（机械设计及理论专业论文）多锤头破碎机碎石化技术研究.pdf

摘要 近几年来随着交通量的增加，特别是重载车辆的增多，水泥路面出现了诸如：错台、 断叛、唧泥等病害，严重的影噙了路面的行车性能和结构性麓，夺修小誊 已无法满足道 路通行能力的需骚。传统修复方法往往修复后一、两年之后，罩面层就会出现反射裂缝， 加速沥青罩霹层酌破坏。爱射裂缝成了铡约水泥路面修复和发展酶“瓶颈”。如谤煮效 的控制反射裂缝，是水泥混凝土路面改造面临的重大课题，这也是本文写作的动机。 国内在溜本泥混凝土路磊处理方面方法不够完善，这与我莺枧械设备制造工艺穗 对落后有关。美阑在处理旧水泥混凝土板块的过程中积累了丰富经验，提出了碎石化工 芑。本文就多锤头破碎枫碎磊纯技术重点散了以下研究王 筝； l 、泥混凝土路面的破碎机理，以及碎石化后的强度形成机理； 2 、建立了水泥混凝土路蔼酶嬲格模型，并用a n s y s 有限元方法对其进行了分析， 确定了其固有频率，绘制出了“落锤高度应力 曲线； 3 、探讨了碎石佬技术酌麓工王艺； 关键词：碎石化、破碎机理、模态分析、施工工艺、多锤头破碎机 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go f t r a f f i c ，e s p e c i a l l yt h ei n c r e a s i n go fh e a v y d u t yv e h i c l e ，t h ec e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n th a sa p p e a r e ds o m ed e s t r u c t i o n ss u c ha s ：f a u l t i n go fs l a be n d s ，c r a c ks l a b ， p u m p i n g ，a n ds oo ni nt h ep a s tf e wy e a r s t h es e r v i c ec a p a b i l i t ya n dt h es t r u c t u r ec a p a b i l i t y o fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta r ea f f e c t e db yt h e s ed e s t r u c t i o n s m i n o rr e p a i ra n ds m a l lm e n d a l r e a d yh a sn ow a yt os a t i s f yt h en e e do fr o a dt r a f f i cc a p a c i t y t h ea s p h a l tc o v e rc o u r s e ， w h i c hi sr e b u i l tb yt r a d i t i o n a lm e t h o d ，w i l lg e n e r a t er e f l e c t i n gc r a c k si no n eo rt w oy e a r s w h i c hw i l la c c e l e r a t et h ed e s t r u c t i o no f a s p h a l tc o v e rc o u r s e r e f l e c t i n gc r a c k sh a v er e s t r i c t e d t h e d e v e l o p m e n ta n dr e h a b i l i t a t i n go fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t h o wt oc o n t r o lt h e r e f l e c t i n gc r a c k se f f e c t i v e l yi st h ek e ys u b j e c t sb e i n gc o n f r o n t e dw i t ht h er e c o n s t r u c t i o no f c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，w h i c hi sa l s ot h em a i nm o t i v a t i o no ft h i sp a p e r t h et e c h n i c m e a n sc o p i n gw i t ht h i sp r o b l e mi sl i m i t e dd u et ot h eb a c k w a r dm a c h a n i c a l m a n u f a c t u r ei no u rc o u n t r y i nr e s p e c tt ot h et r e a t m e n to fo l dc o n c r e t ep a v e m e n t ，a m e r i c ah a s a c c u m u l a t e das e to ft e c h n o l o g yc a l l e dr u b b l i z a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rh a sd o n et h e f o l l o w i n gs t u d i e so nt h em u l t i p l e h e a db r e a k e rr u b b l i z a t i o nt e c h n o l o g y ： 1 t h eb r o k e nm e c h a n i s mo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n dt h ei n t e n s i t yp r i n c i p l eo f r u b b l i z e ds l a b 2 o n eg r i dm o d e lo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti se s t a b l i s h e d ，w h i c hi sa n s y s e db yt h e s o f t w a r ea n s y s t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n d ”h e i g h to fd r o ph a m m e r s t r e s s c u r v ei s w o r k e do u tb yt h ea n s y sr e s u l t 3 e x p l o r e dt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fr u b b l i z a t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：r u b b l i z a t i o n ，r u b b l i z a t i o nm e c h a n i s m ，c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，m u l t i p l e h e a d b r e a k e r 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 名：弛 日期产厂月嘶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：勃撕 导师签名：9 0 夫 日期：玲惦3 - - f j 日期：q 年，月嘶 第一章绪论 1 1 论文选题意义和依托 改革开放以来，我国政府更加重视交通运输业在国民经济发展中的战略地 位，加快了交通运输业发展的步伐，加大对交通基础设施投资的力度，使我国 公路交通事业进入一个持续、快速、健康的发展时期。特别是9 8 年以来，党 中央、国务院做出了扩大内需、加快基础设施建设的重大决策，公路建设牢牢 把握住了这个难得的机遇，趁势而上，加快建设。从l9 9 8 年到2 0 01 年，连续 四年完成投资超过2 0 0 0 亿元，其中2 0 0 1 年超过2 6 0 0 亿元，创历史新高，公 路总里程达到16 9 8 万公里。公路总量继续增加，投资规模继续增大，到2 0 0 2 年全国总里程达到17 6 5 万公里，公路网结构进一步完善。全国公路总里程中 国道里程有l2 5 0 0 3 公里，省道216 2 4 9 公里，县道4 7 12 3 9 公里，乡道8 6 5 6 3 5 公里，专用公路8 7 0 9 6 公里，分别占总公路里程的7 1 ，l2 2 ，2 6 7 ，4 9 o 和5 0 。 近2 0 年来，我国一直将公路作为加快基础设施建设的重要内容之一。到 2 0 0 6 年底，全国公路通车总里程达到3 4 6 万公里，其中有6 4 万公里是水泥混 凝土路面，占总量的18 5 。总长度约3 5 万公里的“五纵七横 l2 条中国国 道主干线系统2 0 0 7 年底前可全部建成，北京、上海与所有直辖市、省会、自 治区首府等大城市将由以高速公路为主的高等级公路相通，使贯通和连接的城 市总数超过2 0 0 个。2 0 0 5 年初，国家高速公路网规划由国务院审议通过， 该规划的实施最终可以形成一个“首都连接省会、省会彼此相通、连接主要城 市、覆盖重要县市的国家高速公路网络。该网络总规模大约为8 5 力公里， 包括七条首都放射线，即北京一上海、北京一台北、北京一港澳、北京一昆明、 北京一拉萨、北京一乌鲁木齐、北京一哈尔滨。到2 0 10 年，中国计划新建高 速公路2 4 万公星，国家高速公路网骨架将基本形成。 2 0 0 7 年，除确保完成“五纵七横 国道主干线系统最后2 38 5 公里的建设 任务外，中国计划建成高速公路5 0 0 0 公里以上，并新建、改建农村公路3 0 万 公里。实现农村公路里程大幅增长，公路密度和通达深度进一步提高。随着新 农村建设的进一步深入，农村公路将进一步增长。毫无疑问，这些公路将绝大 部分是水泥混凝土路面，尤其是在南方地区。其原因是由于它具有下列诸多固 有的良好性能： ( 1 ) 水泥混凝土路面强度高，承载能力强，具有抗车辙能力。 ( 2 ) 水泥混凝土路面稳定性好，耐水性能好，温度稳定性明显强于沥青 混泥土路面。 ( 3 ) 与汽车轮胎附着性能好，可保证汽车行驶安全。 ( 4 ) 水泥混凝土路面使用寿命长，养护费用低且维修工艺简单，技术含 i 量低。 ( 5 ) 水泥混凝土路面的主要原材料是水泥及沙石，这些原材料在我国的储 备非常丰富，材料廉价。 ( 6 ) 水泥混凝土路面的施工工艺简单，对机械的依赖程度低，低等级的路 面( 如县道，城镇公路及乡村路面) 甚至纯人工都可以进行。这符合我 国地方生产力落后，劳动力富余的现状。 此外，随着石油的涨价，石油的副产品沥青的价格也越来越高，这直接导 致修筑沥青混凝土路面成本的增加。同时，我国的石油资源相当匮乏，而水泥 资源却相当的丰富，大力发展水泥混凝土路面是实现可持续发展和建设节约型 社会的需要。 但是，近几年来随着交通量的增加，特别是重载车辆的增多，水泥路面出 现了诸如：错台、断板、唧泥等病害，严重的影响了路面的行车性能和结构性 能，小修小补已无法满足道路通行能力的需要。同时九十年代修建的水泥路面， 本身已达到使用寿命的边缘，出现了严重的病害，大修迫在眉睫。传统的修复方 法：一是对旧水泥混凝土路面实施压浆、灌缝等措施后加铺沥青混泥土层；另 一方面是设置反射裂缝的吸收层，如设置防裂层和加铺基层等。但由于这两种 方法的思路是延缓而不是有效减少水泥混凝土板接缝、裂缝处在荷载和温度、 湿度变化下的位移。因而这两种方法虽然简单有效，但是使用寿命短，往往修 复一、两年之后，罩面层就会出现反射裂缝，加速沥青罩面层的破坏；从长期 看，尤其是在重交通的情况下，效果并不理想。如何防治及消除反射裂缝成了 水泥路面修复的关键。 水泥混凝土路面的修复如此，其重建更加困难。传统的做法是将旧的水泥 路面用风炮锤击碎，然后用挖掘机或装载机将碎块装进自卸车运走，再从新做 路面。这种做法不仅耗时、耗能、工作效率低，还造成了环境污染。也正因为 水泥混凝土路面的修复难和重建难，使得水泥混凝土路面的推广和发展十分困 难。因此，碎石化技术应运而生。 该项技术的开发与应用解决了制约水泥混泥土路面发展的主要问题，有利 有水泥路面的建造和使用，而我国又是一个水泥资源丰富( 水泥产量占世界的 3 0 ) ，石油资源相对贫乏的国家水泥混泥土路面的建造和使用有利于我国资 源的优化配置；该技术使得工程造价低，经过碎石化技术改造的旧水泥混凝土 不需清除，可以直接用做新路的基层，既节约了基层的材料，又节约了资金资 源、减少了浪费，符合建设节约型社会和国家可持续发展的战略决策；经过碎 石化技术改造后的水泥混凝土不需清除，避免了大量建筑垃圾的产生，避免了 沿途植被的破坏，有利于保护沿途的生态平衡；该项技术不但施工周期短，而 且可以半幅施工半幅通行，把对人们通行的影响减到了最小。 2 1 2 国内外研究及应用现状 第一台多锤头破碎机在美国诞生，该机由动力系统，转向系统，液压控制 系统，破碎系统，枧架等组成。后半部分兔破碎系统，由两菸 重量在4 5 4 到 5 4 4 8 千克之间的重锤组成。每对锤头豳一个液压油缸进行提升，提升高度和 速度可以独立调节，最大提秀高度为l 。5 2 m 。重锤下落可以产生1 3 8 k j 到 l1 1k j 的冲击能量。它的工作原理是同过液压泵向工作油缸提供高压油，工作 油缸将锤头举升，然后依靠锤头的自重下落。并通过数字控制装置，控制油缸 的运动频率和行程，带动锤头磋向混泥土块而使它破碎，到现在为止以有2 0 多年历史，该项技术已相当成熟。第一个热拌沥青( h m a ) 罩面的水泥混凝 土路面媛碎顼霉是l9 8 6 年在美藿纽约完成的，截至2 0 0 1 年，美国就有3 5 个 州使用了此技术，项目数量3 0 0 多个，使用里程达9 0 0 多公里，l2 8 0 万平方 米，而且美国沥青协会及部分州均将该技术列入规范。美国的国家规范既允许 使用多头破碎机，也允许使用共振破碎机，可根据具体情况选用。至少还有其 它十几个州使用了多锤头破碎机进行了碎石化方法的实践。多数情况下，完成 后效果良好，极少数路段失败原因是加镛面层厚度太薄或土基强度太低。例如 美国第8 5 号州际公路( 南加利福尼亚州内) 的修复工程中采用了碎石化技术。 沥青罩西层的设计厚度为2 0 c m 与l9 9 8 年施工，施工过程中，在正常的交通条 件下沥青罩面层产生严重的车辙。后经调查发现由于下软卧层失去混凝土板承 担和发、分散载荷的作用，因而造成碎石化后土基的强度变的更弱引起的。 自从我国孳| 进该项技术以后，该技术在我园得到了广泛的应用，并创造出 了较高的经济效益和社会效益。其典型的应用实例有： l 、2 0 0 5 年浙江境内3 2 0 餮道改造工程成功应用； 2 、2 0 0 5 2 0 0 6 四川s 3 0 3 省道、成渝高速、国道1 0 8 ； 3 、2 0 0 6 浙江衢州3 2 0 国道、常山3 2 0 国道、龙游4 6 省道。 4 、2 0 5 国道临沂段和京沪高速公路泰安段l 弱水泥混凝土路谣碎石化改造 5 、安徽合淮路、合宁路碎石化改造 6 、l0 4 国道泰安段，邵泰安至馥阜一级公路改造。 _ 1 3 本文研究的主要内容 本文对多锤头水泥路面破碎机冲击水泥混凝土进行数值模拟，通过对模拟 结果进行分析，褥到水泥混凝土在重锤赘下冲击能量对水泥混凝土的当量回弹 模量的影响。本文的研究为多锤头混凝土破碎设备的研制提供理论依据；另外， 本文的研究也将为进一步研究水泥混凝土重锤冲击下的破碎机理提供理论基 础。主要内容如下： ( 1 ) 碎石化技术理论基础研究 ( 2 ) 水泥混凝土路面的模态分板 3 ( 3 ) 重锤冲击下的水泥混凝土路面的有限元分析 ( 4 ) 碎石化技术施工工艺研究 4 第二章碎石化技术的理论基础 2 1 水泥混凝土路面破碎的理论基础 2 1 1 断裂力学概论强3 1 水泥混凝土路面的碎石化技术，就是将水泥混凝土路面破碎成一般小于 j 己。米混凝土块，用以限制新铺的热拌沥青( h m a ) 罩面上出现反射裂缝， 并产生一个用h m a 罩面的均匀基层的施工方法。它最关键也最基础的一步就 是利用重锤的冲击能量将路面破碎成一般小于38 厘米混凝土块，因此它最基 础的理论就是断裂力学。 断裂力学是以变形体力学为基础，研究含缺陷( 或裂纹) 材料和结构的抗 断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律的一门 学科。近4 0 多年来，这门学科发展迅速，已在许多领域中解决了大量的生产 实际问题，特别是解决了抗断设计、合理选材、适当的热处理制度和加工工艺， 预测构件的疲劳寿命、制定合理的质量检测制度和验收标准以及防止断裂事故 等方面的问题。同时它还是一门新兴的学科，其基本理论、测试技术和应用计 算方法等还有许多争议和不成熟之处，有些内容正处在发展之中。虽然断裂研 究的许多领域仍在发展阶段，但是许多国家已将成熟的部分制定了断裂控制新 标准及设计规范，用于工程实际中，成为提高产品质量、保证产品安全运行、 防止结构断裂事故的新工具。在道路设计中，断裂力学也用来优化路面结构及 参数设计。 近年来断裂力学的研究在国内外都十分活跃。从19 5 6 年起国际上每四年 召开一次国际断裂力学会议，并出版国际断裂力学杂志。我国在l9 6 8 年左右 开始断裂力学研究，已经召开了多次全国性断裂力学会议。各国还相继在断裂 力学方法的基础上制定了结构的评定标准，以补充传统的设计检验标准。 由于研究的观点和出发点不同，断裂力学分为微观断裂力学和宏观断裂力 学。微观断裂力学是研究原子错位等晶粒尺度内的断裂过程，根据对这些过程 的了解，建立起支配裂纹扩展和断裂的判据。宏观断裂力学是在不涉及材料内 部的断裂机理的条件下，通过连续介质力学分析和试件的实验做出断裂强度的 估算与控制。目前宏观断裂力学已有很大的发展，而微观断裂力学尚处于初期 阶段。宏观断裂力学又分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。结合多锤头水 泥凝土路面断裂的特点，本文着重探讨线弹性动态裂纹的扩展问题。 2 1 2 碎石化前水泥混凝土裂纹的特点 根据多锤头水泥混凝土路面破碎机施工工艺，多锤头破碎机用于断板率超 过15 且有明显结构性破坏的水泥路面( 或相邻的位移( 沉降差) 大于4 m m ) 。 此时的水泥混凝土路面的裂纹数目、类型都比较的多川啼1 。 s 由实验分析结果可知，混凝土材料中水泥沙浆与骨料间的界面是整体材料 中的薄弱环节，但是，在外载荷的作用下，并不是所有的界面都发生破坏，只 有当界面在某一取向上所受到的拉应力或剪应力大于界面的抗拉强度或界面 的抗剪切强度时，界面才会发生破坏。界面一旦破坏，在局部高应力状态的作 用下，由界面破坏所形成的裂纹将迅速的向水泥沙浆中发展，当若干条这类裂 纹混合而形成宏观裂纹时，导致材料最终破坏。造成这种破坏的混凝土粗骨料 的抗压强度与水泥砂浆的抗压强度一般相差较大，但是，混凝土的抗压强度比它 们的强度更低。进一步深入的研究发现，提高混凝土中水泥砂浆的抗压强度，混 凝土的抗压强度仍未能按比例提高，这表明还有其它的因素也影响着混凝土的 强度。自然界中的粗骨料一般有两种形式，其一是由大块石料破碎再经筛选而 成的，其二是自然形成直接筛选而成的。通常我们根据混凝土结构尺寸的大小 来确定浇注混凝土中粗骨料的尺寸，因此，需要对自然界中的大块石料进行破碎 使之达到粗骨料尺寸的要求，由于外荷载的作用大块石料只能是经过微裂纹的 失稳扩展，形成宏观裂纹才能破碎。在破碎的过程中，不可避免地会使一些已满 足尺寸要求的粗骨料个体因损伤形成裂纹体。鹅卵石作为粗骨料时也需要进行 尺寸的筛选，由于自然界长年的风化作用、温度场的作用和腐蚀剂的侵蚀等因 素，致使某些鹅卵石个体也会形成裂纹体。总之，混凝土中存在着一定数量的带 裂纹体的粗骨料是难免的，根据“硬包体”理论，当裂纹长度和外荷载达到一定 水平时，带裂纹的粗骨料在压剪应力场作用下将引起裂纹发生失稳扩展造成混 凝土破坏朝。 2 1 3 多锤头碎石化技术断裂动力学问题 多锤头破碎机利用液压油缸将重锤举起，然后利用重锤的自由下落的冲击 能量将水泥混凝土路面破碎，这一过程是一个动态的过程，属于断裂动力学问 题。断裂动力学是研究惯性效应不能忽略的断裂力学问题，即惯性力必须考虑 进物体的运动方程。物理学家m o t t 与19 4 8 年开始研究了两类问题：第一类是 裂纹静止( s t a t i o n a r y ) ，而外力随时间迅速变化的问题；第二类是研究恒外力 作用下的裂纹扩展问题( 裂纹的止裂包含在其中) 。6 0 年代，i r w i n 对于断裂动 力学的问题作了进一步的描述，他将问题划分为6 个特殊的研究领域：裂纹速 度、裂纹方向、裂纹分叉、止裂、突然起裂和最小断裂韧度，并统一与逐渐断 裂( p r o g r e s s i v ef r a c t u r i n g ) 的概念。到了8 0 年代，k a n n i n e n 给予他更广泛的 定义：断裂力学包括载荷和裂纹尺寸迅速变化的所有断裂力学的问题，一切涉 及快速起裂、扩展和止裂的与时间有关的边值问题均属于断裂动力学的范畴。 对于裂纹起裂研究是为了寻找起裂的原因，实际上只涉及断裂过程中的一 个点；对于裂纹扩展和止裂的研究则是在不能阻止裂纹起裂的情况下，寻找避 免裂纹扩展引起灾难性破坏的第二道防线；另一方面，它也为我们提供了工程 断裂的判据，为我们提供了加速裂纹扩展的条件以及裂纹驱动力的计算。由于 扩展裂纹形成结构的位移边界条件，即使控制方程为线性的，运动边界问题也 6 是非线性的。因为增加了时间变量，使平衡方程为平衡方程。 由于材料的惯性，载荷是以应力波的形式传播的，而裂纹扩展形成了新的 自由边界，应力波与裂纹的相互作用，使动态比静态断裂的问题复杂的多。如 平行于裂纹方向的准静态拉伸载荷并不产生裂端的应力集中，而同一方向的拉 应力脉冲传到裂纹尖端时，由于横向惯性效应，裂端将处于i 型受力状态而起 裂。另一方面，材料的动态断裂韧度与加载速率有关。裂纹附近的高应力梯度、 荷载的应力波形式和裂纹的快速扩展，增加了动态断裂问题的分析和实验的难 度。 2 1 。3 1 线弹性动态断裂理论概述 在动态载荷作用下，线弹性材料的裂端应力场的表达式为 仃墼朋，口，) 4 2 n r 。、 。 ( 2 一1 ) 若式( 2 1 ) 中的裂纹扩展速度口为零，上式与准静态情况相同，并且角分布 函数f ( 秒) 也相同。因此，仍然应力强度因子k 来描述这个动态场，其临界值 为材料的动态断裂韧度。另一种用于刻划裂纹尖端场的表征参量为能量释放率 g ，即裂纹驱动力。 对于扩展裂纹，裂端应力场的渐近解仍具有r 。忍奇异性，由于角分布函数 与裂纹扩展速度口有关，因此，仍然可用应力强度因子来刻划裂端应力状态。 对于i 型裂纹，g l 与k i 的关系为 g l = a ( 口) k 2 i e( 2 2 ) 式中，a ( 口) 为单调递增函数。 对于更一般的问题，即非恒定载荷和裂纹以非恒定速度扩展的半无限i 型 裂纹情况，裂端应力强度因子仅与载荷历史、裂纹的当前位置l 和瞬时扩展速 度有关。对于i 型裂纹，可以表示为 k i ( t ，l ，口) = k ( 口) k i ( t ，l ，0 ) ( 2 3 ) 其中k i ( t ，l ，0 ) 为同一载荷在与当前裂纹长度相同的裂纹上产生的应力强度因 子，k ( 口) 为一个与裂纹的瞬时扩展速度有关的因子，即 k ( a ) ( 1 一口c , , ) 、| 1 - a 巳 ( 2 - 4 ) 式中c r 和c d 分别为瑞利波速和膨胀波速。由式( 2 - 4 ) 可见，裂纹扩展的极 限速度为瑞利波速。低于这一速度为亚瑞利波速，裂纹以亚瑞利波速扩展最为 常见，也常常采用亚音速裂纹来代表亚瑞利波速裂纹。不引起畸变的体波以膨 胀波速c d 传播，这种波又称为横波或者无旋波。不引起体积变化的体波以速 度c s 传播，这种波又称为横波、等体积波或者畸变波。他们由材料的弹性常 7 数决定，即 c d 刮等e2 后 协5 ， 式中和为拉梅常数，为材料密度，可知，它们的比值是泊松比的函 数。 瑞利波速c r 可通过求瑞利函数的根得到，即 r c 击，= c 2 壶一专，+ 4 去c 专一壶，吾c 吉一毒尸。2 瑞利波速略低于横波的波速，纵波高于横波的波速。以泊松比v = l 3 为例， 有c r c s = 0 9 和c d c s = 2 。 对于有限体，由裂纹面反射的应力波从边界上再反射回裂纹时，上述结果 不再成立，由有限边界产生的附加载荷不仅与外载荷及试件的几何尺寸和形状 有关没，还与裂纹的扩展历史有关。 2 1 3 2 动态裂纹扩展条件 裂纹结构受动载荷作用下将发生裂纹的起裂和扩展，导致结构破坏或者发 生止裂，产生这些过程的条件称为判据。目前，断裂动力学在分析裂纹扩展和 止裂问题上是应用裂纹约束的概念。从这一概念考虑当前裂纹扩展过程中发生 止裂，就是使裂纹不能连续扩展，如果 g m a x = g d ( t ，a ，h ) 裂纹扩展 ( 2 - 7 ) g g d m i n裂纹止裂 ( 2 8 ) 式中，裂纹驱动力g 为裂纹几何、结构尺寸和载荷强度的函数；材料断裂韧度 g d 为环境温度t 、裂纹速度a 和材料厚度h 的函数。因此，为了防止裂纹扩展 事故的发生，g 和g d 的相对值为实际应用准则提供了定量的条件。g 来源于 对结构模型的分析和计算，而g d 要通过对结构材料的实验来分析确定。式 ( 2 - 7 ) 和式( 2 8 ) 中g 和g d 的关系构成了裂纹扩展的能量准则，与之类似， 裂纹张开角c t o a 和( c t o a ) 。的关系式构成了裂纹扩展的几何量化准则。 由此，发展了两种分析计算模式：生成模式( g e n e r a t i o nm o d e ) ：扩 展模式( p r o p a g a tio nm o d e ) 。生成模式就是给定结构的几何尺寸和工作条件， 计算裂纹的驱动力g ，通过裂纹扩展临界式( 2 - 7 ) 来评估材料断裂韧度g d ， 这是普遍应用的方法。而扩展模式是通过实验来测量裂纹扩展速度和压力分 布，计算分析g d ，找到它与裂纹速度之间的关系，分析确定产生裂纹扩展的驱 动力。目前，已经发展的有限元程序可以实现这些模拟分析工作。 2 1 3 3 失稳断裂的裂纹扩展率 在一般分析中，裂纹扩展速度由实验来测定。m o t t 于19 4 8 年曾用无量纲 分析法推导了无限大平板上的裂纹扩展速率。假设平板上的面内位移分量为 甜 d 这里c l 和c 2 都是无纲量的比率数， 需对时间求导，式( 6 9 ) 成为 ( 2 - 9 ) 并且不是时间的显函数。若求速度分量， 薹 = g o d e 1 敏= 弓1 ，j 、o w 2 m 式中， 夕为密度。将式( 2 10 ) 代入式( 2 11 ) ，得到 以= 互1 彤偿矿0 2 弦+ c ：2 ) 蚴 与a 2 成正比。引入无量纲常数k ，则式( 2 。12 ) 改写为 取= 丢枷2 口，2 罟 e r = r ( g r ) a a 1 , 1 o ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) ( 2 1 2 ) 因此，上式的积分需 ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) 式中，积分下限为裂纹刚发生时的裂纹半长度a o ；g 为动态的裂纹驱动力；r 为5 且力。在失稳断黝临贼由式町= 厚有 g = g l c ：q 0 z a 0 e ( 2 1 5 ) 设裂纹扩展后，。仍不改变。若不考虑阻力曲线和动态效果，则阻力r ：g i c ， g = 丁乃0 - 2 a 此式仅适用于裂纹速度a 远小于声速的。因此，平板的总动能为 9 f 、j 仍 仍 纠 吃 & 黼2 ( g 一霆灏= 等妒订 由式( 6 1 2 ) 和( 6 1 5 ) 得到 如俘居” 这里 匿= c o 为弹性波酶一维传播速度， v ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 鄄声速。对于脆性断裂，由实验测 定俘大约等于0 3 8 新以通过实验和分析l 型裂纹扩震速度的表达式 0 ，结构为不稳定结构；如果w 0 ， 则结构为稳定超静定结构；如果w = 0 ，则结构为稳定静定结构。故自然咬合 拱结构为稳定静定结构。自然咬合拱结构的稳定性取决于结构中的一个( 或多 个) “关键咬合面”( 图2 8 中带圈者，“关键咬合面”又连接着“关键块体”) ， 一旦“关键咬合面”脱咬，结构就会失去平衡，在外力及自重作用下，邻近 的混凝土碎块会迅速移动过来，同原位置的混凝土块契合，重新形成咬合面， 再次形成静定结构，这也是其自稳能力的来源。 由于破碎机械破碎的随机性，碎石化下层可能形成的咬合结构也可能是多 种多样的。在水平方向上可能形成如图2 9 所示的水平向咬合梁结构，图中黑 色实心点为咬合点。 1 8 图2 9 咬合梁结构模型 设咬合梁结构中咬合混凝土块数为n ，则结构混凝土块间内部咬合点为r l 1 个，支承链杆数为n l + 3 个。于是结构的自由度w 为： w * 3n 一2 n i 一tn i + 3 ) _ 2 1 一1 2 9 蚺o 上式说明咬合梁为稳定静定结构。如果由路面层传来的力超过咬合点的承 载力那么咬合点将脱落，结构不再静定，混凝土块可以移动，所以邻近的混凝 土块会在力的作用下迅速补充过来，重新咬合在一起形成新的咬合点重新形成 一个静定的咬合梁结构。在碎石化后的碾压过程中，此咬合式梁结构本身将处 于不断的平衡一不平衡( 咬脱) 一再平衡周而复始的发展过程中，直到可移动 的混凝土块越来越少，结构趋于稳定。 在竖直方向上，对于上面先断裂的混凝土块，如咬合点处形成的应力小于 混凝土块的抗压强度，且先断裂的混凝土块厚度又能保证梁中点断裂处咬合点 的位置在梁两端裂处咬合点的连线之上，则能形成三个咬合点的三咬拱式平 衡，称为三咬拱结构( 图2 1 0 ) 。 图2 1 0 三咬拱结构模型 该结构中咬合混凝土块数n = 2 ，结构混凝土块问内部咬合点为n 一1 = 1 个，支承链杆数为n 一1 + 3 = 4 个。于是结构的自由度w 为： w * 3 n 2 n 1 ) t n - l 十3 ) 6 2 4 _ o 故这种三咬拱也是静定结构。 根据上面的分析，如果下层混凝土块厚度能保证混凝土块内部咬合点的位 1 9 置在两边咬合点的连线之下，且内部咬合点处形成的应力小于混凝土块的抗压 强度，则碎石化下层混凝土块还可能形成三个咬合点的反三咬拱结构( 图 2 1 1 )。同理，反三咬拱为静定结构。 图2 11 反三咬拱结构模型 综上所述，由于混凝土板破碎前的整体性，而破碎后碎石化下层又处于裂 而不碎的状态，因此该层相邻混凝土块间在形状上具有非常好的契合度，容易 形成“联锁咬合块体 结构，如水平咬合梁结构、三咬拱结构、反三咬拱结构 等，此类结构通常为静定结构并具有一定的自稳能力，能够提供比普通嵌锁作 用更强的咬合嵌挤作用。 2 2 3 碎石化层的自适应调整 m h b 碎石化将原本相对完整的旧水泥混凝土板块破碎成尺寸较小的混凝 土颗粒，该过程在板块中产生了无数新的微裂纹，这些裂纹有一部分是连通的， 它们将板块分割成较小的块体，从而达到减小板长的目的，而其中大部分则并 不贯穿块体，它们存在于混凝土颗粒内部。这些裂纹的存在增大了旧混凝土块 体的空隙率，使其有体积增大的趋势。在碎石化处治刚完毕时，由于周围块体 的约束，以及基层摩阻力的限制，这些裂纹得不到充分的扩张。在后继碾压及 行车荷载的作用下随着时间的推移，混凝土颗粒将经历一个自适应调整的过 程，在这个过程中，混凝土颗粒逐渐移动到一个平衡稳定的位置。 按照标准方法施工的水泥混凝土板破碎层，必须经过多次的碾压。碾压过 程中，这种混凝土颗粒的自适应调整将逐步发展。图3 - 5 显示，破碎层的表 面弯沉随着碾压遍数的增多先是增加，到达一定值后就逐渐趋于稳定了。这是 因为在碾压过程中，碎石通过位置的移动来达成碎石间的重新排列组合，随着 碾压的进行，碎石问的空隙越来越小，碎石可移动的的空间也越来越小，碎石 层逐渐趋于稳定平衡的状态。碾压时，碎石块既有水平方向的移动，又有竖直 方向的移动，经过重新排列达到更加密实的状态。同时，破碎层同原基层间的 联系也随着碾压的进行进一步的增强。 图2 1 2 碎石层表面回弹弯沉随碾压次数的变化 在加铺层完成并通车后，随着行车荷载次数的增加，破碎层颗粒间的位置 调整还将进一步的发展，但其变化已较微小、发展速度也较缓慢，呈现出慢慢 趋于平衡、稳定状态的趋势。 在路面水平方向上，这个自适应调整主要针对原路面水泥混凝土板块的 接、裂缝。对于原路面状况较好的情况，由于板块裂缝少，且宽度较小，碎石 化裂纹没有充分扩张的空间，这时扩张会逐步增强混凝土颗粒间的约束，经过 自适应调整，混凝土颗粒在膨胀与约束间达到平衡，此时，由于膨胀的作用， 碎石化层处于一种预压应力状态，混凝土颗粒裂而不碎。对于原路面状况较差 的情况，由于板块裂缝较多，且宽度较大，碎石化裂纹有充分扩张的空间，这 时扩张首先会逐步削弱混凝土颗粒间的约束，在连通的裂纹扩张到一定程度之 后，进一步的扩张将使那些不连通的裂纹发展连通并扩张，在这个过程中，颗 粒间的约束又将逐步增强，最后在膨胀与约束间达到平衡。 值得注意的是，这种扩张并不是无限制进行下去的，由于基层的约束，混 凝土颗粒的水平移动有限，在原路面破损非常严重的情况下，原路面裂缝处的 碎石化裂纹扩张得不到收敛，最终将失去与周围颗粒的嵌锁，此处加铺层内将 产生应力集中，导致反射裂缝的出现。 在路面深度方向上，这个自适应调整主要针对原路面水泥混凝土板底的脱 空。在板底存在脱空时，水泥混凝土板块形成类似悬臂的状态，在外力作用下， 扳块较易沿脱空边缘断裂。在基层结构强度状况良好的前提下，当板底脱空高 度、面积较小时，混凝土颗粒在碎石化处治初期即能很好的稳固在基层上，且 由于碎石化产生的颗粒粒径较小，脱空导致的高度差能在颗粒间得到平滑的过 渡；当脱空高度、面积较大时，混凝土颗粒下可能仍存在脱空现象，颗粒间的 高度差也有导致反射裂缝的潜在危险，然而，由于混凝土颗粒内部存在不连通 的微裂纹，在外力作用下，这些微裂纹进一步扩张连通，使得混凝土颗粒能与 基层充分的接触，脱空产生的高度差也分散在颗粒间形成平滑的过渡。 当然，如果板底脱空高度过大，这就会使碎石化层顶面出现明显的下陷， 2 1 从而影响加铺层的平整度。另外，当基层出现明显的唧泥现象，结构强度存在 严重问题时，混凝土颗粒将压入软弱的基层，而无法实现上述的自适应调整。 综上所述，碎石化层将在乳化沥青透层油和混凝土块间的相互嵌挤作用下 形成足够的强度为加铺沥青混凝土路面提供坚实、安全的基础。 第三章基于a n s y s 的多锤头碎化技术研究 多锤头碎石化技术是利用多个重锤有序的交替冲击水泥路面，使路面破碎 成比较均匀的混凝土碎块。它在牺牲一部分结构强度和整体性的情况下，将差 异沉降减低到沥青面层可以允许的范围内，从而彻底解决反射裂缝，为沥青加 铺层提供坚实、稳定的基础，是目前图内解决反射裂缝问题的最有效的方法。 3 | l 问题的提出 在多锤头碎石化过程中，锤头的冲击频率、水泥混凝土路面的固有频率和 破碎的效率以及能量的利用率的存在着一定的关系。一般的，锤头对路面的冲 击频率越接近路面的固有频率，则路面对锤头冲击能量的吸收率越高，越有利 于路面的破碎和节能：面锤头的重量、提升高度和作用在水泥混凝土上的应力 存在着一定的关系。经验证明，锤头的重量越大，提升高度越高，作用在水泥 混凝土路面上的载荷也就越大，水泥混凝土路面也就破碎的越厉害。但是在施 工的过程中，并不是把水泥混凝土路面破碎得越细越好，而是将水泥混凝土路 面破碎成表面在7 厘米左右，下部一般小于3 8 厘米溅凝块。 综上所述，水泥混凝土路面的固有频率、水泥混凝土能承受的极限载荷以 及重锤的举升高度与其作用在水泥混凝土上的应力的关系( 高度一应力关系) 对多锤头碎石化效果的好坏超着至关重要的作用。由于实际碎石化施工的工况 情况复杂，采用常规的解析算法无法满足工程实际需要。因此，本次分析的主 要是水泥混凝路面的固有振动频率和锤头举生高度及其产生的应力，从丽势 确定多锤头碎石化施工过程中锤头冲击路面的最佳频率以及重锤( 6 4 0 k g ) 的 最佳高度提供参考。 3 2 水泥混凝土路面碎石化所需载荷的确定 3 2 1 计算原理 在分析外加荷载侔厢下的水泥混凝土路面结构效疲一荷载应力时，水泥混 凝土路面通常假设为弹性地基上的板。常用的弹性地基的力学模型有两种： w i n k l e r 地基模型和弹性半空间体地基模型。这两种地基模型与实际地基情况 均有出入。首先，它们将地基税为均质体而不能反映路面结构的层状特点；其 次，w i n k l e r 地基模型忽略了地基结构的横向联系，而弹性半空间体地基模型 则夸大了这种联系。嚣就，理论分析结果需要修正。弹性地基上板的解析解主 要局限予无限大板的场合，矩形板的解析解极少，仅限于几种特殊条件。而水 泥混凝路面的情况较为复杂；它被接缝划分为有限尺寸的矩形板，板问常有 传力杆和( 或拉杆) 联系。因此，目前水泥混凝土路面力学分析的实用方法为 数值分析法，其中，最常用的是有限元法。我国的设计规范中，水泥混凝土路 面结构被处理为弹性半空间体地基上的薄板，其主要力学假设为：路面板的弯 曲是小挠度，板截面竖向拉压和剪切形变可以忽略；板与地基层间竖向连续， 水平向光滑无摩阻；板等截面、且材料各向同性。温度应力与荷载应力一样， 是混凝土路面产生破坏的主要因素。混凝土路面板在因温度变化所产生的变形 受到约束时，就会产生温度应力。19 2 5 年，w e s t e r g a a r d 利用w i n k l e r 地基上 的薄板理论，对温度翘曲应力做了解释，导出了迄今仍在广泛应用的温度翘曲 应力计算公式。但对于弹性半空间地基上板的温度翘曲应力，目前尚无解析解， 普遍采用有限元法。目前我国规范采用计入内应力的翘曲应力有限元计算方法 【1 2 1 o 3 2 2 水泥混凝土路面碎石化所需外加载荷的计算 由公路水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 2 0 0 2 ) 的计算方法可知， 当外加荷载和温度梯度作用下产生的荷载应力和温度应力达到了混凝土面板 的极限抗弯拉强度，路面就会发生开裂而破坏。然而，在碎石化技术当中，由 于旧水泥混凝土路面本身就存在着一些缺陷和裂缝。因此，一般的在碎石化技 术中要求外加荷载与温度应力之和达到混凝土路面拉弯强度的0 7 5 0 9 倍。 因此，混凝土路面结构本身的性质、影响荷载应力和温度应力的因素决定 了混凝土路面的极限承载力。其中混凝土弹性模量( 不同的混凝土弹性模量， 相应的弯拉强度随着变化) 、路面板厚度、板长，基层顶面回弹模量等是影响 荷载应力的主要因素。 温度应力计算，采用公路水泥混凝土路面设计规范( j t gd 4 0 一2 0 0 2 ) 的计算方法。i v 区的最大温度梯度标准值= o 8 6 0 9 2 9 t 。c c m ，混凝土板的温 度翘曲应力计算公式为： 口c e 。办疋。 o t m = _ 当工 ( 3 1 ) z 式中：o 。m 一温度翘曲应力，m p a ； qc 一混凝土的线膨胀系数，通常可取为l 1 0 - 5 ； b x 一综合温度翘曲应力和内应力作用的温度应力系数。 由公式( 3 1 ) ，最大温度梯tg = 0 9 c m 时，计算得到纵缝中部板底的 温度应力为1 9 1 2m p a 。因本文分析的水泥混凝土路面横缝未设传力杆，同时 假定荷位l 和荷位2 处于混凝土板的外侧边缘，故分析中未考虑接缝传荷能力 对板底拉应力的影响。该路面( 路面结构和材料参数如表3 1 所示，各参数采 用规范建议值) 水泥混凝土弯拉强度为5 m p a ，温度翘曲应力o 。m 为1 9 1 2m p a ， 故碎石化该路面所需的综合应力0 ： 0 = 5 ( 0 7 5 o 9 ) 一1 9 1 2 = 1 8 3 8 - 2 5 8 8 m p a 。 ： 2 4 本文将以永连二级公路路面结构为例( 路面结构和材料参数如表3 1 所示， 各参数采用规范建议值) ，运用a n s y s 有限元分析方法着重分析水泥混凝土路 面的模态以及在不同高度的落锤的冲击作用下产生的载荷应力；进而描绘出不 同混凝土弹性模量下的落簪，赢定办一裁劳应力口p 。关系图。 表3 1 路面结构与材料性质 结构层次结构层材料层厚e r a材料模量m p a泊松比弯拉强度 m p a 面层水泥混凝土 2 43 0 0 0 0o 155 o 基层 水泥稳定碎石 2 01 3 0 0o 2 0 底基层级配碎石1 52 5 0o 2 5 士基 3 5o 3 5 3 3 碎石化技术的a n s y s 分析原理与方法 3 3 1 有限元方法简介n 鲫 在工程技术领域内，对于力学问题或其它场问题，已经得到了基本微分方 程和相应的边界条件，但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单且 几何边界相当规则的少数问题。凡涉及复杂几何形状和材料特性的问题通常无 法