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水泥混凝土路面BFRC加铺层应力响应分析

水泥混凝土路面BFRC加铺层应力响应分析

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作者：周诗梦沈阳建筑大学

学位级别：硕士

水泥混凝土因具有强度高、稳定性好、养护费用低等优点而广泛应用于路面结构中,不仅在高等级公路中应用,也是低等级道路的重要形式之一。但由于我国地域辽阔,自然环境复杂,加之行车荷载的作用,水泥混凝土路面病害日益严重,路面经常出现... 详细信息

水泥混凝土因具有强度高、稳定性好、养护费用低等优点而广泛应用于路面结构中,不仅在高等级公路中应用,也是低等级道路的重要形式之一。但由于我国地域辽阔,自然环境复杂,加之行车荷载的作用,水泥混凝土路面病害日益严重,路面经常出现剥蚀、开裂、坑槽及由于基层与路基的不均匀沉降导致的断板等病害。尤其在低等级公路中,行车荷载作用次数较少,轴载也较小,水泥混凝土路面的初期病害一般集中在表面,如麻面、板角断裂、微裂缝等,而基层与土基并未出现严重损坏,如果进行翻新大修,考虑经济效益,并不适合。此时应采取薄层加铺方法进行路面的养护,这样不仅可修复路面的病害,提高路面的使用寿命,也可减少预算并能达到预期效果。为了改善混凝土易断裂且路面层与层间粘结效果不良的特点,本文采用薄层玄武岩纤维水泥混凝土(Basalt Fiber Reinforce Concrete,简称BFRC)进行低等级水泥混凝土路面结构的加铺设计,因国内外大量的研究已证实BFRC具有比普通水泥混凝土更优的抗弯拉性能与耐久性能,可延长路面寿命,减少刚性断裂破坏。薄层加铺时对于旧水泥板表面的处理方式对整体路面结构受力影响较大,因此针对玄武岩纤维水泥混凝土加铺层路面进行以下研究。1.进行BFRC材料力学性能试验,包括抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度,通过改变的玄武岩纤维的掺量,得出力学性能最优的BFRC配合比,最终确定玄武岩纤维掺量为2kg/m3。2.进行玄武岩纤维混凝土加铺层与原水泥混凝土层间剪切试验,采用不同的层间处理方式,即:①层间不做任何处理,保持表面光滑;②层间做刻槽处理;③层间进行刻槽及使用界面剂,使层间粘结更加紧密。由剪切试验得到三种层间处理方式下的垂直应力与剪应力的关系,根据库伦摩尔理论计算出不同的层间处理方式下的摩擦系数分别为:0.2169、0.4486、0.6582。3.根据《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40—2011中有关加铺层设计的要求,视水泥混凝土路面BFRC加铺层结构为双层板进行计算,利用ABAQUS有限元软件建立双层板路面结构模型,并与规范中双层板应力的解析解进行对比,得到由有限元模型计算的荷载应力与解析解的结果相对误差为3.07%,温度应力与解析解的相对误差为4.72%,证明模型的可靠性。并在此基础上进行水泥混凝土路面BFRC加铺层模型结构的动静载的分析:(1)运用试验得到的不同加铺层与原路面板间的摩擦系数,对不同的荷载作用位置进行ABAQUS有限元数值分析,得到在行车方向约束条件下,当荷载作用板脚处时,加铺层与原水泥板底产生的荷载应力和弯沉最大,弯沉值几乎是荷载作用在板中时的2倍。(2)拟定加铺层厚度在4～7cm之间时,计算加铺层与原水泥混凝土间剪应力,并与剪切试验中0.7MPa垂直应力下的层间抗剪强度对比,发现数值计算中层间不做任何处理时的层间剪应力值小于试验所得的抗剪强度,因此此种层间处理方式不宜采用。(3)对动静载作用下的荷载应力进行模拟分析,得到由于每次动载作用时间较短,两种作用方式下的剪应力值相差较小,但是与静载相比,动载情况下整体路面结构应力状态向不利方向演变。(4)分析不同的结构层参数对路面结构应力的影响,随着旧水泥板厚度和基层、土基弹性模量的增加,原水泥混凝土板底荷载应力随之减小。(5)结合规范中水泥板不产生极限疲劳断裂公式,计算层间摩擦系数对路面疲劳寿命的影响,得出层间不做任何处理、层间刻槽处理与层间刻槽及界面剂处理状态下的设计疲劳寿命分别为425420次、725086次、1644417次。综上所述,在进行低等级水泥混凝土路面修复时,可采用薄层玄武岩纤维水泥混凝土进行加铺层的设计,厚度选取为4～7cm之间,层间刻槽或者刻槽与界面剂共同处理均可。

关键词：玄武岩纤维水泥混凝土加铺层路面层间直剪试验静荷载应力动荷载应力

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