多錘頭破碎機作用下的路面受力分析

邊祥芹，鄧廷權

(廣西交通科學研究院)

多錘頭破碎機作用下的路面受力分析

邊祥芹，鄧廷權

(廣西交通科學研究院)

碎石化技術是利用多錘頭破碎機(MHB)對舊水泥路面進行改建的一種技術，采用ABAQUS有限元軟件，對MHB作用下的路面進行受力分析，并分析了落錘高度、基層類型、墊層類型和路基模量對路面彎拉應力和彎沉的影響。研究結果表明:落錘高度對路面縱、橫向彎拉應力均有較大程度的影響，基層類型、墊層類型和路基模量對路面橫向彎拉應力影響較大，對路面縱向彎拉應力影響不大;MHB作用下，落錘高度、基層類型、墊層類型和路基模量均對板頂彎沉影響較大，實際施工中應根據路面和路基情況選擇合適的落錘高度。

道路工程;水泥混凝土路面;受力分析;有限元法;多錘頭破碎機

1 有限元模型和荷載

1.1 有限元模型

結合廣東省舊路改建項目試驗路(羅梅公路)典型路面結構，對面層、基層、墊層和路基分別進行有限元模擬。參考相關文獻，面層大小為:長(路線方向)×寬為:5×4.5 m，基層、墊層和路基的大小均為:長×寬為:30×30 m(采用擴大的基層、墊層和路基，以減小其對面層受力的影響)，其余結構參數見表1。

表1 有限元模型中的結構參數

考慮舊水泥路面的特點，各結構約束條件為:面層為自由邊界，四周不受約束;路基、墊層、基層四周受x軸、y軸轉動方向及水平方向約束(x方向為路面縱向，y方向為路面橫向，z方向為路面深度方向);路基底部為固定約束。

1.2 荷載計算及力學參數

MHB靠錘頭自由下落的沖擊力對路面施加荷載，其作用過程符合沖量定理。假設錘頭作用于路面時錘載均勻地分布在路面上，錘頭荷載用Pmax表示，根據動量定理可知

式中:A為錘頭底面積，其為固定值;Δt為錘－板間的接觸時間，參考相關文獻論文取30 ms;為錘－板間的接觸應力，Pa;H為落錘高度，初始值為1.0 m;m為錘頭質量，大小為650 kg;v0為錘—板接觸時的初速度，m/s;Pmax為錘－板間的最大接觸應力，Pa。

由式(1)、式(2)和式(3)計算所得Pmax為37.2 MPa，荷載作用位置為橫向接縫中間位置。通過計算得到路面縱、橫向彎拉應力分別為8.43 MPa和2.68 MPa。水泥混凝土路面的抗壓強度明顯大于彎拉強度，其破壞一般為彎拉應力過大導致的破壞，對于C40混凝土其彎拉強度一般為5 MPa左右，可見MHB作用下路面縱向彎拉應力足以導致路面板的破碎。

2 路面彎拉應力分析

2.1 落錘高度的影響

MHB施工時，落錘高度是可調的，調整范圍一般為1.0～1.3 m，為分析其影響，改變落錘高度對路面彎拉應力進行分析，計算結果見圖1。由圖1可知，隨著落錘高度的增加，路面縱、橫向彎拉應力均明顯增加，落錘高度對路面彎拉應力影響較大。

圖1 落錘高度對彎拉應力的影響

2.2 基層類型的影響

水泥混凝土路面的基層材料有多種類型，不同類型的基層具有不同的模量，為分析其影響，改變基層模量對路面彎拉應力進行分析，計算結果如圖2所示。由圖2可知，基層模量對路面橫向彎拉應力影響較大，而對縱向彎拉應力影響較小。

2.3 墊層類型的影響

不同墊層材料模量不同，改變其大小分析基層模量對路面彎拉應力的影響，計算結果見圖3。由圖3可知，墊層模量對路面橫向彎拉應力影響較大，對路面縱向彎拉應力影響不大。

圖2 基層模量對彎拉應力的影響

圖3 墊層模量對彎拉應力的影響

2.4 路基模量的影響

路基模量不同時，MHB作用下路面彎拉應力不同，為分析其影響，改變路基模量，計算結果見圖4。由圖4可知:路基模量對路面橫向彎拉應力影響較大，而對路面縱向彎拉應力影響不大。

圖4 路基模量對彎拉應力的影響

3 路面彎沉分析

落錘高度、基層類型、墊層類型和路基模量對MHB作用下板頂彎沉會有不同程度的影響。通過計算，當落錘高度分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2和1.3 m時，板頂最大彎沉分別為3.1、3.3、3.5、3.7、3.8和4.0 mm，可見隨著落錘高度的增加板頂彎沉明顯增加。板頂彎沉隨基層、墊層和路基模量的變化見圖5。由圖5可知:板頂彎沉隨基層、墊層和路基模量的增加明顯減小;基層、墊層和路基模量對板頂彎沉影響程度的關系為路基＞基層＞墊層。

圖5 基層、墊層和路基模量對路面位移的影響

4 碎石化施工工序

通過前文MHB作用下水泥路面彎拉應力和彎沉分析并結合已有成果，提出碎石化技術施工并加鋪面層的一般施工工序。

(1)路面雜物清除，保證路面清潔，并將現有路面的修補材料去除;

(2)增設或修復現有路面排水設施，保證施工范圍內無積水;

(3)對路段范圍內需要保護的橋梁、涵洞及其他附屬設施做好標記;

(4)布設施工高程控制點，根據需要進行加密;

(5)對路面面層、基層、墊層及路基狀況進行調查，選取試驗段進行施工，不斷調試確定落錘高度，然后對路面進行破碎;

(6)破碎后清除路面廢棄材料，修復軟弱基層和路基; (7)碾壓破碎后的舊水泥混凝土路面，并將路面整平;

(8)進行封層或透層的施工，加鋪面層(瀝青混凝土或水泥混凝土)。

5 結語

通過研究可知:

(1)MHB作用下，落錘高度對路面縱橫向彎拉應力均有較大程度的影響，基層、墊層和路基模量對路面橫向彎拉應力影響較大，對路面縱向彎拉應力影響不大;

(2)MHB作用下，落錘高度、基層模量、墊層模量和路基模量均對板頂彎沉影響較大。此外，板厚、荷載作用位置等因素均對MHB作用下的路面受力有較大影響，多錘頭碎石化技術施工時均有考慮這些因素。

(3)參考相關文獻并結合研究成果，給出合理的碎石化施工工藝，希望對廣西舊水泥混凝土路面改造有一定的參考價值。

［1］ 陳明哲，曾杰，李懿.舊水泥混凝土路面改造碎石化技術研究［J］.交通科技，2010，(2):58－60.

［2］ 柳正華，談至明.舊水泥混凝土路面的碎石化技術綜述［J］.公路，2006，(12):187－191.

［3］ 趙全滿，張洪亮，許曄.多錘頭破碎機作用下舊水泥路面的力學響應［J］.合肥工業大學學報:自然科學版，2014，37 (5):620－623.

［4］ 趙全滿.多錘頭碎石化技術在舊路改造中的適用性研究［D］.西安:長安大學，2013.

U418.8

C

1008－3383(2015)10－0015－02

2015－01－04

邊祥芹(1982－)，女，山東菏澤人，工程師，主要從事公路路面設計和概預算的編制。