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        高速公路服務(wù)區(qū)開裂路面維修效果快速評價(jià)方法研究

        2021-07-07 13:44:40李香玲
        關(guān)鍵詞:服務(wù)區(qū)板塊注漿

        李香玲

        (內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運(yùn)輸教育中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

        隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展,高速公路建設(shè)日新月異,截至2014年底,全國高速公路總里程達(dá)11.19萬km[1]。服務(wù)區(qū)作為高速公路的一項(xiàng)重要設(shè)施,其建設(shè)也日益引起人們的重視和關(guān)注。按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG01-2003)的規(guī)定,在高速公路上平均每50km建立一個(gè)服務(wù)區(qū),兩個(gè)大服務(wù)區(qū)之間建1~3個(gè)停車區(qū)[2],服務(wù)區(qū)的路面狀況已成為衡量地區(qū)高速公路服務(wù)水平的重要指標(biāo)[3,4]。

        現(xiàn)在高速服務(wù)區(qū)的路面結(jié)構(gòu)基本上采用土基、基層加水泥混凝土面板的型式[5]。設(shè)計(jì)厚度計(jì)算采用了《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。但車輛在服務(wù)區(qū)行駛速度較低,一般在5km/h,受荷載作用一次的時(shí)間相當(dāng)于普通路面上一次荷載作用時(shí)間的6倍[5],而且車輛行駛方向更加不固定。普通水泥混凝土路面的斷裂多位于板角位置,但交通荷載的差異造成高速服務(wù)區(qū)路面經(jīng)常會在板塊中部出現(xiàn)裂縫,而裂縫位置容易產(chǎn)生板底脫空,進(jìn)而加劇裂縫的拓展,引發(fā)板塊的整體開裂破壞。

        對于水泥混凝土路面較為嚴(yán)重的開裂破壞,僅對裂縫進(jìn)行灌封處理效果不好,還需要通過注漿處治斷裂位置的板底脫空[7~11]。注漿料主要為水泥漿、水泥粉煤灰漿或水泥砂漿,通過充填、擠密作用,達(dá)到封堵板底脫空區(qū),延緩板塊唧泥、斷裂等破壞的目的[12]。板底脫空注漿屬于隱蔽性工程,注漿處治效果的檢驗(yàn)十分困難[13]。目前各國沒有專門針對板底脫空注漿效果檢驗(yàn)的指標(biāo)體系與方法[11],使得工程實(shí)踐中難以全面、科學(xué)地對板底脫空注漿效果進(jìn)行評價(jià)。

        彎沉試驗(yàn)是判別路面開裂破壞和板底脫空最常用的方法[14~16]。由于落錘式彎沉儀(Falling Weight Deflectometer,F(xiàn)WD)不僅能夠快速完成彎沉檢測,而且能夠獲得車輛動態(tài)荷載下路面結(jié)構(gòu)的完整彎沉盆[17,18],所以現(xiàn)在養(yǎng)護(hù)部門越來越多地采用FWD進(jìn)行路面檢測。

        筆者通過對某高速公路服務(wù)區(qū)路面斷裂位置維修前后的FWD實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,針對高速公路服務(wù)區(qū)路面開裂維修提出建議方案,并提出評價(jià)維修效果的指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。

        1 維修及試驗(yàn)方案

        如圖1所示,某高速公路服務(wù)區(qū)路面板塊尺寸長6m,寬4m,水泥混凝土板塊出現(xiàn)連續(xù)斷裂破壞,裂縫多表現(xiàn)為橫貫多塊板塊中央,裂縫附近板底已經(jīng)出現(xiàn)脫空,采用板底注漿方法對脫空進(jìn)行處治,并對裂縫進(jìn)行灌封處理。注漿孔交錯(cuò)布置在裂縫兩側(cè),每側(cè)相鄰注漿孔間的間距為1m。

        圖1 服務(wù)區(qū)路面板塊FWD檢測方案(單位:m)

        選擇板塊中部斷裂破壞的連續(xù)4塊板塊,采用FWD測試板塊維修前后相同位置的彎沉盆。本研究中采用的FWD檢測車荷載盤半徑為15cm,施加50kN荷載,共有7個(gè)傳感器D0~D1500,距荷載中心的距離分別為0、200mm、300mm、600mm、900mm、1 200mm、1 500mm。

        如圖1所示,每塊板塊上的6個(gè)FWD測點(diǎn)排列在板塊與縱邊平行的中線上,荷載中心分別位于裂縫兩側(cè)距縫0.15m、0.5m、1m的位置。在不同點(diǎn)位測試時(shí),裂縫與傳感器的相應(yīng)位置關(guān)系如表1所示,3個(gè)測點(diǎn)位置測試時(shí),裂縫分別位于1~2傳感器、3~4傳感器、5~6傳感器之間。

        表1 不同測點(diǎn)裂縫與傳感器位置關(guān)系

        2 荷載中心彎沉值

        承載板中心的彎沉反映了路面整體彎沉[19],是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)性能評價(jià)時(shí)的重要參數(shù)。因此,通過對荷載中心彎沉值的對比分析,能夠得到維修前后裂縫附近路面結(jié)構(gòu)狀況。

        1號板塊維修前后荷載中心動態(tài)彎沉如圖2所示,可以看出維修后各測點(diǎn)彎沉有所降低,但降低幅度不大。這主要是因?yàn)?號板處裂縫破壞本身不嚴(yán)重,裂縫寬度比其他板塊小很多,所以維修前測點(diǎn)位置彎沉就不大。

        圖2 1號板塊維修前后荷載中心動態(tài)彎沉

        2號板塊維修前后荷載中心動態(tài)彎沉如圖3所示,可以看出維修前在裂縫附近彎沉已經(jīng)超過500μm,結(jié)構(gòu)破壞十分嚴(yán)重,而維修處治后,雖然距裂縫1m處測點(diǎn)彎沉變化不大,但距裂縫0.5m和0.15m處彎沉出現(xiàn)大幅降低,最大動態(tài)彎沉降為300μm左右,表明路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到大幅提升,并且注漿后板塊強(qiáng)度分布更加均勻,注漿效果十分明顯。

        圖3 2號板塊維修前后荷載中心動態(tài)彎沉

        3號板塊維修前后的荷載中心動態(tài)彎沉如圖4所示,維修前后彎沉變化同2號板塊相似:距裂縫1m處測點(diǎn)彎沉同樣變化不大,而距裂縫0.5m和0.15m處彎沉出現(xiàn)大幅降低,最大動態(tài)彎沉從500μm降為300μm左右,并且板塊強(qiáng)度分布更加均勻。

        圖4 3號板塊維修前后荷載中心動態(tài)彎沉

        4號板塊維修前后的荷載中心動態(tài)彎沉如圖5所示,維修前裂縫兩邊板塊強(qiáng)度存在較大差異,距裂縫0.15m的一側(cè)動態(tài)彎沉值超過450μm,而另一側(cè)僅250μm左右,說明路面裂縫兩側(cè)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可能會存在較大差異。注漿后裂縫附近彎沉不僅明顯降低,裂縫兩側(cè)的路面強(qiáng)度均勻性得到顯著提高,均處于100μm~200μm范圍。

        圖5 4號板塊維修前后荷載中心動態(tài)彎沉

        對維修前后荷載中心動態(tài)彎沉平均值及標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行匯總,結(jié)果如表2所示。

        表2 維修前后荷載中心動態(tài)彎沉平均值及標(biāo)準(zhǔn)差

        通過以上分析可以得到如下結(jié)論:①在四組測量數(shù)據(jù)中,距裂縫1m處測點(diǎn)彎沉變化均不大,表明開裂對路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響范圍在裂縫兩側(cè)各1m范圍內(nèi),因此在設(shè)計(jì)維修方案時(shí)重點(diǎn)考慮提升裂縫兩側(cè)1m范圍內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。②1號板塊由于原路面本身裂縫破壞不太嚴(yán)重,進(jìn)行維修后,動態(tài)彎沉平均值降低了8%~9%。而對于原路面裂縫破壞嚴(yán)重的2~4號板塊,各板塊的動態(tài)彎沉平均值降低達(dá)20%~30%,表明采用注漿與灌封相結(jié)合的維修方案對路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升十分顯著。 ③經(jīng)過對裂縫的處治,板塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的均勻性得到極大提高。各板塊彎沉標(biāo)準(zhǔn)差降低比例均在30%以上,4號板塊降低甚至達(dá)到83%。

        3 彎沉盆形態(tài)參數(shù)

        FWD彎沉盆中含有豐富的路面結(jié)構(gòu)信息[20],荷載中心動態(tài)彎沉指標(biāo)主要反映的是維修處治對裂縫附近路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提升,尚不能直觀反映維修前后裂縫位置傳荷能力的變化。對彎沉盆形態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析,可進(jìn)一步評價(jià)裂縫位置路面?zhèn)骱赡芰υ诰S修前后的變化。

        當(dāng)荷載中心距裂縫距離為0.15m時(shí),裂縫位于1、2號傳感器之間,即D0和D200之間。如圖6所示,在原路面開裂破壞較為嚴(yán)重的2號板塊,維修前直接受荷一側(cè)的D0處彎沉?xí)h(yuǎn)遠(yuǎn)大于D200處的彎沉,造成兩者之間的斜率S0-200很大。而維修后,裂縫位置傳荷能力增強(qiáng),板塊整體性提升,彎沉盆的形態(tài)變得更加均勻平坦,S0-200也明顯增大。

        圖6 2號板塊維修前后彎沉盆(荷載中心距縫15cm)

        當(dāng)荷載中心距裂縫距離為0.5m時(shí),裂縫位于3、4號傳感器之間,即D300和D600之間。如圖7所示,在2號板塊上,由于裂縫破壞較為嚴(yán)重,裂縫附近路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低,造成D200和D300甚至比在荷載中心位置的D0還要大,維修后,雖然各傳感器位置彎沉都有所降低,但整個(gè)彎沉盆形態(tài)仍與維修前類似。另外,由于裂縫破壞主要對裂縫兩側(cè)1m范圍內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大,因此不考慮采用當(dāng)荷載中心距裂縫距離為1m時(shí)的彎沉盆參數(shù)。

        圖7 2號板塊維修前后彎沉盆(荷載中心距縫50cm)

        綜上所述,為了將維修前后彎沉盆形態(tài)變化量化表示,選擇變化明顯的D0與D200之間的比值D0/D200(傳荷系數(shù))作為形態(tài)參數(shù)。參考《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D40—2002)[5]中評定接縫傳荷能力分級標(biāo)準(zhǔn),提出裂縫位置傳荷能力分級標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

        表3 裂縫位置傳荷能力分級標(biāo)準(zhǔn)

        計(jì)算各板塊上裂縫傳荷系數(shù)D0/D200并評定其傳荷能力等級,得到結(jié)果如表4所示。

        從表4可以看出,由于1號板塊裂縫破壞不嚴(yán)重,本身傳荷能力較強(qiáng),為“優(yōu)良”級別,維修后傳荷系數(shù)提升不明顯。而對于2號~4號板塊,維修前裂縫破壞嚴(yán)重,傳荷能力為“差”級別,3、4號板塊維修后,裂縫位置傳荷能力均提升到“優(yōu)良”級,而2號板塊裂縫破壞過于嚴(yán)重,雖然維修后傳荷能力為“中”級,但傳荷系數(shù)已經(jīng)提升了257%。

        表4 荷載中心距縫15cm跨縫檢測時(shí)各板塊的傳荷系數(shù)D0/D200

        因此,對于裂縫破壞嚴(yán)重的板塊,維修后傳荷系數(shù)提至原來的3~4倍,表明維修后傳荷能力提升很高,受力分布更加均勻,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到顯著強(qiáng)化。

        4 結(jié)束語

        筆者以某高速公路服務(wù)區(qū)路面維修工程為依托,制定了開裂路面維修方案及維修效果檢測方案,以實(shí)測FWD數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過對荷載中心彎沉值和彎沉盆形態(tài)參數(shù)的分析,提出基于FWD的高速公路服務(wù)區(qū)路面維修效果評價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述分析,得出以下結(jié)論:①采用裂縫兩側(cè)注漿處治與灌封相結(jié)合的方案,對于處治板塊開裂、提高路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)均勻性具有顯著效果。破壞嚴(yán)重位置維修后,動態(tài)彎沉平均值降低20%~30%,傳荷系數(shù)提至原來的3~4倍。②采用FWD對縫維修效果進(jìn)行評價(jià)時(shí),建議采用將荷載盤外緣緊貼裂縫,使1號傳感器和2號傳感器分別位于裂縫兩側(cè)的檢測方法,將荷載盤中心彎沉D0和傳荷系數(shù)D0/ D200兩個(gè)參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)。③開裂對路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響范圍在裂縫兩側(cè)各1m范圍內(nèi),設(shè)計(jì)維修方案時(shí)著重考慮提升裂縫兩側(cè)1m范圍內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

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