（工程力学专业论文）移动荷载下复合路面的数值分析与检测技术研究.pdf

摘要 捅要 许多旧水泥混凝土路面已进入养护维修期，探讨如何在旧水泥混凝土上加铺 新的路面已经成为一个非常有价值的研究课题，但路面维修仅靠路面弯沉指标作 为路面结构理论计算和质量验收指标是远远不足的，不但无法真实反映路面内部 结构的状态，而且分析结果也过于片面，容易出现失真的问题。本文结合当今比 较成熟的有限元计算方法，分析路面内部结构响应特性，为将来养护维修路面和 设计新的路面方案提供参考和依据。 路面检测是路面内部真实状态的反映，是在路面理论分析上的进步发展， 但当今路面检测中可以直接引用的方法不多，对于目前比较关注的光纤应变检测 技术，尚处于研究和开发阶段，技术还不成熟，且大部分技术属于国外拥有，价 格也比较昂贵，不适合进行试验性研究，面对于电阻应变检测仪器，虽然价格低 廉，但其稳定性能差，抗干扰能力低，也不适合应用在环境复杂的实际路面中。 本文通过对国内外检测仪器的性能及适用范围的研究，在考虑环境影响因素 和应用前景的基础上，决定采用j m z x 2 l5 型埋入式混凝土应变计。振弦式应变 计具有良好的稳定性、抗干扰能力强、性价比高、采集数据方便和测试量为应变 值累计值等特点，并通过对应变计结构上的改造，解决高温保护、腐蚀、抗压、 耐用等问题 本文通过对在不同行车速度作用下的路面结构的数值计算，分析行车速度对 路面结构响应的影响。分析结果表明，路面位移和应力( 应变) 响应不仅与它本 身的固有频率有关，还与轮载的加载时间等因素有关，并且路面响应随着速度增 加而减小，其中慢重车对路面影响最大。 通过检测数据与计算数据的分析对比，研究路面内部结构的真实情况，并验 证应变计检测方案。数据表明，路表弯沉数值符合设计要求，路面运行情况暂时 较好。在重新开放交通后，路面面层稳定性比基层好，但在荷载作用下的基层应 变比面层大，而且基层在重载作用下容易进入塑性同时也证明，振弦式应变计能 够有效的应用在路面检测中，为对路面进行长期监测提供一种新的检测技术。 关键词：路面维修；路面检测；行车速度；振弦式应变计；长期监测 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t al o to fol dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sh a se n t e r e dt h em a i n t e n a n c ep h a s e ， e x p l o r i n gh o wt oo v e r l a yt h en e wp a v e m e n to nt h eo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s h a sb e c o m eav e r yv a l u a b l er e s e a r c ht o p i c ，h o w e v e r ，p a v e m e n tm a i n t e n a n c ec a nn o t o n l yd e p e n do nd e f l e c t i o nw h i c hi sf o rt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dq u a l i t ya c c e p t a n c e ， b e c a u s ei ti sn o to n l yat r u er e f l e c t i o no ft h es t a t eo ft h ei n t e r n a lp a v e m e n ts t r u c t u r e ， a n a l y s i sr e s u l t sa r ea l s ot o oo n e s i d e d t h ea r t i c l eu s e sm o r em a t u r ef i n i t ee l e m e n t m e t h o dt oa n a l y z et h er e s p o n s e so ft h ei n t e r n a lp a v e m e n ts t r u c t u r e ，a n dp r o v i d e s r e f e r e n c ea n db a s i sf o rt h em a i n t e n a n c ea n dd e s i g no fp a v e m e n ti nf u t u r e p a v e m e n td e t e c t i o ni sat r u er e f l e c t i o no ft h es t a t eo ft h ei n t e r n a lp a v e m e n ta n d f u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h e o r e t i c a la n a l y s i soft h ep a v e m e n t ，b u tt h ew a yf o r p a v e m e n td e t e c t i o nt h a t c a nb eu s e dd i r e c t l ya r el i m i t e d ，t h e f i b e r o p t i c s e n s o r t e c h n i q u ei sp a ym u c ha t t e n t i o n ，b u ti t s t i l lb ep l a c e di nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t s t a g e ，t h et e c h n i q u ei ss t i l ln o tm a t u r ea n dt h ep r i c ei se x p e n s i v e ，i ti sn o ts u i t a b l ef o r s t u d y ，i nt h er e s i s t a n c es t r a i nc h e c k o u te q u i p m e n ta s p e c t ，a l t h o u g hi t sp r i c ei sl o w ，i t s s t a b i l i t yi sp o o ra n di t sa n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t yi sl o w ，i ti sa l s on o ts u i t a b l ef o r u s i n gi nt h ep a v e m e n tw h i c he n v i r o n m e n ti sc o m p l e x t h ea r t i c l es t u d i e ss p h e r eo fa p p l i c a t i o na n dp e r f o r m a n c eo fc h e c k o u te q u i p m e n t ， a n dt h e nc h o o s e sj m z x 一215s u b m e r g e dc o n c r e t es t r a i ng a u g ei nt h ec o n s i d e r a t i o no f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s vi b r a t i o n a lc h o r ds t r a i ng a u g eh a s c h a r a c t e r i s t i c so fg o o ds t a b i l i t y ，h i g ha n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y ，c o s t e f f e c t i v e ， c o n v e n i e n td a t ac o l l e c t i o na n dt e s t i n gt h ea c c u m u l a t e dv a l u eofs t r a i n ，a n dt h r o u g h t h et r a n s f o r m a t i o no f t h es t r a i ng a u g es t r u c t u r et os o l v ep r o b l e m so fh i g h t e m p e r a t u r e ， c o r r o s i o n ，c o m p r e s s i o n ，d u r a b i l i t y t h ea r t i c l ea n a l y s i st h ei m p a c to fs p e e dt ot h ep a v e m e n ts t r u c t u r eb a s i n go nt h e n u m e r i c a la n a l y s i so fp a v e m e n ts t r u c t u r eu n d e rt h el o a di nd i f f e r e n ts p e e d s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h er o a dd i s pl a c e m e n ta n ds t r e s s ( s t r a i n ) n o to n l yh a v es o m e t h i n gt o d ow i t hi t so w nn a t u r a lf r e q u e n c ya n dl o a d i n gt i m e ，b u ta l s oo t h e rf a c t o r s ，a n d p a v e m e n tr e s p o n s ed e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s ei ns p e e d ，s l o wh e a v yv e h i c l e sm o s t s e r i o u s l ya f f e c tt h ep a v e m e n t i i a b s t r a c t t h ea r t i c l es t u d i e st h er e a lc o n d i t i o n so fi n t e r n a lp a v e m e n ts t r u c t u r ea n dp r o v e s t h es t r a i ng a u g ed e t e c t i o np r o g r a mt h r o u g hc o m p a r i s o na n da n a l y s i sb e t w e e nt e s t i n g d a t aa n dc a l c u l a t i o nd a t a t h ed a t as h o wt h a tt h ed e f l e c t i o nc o m p l i e sw i t hd e s i g n r e q u i r e m e n ta n dt h ep a v e m e n ti si ng o o dr u n n i n gn o w a f t e rt h er e o p e n i n go ft r a f f i c ， t h ep a v e m e n ts u r f a c ei sm o r es t a b l et h a nt h eg r a s s - r o o t s ，b u tt h eg r a s s - r o o t sh a sl a g e r s t r a i nt h a np a v e m e n ts u r f a c eu n d e rt h el o a d ，a n dt h eg r a s s - r o o t sc a ne a s i l yb e c o m e p l a s t i cu n d e rt h eh e a v yl o a d a tt h es a m et i m e ，i t a l s op r o v e st h a tt h ev i b r a t i o n a l c h o r ds t r a i ng a u g ec a nb ee f f e c t i v e l yu s e di nt h ep a v e m e n td e t e c t i o na n dp r o v i d e sa n e wd e t e c t i o nt e c h n i q u ef o rl o n g t e r mm o n i t o r i n go ft h ep a v e m e n t k e yw o r d s ：p a v e m e n tm a i n t e n a n c e ；p a v e m e n td e t e c t i o n ；v e h i c l es p e e d ；v i b r a t i o n a l c h o r ds t r a i ng a u g e ；l o n g t e r mm o n i t o r i n g i i i 广东j f 业大学t 学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究工作所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名： 论文作者签名：诩侈 甥 j 独! ! 【年6a1 f i 第一4 章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 广东省位于东南湿热自然分区，是我国最湿热的地区之一，不仅降雨和湿度 很大，而且气温和地温也较高，同时也是我国修建水泥混凝土路面最多的省份， 现有水泥混凝土路面2 万余公里，水泥混凝土路面在“七五 、“八五 期间有很 大的发展，约占高等级路面的6 0 。在经历车辆荷载重复作用和自然环境因素综 合影响后，己出现不同程度的损坏，特别是七五、八五期间修筑的水泥混凝土路 面由于本身存在设计厚度及强度不足、施工等方面的隐患，致使我国多条主干线 道路路面出现大面积的结构性损坏，并导致早期损坏，路面状况堪忧，有些已经 严重影响车辆通行。“九五”期间全国水泥混凝土路面也不同程度地出现了早期 损坏【- 】，有的路段还比较严重。究其原因，有设计、施工及养护方面的问题；就 结构设计来说，可概括为：面板薄、基础弱、排水差。针对目前国内水泥混凝土路 面的使用情况，早期修建的高等级水泥混凝土路面已进入养护维修期，许多国道、 省道面临大修，在改建过程铺筑试验路，为水泥混凝土路面改造提供新的路面结 构【2 】、旧路面处置方法，延长路面的使用寿命，提高路面修建的经济性，是一个 值得研究的课题。 国内在已经建成的各级道路中，大部分是沥青路面结构，其中多数路面的使 用状况是比较好的。不过，我们也应清楚地认识到，由于我国高等级公路的建设 起步晚，技术力量的储备较少，经济基础较差，以及我国的气候和交通荷载条件 恶劣，车辆超载严重，优质的道路石油沥青等原材料投入等原因，铺筑的沥青路 面结构还存在种种问题。一些路段的建设水平并不如人意，甚至通车几年就发生 了沉陷、冒浆、松散、车辙、开裂、泛油、坑槽等早期损坏现象【，】，同时由于缺 乏先进的沥青路面结构应力检测设备，因此一旦损坏，就不得不通过开挖来查找 原因，不但对社会、交通造成了很大的影响，在经济上也造成了很大的损失。近 年来，如何预防沥青路面的早期病害已经引起了我国道路工作高度重视。因此， 防止高等级沥青路面过早损坏是目前急需解决的重要课题，对提高沥青路面的整 体水平是非常必要的。 目前路面损坏的是多种因素合力共同造成的，有可通过表面的直观观察分析 得出原因的，但大部分病害源自面层以下结构所受的各种力的共同作用，而这无 广东工业大学工学硕士学位论文 法通过直观观察分析原因。因此如何了解沥青路面结构内各种因素共同作用下的 力学响应，是解决目前高等级沥青路面过早损坏的关键。目前在分析沥青路面结 构力学响应方面，以表面弯沉是目前我国路面结构理论设计和施工质量检验指标， 但由于计算时模型太简化，无法真实反映路面结构应力状态，因此往往出现计算 失真的问题。同时由于不同结构层组合和材料类型组成的路面结构具有不同的应 力、应变场【一】，而弯沉指标是一项综合性的、表观性指标，无法与具有多种破坏 类型和破坏标准的路面结构建立起统一的、协调的和稳定的关联。二是采用检测 仪器对路面结构进行受力实测，通过对数据的分析道路的病害目前比较流行的是 采用光纤技术的路面应变( 力) 检测方法，但一由于其处于研究和开发阶段，技术 还不够成熟，且产品主要是国外的，价格太高，限制了大规模的应用。因此，探 索有效的沥青路面结构力学分析方法，对解决目前困扰工程界的沥青路面过早损 坏问题，同时为设计、施工、养护提供对策与技术措施，对全国高等级沥青路面 的建设及病害防治具有重要的指导意义及现实意义。 1 2 国内外的研究背景 1 2 1 旧水泥混凝土加铺沥青混凝土路面的背景 路面设计要求的设计年限，一般是15 年，少数是2 0 年，国际上更长的设计年 限是2 0 年乃至更长到3 0 一4 0 年。所谓路面早期损坏是指路面达不到设计年限就发生 损坏，国内路面一般7 8 年，或者1o 年左右就必须进行大修。因为路面经常发生的 是结构性破坏，不仅要对面层维修，同时还必须维修基层甚至底基层。目前对破 坏的公路路面进行维修可供参考的成熟经验、资料不多。如何改建水泥混凝土路 面【5 】是目前交通领域的一大课题，也是一项复杂的系统工程。 在国内外水泥混凝土路面改建中，旧水泥混凝土加铺沥青混凝土路面是一种 常用的有效方法，优点是标高矛盾少，对原路线上桥涵和上跨桥变动少，改建后 行车舒适性提高：缺点是对原路面处理工作较细，沥青调平层施工难度稍大。 在国外特别是发达国家中，路面建设受到了管理、研究等单位的极大重视， 美国l t p p ( l o n g t e r mp a v e m e n to fp e r f o r m a n c e ) 项目对美国的路面开展了全面 研究。许多国家对于水泥混凝土路面的裂缝和接缝处治方法在试验路进行了研究 【6 ，7 】；美国的f h w a ( f e d e r a lh i g h w a ya d m in is t r a ti o n ) 和i h r b ( i o w ah ig h w a y r e s e a r c hb o a r d ) 对水泥混凝土路面加铺沥青混凝土路面的研究中针对美国目前 的条件，提出了新的加铺设计方法、结构分析方法、加铺解决方案【s 】；为了给有 第一章绪论 接缝的水泥混凝土路面找到更可靠和经济性的设计方法，f h w a 在l t p p ( l o n g t e r mp a v e m e n to f p e r f o r m a n c e ) 项目中对有接缝的水泥混凝土路面的各加 铺方案的特点进行了研究。 旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层，加铺过程中主要问题是如何防止 或延缓反射裂缝的产生。为了解决反射裂缝问题，自上个世纪八十年代以来，美 国加拿大、法国、英国、比利时、荷兰等欧美国家相继开展了高强度土工格栅加 筋罩面的应用研究，并进行了大量的室内外试验。国内各地区的科研机构都进行 了研究【。，1 0 ，1 1 ，虽尝试了许多防治反射裂缝措施，但其效果在定量上很难一致 1 2 ，1 3 ，r 4 1 ，而且对其各加铺方案很难做出统一的评价。 1 2 2 路面力学性能检测背景 随着我国高速公路建设的迅速增长，及时准确地检测公路的使用状况，简便、 真实地确定路面材料力学参数一直是工程界和学术界长期关注的课题。 路基路 面现场测试规程( j t j0 5 9 9 5 ) 中已将f w d ( f a l l i n gw e i g h td e f l e c t o m e t e r ) 列为弯沉检测设备，把路面弯沉值作为道路结构承载能力评价的方法。实际上， 许多竣工验收弯沉值较小的路面，早期损坏的现象依然很严重。对沥青路面的力 学模式，国际上都采用沥青层的弯拉应变和土基模量作为设计指标，只有我国钟 情于表面弯沉这个指标，我国是世界上第一个采用弹性层状体系进行路面结构计 算的国家，这一点始终处于世界的最先进水平。可是，“先进的方法、落后的参 数”并没有对设计起多少作用。2 0 世纪的8 0 年代后，我国修筑了大量的半刚性 基层沥青混凝土路面致使我国很多道路发生早期损坏，国际上在2 0 世纪7 0 年代 柔性基层和全厚式路面得到了很大的发展，逐渐成为主流。只是把路面的弯沉作 为路面承载能力的评价方法存在着一定的不足。 在路面内埋设传感器是路面无损检测发法的一种有效形式。美国加州将改进 的b u i l t i nc u r l i n g 传感器埋入路面结构【1 s 】，测试使用中路面各结构层内的变形， 为疲劳裂纹失效模型收集试验分析数据，并把此作为路面力学一试验设计方法的 重要组成部分；德克萨斯州大学学者【1 6 】在研究p c c ( p o r t la n dc e m e n tc o n c r e t e ) 加铺p c c 受气候荷载作用各结构层的变形时，将振弦式应变计v w s g ( v i b r a tin g w if es t r a ing a g e s ) 和温度传感器埋入路面进行了试验研究，并对路面结构进行 3 广东f ：业大学工学硕士学位论文 了数值分析。国内的学者对混凝土振弦式应变计及其长期的稳定性做出了研究 ，1 8 ，并将其应用到桥梁和大坝的长期安全监测中【- 。，2 0 】。在路面的变形监测中， 国内学者曾把传统的电阻应变片应用于路面的变形检测，但是由于其长期稳定性 能差，不适宜用于路面结构的长期监测。 1 2 3 路面力学计算背景 近代发展的弹性地基板理论，采用板体理论的简化模型，解算路面的应力、位 移并验算其路面结构的强度，已广泛应用到各国路面结构设计中。由于实际路面结 构往往是一个3 层或多于3 层的弹性体系，多层弹性体系根据实际的路面结构， 把面层、基层和路基在内的多层路面结构体系采用3 层或多于3 层弹性体系进行 建模。由于计算机计算能力的不断提高，以及弹性力学和数值计算方面的发展，弹 性多层体系、层状体系地基上板的解算己逐步完善以及混凝土的强度理论进一步 发展，利用计算机模拟路面对静动态荷载的响应，2 2 ，2 3 】，并用优化算法对路面的结 构可靠度和经济性进行分析，已成为各国路面设计的发展趋势。 w o llo n g o n g d 大学的m n sh a d i 在水泥混凝土路面设计中把路面材料的总价 格作为目标函数【2 4 】，在满足a u s t r o a d s 水泥混凝土设计准则的条件下，用遗传算 法对路面结构进行优化。t e x a s 大学的k i ms m 把刚性路面和柔性路面简化为 w i n k l e r 地基上板【2 s 】，利用f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma 1 9 0 r i t h m ) 求解出路面 在动荷载的位移和应力响应【2 6 】；同济大学的毛菊良采用有限元法计算动态荷载下 刚柔复合路面结构变形和应力【z ，】，分析接缝区破坏的原因。 就力学模型而言，路面结构应属于弹性地基板三维连续体系，但是只有经过 一系列简化假定和复杂的数学推演，才能建立以解析法为基础的应力分析方法。 在求解微分方程和变形连续方程的解析解时，以轴对称弹性空问的一般解为基础， 把平衡微分方程转换成为贝塞尔侣e s s e l 夕微分方程，利用汉克尔积分变换法，导 出应力和位移分量的一般表达式【z s 】。弹性地基板理论的研究虽已有百年历史，挠 度和应力的解析解，却主要局限于无限大板的情况，w in k e r 地基上矩形板的解 析解近年才出现。w e s t e r g u a r d 的板中、板边和板角应力计算公式，长期以来得到 路面界的广泛采用，但其板边公式也仅在十几年前才得到确证，而板角公式至今尚 无严密的论证。这种应力分析法不能反映许多工程结构中的实际问题，具有一定 局限性。 1 3 研究内容 4 第一章绪论 论文结合广东省公路管理局科研课题( 耐用性基层实验段变更设计) 1 5 8 0 号， 肇庆市国道g 3 2 1 的总体维修方案，考虑该地区的自然环境、水文、地质条件、筑 路材料等情况、荷载和交通状况、施工和养护水平等因素，采用加铺沥青混凝土 形式，加铺水泥级配碎石基层和柔性基层，并提出应用振弦式应变计对路面的使 用性能进行长期监测，从真实路面中，找出路面损坏的薄弱环节，为今后的设计 和施工提供可靠的依据。根据监测数据，对路面结构的各力学参数做出科学的评 价。具体过程包括如下方面： 1 研究旧水泥路面加铺沥青混凝土整体维修方案，为现场预埋应变计和应用 有限元方法进行道路分析提供参考数据。 2 分析目前国内外沥青路面结构应力检测设备的优缺点及适用性，考虑经济 因素，选择沥青路面结构应变检测设备，并在工程现场埋设应变计。 3 通过有限元计算，分析路面结构应力位移响应情况。 4 通过对实测数据与有限元计算结果进行对比，分析沥青路面内部结构变化 状态。 广东_ 丁业大学r 学硕士学位论文 第二章在旧水泥路面上加铺沥青混凝土 2 1 旧路面试验段概括 2 1 1 旧路面的调查分析 根据对g 3 21 肇庆试验路段路况调查结果经计算分析表明： k 1 3 3 + 0 8 7 - k 1 3 4 + 0 8 7 段水泥混凝土路面行车道的平均路面状况指数( p c i ) 为7 5 7 9 ，平均断板率d b l 为2 9 4 7 ，超车道的平均路面状况指数( p c i ) 为8 7 7 ， 平均断板率d b l 为1 2 ；从调查数据表面来看，断板率不大，p c i 值的评定总体 上处于良和中之间，原因可能是部分面板被重新翻修过以及部分面板上面加铺了 沥青面层，从而掩盖了面板的实际破坏情况，对面板的维修仍需结合弯沉值的检 测来综合评定。 采用贝克曼梁检测k 13 3 + 0 8 7 一k 13 4 + 0 8 7 段旧水泥混凝土路面计算回弹弯沉值 最大为0 9 3 m m ，抽样检测旧路面基层项面当量回弹模量值处于6 8 m p a - 10 1m p a 之 问。接缝调查结果表明：良好的路面状态下接缝两侧的弯沉差应该小于5 0 ( 0 0 1 m m ) 。该路段横缝处的回弹弯沉差检测值普遍较小，绝大多数在3 2 ( 0 0 1 m m ) 内，横缝传荷能力较好；但是少量板损坏程度严重，已经失去整体性，其纵缝处 的回弹弯沉差值较大，约为8 0 ( 0 01 m m ) 。同时弯沉检测数据表明，该路段存在 不同程度的脱空现象，且由路面钻芯取样试验结果表明，水泥混凝土路面厚度普 遍小于原路面设计厚度，强度基本能满足要求。 交通量及轴载谱调查结果表明：该路段交通量较大，路面行驶车辆超载现象 比较严重，根据悦城收费站现场轴载称重检测结果，最大轴重达3 7 0 k n 。 2 1 2 旧路面早期损坏的原因 造成路面结构破损的主要原因是现有交通流超载超重、路面结构偏薄、路基 路面排水设施严重不足、路基不均匀沉陷、局部路段养护不及时、砼路面施工控 制可能存在不足等。 2 1 3 对旧路面的处理 对单点弯沉大于7 0 ( 0 o l m m ) 的原水泥混凝土板要进行换填处理，对于单点 弯沉大于2 0 小于4 5 ( 0 0 1 m m ) 的原水泥混凝土板进行压浆处理，k 13 3 + 4 8 7 k 13 3 + 6 8 7 冲击压实处理后，对大于5 5 ( 0 o l m m ) 旧水泥混凝土板要进行换填处 6 第二章在旧水泥路面上加铺沥青混凝土 理，k 1 3 3 + 6 8 7 k 1 3 3 + 8 8 7 单点弯沉大于4 5 ( 0 0 i m m ) 的原水泥混凝土板要进行 换板处理。 1 对于k l3 3 + 0 8 7 - k i3 3 + 6 8 7 路段，将旧水泥混凝土路面板冲击破碎处治后作 为下基层。通过冲击破碎达到断裂、稳固原水泥混凝土路面的目的；冲击破碎不 仅可以消除混凝土面板下的脱空，同时使碎块之间形成集料嵌锁，使旧混凝土面 板及土基的整体性和强度明显提高，有效地减少和缓解反射裂缝。 2 对于k 13 3 + 6 8 7 一k 13 3 + 8 8 7 路段，对旧水泥混凝土路面板不作冲击破碎处理， 保持原旧水泥混凝土路面板，对旧板进行灌缝、压浆及加固处理。对先施工的一 侧车道进行灌缝处理，后施工的一侧车道，考虑到路面的破坏会更加严重，因此 采用较大面积的压浆，压浆面积为15 0 0m 2 。压浆用量l 2k g m 2 。对于轻微的裂 缝、中等裂缝、接缝严重剥落、填缝料损失、纵缝张开等采用灌缝处理。 3 对于k l3 3 + 8 8 7 - k 13 4 + 0 8 7 路段，采用冲击破碎处理旧水泥砼板，冲击后水 泥砼板的板块大小直径为0 8 一1 0m ，破碎后对路面进行灌压水泥浆，灌压水泥 浆后立即用重型压路机碾压三次以上，处治后板顶回弹模量要求最小为2 2 0 m p a 。 路面处理分别见图2 1 、图2 2 、图2 3 。 * h w 斡参。r 一黜鞠一 t 嚣、盛， ：! & ，秘 q l。? q 图2 1 灌缝和压浆 f i g2 - 1i r r i g a t i o ns l i ta n dg r o u t i n g 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 2 冲击破碎 f i g2 - 2s m a s h i n g 图2 3 换填板 f i g2 - 3r e p l a c i n gb o a r d s 压浆处理的主要目的是：填充旧水泥砼面板之间空隙，增强板与板之间的稳 固性。压浆处理后，对接缝进行传力系数测量，相邻板之间的沉降变形应控制在 0 3 m m 以内，控制两侧弯沉差小于0 0 6 m m ，超出此值应重新压浆加固，此外灌浆 工艺应满足相应的技术要求。 灌浆主要在接缝和裂缝位置，灌浆工程量为：6 蚝m 。 8 第二章在旧水泥路面上加铺沥青混凝七 旧水泥混凝土路面处治完毕后，应对旧水泥混凝土板进行弯沉值的检测，要 求处治后主车道旧水泥混凝土板边计算弯沉值的控制值为：3 0 ( 0 o l m m ) 。对达 不到要求的板，必须要补灌浆或采用换板等有效方法处理，弯沉值达到要求后才 进行加铺。 2 2 路面主体结构设计 2 2 1 路面的主要设计参数 ( 1 ) 气候分区：夏炎热冬温潮湿区( 卜4 1 ) 。 ( 2 ) 设计年限：沥青混凝土路面15 年。 ( 3 ) 汽车荷载等级：公路一i 级 ( 4 ) 沥青路面设计年限内一个主车道的累计当量标准轴次：9 8 2 0 0 0 0 次。 ( 5 ) 沥青路面设计弯沉值：主车道2 6 3 7 ( 0 0 l m m ) 。柔性基层的路面控制 弯沉是：3 0 2 ( 0 0 l m m ) 。 2 2 2 路基标准横断面布置 路基标准横断面布置为：中央分隔带0 516 m ，左侧路缘带2 0 2 5 m 、行车道 2 7 5 m ，硬路肩2 0 9 9 2 m 。行车道横坡及硬路肩横坡为2 。设计标高为中央 分隔带的外侧边缘标高，超高以中间带中心线为转轴。硬路肩的超高横坡方式和 超高值与相应的行车道横坡相同。 2 2 3 路面面层设计 路面面层采用沥青砼，结构形式为4 c m 中粒式a c 一16 加6 c m 中粒式a c 一2 0 c 下面层，上面层与下面层之间为乳化沥青粘层。 2 2 4 路面基层设计 根据现有旧水泥混凝土路面病害状况和使用性能调查结果，并考虑交通条件 和气候环境条件以及省公路局耐用性基层试验的要求，基层采取如下结构：下封 层：b 级7 0 号石油沥青下封层；透层油：改性乳化沥青；基层：4 5 ( 5 ) 水泥 稳定排水基层或柔性基层；下基层：冲击破碎后的水泥混凝土路面( 灌浆、灌缝 和压浆处治后的旧水泥砼路面) 。 2 2 5 硬路肩和加宽路面处理 硬路肩结构包括：面层：水泥混凝土( 抗压强度2 5 m p a ) ；基层：4 5 ( 5 ) 水泥稳定排水基层或柔性基层；原路肩：原硬路肩。对于加宽路面，施工时首先 对硬路肩进行全深度切割，按设计深度挖除加宽路面范围内的旧硬路肩；同时按 9 广东工业大学工学硕士学位论文 设计深度挖除纵向排水盲沟占用的2 5 c m 宽旧硬路肩。挖除时应注意对相邻1 日硬路 肩板块的影响，不应破坏原有硬路肩结构。对基底予以夯实整平后，按照设计要 求，回填2 0 c m 厚4 5 的水泥稳定碎石垫层，夯压密实后再浇筑砼至强夯后的旧 水泥砼路面高度，并注意沿旧水泥砼面板横缝进行分缝。对于纵向盲沟开挖后应 对盲沟底部夯实整平，回填2 - 4 c m 的碎石夯实至旧水泥砼路面高度。在路面基层 施工完成后，在基层顶面铺设1 m 宽玻璃隔栅，以防止反射裂缝的出现。 2 2 6 摊铺土工布和粘层 沥青下面层和沥青稳定碎石基层之间采用p c - 3 的乳化沥青粘层，用量为 0 5 l m 2 ，或在试验路段的基层和面层之间摊铺土工布。采用浸渍沥青长丝烧毛土 工布，技术要求( 测试温度2 0 2 ) ：抗拉强度8 k n m ，单位面积质量2 0 0 9 m 2 ，能耐210 以上的高温。 路面主体结构如图2 4 、图2 - 5 、图2 - 6 。 麓 图z 一4 圆层利壑j 芸 f i g2 - 4s u r f a c ea n dg r a s s r o o t s 1 0 第二章在旧水泥路面上加铺沥青混凝土 图2 5 粘层和硬路肩 f i g2 5v i s c o l a y e ra n dt h eh a r ds h o u l d e r 2 3 施工注意事项 幽2 - 6土一l 布 f i g2 6g e o t e x t i l e s 1 l 广东t 业大学_ t 学硕士学位论文 施工时应注意防雨，或避开雨季、雨天，冲击破碎后的路面应及时铺筑水泥 稳定基层，否则应采用沥青封层进行防水处理。 为保证基层的质量，应采用场( 厂) 拌法生产混合料，基层采用摊铺机摊铺 工艺。基层碾压完成后应立即进行质量检查，并进行养生及保护，不得延误。在 整个养生期间都应使水泥稳定级配碎石基层保持潮湿状况，在养生期间如未采用 覆盖措施的水泥稳定碎石层上，除洒水车外，应封闭交通，在采用覆盖措施的水 泥稳定碎石层上不能封闭交通时，应限制重车通行，其它车辆车速不得超过 3 0 k m h 。一般来说，基层养生期不应少于7 d 。养生期内洒水车尽可能在另外一侧 车道上行驶；养生期满验收合格后可立即浇透层油，并尽快铺筑沥青面层，防止 因暴晒出现开裂。 土工合成材料应储存在不被日光直接照射和被雨水淋泡处，根据工程进度和 日用量取用。土工合成材料铺设后，应在4 8 小时内及时覆盖或回填。 2 4 路面早期破坏和处理 目前，交通路面有三种损坏类型尤需重视：车辙：新型龟裂( 纵向平行龟裂) ； 混合料的非均匀性，即离析。 路面损坏的特征主要是裂缝和凹陷这二种类型。维修应根据类型采取不同的 方法【z 9 】。对有裂缝而没有凹陷的地段，用针筒灌注乳化沥青，特别是气温高的情 况下尽量多灌一些，防止雨水浸入软化水泥稳定碎石基层，加速面层疲劳破坏。 对凹陷的地段修补，用切割机切开沥青面层，为防止修复后雨水沿着切割缝隙下 浸，表面层切割范围应宽于中面层，以便铺设防水卷材。用风镐整齐挖去凹陷的 沥青面层和己损坏的基层，用干硬性水泥混凝土现场拌制填补基层，用垂直振动 夯锤夯实，然后洒上一层乳化沥青作为粘层油，先铺沥青下面层和中面层夯实， 在中面层表面新旧沥青的接缝处铺设防水卷材再铺上面层混合料，压实后开放交 通。 2 5 本章小结 介绍了g 3 2l 肇庆试验路段的旧路面概况和整体维修方案，为将来预埋应变计 对路面进行长期观测提供参考依据，并为用计算机对路面进行实体建模和数值分 析提供合理参数，进而从整体上把握路面结构的各个关键环节，为以后维修道路 进一步改善维修方案和延长路面使用寿命提供经验和数据。 1 2 第三章振弦式应变计在路面检测中的应用 第三章振弦式应变计在路面检测中的应用 3 1 路面力学性能检测概述 旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土路面是由不同结构层次组成的复合结构， 路面结构完全处于自然环境之中，承受着持续变化的气候载荷和随机的车辆载荷 的反复作用，并且路面材料随着时间推移有一定的变异性，因此路面各结构层处 于复杂的应力和应变状况。在真实路面各结构层内埋设传感器 3 0 3 ，研究路面各结 构层在车辆荷载和气候荷载的应变，反算路面结构的力学参数，并为路面设计提 供可靠依据。 应变片电测技术是各类工程结构中最常用的一种无损检测方法，它通过在待 测构件上粘贴应变片，通过应变片的各种桥路的连接，组成各种电路而测出受力 物体应变量大小的测量方法 s 在航空航天工程中用于结构应力应变测量和加 载量测试的控制：在电力、动力工程中用于电厂设备的强度试验：在土木建筑及水 利工程中应用于建筑结构应力测量、楼房耐震试验、桩基残余应力测量、大型水 坝施工和蓄水过程监测应力等：在桥梁工程中，应用于桥梁静载强度试验等 光纤光栅传感器是用光纤光栅制成的一种新型光纤传感器，是通过被测量对 光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、振幅、相位、频率或偏振态等特性 发生变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出被测量的一种新型传 感器【。，】。光纤传感器与传统的各类传感器相比具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐 蚀、耐潮、电绝缘性好、防爆、光路有可扰曲性、便于与计算机连接、结构简单、 体积小、重量轻、耗电少等优点。 从国内外的情况来看，应变检测技术比较多的是上面两种，其各有优缺点， 对于电阻应变计，由于应变片比较脆弱，在交通方面应用时，一般应用于测量桥 梁或其它表面光滑的水泥混凝土构件表面应变量，这时只要将应变片粘贴于测点 上，或者通过构件作为载体，埋设于水泥混凝土内部，选用适当精度及量程的应 变片即可。筑路材料属散体，由于沥青路面粒料的松散、不均质特性，应变片很 难应用，同时由于沥青层施工时的高温作用以及道路运营过程中车辆荷载及自然 环境影响，无法用应变片直接测量。光纤检测技术虽然发展较快，但还有许多方 面都还存在着一些需要解决的问题，而且由于其产品动辄几千元的价格，对于本 1 3 广东工业大学工学硕士学位论文 不充裕的科研经费来说，大规模的应用是不现实的。因此国内外虽然应变检测技 术比较多，但真正能应用于沥青路面各结构层变形测量的检测仪器，目前还没有 比较经济有效的现场测试装置。 3 2 研究目的和工作内容 3 2 1 研究目的 通过在路面结构中预埋振弦式应变计，对加铺后路面的力学性能进行长期的监 测，从真实路面中，找出路面损坏的薄弱环节，为今后的设计和施工提供可靠的 依据，并根据监测数据，对路面结构的各力学参数做出科学的评价。 3 2 2 工作内容 为了得到科学的数据和达到以上理想的研究目的，我们做的主要工作包括以下 几方面： 1 充分了解和掌握电阻式应变计，光纤式应变计，振弦式应变计的性能特点， 并根据实际情况选择合适的应变计。 2 在对路面理论分析的基础上了解路面的受力特性，选择合适的测量点和测 量方向。 3 对应变计做好保护工作，使其能具备防水、耐高温、耐压等功能，延长其 工作寿命。 4 根据路面变形特性，改变应变计的结构，扩大应变计的检测范围。 5 研究道路施工的顺序和进度，充分做好预先准备工作，配合好道路施工队。 3 3 预埋振弦式应变计的具体工作 3 3 1 振弦式应变计的工作原理和选取 振弦式应变计是利用振弦频率与弦的拉力的变化关系来测量应变计所在点的 应变【3 2 ，3 3 】，原理见图3 1 。 1 4 第三章振弦式应变计在路面检测中的应用 应变 ff 。 o a 图3 1 振弦式应变计 f i g3 - 1v i b r a t i o n a lc h o r ds t r a i ng a u g e 应变计在制作出厂后，其中钢弦具有一定的初始拉力t o ，因而具有初始频率 山，当应变计被埋入混凝土中后，应变筒随混凝土变形而变形，筒中弦的拉力随 变形而变化，利用弦的拉力变化可以测出应变筒的应变大小。现假定应变计两端 承受压力，则弦的张力减少，此时弦的自振频率也减少，设弦的张力为t ，自然 频率为f ，张力与频率关系用式( 3 1 ) 表示： t = 矽2 ( 3 1 ) 式中：k 与弦的长度、单位长质量有关。很显然，有 丁= 瓦一t = k ( f 2 一刀) 应变计的应变筒与其中钢弦变形协调， 为气，弦的应变增量为咚，则有 r 气2 。面 式中：e a 为钢弦的轴向刚度，故 岛：i kl ，2 一靠) ：k h ( f 2 一名) 2 h2 矗j 一贰2j 一心 ( 3 2 ) 应变增量相同，设应变筒的应变增量 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 广东工业大学1 ：学硕士学位论文 在应变计出厂前，通过压力机标定，给出频率一应变数据点。在计算读数应变 前，常常将数据点按式( 3 4 ) 拟