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基于弯沉检测的水泥混凝土路面板底脱空评价方法

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基于弯沉检测的水泥混凝土路面板底脱空评价方法 公路 2011年11月 第11期 HIGHWAY Nov.2011 No.11  文章编号:0451-0712(2011)11-0143-05    中图分类号:U416.2    文献标识码:A 基于弯沉检测的水泥混凝土 路面板底脱空评价方法 陈晓瑛,尹利华 (中交第一公路勘察设计研究院有限公司 西安市 710075) 摘 要:水泥混凝土板底脱空的检测和评定是路面检测中存在的主要技术难题。目前,工程中应用较多的是基 于落锤式弯沉仪的多级荷载回归法。该方法判定板底是否脱空时,没有考虑接缝传荷效率的影响,...

基于弯沉检测的水泥混凝土路面板底脱空评价方法
公路 2011年11月 第11期 HIGHWAY Nov.2011 No.11  文章编号:0451-0712(2011)11-0143-05    中图分类号:U416.2    文献标识码:A 基于弯沉检测的水泥混凝土 路面板底脱空评价方法 陈晓瑛,尹利华 (中交第一公路勘察 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究院有限公司 西安市 710075) 摘 要:水泥混凝土板底脱空的检测和评定是路面检测中存在的主要技术难题。目前, 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中应用较多的是基 于落锤式弯沉仪的多级荷载回归法。该方法判定板底是否脱空时,没有考虑接缝传荷效率的影响,同时该方法限值 0.05mm的制定主要通过经验 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 而来,忽视了路面结构的差异。利用有限元方法计算 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 不同荷位、不同脱空位 置、不同脱空面积时水泥混凝土板的弯沉,区分了脱空和接缝传荷能力对弯沉的影响,提出了一种综合考虑脱空和接 缝传荷能力对弯沉影响的水泥混凝土板底脱空评价方法。 关键词:道路工程;水泥混凝土路面;脱空评定;有限元分析;弯沉   脱空的出现对水泥混凝土路面板的受力是极为 不利的,因为它改变了路面的力学结构,板下的连续 支撑不复存在,取而代之为一种类悬臂梁结构。加 上水泥混凝土抗弯拉强度很低,脱空后路面一般会 迅速断裂、破碎。随着脱空面积的逐步增大,板更容 易产生碎裂,板块碎裂将影响到周围其他板,使路面 产生大面积的损坏,严重影响行车质量,增加后期的 维修费用和难度,严重影响水泥混凝土路面的使用 寿命。另外,即使一些当时看来既没有破碎又没有 裂缝的板块,其板底仍可能存在脱空,这种病害较隐 蔽,但危害性却非常大。 由于水泥混凝土板下脱空的普遍存在以及它对 路面的危害性,使得如何评定脱空状况以及确定脱 空面积的大小成为当前公路部门的一个热门话题。 在实际脱空判别应用中使用相对较多的也是基于落 锤式弯沉仪(FWD-Falling Weight Deflectometer) 的多级荷载回归法,该方法在国际上应用也较为广 泛,我国《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40 -2002)[1]也将落锤式弯沉仪作为接缝传荷能力和 板底脱空检测方法。但该方法也没有考虑接缝传荷 效率的影响;同时该方法限值0.05mm的制定主要 通过经验总结而来,忽视了路面结构的差异,缺乏足 够的理论支持。国内外大量的实践研究和分析表 明[2-4]:在基于弯沉比较的脱空评定方法中,关键是 区分脱空面积的大小与接缝传荷能力变化分别对弯 沉产生的影响。以往脱空评定方法都是基于用弯沉 一个指标来评价脱空状况,实践表明用单一弯沉指标 显然不能直接区分脱空状况与接缝率对弯沉的影响。 随着计算机的发展,有限元方法在工程上得到 越来越广泛的应用,也为我们解决该问题提供了新 的方法和思路,本文利用有限元方法计算分析了不 同荷位、不同脱空位置、不同脱空面积时水泥混凝土 板的弯沉,区分了脱空和接缝传荷能力对弯沉的影 响,提出了一种综合考虑脱空和接缝传荷能力对弯 沉影响的水泥混凝土板底脱空评价方法和步骤。 1 计算模型 (1)计算模型及材料参数。 水泥混凝土路面结构分为四层,自上而下分别 为水泥混凝土板、基层、底基层、土层,各结构层的材 料参数如表1所示。因路面无限长,故各结构层的 约束主要是路面两端在平面内2个方向(X、Y)的约 束,垂直于路面方向(Z向)的平动是自由的,转动受 到约束。路面结构各层之间按位移协调关系建立模 型,水泥混凝土板尺寸为4m×5m,基层、底基层、 土基无限大,荷载为50kN静载,假设荷载为圆形 均布荷载加在水泥混凝土板上,两块板之间设置纵 向接缝,缝宽为8mm。 收稿日期:2011-05-14 表1 材料参数 材料 厚度/cm 强度/MPa 模量/MPa 抗压 28d 抗折 28d 抗压 28d 抗折 28d 泊松比 水泥混凝土板 22  35  5  15 000 30 000  0.2 基层(半刚性) 30  8  1.5  1 600 5 000  0.15 底基层 25  5  1.0  1 000 3 000  0.15 土基 / / / 40 / 0.2 (2)板间传荷方式。 水泥混凝土板脱空状况评定中选用E地基上 具有接缝的混凝土板分析模型,在接缝处,两块板 通过接缝料或传力杆传递剪力和弯矩,由于传力 杆的弯曲刚度对整个传荷能力作用较小,在此忽 略了传力杆弯曲刚度对接缝传荷能力的影响。在 建模过程中,只允许Z方向的自由度,即利用剪切 弹簧来模拟接缝的传荷能力,取未受荷板的弯沉 w2 与受荷板的弯沉 w1 之比作为接缝的传荷系 数。计算不同弹簧系数K时未受荷板和受荷板的 弯沉值。 (3)计算工况。 ①考虑荷位与脱空位置对弯沉的影响。 分别计算当单块水泥混凝土板未脱空、板中脱 空(面积0.2m×0.2m和0.4m×0.4m)、横缝板 中脱空(面积0.2m×0.2m和0.4m×0.4m)、板 角脱空(面积1/2×0.2m×0.2m和1/2×0.4m× 0.4m)时对应荷位点的弯沉,从而分析当脱空位置 和加载荷位不同时水泥混凝土板的变形情况。 ②考虑接缝传荷能力与脱空面积大小对弯沉的 影响。 同时考虑接缝传荷能力与脱空面积大小对弯沉 的影响,利用剪切弹簧来模拟接缝的传荷能力(分别 取值为0、6×105、2×106、5×106、2×107、2× 108),取未受荷板的弯沉w2 与受荷板的弯沉w1 之 比作为接缝的传荷系数Ew,脱空位置发生在横缝中 部,脱空面积分别为0、0.2m×0.2m、0.4m× 0.4m、0.8m×0.8m。 2 计算结果分析 2.1 考虑荷位与脱空位置对弯沉的影响 按上述水泥混凝土板的计算条件和参数设置, 计算不同脱空位置和加载荷位点的水泥混凝土板的 变形如表2所示。 表2 单块水泥混凝土板脱空计算结果 板况描述 板角荷 位弯 沉/μm 板中荷 位弯 沉/μm 横缝板 中荷位 弯沉/μm 未脱空 47.3  44.9  46.5 板中脱空(面积0.2m×0.2m) 52.3  49.5  52.4 板中脱空(面积0.4m×0.4m) 56.0  50.8  52.3 横缝板中脱空(面积0.2m×0.2m) 50.6  48.3  55.7 横缝板中脱空(面积0.4m×0.4m) 55.7  49.1  94.1 板角脱空(面积1/2×0.2m×0.2m) 53.8  48.1  54.6 板角脱空(面积1/2×0.4m×0.4m) 71.7  47.7  52.8 从表2中单块水泥混凝土板脱空有限元计算结 果可以看出以下几点。 (1)水泥混凝土板脱空位置、荷位不同,计算所得 的弯沉值有一定的差异。当单块水泥混凝土板未脱 空时,板角荷位弯沉值>缝边板中荷位弯沉值>板中 荷位弯沉值;水泥混凝土板不管在什么位置发生脱 空,板中荷位弯沉均小于板边和板角荷位点的弯沉。 (2)水泥混凝土板发生脱空后,脱空面上的荷位 点的弯沉随着脱空面积的增大而增大,但其他荷位 点的弯沉不一定增大。 (3)脱空对弯沉的影响是显著的,水泥混凝土板 脱空后,各点的弯沉值比未脱空时要大,利用弯沉值 对单块水泥混凝土板进行脱空评价时,只要板厚与 各结构层材料参数确定,弯沉与脱空量之间就存在 着对应关系,不考虑接缝传荷能力时,弯沉只是一个 与板厚、各结构层材料参数及脱空量相关的指标。 (4)当脱空发生在板边、板角时,荷载响应受基 础脱空的影响比脱空发生在板中时要大,板中点的 弯沉不能较好地反映水泥混凝土板底的脱空状况。 2.2 考虑接缝传荷能力与脱空面积大小对弯沉的 影响 在基于弯沉比较的脱空评定方法中,关键是区 分脱空面积的大小与接缝传荷能力变化分别对弯沉 产生的影响。东南大学张宁[5-6]以重复荷载下的接 缝工作特性为基础,通过对第一传荷状态临界荷载 及其对应弯沉影响因素的分析,指出脱空对弯沉的 影响是显著的,并提出以第一传荷状态临界荷载与 对应弯沉为指标的脱空评定模型与评定方法,使评 定工作在单板系统基础上进行,排除了接缝传荷状 况不确定的影响。该方法由FWD实测缝边板中、 缝边板角的多级荷载—弯沉曲线,认为曲线上第一 —441—                  公  路                 2011年 第11期  个转折点对应的荷载即为第一传荷状态临界荷载。 但在实际工程中,由于受各种因素的影响,FWD多 级荷载—弯沉曲线第一个转折点并不明显,确定起 来有一定的难度。 大量的理论计算和实测数据表明[7-9],脱空一 般都发生在刚性路面的缝边和板角处,通过计算相 邻的两块水泥混凝土板横缝中部下存在不同大小脱 空时以及不同接缝传荷能力,荷载作用在其中一块板 上时的弯沉变化,在此基础上对脱空面积的大小与接 缝传荷能力变化分别对弯沉产生的影响做进一步研 究。受荷板下发生脱空以及受荷板与非受荷板同时 脱空(脱空面积相同)的计算结果见表3及表4。 表3 仅受荷板下脱空时的弯沉计算结果 脱空尺寸/(m×m) 弯沉/μm 0 L1 46.50  38.69  32.76  28.90  25.32  23.36 L2 0  7.81  13.75  17.60  21.18  23.14 L0 46.50  46.50  46.51  46.50  46.50  46.50 EW/% 0  20.2  42.0  60.9  83.6  99.1 0.2×0.2 L1 55.72  46.58  39.05  34.41  30.12  27.79 L2 0  9.32  16.38  20.96  25.19  27.50 L0 55.72  55.90  55.43  55.37  55.31  55.29 EW/% 0  20.0  41.9  60.9  83.6  99.0 0.4×0.4 L1 94.11  77.49  65.10  57.13  49.86  45.90 L2 0  15.62  27.28  34.82  41.68  45.44 L0 94.11  93.11  92.38  91.95  91.54  91.34 EW/% 0  20.2  41.9  60.9  83.6  99.0 0.8×0.8 L1 108.36  86.81  71.54  62.05  53.64  49.19 L2 0  17.60  30.11  37.93  44.92  48.67 L0 108.36  104.21  101.65  99.98  98.56  97.86 EW/% 0  20.3  42.1  61.1  83.7  98.9   注:表3和表4中,L1为受荷板承载板中心弯沉;L2为非受荷板弯沉;L0为受荷板与非受荷板的弯沉总和;EW 为接缝传荷效率,接缝传荷 能力为“0”,即相邻两块板间完全丧失传荷效率,相反,0.99则表示传荷能力很强,几乎为1。 表4 受荷板与非受荷板下同时脱空时的计算结果 脱空尺寸/(m×m) 弯沉/μm 0 L1 46.50  38.69  32.76  28.90  25.32  23.36 L2 0  7.81  13.75  17.60  21.18  23.14 L0 46.50  46.50  46.51  46.50  46.50  46.50 EW/% 0  20.2  42.0  60.9  83.6  99.1 0.2×0.2 L1 52.74  44.32  37.12  32.75  28.70  26.50 L2 0  8.87  15.63  20.01  24.04  26.24 L0 52.74  53.19  52.75  52.76  52.74  52.74 EW/% 0  20.0  42.1  61.1  83.8  99.0 0.4×0.4 L1 89.11  73.81  62.40  55.09  48.39  44.78 L2 0  15.33  26.71  34.02  40.72  44.36 L0 89.11  89.14  89.11  89.11  89.11  89.14 EW/% 0  20.8  42.8  61.8  84.1  99.1 0.8×0.8 L1 98.79  80.58  67.93  60.14  53.28  49.61 L2 0  18.18  30.86  38.63  45.51  49.19 L0 98.79  98.76  98.79  98.77  98.79  98.80 EW/% 0  22.6  45.4  64.2  85.4  99.1 —541— 2011年 第11期     陈晓瑛 尹利华:基于弯沉检测的水泥混凝土路面板底脱空评价方法   从表3和表4中可以得到以下结论。 (1)弯沉同时受脱空与接缝传荷能力的影响,即 使在接缝传荷能力很强时,所测得的弯沉很小,但并 不能说明板下无脱空。故单测承载板弯沉来评价脱 空是不可行的,必须考虑接缝传荷能力的影响。例 如:板下无脱空但接缝丧失传荷能力,分析所得受荷 板弯沉值为46.50μm,而板下脱空量为0.2m× 0.2m且接缝传荷能力为99%时,所测承载板的弯 沉为27.79μm,如果我们单从弯沉上判断则显然是 不符合实际的。 (2)接缝状况一定时,板下存在脱空现象,受荷 板弯沉与非受荷板弯沉比没有脱空时明显增大,随 着脱空面积的增加,受荷板弯沉与非受荷板弯沉都 增大;传荷系数EW 在受荷板与未受荷板同时脱空 时受脱空面积的影响,在脱空仅发生在受荷板下时, 脱空面积对EW 几乎没有什么影响。 (3)表3中,如果仅受荷板下存在脱空,将受荷 板与未受荷板的弯沉相加得到一个总弯沉L0,接缝 传荷能力一定的情况下,这个总弯沉随着脱空面积 的增加而增加,因此对不同的接缝状况绘制脱空尺 寸—弯沉关系图,见图1,在评定脱空的时候,运用 FWD测得受荷板与非受荷板的弯沉,按照规范《公 路水泥混凝土路面设计规范》(JTG D40-2002)方 法获得接缝传荷能力后,再根据总弯沉查图1即可 得到所对应的脱空尺寸,这样就可以区分接缝传荷 能力与脱空面积大小对弯沉的影响。 图1 脱空尺寸—弯沉关系 (4)不论是仅受荷板下发生脱空,还是受荷板与 非受荷板同时脱空(脱空面积相等),总弯沉L0 随着 接缝传荷能力的增强,其变化很小,故笔者认为总弯 沉值只与脱空量有关。如果两块板下同时存在脱 空,根据表4,不同脱空尺寸x与总弯沉l0(y)的关 系见图2,其回归公式为: 图2 同时脱空时不同脱空尺寸与总弯沉关系 y=-883.49x3+945.97x2-122.25x+46.5 (1) 上述关系式相关系数为1,说明脱空尺寸与弯 沉回归效果显著,脱空对总弯沉的影响是显著的。 实际应用中,可以针对典型道路结构参数分别建立 类似上述回归关系式。 3 水泥混凝土路面板底脱空评定方法 3.1 脱空评定方法 实际工程中,水泥混凝土板发生脱空的情况是 复杂多样的,其中有一个问题就是上述这两种方法 都是根据弯沉查相应图表或公式以得到脱空尺寸, 而在具体检测时事先并不了解是属于哪一种情况, 该查哪一个图表,对于这个问题我们采用如下方法 解决,步骤如下。 (1)首先将相邻的板块编号分别为板1和板2, 将荷载置于板1上测得相邻板块上各自的弯沉L1 与L2。 (2)再将荷载置于板2上进行测量得L′1与L′2。 (3)如果两次所得接缝传荷能力一致,则说明两 块板同时存在脱空(脱空量相同)或同时没有脱空, 由式(1)即可求出脱空尺寸;如果所得接缝传荷能力 不一致,则说明有一块板发生脱空而另一块板完好 或是两块板同时存在脱空,但脱空量不同,运用同样 的方法,通过大量有限元分析建立不同状况下的弯 沉—脱空关系,可获得板底的脱空尺寸。 3.2 评定的一般步骤 对水泥混凝土板下脱空状况进行检测评定时, 可按以下步骤进行。 (1)对于所要评定的混凝土路面,首先进行外观 调查,一般缝边唧泥、错台(角隅断裂除外),有可能 是地基脱空所致,应作为脱空检测重点。 —641—                  公  路                 2011年 第11期  (2)进行板中FWD弯沉测定,评定出地基反应 模量与板中地基回弹模量,然后计算缝边加载下地 基回弹模量,测定时间应选在下午,以保证无脱空存 在时板角与板边的均匀支撑。 (3)将相邻的板块编号分别为板1和板2,将荷 载置于板1上测得相邻板块上各自的弯沉L1 与 L2,再将荷载置于板2上进行测量得L′1 与L′2,如 果两次所得接缝传荷能力一致,则说明两块板同时 存在脱空(脱空量相同)或同时没有脱空,由式(1)即 可求出脱空尺寸;如果所得接缝传荷能力不一致,则 说明有一块板发生脱空而另一块板完好或是两块板 同时存在脱空,但尺寸不同。 (4)用有限元计算由FWD反算所得模量下不 同脱空状态下的弯沉值,绘制脱空—弯沉关系曲线。 (5)根据脱空—弯沉关系曲线,与实测弯沉相对 应的脱空量即为该板体地基脱空范围。 4 结语 本文利用有限元方法计算分析不同荷位、不同脱 空位置、不同脱空面积时水泥混凝土板的弯沉,区分 脱空和接缝传荷能力对弯沉的影响,提出了基于有限 元分析的水泥混凝土板底脱空评价方法和步骤。该 方法弥补了目前工程中应用较多的多级荷载回归法 评定水泥混凝土板底脱空时存在的缺陷,对水泥混凝 土板底脱空的检测和评定具有一定的参考价值。 参考文献: [1] JTG D40-2002公路水泥混凝土路面设计规范[S]. 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In this paper,by finite element analyzing,the deflection of cement concrete pavement under different load position,different void position,different void area are calculated;the influence of void and joint load capacity is distinguished;and a new void evaluation method considering the void and joint load transfer capacity for the cement concrete pavement board is proposed also. Key words:road engineering;cement concrete pavement;void evaluation;finite element analysis; deflection —741— 2011年 第11期     陈晓瑛 尹利华:基于弯沉检测的水泥混凝土路面板底脱空评价方法
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