文献综述-泉州某地二级公路A段设计.doc

文献综述重载交通下水泥混凝土路面损坏机理与对策研究综述【摘要】:水泥混凝土路面作为高等级路面结构形式，以其较高的强度、优良的稳定性、耐久性、耐磨耗和低廉的养护费用等优点而得到了广泛的青睐。但近年来，随着中国道路运输业的发展，重载、超载现象尤为突出，路面的使用状况相当不理想。虽然是依据现行的设计与施工规范施工，且施工质量良好的水泥混凝土路面，也出现了例如唧泥、错台、露骨、开裂和断板等破坏类型，这样一来使得水凝混凝土路面的使用寿命不能达到预期的使用寿命，在很大程度上影响了公路的通行能力、行车安全和投资效益。因此，本文为了解重载交通下水凝混凝土路面的损坏机理做了小范围的调研，并总结了相应的对策研究。【关键词】:混凝土路面，重载，损坏机理，对策1.引言 随着交通运输事业的快速发展,汽车的总载质量和轴载质量也在不断提高,呈现出大型化和重型化的趋势 ,而且超载超限运输现象越来越普遍。然而，公路作为交通系统中的基础设施，由于建设周期长，投资大，分布范围广、使用寿命长等多种原因，难以与大型，重型运输车辆同步发展与提高。因此，现有的道路，只满足于设计时相应的车辆轴载，不允许超载过大的车辆驾驶，否则，将导致公路路面早期的破坏等现象，缩短了路面的使用寿命，需要投入大量资金，修复，修复与重建。因此,对于现有道路,必须加强超限超载运输的管理,限制超限超载车辆的通行；同时,对部分特殊的新建道路,考虑到公路一旦建成,要进行改造提高技术等级并非是一件简单的事情,所以有必要适当提高轴限标准,提高公路运输综合经济效率,以适应重载交通运输发展的需求。1 蒋应军. 重载水泥混凝土路面损坏机理及对策研究J. 公路交通科技, 2005年, 22 (7):31-35.通过调查可知，单轴高于10t，双轴高于18t，三轴高于22t的重载车辆，俨然已变为交通运输的主力军。然而，公路作为交通运输基础设施很难以与大型、重型运输车辆同步发展和提高。因此，按照传统水泥混凝土路面规范修筑的道路出现了严重的早期破坏，路面使用寿命大大缩短，路面使用性能衰减加快，许多地区的水泥混凝土路面在使用初期即出现行车道断板、唧泥、脱空、错台等严重现象，有些路段面板甚至完全碎裂，造成较大的经济损失和不良的社会影响。2 郭拥军. 重载交通泥混凝土路面使用性能研究 D. 河北工业大学, 2003.以上情况的出现，虽然有许多因素，但主要原因是公路路面设计中对车辆荷载的估计存在的不足，考虑不够全面。目前，国内外均没有对于重载水泥混凝土路面设计的相关规范和指南，绝大多数是依据普通水泥混凝土路面，对重载情况欠缺考虑。因此，现行的水泥混凝土路面很大程度上是不能满足重载条件的要求。为了探究重载交通下水泥混凝土路面的破坏机理，适应交通运输事业的蓬勃发展，对重载交通道路的研究变得越来越迫切。5 赵艳玲. 重载对水泥混凝土路面损坏机理 与对策研究 D. 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院 , 2006.3.重载对水泥混凝土路面结构损坏机理研究我国从20世纪80年代起，水泥混凝土路面得到了迅速的发展，至2004年底，全国水泥混凝土路面总里程已超过17万公里，占高等级路面1/2左右，且每年增长1万多公里，成为世界上水泥混凝土路面拥有里程最多的国家。但是，近几年我国水泥混凝土路面的使用状况不佳，使用寿命大大低于设计预期，尤其是一些以货运为主的重交通干道，早期损坏严重，往往在开放交通的3到5年之内，结构性损坏（断板）就达到20%以上。也就是说，目前一些水泥混凝土路面不但没有体现出使用寿命长、养护费用低的优点，反使得水泥混凝土路面维修困难的弱点更加突出。结构设计的合理性、施工质量水平的高低、行驶车辆与设计考虑的相应车辆型式相一致，将决定路面使用寿命的长短。本文不考虑有关结构和施工质量对路面的影响，而是在结构设计合理、施工质量优良的基础上，对重载车辆对路面的影响进行讨论。3.1重载交通特征及重载水泥混凝土路面破坏类型3.1.1重载交通特性规范提出水泥混凝土路面承受的交通,按设计基准期内设计车道所承受的标准轴载累计作用次数Ns分为5级:极重、特重、重、中等以及轻。对于承受重载交通的水泥混凝土路面而言,重载交通包括3方面的意思。(1)轴载偏重，(2)轴载作用次数多，(3)胎压高。3.1.2重载作用下水泥混凝土路面破坏类型据调查，在重轴载车辆较高的公路上,水泥混凝土路面出现了如唧泥、错台、露骨、开裂和断板等大量的早期破坏现象。(1)唧泥、错台唧泥现象一般发生于板边缘或板角,随着重型车辆荷载的反复作用，其发生范围进一步扩大，唧泥发生后,随之而产生的是错台,进而导致板底脱空，最终就是水泥混凝土板的断裂。(2)开裂、断板水泥混凝土路面在重载交通作用下通车3-5年后,除了发生横向疲劳断裂之外,角隅、横向和斜向断裂也是路面板发生断裂的主要形态,即使出现纵向断裂也多由地基不均匀沉陷导致的。(3)露骨水泥混凝土路面发生露骨后,路面的平整度和抗滑能力也将发生很大程度上的折减,降低行车舒适性能和行驶车辆的安全性能,也是路面产生其它破坏的诱因。3.2重载交通水泥混凝土路面破坏机理分析3.2.1唧泥机理分析所谓唧泥是指混凝土面板在交通荷载的反复作用下,路基中残留的自由水和路基土通过路面板的接缝、裂缝或者路面边缘向外挤出的现象。板边或板角处因温度差而产生的翘曲和土基经压实而产生塑性变形，这使得大自然中的自由水进入到这些空隙当中,路基土与水在车辆荷载的作用下被搅拌而形成泥水，空隙受到压迫，泥水被挤出,空隙进而扩大,最后车轮前的板产生错台和断裂；当车轮后板回弹时,形成真空,将前板下的细料抽入,前板下即发生唧泥。如图1所示。图1水泥混凝土路面的唧泥示意图以下是唧泥产生的主要原因。（1）初始脱空区在外部环境的作用下，板的温度呈现出非线性分布，路面板发生向上或向下的翘曲变形，又在车轮荷载的重复作用下，板底基础发生了微小的塑性变形，一段时间后，产生累积变形，导致路面板底与基层之间出现微小的空隙，即初始脱空区。（2）自由水的影响为避免路面板的断裂或拱起而发生不规则的断裂破坏，设计和施工上设置了纵缝、横缝。然而在自然环境下，正是由于纵缝、横缝的存在，自然界中的水会沿这些缝隙下渗，并滞留在上述脱空区内。在车辆动荷载的重复作用下，这些滞留的水分形成有压水，在板底裂缝、接缝处和板边高速流动，对基层顶面进行冲刷。（3）重载车辆的反复作用只有在重载的作用下，与之接触板角处才能产生较大的挠度。同时，对于双轴双组的车辆而言，虽然在临界荷位产生的应力要小于对应的单轴双轮组，但在板角处产生的挠度要比单双轮组大30一40%。挠度越大，板的泵吸力越大，越容易产生唧泥现象。伴随唧泥的产生，板角将出现脱空，在车辆荷载的作用下，特别是重载的作用下，将导致脱空区板角挠度的急剧增大，从而进一步促进唧泥的发生和脱空区的增大。由此恶性循环，甚至到最后唧泥现象贯穿于整个板内。3.2.2开裂、断板机理分析路面混凝土结构是属于一般不配筋薄板结构，且水泥混凝土路面从浇注开始，裂缝随时都会发生。路面在使用期限内，经受车辆荷载、气温等环境因素的重复作用，长期处于应力、应变交迭变化状态，使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面产生疲劳破坏。一、水泥混凝土路面板断裂类型水泥混凝土路面断板从力学特征上可分为疲劳断裂和非疲劳断裂两大类。水泥混凝土路面的非疲劳断裂主要是由施工阶段的缺陷造成的，在水泥混凝土的塑性阶段和硬化过程中，因原材料配合比不当，锯缝不及时，或养生不力等原因，水泥混凝土出现过大的收缩应变，结构收缩内应力超过其早期强度而产生断裂或结构损伤。二、水泥混凝土路面的疲劳断裂也可划分为2类。一类为现行路面结构设计方法中结构设计所控制的断裂；另一类是非结构设计所控制的断裂。非结构设计所控制的断裂主要包括：(1)基层与路面板之间出现脱空，使得水泥混凝土路面板的应力应变出现较大的变化，临界荷位、板最大应力和其位置均与规范设计方法中的要求有较大的差异，因而，出现了非设计标准所控制的断裂。(2)水泥混凝土材料在环境条件作用下出现的非强度性断裂，如冻融循环引起的结构断裂。(3)现行路面结构设计理论中，由于认识上的不足或数学上的困难，采用了众多假设，然而由这些假设忽略的因素所造成的结构断裂并不罕见，例如半刚性基层裂缝的反射、地基的不均匀沉降引起的结构断裂等。3.2.3露骨机理分析导致水泥混凝土路面粗集料外露的主要原因是在各种因素作用下水泥砂浆被磨去。影响水泥砂浆磨损性能的主要因素有:(1)材料方面:粗集料的最大粒径、砂粒的硬度及细度模数、砂率、水泥的用量和水灰比等。(2)荷载方面:车辆的剪切滑移磨损与冲击磨损是导致路表面露骨的直接原因。(3)其它方面:路表面养生不充分或者泌出浮浆等硬度较差时,水泥砂浆容易被磨损。在重载车辆较多的水泥混凝土路面上,由于轴载偏重,车轮的剪切滑移破坏力作用和冲击力作用加大,加上高压轮胎冲刷作用下,水泥砂浆极易成片脱落,从而导致水泥混凝土路面发生露骨现象。综上所述：1、影响唧泥的因素包括有水的存在、基层材料、荷载作用的大小和次数。2、重载与脱空共同作用使水泥混凝土路面板体内最大弯拉应力的极限荷位从板边转移至脱空板的角隅上。轴载增加，最大拉应力值随之增加。3、重载是水泥混凝土路面的哪泥、脱空、断裂等病害产生的重要原因。4.重载交通水泥混凝土路面破坏对策研究根据上述损坏机理的分析，为了预防在重轴载作用下水泥混凝土路面发生早期冲刷、断板、露骨等破坏,提高路面设计的可靠性，提出了材料与结构方面的对策。4.1面板与基层间设置隔离层唧泥产生的前提是初始脱空区，初始脱空区可以分为两个方面，一是塑性变形脱空区，在车轮荷载的重复作用,使得板底基础发生塑性变形,从而混凝土面板与基层之间出现微小的空隙；二是收缩变形脱空区，在施工阶段，浇筑振捣会导致水泥浆渗入基层的水泥砂浆凝固后,导致水泥砂浆与面板、基层联接成一个整体,在温度收缩、干燥收缩以及锯缝收缩作用下,板与基层逐渐分离而形成初始脱空区。为了消除收缩变形脱空区,可以采取在面板与基层间设置隔离层。这样一来可以不仅可以改善面层与基层之间的接触状况，将面板与基层界面强的约束作用转化为弱的约束作用，很大程度上减少路面与基层相对运动的传递，同时因为可以起到防水层的作用。4.2减小挠度影响板角挠度的主要因素有传力杆、混凝土板的模量和厚度以及地基的模量。各参数变化下板角挠度敏感性如表2所示。表1 不同情况板角挠度的分析由表2数据可知, 板厚增加25%,板角挠度仅减少18%,这说明单纯依靠增加板厚来减少板角挠度是极其不经济的； 混凝土模量增加2倍,板角挠度同样仅减少18%,而且模量的增大对混凝土板在温度变化下产生收缩也非常不利,所以,同样通过增大板的模量来减少板角挠度在经济上和技术上都不合理； 地基反应模量增加3倍,板角挠度减少50%,因此,适当提高地基模量(包括提高路基及基层的模量、增加基层厚度等)有效减少板角挠度传力杆直径增加50%,板角挠度仅减少3%； 传力杆支承模量减少一个数量级,板角挠度增加17%。可见采用粗传力杆提高传力杆支承模量,可减少传力杆与混凝土间的支承应力,从而降低板角挠度,防止混凝土接缝的错台。而且两块板从不设传力杆到设置传力杆,板角挠度降低20%,所以为有效降低板角挠度应采用传力杆； 传力杆和混凝土间隙为0.25mm,使得传力杆失去支承,板角挠度增加14%。综上所述,增加地基模量和传荷能力可以有效减少板角挠度。增加地基模量可以通过提高路基模量、增加基层厚度或模量等来实现。良好的传荷能力使得相邻板块共同受力,有效减少受力板块的挠度和应力。所以为提高重载交通水泥混凝土路面传荷能力及其耐久性。4.3采用高性能路面混凝土为了在有限面板厚度上增强路面抵抗超重轴载破坏的能力,增强抵抗高速车轮对路面的动力破坏,提高断裂韧性抵抗断裂破坏以及增强路面抗滑能力,重载交通作用下水泥混凝土路面宜采用高弯拉强度和高耐久性的路面混凝土。对掺硅粉高性能混凝土进行了路用性能试验研究,试验采用配比见表3,试验结果见表4。表3 混凝土配合比表3 高性能路面混凝土的路用性能由表4数据可看出,掺硅粉的高性能路面混凝土的各项路用性能都远远高于普通混凝土,尤其是抗折强度的提高和耐磨性能的增大,可以有效防止重载交通水泥混凝土路面早期断板和露骨等损坏的发生。另外,据计算在相同路面结构的情况下,高性能混凝土路面造价比普通混凝土路面约增加20%左右,但与普通混凝土路面相比,高性能路面的使用年限至少可以延长一倍以上。因此,在重载交通公路上,宜采高性能路面混凝土。5.结语重载化交通是世界范围内交通运输发展的趋势,研究适合重载交通的路面材料与结构,以防止重载交通作用下水泥混凝土路面的早期破坏,这是目前路面设计与施工中急待解决的问题。本文在分析重载交通水泥混凝土路面损坏原因基础上,从材料与结构上提出了防止对策,可供工程实践参考。1、通过计算分析，可以有效地减少水泥混凝土路面板板底应力；2、水泥混凝土路面基层所起的作用主要是为面层提供一个均匀的、稳定的支承，设计时应注重其整体强度、平整度和抗冲刷性能。3、在面层和基层之间设置沥青联结层可以有效的改善面层和基层之间的接触状况、消除收缩变形空隙区，起到弹性缓冲的作用。4、对重载车辆的总重进行一定的限制，可以有效的减轻重载对水泥混凝土路面的损坏。对于限载的幅度，要综合考虑经济、技术等因素，进行多方面的比选论证。参考文献 1 叶镇国主编.水力学与桥涵水文M.北京：人民交通出版社,1998.2 高东光主编.公路桥涵设计手册桥位设计M. 北京：人民交通出版社,2000.3 陈忠延主编.土木工程专业毕业设计指南道路工程分册M. 北京：中国水利水电出版社,2001.4 孙家驷. 道路设计资料集M. 北京：人民交通出版社,2001.5 张雨化. 道路勘测设计M. 北京：人民交通出版社，1997.6 邓学钧. 路基路面工程M. 北京：人民交通出版社，2001. 7 龚晓南. 土力学M. 北京：中国建筑工业出版社，2002.8 凌志平、易经武. 基础工程M. 北京：人民交通出版社，1997.9 公路设计手册路基、路面分册，交通部第二勘察设计院主编，人民交通出版社.1996.10 过静君.土木工程测量M. 武汉：武汉工业大学出版社.2000.11 孙家驷. 公路小桥涵勘测设计M. 北京：人民交通出版社，1992. 12 张起森. 公路施工组织及概预算M. 北京：人民交通出版社.1997. 13 张铁成. 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