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        移動(dòng)荷載下設(shè)CA砂漿功能層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)受力分析

        2021-10-28 12:41:36趙艷玲
        北方交通 2021年10期
        關(guān)鍵詞:面層砂漿路面

        趙艷玲

        (遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

        0 引言

        水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、溫度穩(wěn)定性好、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而大量早期和近期修建的水泥混凝土路面斷板、錯(cuò)臺(tái)、唧漿、板底脫空等病害嚴(yán)重,翻修改建任務(wù)艱巨,嚴(yán)重制約了水泥混凝土路面的發(fā)展和使用。調(diào)查發(fā)現(xiàn)水泥混凝土路面斷板、錯(cuò)臺(tái)、唧漿、板底脫空等病害主要是由于基層不良支撐引起的,在面層和基層間設(shè)置功能層是一種行之有效的解決方法[2]。功能層可以防止水泥漿滲入到基層,避免形成薄弱的層間過(guò)渡層,使面層與基層更接近連續(xù)接觸狀態(tài),從而有改善層間受力狀態(tài),防止水泥混凝土路面過(guò)早的出現(xiàn)各種病害。為改善水泥混凝土路面層間的不良接觸狀況,國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者進(jìn)行了大量的探索,提出了很多措施,如在層間鋪筑塑料薄膜或土工布隔離層、瀝青混凝土功能層、橡膠瀝青應(yīng)力吸收層等等,這些本質(zhì)上都屬于功能層的范疇。塑料薄膜或土工布隔離層等這一類的材料雖然能防止層間過(guò)渡層的產(chǎn)生,但作用有限,施工質(zhì)量難以保證。瀝青混凝土功能層、橡膠瀝青應(yīng)力吸收層等這類的材料,一方面可以防止層間過(guò)渡層的產(chǎn)生,一方面可有效保護(hù)基層免受侵蝕,提高水泥路面的長(zhǎng)期使用性能,但施工工序復(fù)雜,受溫度影響大,造價(jià)較高[1]。

        鑒于現(xiàn)有的層間功能層材料在工程實(shí)踐中并未達(dá)到理想的效果。做出新的嘗試,在水泥混凝土面板和基層間設(shè)置一層水泥乳化瀝青砂漿薄層(CA砂漿功能層)以構(gòu)成一種新型的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)。借助CA砂漿剛?cè)釓?fù)合型材料的特性,改善面板與基層之間的不良接觸問(wèn)題,防止水泥混凝土面板底部薄弱過(guò)渡層的產(chǎn)生,改善層間受力狀況。借助有限元軟件建立移動(dòng)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型,分析設(shè)置CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)所受荷載應(yīng)力的變化,探討CA砂漿功能層的作用。

        1 有限元模型的建立

        1.1 建立路面結(jié)構(gòu)建模

        (1)模型假設(shè)

        借助有限元軟件建立路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型,路面結(jié)構(gòu)由下到上分為地基基礎(chǔ)、基層、CA砂漿功能層、水泥混凝土面板四層結(jié)構(gòu),假設(shè)各層為均勻、連續(xù)和各向同性的彈性體,層與層間變形協(xié)調(diào),并且不考慮相鄰板塊間的相互作用[3]。

        (2)本構(gòu)關(guān)系

        CA砂漿功能層的本構(gòu)關(guān)系為粘彈性,采用Burgers模型來(lái)模擬,其他層的本構(gòu)關(guān)系均為線彈性。

        (3)網(wǎng)格劃分

        路面結(jié)構(gòu)各層均采用C3D8R實(shí)體單元,單元網(wǎng)格劃分時(shí),按照距離荷載移動(dòng)帶的遠(yuǎn)近,由疏到密。

        (4)邊界條件

        將地基視為彈性半空間體,通過(guò)收斂性分析,取為有限尺寸,其他各結(jié)構(gòu)層尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)要求取定。路基底面施加固定約束,路基、基層、CA砂漿功能層四周施加水平方向的約束,面層四周均為自由面[3]。

        1.2 移動(dòng)荷載的施加

        移動(dòng)荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100,具體參數(shù)如表1所示。

        為了便于分析,將規(guī)范中的圓形輪胎接觸面等效轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)方形接觸面,轉(zhuǎn)換后單個(gè)輪胎作用面積近似為0.213cm×0.167cm,兩輪中心間距調(diào)整為0.3195m,兩側(cè)輪隙間距調(diào)整為1.8m,這樣就將行駛的車輛輪載等效簡(jiǎn)化為移動(dòng)的垂直均布矩形荷載[4]。在荷載移動(dòng)方向上設(shè)置橫向的寬度與均布荷載寬度相同荷載移動(dòng)帶,荷載移動(dòng)帶的縱向長(zhǎng)度為車輛行駛的距離,再將荷載移動(dòng)帶劃分為許多小矩形,利用Fortran語(yǔ)言編寫VDLOAD用戶子程序,設(shè)置多個(gè)荷載步,每個(gè)荷載步結(jié)束時(shí),荷載整體向前移動(dòng)一個(gè)小矩形面積,荷載的移動(dòng)速度可以通過(guò)設(shè)置每個(gè)荷載步的時(shí)間大小來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。移動(dòng)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)模型圖如圖1所示。

        圖1 移動(dòng)荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)模型

        2 移動(dòng)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

        分別建立了移動(dòng)荷載作用下設(shè)置和未設(shè)置CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行路面豎向位移、面層應(yīng)力、基層應(yīng)力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比分析,研究CA砂漿功能層的作用。

        2.1 豎向位移對(duì)比分析

        設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)豎向位移隨車輛荷載移動(dòng)的變化情況以及最大彎沉值對(duì)比情況分別如圖2、圖3所示。

        圖2 路面結(jié)構(gòu)豎向位移變化曲線

        圖3 兩種路面結(jié)構(gòu)最大彎沉值

        由圖2可知,隨著車輛荷載的移動(dòng),設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)豎向位移值變化趨勢(shì)基本相同,而在整個(gè)加載過(guò)程中,設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)豎向位移值總是要小于不設(shè)CA砂漿功能層的路面結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出設(shè)CA砂漿功能層后路面結(jié)構(gòu)最大彎沉值由0.845mm變?yōu)?.6409mm,減小了24.2%左右。

        2.2 面層應(yīng)力對(duì)比分析

        設(shè)CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)面層層底最大拉應(yīng)力隨著荷載的移動(dòng)變化情況如圖4所示。

        圖4 面層層底最大拉應(yīng)力的變化曲線

        由圖4可知,設(shè)CA砂漿功能層后,面層層底最大拉應(yīng)力較不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)降低,且面層層底最大拉應(yīng)力的波動(dòng)幅度及波動(dòng)周期變大,從圖上還可以看出,設(shè)CA砂漿功能層后,面層層底最大拉應(yīng)力峰值由不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)的1.002MPa下降為0.8845MPa,下降了11.7%。

        水泥混凝土路面面板的橫向、縱向斷裂一般都是由于拉應(yīng)力超過(guò)極限彎拉應(yīng)力造成的,因此分析設(shè)CA砂漿功能層前后水泥混凝土路面面板水平方向上的拉應(yīng)力,對(duì)于研究CA砂漿功能層的作用機(jī)理十分必要。設(shè)CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)水平方向的拉應(yīng)力變化情況如圖5、圖6所示。

        圖5 面層底沿著荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

        圖6 面層底垂直荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

        由圖5、圖6可以看出,隨著荷載的移動(dòng),設(shè)CA砂漿功能層后,面層底沿著荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力及垂直荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力總是低于不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)的值,而變化規(guī)律相似。從圖上還可以看出,在加載過(guò)程中,增設(shè)CA砂漿功能后面層垂直荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力峰值由0.5865MPa下降為0.3569MPa,下降了39.1%,而面層沿著荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力峰值由0.9995MPa降低到0.2806MPa,降幅達(dá)71.9%。可見,增設(shè)CA砂漿功能層后面層層底水平方向上受拉狀況明顯得到改善。

        2.3 基層應(yīng)力對(duì)比分析

        設(shè)CA砂漿功能層前后路面結(jié)構(gòu)基層層底最大拉應(yīng)力隨著荷載的移動(dòng)變化情況如圖7所示。

        由圖7可知,設(shè)CA砂漿功能層后,基層層底最大拉應(yīng)力降低,基層層底最大拉應(yīng)力的變化規(guī)律與不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)大體相同。由圖還可以看出,在輪載的移動(dòng)時(shí)間內(nèi),設(shè)CA砂漿功能層后,基層層底最大拉應(yīng)力峰值由不設(shè)CA砂漿功能層時(shí)的0.2931MPa下降為0.2017MPa,下降了約31.2%。

        設(shè)與不設(shè)CA砂漿功能層的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)基層水平方向的拉應(yīng)力變化情況如圖8、圖9所示。

        圖8 基層底沿著荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

        圖9 基層底垂直荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力變化情況

        由圖8、圖9可以看出,設(shè)CA砂漿功能層后,基層底沿著荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力及垂直荷載移動(dòng)方向上的最大拉應(yīng)力均降低,二者的變化規(guī)律變化不大。還可以看出,增設(shè)CA砂漿功能后基層垂直行車方向上的拉應(yīng)力峰值由0.2929MPa下降為0.2016MPa,下降了31.2%,而基層沿著荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力峰值由0.1951MPa降低到0.1147MPa,降幅達(dá)41.2%??梢娫鲈O(shè)CA砂漿功能層后基層層底水平方向上受拉狀況明顯得到改善,可有效抑制基層裂縫的生成。

        3 結(jié)論

        (1)設(shè)CA砂漿功能層后路面結(jié)構(gòu)最大彎沉值減小了24.2%左右??梢奀A砂漿具有緩沖和擴(kuò)散荷載的作用,有利于減小地基沉降變形,防止層間脫空現(xiàn)象的出現(xiàn)。

        (2)設(shè)CA砂漿功能層后,面層層底最大拉應(yīng)力、面層垂直行車方向上的拉應(yīng)力、面層沿著荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力均有所降低,其中沿著荷載移動(dòng)方向的拉應(yīng)力降幅最大。可見,增設(shè)CA砂漿功能層后面層的受力狀況,尤其是面層層底水平方向上受拉狀況明顯得到改善,這將很大程度上降低路面早期開裂的概率,大大延長(zhǎng)水泥混凝土路面的使用壽命。

        (3)設(shè)CA砂漿功能層后,基層層底最大拉應(yīng)力、基層垂直行車方向上的拉應(yīng)力、基層沿著荷載移動(dòng)方向上的拉應(yīng)力均有所降低,其中基層沿著荷載移動(dòng)方向的拉應(yīng)力降幅最大??梢姡O(shè)CA砂漿功能層后基層水平方向上受力狀況明顯得到改善,可有效抑制基層反射裂縫的生成。

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