四楞冲击压路机破碎旧水泥混凝土路面力学机理研究

　　四愣冲击压路机破碎旧水泥混凝土路面力学机理研究孙晓亮，胡昌斌（福州大学土木工程学院，福建福州350002）冲击压实过程中旧路面结构及土基的受力、变形特征进行了研究。分析了冲击压实荷载位于路面板不同位置对板体破裂及土基受压效果的影响，探讨了冲击压实荷载在板下路基中的传递规律及作用深度等问题。研究结果可为冲击压实改建旧混凝土路面施工技术提供理论和指导。

　　近年来，采用冲击压路机冲击压实旧水泥混凝土路面，对旧水泥混凝土路面进行快速修复，以其良好的实用性，引起了公路养护部门的注意。该项技术采用冲击压路机冲击压实旧水泥混凝土板，不仅可以快速破碎并压实稳固旧砼路面板，有效减少和缓解反射裂缝，而且能够形成嵌锁稳固的新路面底基层，提高路面改造质量。但由于技术引进时间短，相关的理论研究还远远落后于实践，特别是冲击压实处理旧混凝土路面时，路面板破碎与路基压实的机理知之甚少，亟须理论深入研究以指导其合理应用。

　　冲击压路机冲击轮目前常见有三楞、四楞、五楞三种。唐学军、苏卫国对五楞冲击压路机冲击压实旧混凝土路面路基的力学行为进行了研究，实际上，四楞冲击压路机的稳定性和灵活性均优于冲击轮置于拖架两侧的三楞或五楞冲击压路机。由于冲击压强更大，该种机型在旧水泥混凝土路面破碎中适用更广泛。因此，本课题结合316国道福州段冲击压实处理旧水泥混凝土路面现场试验，采用三维有限元方法对四楞冲击压路机冲击破碎过程中旧混凝土路面结构的变形及受力破坏特征进行了研究，以为冲击压实改建旧水泥混凝土路面的工程实践提供理论。）1孙晓亮k1Acad（5ml 1冲击压路机本试验路施工时采用美国mpactoi2000四楞冲击压路机。该机主要技术指标为：高度1956叫宽度2565叫长度5.842叫机重127t冲击轮重86t每秒钟高冲实次数2遍；行走速度11~13km/h压实功率30000J在实际工程应用中，为加强破碎压强，冲击轮上局部焊有钢趾，具体分布见2力学模型及荷载工况采用有限元方法对四楞冲击压路机冲击破碎旧混凝土路面进行机理分析，分析中，采用拟静力的方法来模拟冲击压路机的动力作用，并假设各结构层为均质、连续、各向同性的线弹性材料；结构层之间完全连续接触；不计接缝的传荷能力，仅按单块路面板作受力分析。计算模型的有限元网格划分及坐标系统如所示。

　　1模型尺寸及约束条件依据有效影响范围，结合现场实测与有限元试算，确定模型如下：①路面板尺寸：长（路线方向）X宽x厚=5mx4mxQ25m.②基层及土基范围：长X宽x深=35mx28mx（0 2+40）m，其中基层（含底基层及垫层）厚度0 2m，长、宽简化为与土基等同。该选取范围之长、宽分别为单块路面板的7倍，路面板置于其顶部中央位置。试算表明，满足距离荷载作用位置较远处位移很小的要求。③约束条件：不考虑接缝的传荷作用，路面板四周为自由边界；基层及土基四周水平方向约束，土基底部竖直方向约束。

　　2冲压荷载及力学参数采用有限元模拟计算冲击压路机处理旧混凝土路面时，确定冲击载荷十分重要。冲击压路机工作时的冲击载荷计算可通过以下3种方法来确定：冲量定理法；依据实测值反算法；转动惯量法。本研究采用冲量定理法反算冲击荷载，根据Inpcator2000四楞冲击压路机自身参数与现场动土压力测试，工况1、2以轮压位置处为下沉大区；而工况玉4的大下沉区位于路面板侧边。各种工况中，工况4时板角处垂直位移d-大为239mm，工况1时垂直位移d-大值为153mm，在四种工况中小。此外，各工况板体均自各个轮压处向四周翘起变形，即存在纵、横弯曲现象。

　　32路面板应力分布特征对混凝土路面板应力分布计算结果表明，路面板的拉应力区主要出现于板底部。板底纵向拉应力x大值在4 5~489MPa板底横向拉应力大值在367~49MPa图为板底部的水平应力A、分布等值线。由中可以发现，应力分布与板体纵、横弯曲变形一致。工况1和工况3即轮压荷载位于面板中部时，板底以纵向拉应力为主，且工况1和工况3时拉应力A的大值略大于工况2及路面板底面等值线（单位：Pa）由可见，当工况1及工况2时，轮压荷载位于面板中部，板底以横向拉应力r为主；且工况1及工况2时拉应力r的大值略大于工况3及工况4时的大值。

　　从板纵深方向来分析应力分布，板的拉应力区约为1/3板厚。此外，还可以发现，工况1及工况3时，A、大值并不是出现在轮载正下方，而是近似对称的分布在轮载作用正下方的左右，这充分体现了板的受力特征：纵横弯曲相耦合。另外，工况2及工况4时，拉应力，。在板底的分布呈葫芦状，这也是由板纵横弯曲相耦合所致。

　　3路面板破坏分析基于以上路面板的应力分析，取板体混凝土材料的弯拉强度为45MPa，则在冲击载荷作用下，板体底面会有不同程度的裂缝。为探讨路面板在三向应力下的破坏情况，利用德鲁克-普拉格（Drudker-Prager）准则，定义破坏系数：不变量。德鲁克-普拉格准则对水泥混凝土等脆性类材料较为适用，在不考虑塑性应变硬化或软化的情况下，屈服准则与破坏准则相同，均采用广义的VonMises屈服准则。当破坏系数F >1时，材料发生屈服或破坏。

　　计算结果表明，工况4时F大值为155也是各种工况中的大值，工况1时F大值为135是各种工况大值中的小情况，但对于路面板上F值大于1.的区域，工况1时明显大于其它工况（如）。

　　这说明各种工况时板底均有不同程度的开裂或破坏，且以工况1破坏为严重。各工况路面板顶部单元层的破坏系数均在1以下，各种工况面板底部单元层的破坏系数（单元各节点取平均后）F等值线如所示。

　　由可见，当冲击压路机沿着路面板纵向板中线施工时，工况1的板底破坏区域大于工况2的板底破坏区域，这两种工况破坏区域几乎占到全板面积的1/3破坏区位置及形状与相应工况板体的纵向弯拉应力A分布基本一致；当冲击压路机沿着路面板边缘施工时，工况3的板底破坏区域大于工况4的板底破坏区域，工况3破坏区域占到全板面积的1/4强，工况4的破坏区约占全板面积1/5破坏区位置及形状则与相应工况板体的横向弯拉应力分布基本一致。由此说明当轮压位于路面板中部时，破坏主要由纵向弯拉应力引起；当轮压位于路面板纵向端部时，破坏主要由横向弯拉应力引起。另外，值得提出的是，由于本研究在进行有限元建模时，未考虑材料的塑性特征，所以，实际破坏区域要比模型计算结果显示的区域更大。

　　综上所述，由各工况路面板弯拉应力分布特征可知，若依冲压机行走路线分为沿面板纵向中线及板34基层及土基的受压效果分析在冲压荷载作用下，由于基层具有一定刚度和强度，所以整体上与路面板一起处于纵、横弯曲状态，大垂直位移值及分布与路面板基本一致。基层底部水平应力x、基本上为拉应力，大值在10~ 1.5MPa顶面水平应力x、y基本上为压应力，大值在10~2OMPa且各工况基层的弯拉应力分布与其相应工况路面板的应力分布相类似。基层双向受拉一方面会使旧路面板不易被破碎，另一方面使基层本身被拉裂击碎。基层在路面板边及板角处有较大的局部垂直压应力集中，大值在0. 6~1.7MPa（工况4板角）。轮压下方的垂直压应力大值为0. 2~064MPa左右。计算结果表明，土基与基层不同，土基在三个方向均承受压应力。

　　341土基顶面的垂直应力及沉降由于基层的应力扩散作用，土基顶面对应板边、板端及板角部位的垂直压应力集中显著减小。包括一些局部应力集中部位在内的垂直压应力大值在012MPa（工况1）~ 029MPa（工况4板角下方）（如）。拟以0 05MPa为界限，比较各工况土基受压区的大小，由图也可以看出，工况1及工况2时压应力大于005MPa的受压区域比另外两种情况大。土基顶面的大下沉值略小于基层顶面的大下沉值，其范围在16cm（工况1）~20cm（工况4）。若以土基受压均匀作为评判标准，冲压初期冲压机沿路面板中线各工况土基顶面下沉值大于0 5　　342土基应力及下沉随深度的变化为了定性分析冲击载荷载土基中的分布，通过分析各工况沿面板横向过冲击轮压中点线的竖直剖面（VY）及沿面板纵向过冲击轮作用中点的竖直剖面（IX），可得到各种工况时土基中由冲压荷载产生的垂直应力及沉降的分布，工况234时应力及沉降等值线呈非对称分布。土基在1m左右内的浅部，垂直压应力及下沉以靠近板边（或板端、板角）一侧下方的较大；而在较深处，垂直压应力及下沉较大的部位逐渐移向混凝土路面板中部的下方。结合各种工况的有限元计算结果，为便于比较，将四种工况的冲击附加应力随土基深度变化绘成曲线（见1）。

　　况4）左右，在突变点以上，土基中冲击附加应力随深度变化减小较快；而在拐点以下，土基中冲击附加应力随深度变化减小趋于缓慢。以0 05MPa的大深度为标准来比较各种工况中冲击附加应力的分布，可知各种工况不尽相同，当冲击轮载作用于板中央（工况1）时，深度大约为20m，当冲击轮载作用于板角（工况4）时，深度大约为40叫这与土基中竖直位移分布基本相对应。

　　4结语结合四楞冲击压路机在316国道福州段旧混凝土路面改建工程中的应用，采用三维有限元方法对冲击压实过程中旧路面结构及土基的受力、变形特征进行了研究。分析了冲击压实荷载位于路面板不同位置对板体破裂及土基受压效果的影响，探讨了冲击压实荷载在板下路基中的传递规律及作用深度等问题，得到有益结论。

　　研究表明，进行冲击压实施工过程中，混凝土板底部承受纵、横向弯拉应力是旧面板破裂主要原因。当轮压位于面板中部时，以纵向弯拉为主，此时板体易形成横向裂缝；当轮压位于纵向端部时，以横向弯拉为主，随着冲击压路机的行进，此时板体易形成纵向裂缝。当冲击压路机沿混凝土路面板边缘施工时，基层和土基表面在板边缘有应力集中。

　　冲击压实过程中，基层与旧面板一起处于双向弯拉状态，直接造成路面板难于破碎，而使基层易被破裂。土基由于面板及基层的竖向约束而三向受压。

　　冲压初期冲击压路机沿路面板纵向中线施工时，既有利于路面板破裂，又能使板下基层及土基在较大范围内得到均匀的初步压实，而冲击压路机沿路面板边缘施工时，得到的压实面积偏小，但是压实的影响深度较大。建议施工过程时，首先沿对板破碎有利的中部线路施工，当路面板被充分破碎后，再视情况沿路面板边缘行驶，并根据破碎情况改变冲压机的起步位置。