邊祥芹，鄧廷權(quán)

(廣西交通科學(xué)研究院)

多錘頭破碎機(jī)作用下的路面受力分析

邊祥芹，鄧廷權(quán)

(廣西交通科學(xué)研究院)

碎石化技術(shù)是利用多錘頭破碎機(jī)(MHB)對舊水泥路面進(jìn)行改建的一種技術(shù)，采用ABAQUS有限元軟件，對MHB作用下的路面進(jìn)行受力分析，并分析了落錘高度、基層類型、墊層類型和路基模量對路面彎拉應(yīng)力和彎沉的影響。研究結(jié)果表明:落錘高度對路面縱、橫向彎拉應(yīng)力均有較大程度的影響，基層類型、墊層類型和路基模量對路面橫向彎拉應(yīng)力影響較大，對路面縱向彎拉應(yīng)力影響不大;MHB作用下，落錘高度、基層類型、墊層類型和路基模量均對板頂彎沉影響較大，實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)路面和路基情況選擇合適的落錘高度。

道路工程;水泥混凝土路面;受力分析;有限元法;多錘頭破碎機(jī)

1 有限元模型和荷載

1.1 有限元模型

結(jié)合廣東省舊路改建項(xiàng)目試驗(yàn)路(羅梅公路)典型路面結(jié)構(gòu)，對面層、基層、墊層和路基分別進(jìn)行有限元模擬。參考相關(guān)文獻(xiàn)，面層大小為:長(路線方向)×寬為:5×4.5 m，基層、墊層和路基的大小均為:長×寬為:30×30 m(采用擴(kuò)大的基層、墊層和路基，以減小其對面層受力的影響)，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 有限元模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)

考慮舊水泥路面的特點(diǎn)，各結(jié)構(gòu)約束條件為:面層為自由邊界，四周不受約束;路基、墊層、基層四周受x軸、y軸轉(zhuǎn)動方向及水平方向約束(x方向?yàn)槁访婵v向，y方向?yàn)槁访鏅M向，z方向?yàn)槁访嫔疃确较?;路基底部為固定約束。

1.2 荷載計(jì)算及力學(xué)參數(shù)

MHB靠錘頭自由下落的沖擊力對路面施加荷載，其作用過程符合沖量定理。假設(shè)錘頭作用于路面時錘載均勻地分布在路面上，錘頭荷載用Pmax表示，根據(jù)動量定理可知

式中:A為錘頭底面積，其為固定值;Δt為錘－板間的接觸時間，參考相關(guān)文獻(xiàn)論文取30 ms;為錘－板間的接觸應(yīng)力，Pa;H為落錘高度，初始值為1.0 m;m為錘頭質(zhì)量，大小為650 kg;v0為錘—板接觸時的初速度，m/s;Pmax為錘－板間的最大接觸應(yīng)力，Pa。

由式(1)、式(2)和式(3)計(jì)算所得Pmax為37.2 MPa，荷載作用位置為橫向接縫中間位置。通過計(jì)算得到路面縱、橫向彎拉應(yīng)力分別為8.43 MPa和2.68 MPa。水泥混凝土路面的抗壓強(qiáng)度明顯大于彎拉強(qiáng)度，其破壞一般為彎拉應(yīng)力過大導(dǎo)致的破壞，對于C40混凝土其彎拉強(qiáng)度一般為5 MPa左右，可見MHB作用下路面縱向彎拉應(yīng)力足以導(dǎo)致路面板的破碎。

2 路面彎拉應(yīng)力分析

2.1 落錘高度的影響

MHB施工時，落錘高度是可調(diào)的，調(diào)整范圍一般為1.0～1.3 m，為分析其影響，改變落錘高度對路面彎拉應(yīng)力進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見圖1。由圖1可知，隨著落錘高度的增加，路面縱、橫向彎拉應(yīng)力均明顯增加，落錘高度對路面彎拉應(yīng)力影響較大。

圖1 落錘高度對彎拉應(yīng)力的影響

2.2 基層類型的影響

水泥混凝土路面的基層材料有多種類型，不同類型的基層具有不同的模量，為分析其影響，改變基層模量對路面彎拉應(yīng)力進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，基層模量對路面橫向彎拉應(yīng)力影響較大，而對縱向彎拉應(yīng)力影響較小。

2.3 墊層類型的影響

不同墊層材料模量不同，改變其大小分析基層模量對路面彎拉應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果見圖3。由圖3可知，墊層模量對路面橫向彎拉應(yīng)力影響較大，對路面縱向彎拉應(yīng)力影響不大。

圖2 基層模量對彎拉應(yīng)力的影響

圖3 墊層模量對彎拉應(yīng)力的影響

2.4 路基模量的影響

路基模量不同時，MHB作用下路面彎拉應(yīng)力不同，為分析其影響，改變路基模量，計(jì)算結(jié)果見圖4。由圖4可知:路基模量對路面橫向彎拉應(yīng)力影響較大，而對路面縱向彎拉應(yīng)力影響不大。

圖4 路基模量對彎拉應(yīng)力的影響

3 路面彎沉分析

落錘高度、基層類型、墊層類型和路基模量對MHB作用下板頂彎沉?xí)胁煌潭鹊挠绊?。通過計(jì)算，當(dāng)落錘高度分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2和1.3 m時，板頂最大彎沉分別為3.1、3.3、3.5、3.7、3.8和4.0 mm，可見隨著落錘高度的增加板頂彎沉明顯增加。板頂彎沉隨基層、墊層和路基模量的變化見圖5。由圖5可知:板頂彎沉隨基層、墊層和路基模量的增加明顯減小;基層、墊層和路基模量對板頂彎沉影響程度的關(guān)系為路基＞基層＞墊層。

圖5 基層、墊層和路基模量對路面位移的影響

4 碎石化施工工序

通過前文MHB作用下水泥路面彎拉應(yīng)力和彎沉分析并結(jié)合已有成果，提出碎石化技術(shù)施工并加鋪面層的一般施工工序。

(1)路面雜物清除，保證路面清潔，并將現(xiàn)有路面的修補(bǔ)材料去除;

(2)增設(shè)或修復(fù)現(xiàn)有路面排水設(shè)施，保證施工范圍內(nèi)無積水;

(3)對路段范圍內(nèi)需要保護(hù)的橋梁、涵洞及其他附屬設(shè)施做好標(biāo)記;

(4)布設(shè)施工高程控制點(diǎn)，根據(jù)需要進(jìn)行加密;

(5)對路面面層、基層、墊層及路基狀況進(jìn)行調(diào)查，選取試驗(yàn)段進(jìn)行施工，不斷調(diào)試確定落錘高度，然后對路面進(jìn)行破碎;

(6)破碎后清除路面廢棄材料，修復(fù)軟弱基層和路基; (7)碾壓破碎后的舊水泥混凝土路面，并將路面整平;

(8)進(jìn)行封層或透層的施工，加鋪面層(瀝青混凝土或水泥混凝土)。

5 結(jié)語

通過研究可知:

(1)MHB作用下，落錘高度對路面縱橫向彎拉應(yīng)力均有較大程度的影響，基層、墊層和路基模量對路面橫向彎拉應(yīng)力影響較大，對路面縱向彎拉應(yīng)力影響不大;

(2)MHB作用下，落錘高度、基層模量、墊層模量和路基模量均對板頂彎沉影響較大。此外，板厚、荷載作用位置等因素均對MHB作用下的路面受力有較大影響，多錘頭碎石化技術(shù)施工時均有考慮這些因素。

(3)參考相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合研究成果，給出合理的碎石化施工工藝，希望對廣西舊水泥混凝土路面改造有一定的參考價值。

［1］ 陳明哲，曾杰，李懿.舊水泥混凝土路面改造碎石化技術(shù)研究［J］.交通科技，2010，(2):58－60.

［2］ 柳正華，談至明.舊水泥混凝土路面的碎石化技術(shù)綜述［J］.公路，2006，(12):187－191.

［3］ 趙全滿，張洪亮，許曄.多錘頭破碎機(jī)作用下舊水泥路面的力學(xué)響應(yīng)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，37 (5):620－623.

［4］ 趙全滿.多錘頭碎石化技術(shù)在舊路改造中的適用性研究［D］.西安:長安大學(xué)，2013.

U418.8

C

1008－3383(2015)10－0015－02

2015－01－04

邊祥芹(1982－)，女，山東菏澤人，工程師，主要從事公路路面設(shè)計(jì)和概預(yù)算的編制。