算。每次裂縫擴(kuò)展長(zhǎng)度取0.005m,計(jì)算完畢后將瀝青加鋪層的剪切彈簧剛度進(jìn)行折減,直至裂縫擴(kuò)展至頂面,此時(shí)瀝青層的剪切彈簧剛度失效。疲勞裂縫擴(kuò)展參數(shù)FA取2.801×1012,n 取2.269[7]。

(4)其他參數(shù)。接縫的剪切剛度為0~50 000 MN/m;瀝青加鋪層厚度為0.05~0.20 m(模量2 GPa);對(duì)于超薄磨耗層,厚度取0.015 m;地基反應(yīng)模量取50 MN/m3;板厚取0.24 m(模量36 GPa),不計(jì)防反措施的影響;瀝青加鋪層張拉彈簧剛度影響較小,取10 MN/m。

在接縫寬度的計(jì)算過程中,本研究采用單因子輪換法,設(shè)置工況如表1 所示。其他參數(shù)與接縫處相鄰板彎沉差的計(jì)算所采用參數(shù)相同,其中地基反應(yīng)模量與層間反應(yīng)模量的比值設(shè)為2。

3.1.3 交通荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](JTG D40-2011),按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)設(shè)計(jì)車道臨界荷位處所承受的設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)將交通荷載等級(jí)分為5 級(jí)。分類標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 交通荷載等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Specifications for traffic load level

3.2 接縫處相鄰板彎沉差分析

由2.3 節(jié)可知,在接縫處相鄰板彎沉差相同的情況下,瀝青加鋪層裂縫擴(kuò)展壽命或疲勞壽命僅與瀝青加鋪層性能相關(guān),而與下臥層無關(guān)。基于此,計(jì)算了不同厚度瀝青加鋪層的裂縫擴(kuò)展壽命與接縫處相鄰板彎沉差的關(guān)系,如圖4 所示。

圖4 不同厚度瀝青加鋪層的裂縫擴(kuò)展壽命隨接縫處相鄰板彎沉差的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between crack propagation life of different asphalt layers and deflection difference

從圖4 可知,裂縫擴(kuò)展壽命隨著彎沉差的增加而逐漸減小,呈先快后慢的趨勢(shì),在彎沉差為50 μm 時(shí)存在拐點(diǎn)。對(duì)于不同厚度瀝青加鋪層,50 μm 的彎沉差對(duì)應(yīng)的裂縫擴(kuò)展壽命皆大于6×107次,考慮長(zhǎng)期荷載作用,相鄰板彎沉差隨時(shí)間增加至100 μm,此時(shí)對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展壽命為2×107次,可滿足重交通荷載等級(jí)的要求。

對(duì)于0.10 m 厚的瀝青加鋪層,當(dāng)相鄰板彎沉差為25 μm 時(shí)其對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展壽命約為3×108次;考慮長(zhǎng)期荷載作用,相鄰板彎沉差隨時(shí)間增加至100 μm 后對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展壽命為3×107次,滿足重交通荷載等級(jí)的要求。對(duì)設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為1 × 1010次以上的極重交通等級(jí)路面,瀝青加鋪層厚度為0.1 m 時(shí),相應(yīng)彎沉差的要求在10 μm 內(nèi),考慮后期相鄰板彎沉差的增大,復(fù)合路面的使用壽命難以滿足規(guī)范要求。

因此,為抑制反射裂縫并適應(yīng)重交通等級(jí)的需要,建議瀝青加鋪層厚度應(yīng)不低于0.10 m,對(duì)于特重和極重交通荷載等級(jí)的路面建議增設(shè)防反措施,考慮長(zhǎng)期性能衰減情況,建議初始的接縫處相鄰板彎沉差不高于20 μm。

圖5 是0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)的剪切疲勞壽命隨接縫處相鄰板彎沉差的變化關(guān)系,其中在計(jì)算過程中抗剪強(qiáng)度取1.1 MPa[20]。

從圖5 可以看出,瀝青層的剪切疲勞類破壞受彎沉差影響非常大,因此彎沉差控制得當(dāng)時(shí),瀝青層壽命可以得到有效提升。從抑制反射裂縫的角度看,較薄的瀝青加鋪層不適用于承受極重交通荷載等級(jí)的路面。因此,對(duì)承受特重及以下交通荷載等級(jí)的路面,考慮長(zhǎng)期性能衰減,建議初始的接縫處相鄰板彎沉差不高于20 μm。

圖5 0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)的剪切疲勞壽命隨接縫處相鄰板彎沉差的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between shear fatigue life of 0.015 m-thick asphalt layer(ultra-thin wear layer)and deflection difference

3.3 接縫寬度分析

本文分別考慮了地基支撐條件、板厚、瀝青層厚度及接縫構(gòu)件或防反層加筋作用的影響,不同工況下裂縫擴(kuò)展壽命與接縫寬度關(guān)系的計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

由圖6 可知,接縫寬度對(duì)裂縫擴(kuò)展壽命的影響較大,特別是接縫寬度從0 擴(kuò)展至0.002 m 時(shí),裂縫擴(kuò)展壽命下降顯著,并持續(xù)下降;在接縫寬度為0.010 m 左右時(shí)存在拐點(diǎn);接縫寬度為0.025 m 時(shí),裂縫擴(kuò)展壽命近似為1×108次;接縫寬度為0.030 m 時(shí),裂縫擴(kuò)展壽命仍大于5×107次,此時(shí)可滿足重交通荷載等級(jí)要求。因此,在路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響上,提高地基反應(yīng)模量及瀝青層厚度對(duì)裂縫擴(kuò)展壽命都是有利的。相對(duì)而言,地基反應(yīng)模量的影響在數(shù)量級(jí)上幾乎是線性的,瀝青加鋪層厚度的影響則相對(duì)有限,且路面板板厚對(duì)裂縫擴(kuò)展壽命幾乎沒有影響。

此外,考慮溫度作用下接縫的最不利寬度為0.005 m,本研究根據(jù)交通荷載等級(jí)劃定接縫寬度的指標(biāo)如下:對(duì)于重交通荷載等級(jí),接縫寬度應(yīng)控制在0.025 m 以內(nèi);對(duì)于特重交通荷載等級(jí),瀝青層應(yīng)大于0.150 m,且同時(shí)滿足地基反應(yīng)模量大于110 MN/m3時(shí),接縫寬度控制在0.010 m 以內(nèi),否則接縫寬度應(yīng)控制在0.005 m 以內(nèi);對(duì)于極重交通荷載等級(jí),瀝青層較厚(0.150 m 以上)時(shí),接縫寬度應(yīng)控制在0.005 m 以內(nèi),否則接縫寬度控制在0.003 m 以內(nèi)。當(dāng)上述接縫寬度因?qū)嶋H條件受限而不能滿足時(shí),應(yīng)采取相應(yīng)防反處理措施并提高板間摩阻力。

若采用預(yù)應(yīng)力或接縫構(gòu)件(比如cotta 構(gòu)件)[3],其對(duì)裂縫擴(kuò)展壽命的增長(zhǎng)如圖6(d)所示,當(dāng)接縫寬度較小時(shí),即使彎矩減小20%,裂縫擴(kuò)展壽命也可達(dá)到億次提升。

圖6 裂縫擴(kuò)展壽命隨接縫寬度的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between crack propagation life and joint width

此外,計(jì)算0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)層底最大彎拉應(yīng)力隨接縫寬度的變化,結(jié)果如圖7 所示。

圖7 0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)的最大彎拉應(yīng)力隨接縫寬度的變化情況Fig.7 Variation of maximum bending tensile stress of 0.015 m-thick asphalt layer(ultra-thin wear layer)with joint width

從圖7 可知,0.015 m 瀝青加鋪層(超薄磨耗層)層底最大彎拉應(yīng)力隨接縫寬度呈線性增加。當(dāng)接縫寬度為0.020 m,最大彎拉應(yīng)力達(dá)到6 MPa 以上;當(dāng)接縫寬度擴(kuò)大至0.040 m,最大彎拉應(yīng)力超過12 MPa,這顯然不能滿足疲勞壽命的需求。因此,在采用超薄磨耗層作為加鋪層時(shí),必須從工藝上加強(qiáng)層間粘結(jié),減少層間相對(duì)滑動(dòng),從而增強(qiáng)抑制反射裂縫發(fā)生的能力。

4 結(jié)語

本文明確了裝配式復(fù)合路面的一般結(jié)構(gòu)形式及受力特征,使用彈性地基梁法和疲勞損傷分析構(gòu)建了接縫處相鄰板彎沉差和接縫寬度與荷載型反射裂縫擴(kuò)展壽命的關(guān)系。認(rèn)為通過相鄰板彎沉差、接縫寬度兩個(gè)指標(biāo)可有效控制瀝青層壽命,具體結(jié)論如下。

(1)在承受重交通荷載等級(jí)以下路面時(shí),接縫處相鄰板彎沉差不宜大于50 μm;在承受特重交通荷載等級(jí)路面時(shí),接縫處相鄰板彎沉差不宜大于25 μm;在承受極重交通荷載等級(jí)路面時(shí),接縫處相鄰板彎沉差不宜大于20 μm,且當(dāng)瀝青層厚度不低于0.10 m 時(shí),需增設(shè)防反措施。對(duì)于超薄磨耗層,在承受重交通荷載等級(jí)以下路面時(shí),彎沉差不宜大于20 μm。

(2)在承受重交通荷載等級(jí)以下路面時(shí),接縫寬度應(yīng)控制在0.025m 以內(nèi);在承受特重交通荷載等級(jí)路面時(shí),瀝青層厚度應(yīng)大于0.150 m,且同時(shí)滿足地基反應(yīng)模量大于110 MN/m3時(shí),接縫寬度應(yīng)控制在0.010 m以內(nèi),否則應(yīng)控制在0.005 m 以內(nèi);在承受極重交通荷載等級(jí)路面時(shí),當(dāng)瀝青層厚度大于0.150 m 時(shí),接縫寬度應(yīng)控制在0.005 m 以內(nèi),否則應(yīng)控制在0.003 m 以內(nèi)。加鋪超薄磨耗層時(shí),接縫寬度指標(biāo)失效,必須從工藝上加強(qiáng)層間粘結(jié),減少層間相對(duì)滑動(dòng)。另外,當(dāng)層間粘結(jié)較強(qiáng)時(shí),板塊收縮必然導(dǎo)致接縫產(chǎn)生開裂,因此,應(yīng)優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力或接縫構(gòu)件,當(dāng)接縫不具備選用預(yù)應(yīng)力或接縫構(gòu)件條件時(shí),再采取相應(yīng)的防反措施。

本文接縫性能分析的理論基礎(chǔ)是彈性地基梁,與真實(shí)的路面板存在一定差異,而對(duì)于此差異性本研究并未進(jìn)行深入探究。因此,后續(xù)的研究可以基于彈性地基板的相關(guān)理論,對(duì)裝配式復(fù)合路面的接縫性能開展進(jìn)一步分析,并開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證。

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