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混凝土预制块铺面的承载力特性试验研究.pdf

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上传者: geongeol 2012-07-05 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《混凝土预制块铺面的承载力特性试验研究pdf》,可适用于经济金融领域,主题内容包含公路交通技术年月第期TechnologyofHighwayandTransportApr.No.收稿日期:--作者简介:王火明(-)男湖北省黄冈市人符等。

公路交通技术年月第期TechnologyofHighwayandTransportApr.No.收稿日期:--作者简介:王火明(-)男湖北省黄冈市人在读博士工程师.混凝土预制块铺面的承载力特性试验研究王火明王在杭蔡丛兵周刚(.招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆.云南路桥股份有限公司昆明.重庆交通大学重庆)摘要:混凝土预制块铺面是由单个预制块体按照一定规则拼装而成的一种特殊路面结构被广泛应用于城市人行道、小区、公园和景区路面铺装。预制块铺面存在大量不连续接缝使其承载力特性与传统的沥青路面和水泥路面有很大不同。从定性角度对预制块铺面承载力机理进行分析通过室内预制块铺面的承载板试验研究接缝特性、砂垫层厚度、块体几何尺寸等对其承载力的影响得到临界弯沉、荷载扩散系数和永久变形影响系数等预制块铺面结构极其重要的力学行为参数对研究混凝土预制块铺面结构设计具有重要参考价值。关键词:道路工程预制块铺面结构承载力接缝特性承载试验文章编号:-()--中图分类号:U.文献标识码:AExperimentalResearchonBearingCapacityCharacteristicsofPavementofPrefabricatedConcreteBlocksWANGHuomingWANGZaihangCAICongbingZHOUGangAbstract:Thepavementofprefabricatedconcreteblocksisaspecialpavementstructureassembledbyindividualprefabricatedblocksaccordingtoacertainrulesandextensivelyappliedforroadpavementofurbansidewalkssubdistrictsparksandscenicspots.Inpavementofprefabricatedblocksagreatnumberofinterruptedjointsexistenablingbigdifferenceinbearingcapacitycharacteristicsofthemfromconventionalasphaltpavementandcementpavement.Thispaperanalyzesthemechanismsofbearingcapacityofprefabricatedblocksfromqualitativeviewpointresearchesinfluencesofjointcharacteristicsthicknessofsandcushiongeometricaldimensionsofblocksetc.onbearingcapacityviathetestforbearingplatesofindoorpavementofprefabricatedblocksandobtainsparametersofthestructureandimportantmechanicalbehaviorsofthepavementofprefabricatedblocksincludingcriticaldeflectiondiffusioncoefficientsofloadandinfluencingcoefficientsofpermanentdeformationshowingimportantreferencevaluesforstudyonstructuraldesignofthepavementoffabricatedconcreteblocks.Keywords:roadengineeringpavementofprefabricatedblocksbearingcapacityofstructurejointcharacteristicbearingtest混凝土预制块铺面是由混凝土预制块、砂垫层、基层和路基组成较一般沥青路面而言路基和基层几乎没有差异。大量研究和实践表明预制块体虽由水泥混凝土制成其本身刚度很大但整个预制块铺面面层结构并不表现出刚性路面的特征而是表现出柔性这种柔性与块体尺寸、砂垫层厚度、接缝宽度和基层模量有关[-]。这说明是接缝而不是块体本身决定着混凝土预制块路面的受力特性。预制块铺面的永久变形主要由砂垫层的压缩变形和块体自身的转动所致接缝和砂垫层的特性是决定其力学行为和路用性能的关键。本文通过铺筑室内预制块路面环道针对混凝土预制块铺面的承载力特性展开了试验研究重点研究接缝特性、砂垫层厚度、预制块尺寸和基层类型等对预制块铺面结构承载力的影响得到临界弯沉、荷载扩散系数、永久变形影响系数等对预制块路面结构设计具有重要意义的力学行为参数为研究混凝土预制块铺面结构的设计方法奠定基础。预制块铺面结构承载力机理分析预制块铺面承载特性与常规水泥路面和沥青路面均有较大不同。研究表明预制块铺面在荷载作用下表现出“拱效应”即在竖向荷载作用下产生水平向推力并通过接缝砂的嵌挤作用在块体间传递[-]。由于拱效应的存在使得块体在外力作用下表现出协同受力的特点即当荷载作用在某个或个块体上时与其相邻的块体也会传递并扩散荷载。拱效应的存在是块体相互作用而成为整体扩散荷载的根本原因。拱效应的产生及发展过程如下:在荷载作用下路面结构发生变形为了适应这种变形块体必然会发生一个细小的位移因为块体本身刚度大、尺寸小其自身不会发生变形。在某个块体细小位移的作用下与之相邻的块体必然受到挤压由于接缝不是连通而是相互错开排列在错缝的限制下使邻近块体的位移受到限制从而使块体间的这种推挤力得以保存下来形成了稳定的拱效应。路面使用初期垫层砂未充分压实接缝也未充分填密实使得块体还存在一定的位移空间拱效应并不是十分强。随着荷载的反复作用砂垫层被逐渐压实接缝间隙也逐渐减小块体位置也逐渐调整完成此时在荷载作用下块体的细小位移就会产生极大的水平推力从而形成较强的拱效应。随着荷载作用次数的增加下承层出现开裂接缝砂逐渐流失导致块体间传递水平推力的作用减弱此时块体需要发生较大位移才可以传递一定的水平力也就是说拱效应在减弱[-]。综上所述预制块路面的拱效应取决于块体的细小位移和邻近块体的约束效应。预制块路面建成通车后在车辆荷载的反复作用下拱效应呈现由弱到强再到弱的一个变化趋势。拱效应的变化意味着预制块路面结构承载能力的变化者是相互联系的。拱效应使得块体不是单个受力而是相互挤压协同受力这是预制块路面结构承载的最主要特点。预制块铺面结构承载力试验.试验路概况为了对预制块铺面结构承载力特性进行研究在室内环道试验场地铺筑了不同工况的预制块铺面试验段。试验段包括种类型基层、种厚度块体、种接缝类型接缝宽度和砂垫层厚度根据试验需要进行调整。在基层顶面预埋了土压力盒用来测定基层顶面压应力。其中基层包括水泥稳定碎石半刚性基层和级配碎石柔性基层砌块厚度为、、和cm种接缝采用了细砂、水泥细砂()、乳化沥青砂浆种材料。采用承载板试验实测了在不同荷载作用下预制块路面的荷载-弯沉曲线研究了接缝特性、砂垫层厚度、块体尺寸、基层类型等因素对预制块铺面结构承载力的影响。与存在路缘石的刚性边界约束不同试验段边缘采用人工夯实级配碎石土填筑属柔性边界约束约束条件不同对于铺面承载力特性也有一定影响此处特予以说明。.预制块铺面典型荷载-弯沉曲线荷载-弯沉曲线是路面各结构层材料力学特性的综合作用结果反映了路面结构的整体力学行为特性。因此可以根据荷载-弯沉曲线来判断路面结构的承载力特性。笔者在室内环道试验场地进行了预制块铺面全过程荷载-弯沉值测试试验结果见图、图。图、图中试验段对应的接缝宽度均为mm砂垫层厚度为mm块体厚度为cm接缝填料为水泥细砂()。图水稳碎石基层荷载-弯沉曲线图级配碎石基层荷载-弯沉曲线从图和图可以看出无论是级配碎石基层还是水泥稳定碎石基层其荷载-弯沉试验曲线呈现出相同的变化规律。随着荷载的增加块体路面弯沉值呈非线性增加。在加载初期随着荷载增加弯沉值迅速增加随后随着荷载继续增加弯沉值继续增加但增加速度明显减小弯沉值呈现出较长稳定期最后当荷载增加到一定程度后弯沉值又开始迅速增加荷载-弯沉试验曲线出现拐点。结合预制块铺面结构的承载机理笔者对以上现象作如下解释:在加载初期块体在外荷载作用下发生微小位移由相对自由松散状态开始产生相互间挤压接缝处开始出现剪应力砂垫层产生较大的年第期王火明等:混凝土预制块铺面的承载力特性试验研究压缩变形这一过程是块体结构层拱效应产生和迅速增长的过程也是路面结构产生相对位移和变形最大的阶段。这一阶段的主要特点是在外力作用下块体、接缝和砂垫层各部分位移的调整表现为路面弯沉值随着荷载增加而迅速增加。随着荷载继续增加砂垫层逐渐密实稳定接缝处的剪应力逐渐增大块体层的嵌挤效应逐渐增强并趋于稳定接缝处的剪切刚度逐渐增大块体结构层的整体刚度在这一阶段逐渐增大并趋于稳定。这一阶段的主要特点是刚度的增长表现为路面弯沉值随着荷载增加而趋于稳定。随着荷载进一步增加基础刚度逐渐减小接缝处的剪切应力超过其峰值抗剪强度出现剪切屈服状态基层也可能在此刻出现承载力极限状态。此时荷载-弯沉值曲线出现反弯即随着荷载继续增加弯沉值开始迅速增加表明路面结构已经出现结构性破坏达到其承载能力的极限状态。荷载-弯沉值曲线拐点处的荷载即为承载力极限值对应的拐点弯沉值即为临界弯沉值。因此可以用临界弯沉值来表征预制块路面结构的承载能力大小。从试验结果看当接缝宽度为mm、砂垫层厚度为mm、块体厚度为cm时级配碎石基层预制块路面的临界弯沉值约为(.mm)水泥稳定碎石基层预制块路面的临界弯沉值约为(.mm)。.接缝特性对承载力的影响接缝特性取决于接缝填料、接缝宽度和接缝组合形式。接缝组合形式主要包括长边接缝、短边接缝、丁字形接缝和十字形接缝种见图。图预制块路面接缝组合形式为了研究接缝特性对路面结构承载力的影响针对不同类型的接缝(填料、缝宽、组合形式)进行了全过程承载力试验记录承载力极限状态下的弯沉(临界弯沉)值和与此对应的基层顶面的压应力。试验路段为级配碎石基层砂垫层厚度均为mm。接缝采用细砂、水泥细砂、乳化沥青砂浆种材料。试验结果见图~。从试验结果看接缝特性对块体路面结构的承载力有一定影响但总体来说影响不大。随着接缝宽度增大临界弯沉值有所减小基层顶面压应力随着临界弯沉值的减小而减小表明接缝的存在对于预制块路面结构整体的承载能力有所削弱。对于级配碎石基层当接缝宽度由mm增大为(a)接缝特性对基层顶面压应力的影响(b)接缝特性对临界弯沉的影响图细砂接缝(a)接缝特性对基层顶面压应力的影响(b)接缝特性对临界弯沉的影响图水泥细砂接缝公路交通技术年(a)接缝特性对基层顶面压应力的影响(b)接缝特性对临界弯沉的影响图乳化沥青砂浆接缝mm时临界弯沉值减少约(.mm)对应的基层顶面压应力减小约.MPa。对于细砂接缝当缝宽不超过mm时其临界弯沉值可取为(.mm)超过mm时临界弯沉值可取(.mm)。对于细砂水泥和乳化沥青砂浆接缝当缝宽不超过mm时其临界弯沉值可取为(.mm)超过mm时临界弯沉值可取(.mm)。.砂垫层厚度对承载力的影响为了研究砂垫层厚度对路面结构承载力的影响选择了种不同的砂垫层厚度(、、cm)进行承载试验基层为级配碎石和水稳碎石砌块厚度为cm接缝宽度统一为mm。试验结果见图、图。图砂垫层厚度对临界弯沉的影响图砂垫层厚度对基层顶面压应力的影响从试验结果看砂垫层厚度对块体路面结构的承载力有一定影响。无论是级配碎石基层还是半刚性基层随着砂垫层厚度的增大块体路面的临界弯沉都呈减少趋势。当砂垫层厚度超过cm后减少趋势更明显。随着砂垫层厚度的增加块体路面达到承载能力极限状态时的基层顶面压应力有减小的趋势。这种减小趋势在半刚性基层路段表现更为明显。也就是说随着砂垫层厚度的增加预制块路面结构的承载能力是降低的。因此为使预制块路面结构的承载能力不至于降低太多必须对砂垫层厚度进行限制。根据室内环道承载力试验结果建议预制块路面砂垫层厚度不宜超过cm。砂垫层厚度也不宜过小否则会影响块体的稳定性和“拱效应”的发挥。因为块体要产生“拱效应”形成整体受力模式必须要有细微的转动位移这种细微的转动位移便是源于垫层砂的压缩变形。此外在使用过程中垫层砂会逐渐流失如果砂垫层厚度过小则会影响到块体路面的耐久性因而需要经常补砂。根据室内试验结果并结合工程实践经验建议预制块铺面砂垫层最小厚度为cm。综上所述综合考虑预制块路面结构的承载能力和耐久性建议砂垫层的最佳厚度为~cm。块体厚度越大砂垫层厚度可适当取大值。.块体几何尺寸对承载力的影响研究和实践表明在块体强度和厚度满足要求的前提下预制块路面的承载力主要取决于基层的强度和刚度。为了验证这一说法笔者在室内环道上进行了不同几何尺寸块体路面的承载力试验。试验段采用的砌块几何尺寸见表块体强度满足C混凝土强度要求。试验段为级配碎石基层接缝宽度统一为mm砂垫层厚度统一为cm。试验过程中记录了表预制块几何尺寸cm块体编号长宽厚长宽比...年第期王火明等:混凝土预制块铺面的承载力特性试验研究不同等级荷载作用下的路表弯沉值和基层顶面压应力。试验结果见图~。从试验结果看块体几何尺寸对预制块路面承载力的影响很小。不同厚度块体下的路面临界弯沉值相差很小。块体厚度由cm增大到cm增加幅度为.而临界弯沉值的变化幅度仅为.。同样块体厚度对于基层顶面压应力的影响也很小。事实上试验过程中当预制块路面形成嵌挤效图临界弯沉值与块体厚度关系图临界弯沉值与块体长宽比关系图基层顶面压应力与块体厚度关系图基层顶面压应力与块体长宽比关系应后其承载能力有一个很长稳定期表现为荷载不断增加而路面弯沉变化不大。此时路面结构处于近似的弹性受力阶段。随着荷载继续增加逐渐接近路面承载力极限状态路面结构开始出现塑性变形弯沉开始急剧增大弯沉出现突变时对应的点即为临界弯沉点。试验过程中还发现临界弯沉值往往存在一个波动过程即临界弯沉值不是具体的某一个值而是存在一个区间该区间内几个点的数值都相差不大对最后取值不会造成太大影响。临界弯沉值确定笔者通过大量室内承载试验对预制块铺面承载力特性进行了研究。结果表明在块体强度和厚度满足要求的前提下基层类型(强度及刚度)是决定预制块铺面结构承载力的最主要因素路面接缝特性、砂垫层厚度和块体几何尺寸对于路面承载力虽有一定影响但影响都不大。尤其是当接缝宽度和砂垫层厚度适宜(满足施工和使用要求)的情况下其对临界弯沉值的影响几乎可以忽略。对室内承载试验结果进行总结得到不同工况下的预制块路面临界弯沉值。从试验结果看影响预制块路面结构临界弯沉值的因素由主到次依次为:基层类型(基层模量)、砂垫层厚度、接缝宽度、块体厚度。其中临界弯沉值与块体厚度关系不大在接缝宽度和砂垫层厚度有限的变化范围内其对临界弯沉值的影响也是有限的因此影响临界弯沉值的主要因素是基层的类型。综合全部试验结果可知当基层为级配碎石柔性基层时临界弯沉值取为(.mm)当基层为水泥稳定碎石半刚性基层时临界弯沉值取为(.mm)。荷载扩散系数确定混凝土预制块路面不同于一般的水泥路面和沥青路面它是用刚性的混凝土块体铺筑的柔性路面具有良好的适应变形能力和较强的承载能力。在接缝宽度满足路用性能要求的前提下预制块路面荷载扩散能力主要与块体的几何尺寸有关。为了对预制块路面的荷载扩散能力展开研究定义了混凝土预制块路面的荷载扩散系数C值C值定义为基层顶面荷载中心处压应力P与距离荷载中心cm处压应力P之和同P的比值即C=(PP)P用它来反映混凝土预制块路面的荷载扩散能力。公路交通技术年试验过程中采用预埋土压力盒实测基层顶面压应力。试验段为级配碎石基层接缝宽度统一为mm砂垫层厚度统一为cm。试验初始(即加载初期)由于砂垫层被压密、块体发生转动位移、拱效应尚未发挥作用等测试结果波动性较大不能作为计算依据。待弯沉测试结果显示塑性变形基本稳定后才可以读取数据并进行计算。试验结果见表。表混凝土预制块路面荷载扩散能力试验结果平面尺寸长宽cm块体厚度cm基层顶面压应力MPaPPC值..................从试验结果看块体平面尺寸对于C值影响较大而块体厚度对于C值影响较小。随着块体厚度的增加C值逐渐增大表明砌块厚度的增加对于预制块路面的荷载扩散能力有一定提高但提高幅度很有限。尤其是当块体厚度超过cm后块体厚度由cm增加到cm增加幅度为.荷载扩散系数C值由.变为.增加幅度仅为.。因此想通过增加块体厚度来提高预制块路面的荷载扩散能力是不合理的也是不经济的。此次试验涵盖的块体尺寸长宽比范围约为~厚度范围为~cm预制块面层荷载扩散系数介于.~.。永久变形影响系数确定预制块路面的永久变形与接缝宽度及砂垫层厚度有很大关系。在荷载作用初期路面永久变形主要源于块体位置的调整和砂垫层的压密。预制块路面永久变形影响系数K值定义为:由砂垫层压密和块体沿接缝细微转动产生的塑性变形S占路面破坏前(正常使用阶段)总的塑性变形St的比例数学表达式为:K=SSt。S和St可以根据承载力试验得到其中S为块体结构层稳定前(加载初期)产生的塑性变形St为块体结构层稳定后(加载稳定期)产生的总塑性变形。根据级配碎石基层预制块路面承载力试验结果可以计算得到K值见表。K值与砂垫层厚度和接缝宽度的关系见图、图。表室内环道试验实测得到的K值砂垫层厚度mm............注:.计算K值采用的数据为级配碎石基层的承载力试验数据.、、、为接缝宽度mm。〗图K值与砂垫层厚度关系图K值与接缝宽度关系从试验结果可以看出接缝宽度和砂垫层厚度对于K值均有一定程度的影响其中砂垫层厚度的影响较大。随着接缝宽度和砂垫层厚度的增大K值增大。考虑到实际工程中砂垫层厚度一般为~cm接缝宽度约为mm因此在进行预制块路面结构永久变形计算时可以取K=.以简化计算过程。结论本文通过对预制块铺面结构的承载力试验研究得到如下结论:)随着荷载增加块体路面弯沉值呈非线性增加。在加载初期弯沉值随荷载增加而迅速增加随后随着荷载继续增加弯沉值继续增加但增加速度明显减小弯沉值呈现出较长稳定期。)在块体强度满足要求前提下影响预制块铺面结构承载力大小的因素由主到次依次为:基层类型(强度和模量)、砂垫层厚度、接缝宽度、块体尺寸。)当接缝宽度为mm、砂垫层厚度为mm、块体厚度为cm时级配碎石基层预制块铺面的年第期王火明等:混凝土预制块铺面的承载力特性试验研究临界弯沉值为(.mm)水泥稳定碎石基层预制块铺面的临界弯沉值为(.mm)。)当块体尺寸长宽比范围约为~厚度范围为~cm时预制块铺面面层荷载扩散系数介于.~.。)当接缝宽度约为mm砂垫层厚度为~cm时预制块路面永久变形影响系数约为.。参考文献[]孙立军.现代联锁块铺面[M].上海:同济大学出版社.[]KnaptonJBarberS.TheBehaviourofConcreteBlockPavement[C]Proc.I.C.E..[S.l.]:Telford.[]SilfwerbrandJMWappling.ParameterStudyontheDesignofConcreteBlockPavements[C]ProceedingsofthInternationalConferenceonConcreteBlockPaving.Tokyo:ICCBP.[]ClarkAJ.FurtherInvestigationsintotheLoad-SpreadingofConcreteBlockPaving[C]CementandConcreteAssociationTechnicalReport.[S.l.]:CementandConcreteAssociationThePennsylvaniaStateUniversity.[]ShackelB.AnExperimentalInvestigationofFactorsInfluencingtheDesignofInterlockingConcreteBlockPavementsforRoadsProceedings[C]AustralianRoadResearchBoardPt.[S.l.]:NationalInstituteforTransportandRoadResearch.[]GarrettCWalshID.AComparativeStudyofConcretePavingBlocks[C]ProceedingsofndInternationalConferenceonConcreteBlockPaving.Delft:ICCBP.[]KanzakiNOhmoriYIshimuraS.TheUseofInterlockingBlockPavementsfortheReductionofTrafficAccidents[C]ProceedingsofndInternationalConferenceonConcreteBlockPaving.Delft:ICCBP.[]DutruelFDardareJ.ContributiontotheStudyofStructuralBehaviourofaConcretePavement[C]ProceedingsofndInternationalConferenceonConcreteBlockPaving.Delft:ICCBP.[]RobBurak.PreparingforPaverinstallation-installingthebeddinglayer[J].InterlockingBlockpavementMagazine()欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍欍.《公路隧道养护技术规范》修订工作举行第三次会议受国家交通运输部委托由重庆市交通委主持的《公路隧道养护技术规范》修订工作第三次会议于年月日在重庆交通科研设计院召开。参加会议的隧道工程专家们对《公路隧道养护技术规范》(征求意见稿)中的总则、养护分级与评定方法、土建结构、机电设施、安全管理、技术管理等重点章节进行了深入讨论进一步提出了修改意见和建议。根据本次会议讨论结果进行修改完善后将印发全国相关行政机构、科研院所、运营公司再一次广泛征求意见。据悉截至年我国总计已建成通车公路隧道为处、.万延米其中特长隧道处、.万延米长隧道处、.万延米。我国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家公路隧道养护管理工作任务十分艰巨。此次《公路隧道养护技术规范》(征求意见稿)提出的“公路隧道养护分级标准”与“公路隧道检查评定方法”是大创新点对节约养护成本、降低资源消耗、提高运营安全意义特别重大。重庆交通科研设计院隧道专家蒋树屏研究员强调要通过标准规范的颁布实施带动公路隧道养护技术的进步尤其是要加快公路隧道信息化养护管理系统的建立更好地提高我国公路隧道养护管理水平。(老关)公路交通技术年

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