半刚性基层旧水泥混凝土路面打裂压稳裂缝扩展模式研究

摘要：半刚性基层旧水泥混凝土路面在打裂压稳施工过程中控制参数影响因素不明确，造成该工艺适用条件不明确、打裂效果难以保证。为了解决该问题，从理论上研究了打裂压稳过程中能量传播机理，并通过数值模拟计算分析了不同路基强度条件下水泥路面裂缝开展模式，建立了结构层最大拉应力与落锤高度之间的相关关系，为施工工艺参数的确定提供了依据。

关键词：半刚性基层; 旧水泥混凝土路面; 打裂压稳; 裂缝开展模式; 落锤高度

Abstract: the semi-rigid old cement concrete pavement in the cracked pressure on construction process control parameters influencing factors is not clear, cause this process applicable condition is not clear, cracked effect to guarantee. In order to solve the problem, this paper studied the pressure in the process of cracked stability energy transmission mechanism, and by means of the numerical simulation analysis under the condition of different roadbed strength of cement road surface crack development model, and set up the structure layer maximum tension stress and the relationship between the DWTT height, for construction technology parameter is determined to provide the basis.

Keywords: semi-rigid base; Old cement concrete pavement; Cracked pressure stability; Crack development mode; DWTT height

中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：

0 引言

打裂压稳施工中，打裂锤下落高度和落锤间距是主要控制参数，决定旧水泥混凝土路面破碎质量的优劣。一般来说，对于碎石化或打裂压稳施工工艺，要求仅对旧混凝土面板进行破碎，而基层强度应充分保留，避免开裂。受土质、交通载荷、地下水位的变化等诸多因素的影响，旧路的路况千差万别，不仅表现在路面的断板率、脱空程度不同，还表现在老路基的强度差别很大，这给打裂压稳施工工艺的合理制定带来了诸多难题[1-3]。然而，为了提高打裂压稳的施工效率，在实际操作过程中，施工参数仅凭操作手和现场工程师的经验确定，由于对混凝土面板及路面结构内部的真实开裂状态缺乏充分的了解，往往通过尽量提高冲击能量来提高破碎效果，这可能引起基层出现受拉破坏，同时，对于不同路况也缺乏相应的施工工艺，从而引起打裂后旧路面结构强度分布不均，在行车荷载作用下造成新加铺路面结构早期破损严重[4-5]。因此，为了推广应用打裂压稳破碎技术，必须合理控制打裂高度与打裂间距，首先要明确打裂压稳后旧水泥混凝土路面裂缝扩展模式。本文采用ANSYS有限元软件，建立三维有限元模型，分析了旧水泥混凝土路面在不同打裂强度下的裂缝开展模式，并重点针对不同路基强度参数对开裂状态的影响进行了模拟分析。

1 基于波动理论的打裂机理分析

旧混凝土面板的打裂过程是能量转换的过程，重锤自由落体将势能转化为动能，与路面结构接触后，将动能的绝大部分转化为路面结构各质点的动能和势能，从这个意义上讲，打裂过程与强夯是相似的。波动理论在强夯相关研究中得到成功运用并逐渐成熟，如果将土基上各路面结构层次视为不同强度的介质层，则运用波动理论分析打裂机理仍然是合适的[6]。

1.1冲击波的性质

底面半径为r0，质量为m的夯锤从h高处自由下落，与地表产生碰撞，并在地基半空间中做自由振动，夯锤与半空间地基所组成的体系具有无限个自由度，但Gutzwiller用数学方法证明了这个问题完全可以近似利用单自由度振动系统来加以描述，并解出振动的阻尼比γ、最大振幅A、无阻尼和有阻尼时的固有频率fn和fd：

（式1）

式中：G、ρ、ν分别为介质的剪切模量、密度和泊松比。

打裂所引起的振动也有阻尼，因此fd成为振动的主频。通常阻尼比很小，则式1可简化为：

（式2）

从式2可以看出，冲击波的振幅和频率与破碎机械相关的参数为重锤质量m、落锤高度h和重锤底面半径r0（或当量圆半径）。其中振幅的平方与重锤质量和落锤高度成正比，与重锤底面半径成反比；而频率的平方与重锤底面半径成正比，与重锤质量成反比，与落锤高度无关。冲击波的初始能流密度仅与落锤高度成正比。由于在均匀介质中传播时，冲击波的频率是不变的，而振幅将随传播距离的增大而减小，因此在其它条件相同的条件下，具有较大初始振幅的冲击波可以传播到相对远的位置。

另一方面，冲击波的振幅和频率与路面状况相关的参数为介质剪切模量G和泊松比ν。一般情况下介质泊松比ν的大小主要受土基影响，变化不大，当原路面状况较好，介质剪切模量较大时，为了充分破碎水泥混凝土板块，应相应采用较大的落锤高度；反之则应减小落锤高度，以避免造成基层的破坏。特殊情况下，当原路面下存在软弱土基时，冲击波将具有较大的振幅，这将使作用于基层的能流密度较大，可能造成基层的破坏，因此，对于原路面下存在软弱下卧层的情况，打裂压稳技术应谨慎选用[7]。

介质中的波速是介质的动力学特性，以VP、VS、VR分别表示纵波、横波和瑞利波的传播速度，则VP、VS、VR与介质的弹性参数有如下关系：

（式3）

式中：E为介质的弹性模量。

在均匀介质条件下，各波的波速与振动频率无关，即无频散性。

1.2打裂能在路面结构中的传播

门刀式打裂锤下落所产生的打裂能在路面结构中主要是由P波、S波和R波联合传播的。对于打裂过程，由于研究对象为水泥混凝土板，而门刀式打裂锤底面形状为1.5英寸×96英寸的矩形，平面尺寸与板厚相近，因此考虑其形状效应重锤所产生的体积波以椭球波阵面径向地向外传播，界面波以椭圆柱波阵面径向地向外传播。

(1)压缩波

压缩波作用时，水泥混凝土的材料结构性尚且完好，因而表层水泥混凝土的破碎需要吸收大量的能量，而压缩波所含能量仅占总能量的7%，其能量在路面上部迅速消耗殆尽，而不能传播到更远的距离。

(2)瑞利波

瑞利波所含能量最多，占总能量的67%。瑞利波的主要影响范围是落锤点所在水泥混凝土板块的表面。

(3)剪切波

压缩波所含能量太少，瑞利波为面波，两者都不能传播到路面较深处。剪切波为体积波，且所含能量占总能量的26%，可以影响到水泥混凝土板块的下部。根据剪切波的质点运动规律可知，其对水泥混凝土的作用为一种剪切作用。水泥混凝土的抗剪强度远小于其抗压强度，因此，可以推断剪切波在打裂过程中起到最主要的作用。