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(zhǎng)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(lái)破碎路面，然后通過(guò)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(duì)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(guò)程中，對(duì)路面產(chǎn)生顯著動(dòng)力響應(yīng)[1-4]。如何清楚沖擊碾壓過(guò)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(wèn)題[5-6]。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者更多的是基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(duì)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(duì)沖擊碾壓技術(shù)的動(dòng)力特性分析較少，對(duì)土體應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)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(duì)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(guó)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(duì)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(duì)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(chǎng)實(shí)測(cè)和有限元測(cè)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(zhǎng)×寬×厚為5 m×4.5 m×0.25 m。基層和土層長(zhǎng)×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(duì)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(lái)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(duì)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?？梢钥闯?，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?？梢钥闯?，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(guò)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。可以看出，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(guò)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(guò)靜力有限元分析了沖擊碾壓對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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?？梢钥闯?，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(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)沖擊碾壓過(guò)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(shì)。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(shì)。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(shì)

在沖擊碾壓過(guò)程中，由于沖擊輪的高沖擊能量對(duì)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(guò)模擬沉降量計(jì)算，獲得沖擊碾壓對(duì)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(shì)可以看出，隨著打裂次數(shù)的增加，沉降量變化較大。在對(duì)水泥混凝土面板路基進(jìn)行打裂壓穩(wěn)過(guò)程中，原有大塊水泥板被打裂城小塊水泥碎塊，再通過(guò)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(duì)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(guò)模擬沖擊碾壓混凝土路面板裂縫的發(fā)展過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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。