机场混凝土道面板底竖向脱空量分析模型.pdf
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1、第 3 9卷 , 第 5期 2 0 1 4年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9,No 5 Oc t,2 0 1 4 机场 混凝土道面 板底竖 向脱 空量分 析模型 程国勇。 , 郭志光 ,张宇辉 ,李硕 ( 1 中国 民航大学 机场学院 , 天津3 0 0 3 0 0 ; 2 莱茵技术监督 服务( 广东 ) 有 限公 司 , 广东 深圳5 1 8 0 0 0 ) 【 摘要 】通过设定不 同温度梯度使道面板翘 曲以模拟道面 不同脱空 程度 , 采用有 限元方法 分析 了板 底竖 向 脱 空量 与道 面板厚度 h 、 基层
2、厚度 、 接缝传荷能力 、 基层反应模量及道 面板材料参数 、 道面板角中弯沉 比 、 边 中弯沉 比的相关关 系, 并通过大量数据分析得到 了道面板竖向脱空量 的理论分析模型。经机场道面钻芯及弯沉 测试数据 验证表 明, 本经验公式预测值完全符合 实际情况 , 可 以作为脱空量的判定公式 。 关键词】道路工程 ; 机场刚性道 面;板底竖向脱空量 ; H WD弯沉 检测 ;现场钻芯 【 中图分 类号 】U 4 1 6 2 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 1 6 0 5 Ana l y s i s mo d e l o f v
3、e r t i c a l v o i d b e n e a t h t h e s l a b f o r a i r fie l d c o n c r e t e p a v e me n t CHENG Gu o y o n g ,GUO Zh i g u a n g ,ZHANG Yu h u i ,LI S h u o ( 1 D e p a r t m e n t o f A i r p o r t ,C i v i l A v i a t i o n U n i ,v e r s i t y ,T i a n j i n 3 0 0 3 0 0,C h i n a ; 2 T
4、 U V Rh e i n l a n d ( G u a n g d o n g ) L t d , S h e n z h e n ,G u a n g d o n g 5 1 8 0 0 0 , C h i n a ) Ab s t r a c t T h r o u g h s e t t i n g d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e g r a d i e n t f o r ma k i n g p a n e l w a r p i n g t o s i m u l a t e d i f - f e r e n t p a v e
5、me n t l e v e l , t h i s p a p e r u s e s f i n i t e e l e me n t me t h o d t o a n a l y z e t h e r e l a t i o n s hi p b e t we e n t he a mo u n t o f v e r t i c a l c o n c r e t e p a v e me n t a t t h e b o t t o m o f t h e b o a r d a n d pa n e l t h i c k n e s s h, l a y e r t h
6、i c k n e s s, t h e j o i n t l o a d t r a n s f e r c a p a c i t y , r e a c t i o n o f b a s e mo d u l u s , t h e p a n e l ma t e r i a l p a r a me t e r s , t h e p a v e me n t d e f l e c t i o n i n t he v o i d s r a t i o a n d t h e c o r r e l a t i o n b e t we e n s i d e d e fle
7、 c t i o n r a t i o, a n d t h e q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s for mu l a o f v e r t i c a l s l a b v o i d v o l u me i s o b t a i ne d b y l a r g e a mo u n t s o f d a t a a n a l y s i s By a i r po r t p a v e me n t c o r e a nd d e fle c t i o n t e s t d a t a v a l i d a t i
8、o n s h o w t ha t t h e e mp i r i c a l f o r mu l a p r e d i c t e d c o mp l e t e l y c o n f o r n l t o t h e a c t u a l s i t u a t i o n, a n d i t c a n b e u s e d a s t h e ba s i s o f d e t e r mi n a t i o n f o r mu l a Ke y w o r d s r o a d e n g i n e e r i n g ; a i r p o rt r
9、i g i d p a v e me n t ; v e r t i c a l v o i d b e n e a t h a i r f i e l d c e me n t c o n c r e t e s l a b; HW D d e fle c t i o n t e s t i n g; t h e s c e n e o f c o r e s a mp l i n g 0 引言 由于强度、 耐久性及造价等方面的考虑 , 目前我 国 8 7 以上 的机 场 采 用 水 泥 混 凝 土道 面 。 由于 飞 机荷 载 、 温度翘 曲 、 嵌 缝材 料失 效 引起 的雨水 下渗 及
10、 地下水位上升等原 因, 机场水泥混凝 土道 面脱空普 遍存在 。脱空对机场道面板 的受力极为不利, 若 不 及早 发 现并 处理 , 脱 空 发 展 到 后期 往 往 会 导 致 掉 角 、 断板 、 板块 破碎 等 严 重 的 道 面破 损 现 象 , 处 理 费 用会急剧增加 ; 同时道面板碎块给飞机 的起降带来 极大 的安 全 隐患 , 轻则 划破 飞机轮 胎 、 损坏发 动 机叶 片或打伤机身蒙皮结构 , 重则会造成机毁人亡 的巨 大灾 难 。 因此 如何 准确 分析 道面 脱空 的严 重程度 是 场道管理中存在 的一个难题 。 目前, 机场一般根据 H WD( H e a v y
11、We i g h t D e fl e c t o m e t e r )测试 的板边 中点 弯沉与板中弯沉的比值 以及板角弯沉与板 中弯沉的 比值定性判断板底是否存在脱空 , 见表 1 ; 测试位 置见图 1 。但对于板底竖向脱空量的定量分析则无 相关方法或标准 , 无法为机场道 面维护方案的制定 及施工 ( 例如注浆量的估算 ) 提供依据 。 以往有研 究认 为 H WD只 能用 于脱 空层 的检 测, 无法对其厚度进行定 量计算 ; 甚至认 为板 底 收 稿 日期 2 0 1 4 1 0 2 5 【 基金项 目国家 自然基金项 目( 5 1 1 7 8 4 5 6 ) : 中国 民航大学
12、机场工程科 研基地开放基 金( K F J J 2 O 1 2 J c G c 0 1 ) ; 中央高 校基本科研 业务费 资 助项 目( 3 1 2 2 0 1 3 S Y 3 6 ) 作 者简介程国勇( 1 9 7 J 一) , 男 , 天津人 , 教授 , 主要从事地基基础检测技术与加固研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 程国勇 , 等 : 机场 混凝土道面板底竖向脱空量分析模型 l 7 竖向脱 空 量 对 道面 板 的弯 沉值 几 乎 没 有 什 么影 响 , 但工程实 践表明板底 竖 向脱空量与 所在板 底的位置及道面板弯沉变形特征有关
13、, 板底脱空 区 域为近似的楔形体 , 距离板边、 板角越近 , 板底竖 向 脱空量越大 。此外 , 根据作者机 场场道 的评估方 面的经验 , 板底竖向脱空量与板边 中点与板 中弯沉 比以及板角与板中弯沉 比存在一定的相关关 系。 表 1 水 泥混凝土道面板底脱空状况判定标 准 Ta b l e 1 De c i s i o n c r i t e r i a o f v o i d f o r t he c o nc r e t e r o a d H W D 板 边 中 测 位 旦 里 堡 型 鸳 、 z _- L 2 3 4 5 6 7 弯沉测 点 弯沉测点 H WD板角测位 - -
14、- 。 一 一 7 6 5 4 3 2 , I 1 J J 【 J _ 5 00 I 5 0 0 图 1 HWD弯沉测试示意 图 Fi gu r e 1 De f l e ct i o n t e s t s c he ma t i c 边 中弯沉比 A 、 接缝弯沉比传荷系数 L T E及冲击劲 度模量 , S 。通过多元 回归分析得到板底竖 向脱空 量的理论分析模型。 H 皓 瘩 、 _ 温度翘曲面 脱空面 基层 图 2 脱空的模拟 F i g ur e 2 The s i mul a t i o n o f v o i d b e n e a t h t he s l a b 1 脱空板
15、块的有 限元分析模 型及分析过 程 l 1 1 道 面有 限元模 型 7 机场道面结构分道面板、 基层及土基 , 土基 暑 I 采用 Wi n k l e r 地基模型 , 用 A B A Q U S 接触功能模 I 块中的 E l a s t i c F o u n d a t i o n进行模拟。考虑基层超宽 l 对弯沉结果 的影 响, 基层 横 向纵 向超宽 均 取 1 5 _ 上 I l l “ 。采用光滑无摩 擦的“ 硬接触” 来模 拟道 面 以往的研究之所以认为板底竖向脱空量与道面 弯沉变形特征无关 , 主要是 由于没有考虑板底脱空 形成的机理及 脱空面 的形状及 连续性 问题。实
16、 际 上 , 若不考虑地基的大面积沉降或地基 中存在溶洞 、 土洞等因素 ( 这 些都属于地基 的深部 隐患) 导致 的 基层顶面与道面板底部脱离 , 从理论上分析 , 脱空应 该是道面板反复变形挤压基层导致其塑性变形累积 所致 , 也就是说在某些特定条件下道面板翘 曲变形 后 的底面应与脱空后的基层顶面密贴。而在道面未 断板 、 道面板材料及基层和接缝传荷 能力等参数确 定 的情况下 , 由于飞机荷载、 温度翘曲等作用产生的 道面板底翘曲面是唯一确定的光滑 、 连续空间曲面。 根 据 此原 理 , 道 面板 底 的 竖 向脱 空 量 与道 面 弯沉 变 形、 道面板物理力学参数等应当存在某种
17、相关关系。 基 于上 述考 虑 , 为得 到板底 连续 光 滑 的脱 空面 , 通 过在 道 面板厚 度 方 向施 加温 度梯 度使 道 面板 发生 翘曲 , 然后将道面板底部 的翘 曲面映像到基层作 为 脱空后的基层顶面 , 道面板仍维持平面, 以模拟道面 板底与基层之间的脱空 , 见图 2 。在不 同条件下 ( 不 同道面板材料及板厚、 地基刚度、 接缝传荷能力等 ) 改 变温 度梯 度模 拟 不 同 的 脱 空程 度 , 采 用 有 限 元软 件 分别 在脱 空 板块 的板 中 、 板 边 中部 、 板角 模 拟现场 弯沉检测加载, 根据计算结果得到角 中弯沉 比 A 、 板与基层间的作
18、用 控 ; 接触 面滑 动 方 式 为 “ 有 限 滑动” , 即两个接触 面问可 以出现任意大小的相对 滑动和转动。道面板尺寸为 5 m 5 I l l 。为考虑 测 试过程中邻板 的作用 , 建立 9块板模 型。建立 的有 限元 模 型见 图 3 。 图 3遁 面结 构 三 维 模 型 Fi g u r e 3 3 D S i mu l a t i o n mo d e l o f pa v e me n t s t r uc t u r e 采用弹簧单元模拟板 间接缝 , 接缝宽度取 0 8 cnl; 按照“ 贡献面积” 法设计弹簧 刚度 , 通过 改变弹簧刚度模拟不同传荷能力 。表征接
19、缝传荷能 力 的指标采 用弯沉 比传荷 系数 L T E( L o a d T r a n s f e r E f f i c i e n c y ) , 见 式 ( 1 ) 。 2 d , 赢x 0 ( ) 其中: d 为荷载作用 板块测得到的弯沉值 ; d , 为荷载未作用板块测得的弯沉值 , 如图 4所示。 考虑到计算精度 , 计算 所需时间及对计算机性 能的综合要求 , 本文中单元类 型均采用 C 3 D 8 I ( 8节 点六面体线性非 协调单元) , 单元大小分 别取受荷 板块 为 1 0 01 0 01 0 0 ( n l lT 1 ) , 8块 未 受 荷 板 块 为 2 0
20、0 2 0 01 2板厚 ( mm), 基层全局尺寸为 3 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 公路工程 3 9卷 荷载未作用板块 荷载作用板块 重锤仪 l f 接缝处 X X X X X X X X X X X 测试 车前进 方向 一 图 4 板边中弯沉测试 测点位置 Fi g u r e 4 Ed g e o f d e fle c t i o n t e s t me a s ur i n g p o i n t p o s i t i o n 3 0 0 X 1 2基层厚度( m m) 。各结构层参数变化见表 2。 1 2计算 结果 与分析
21、每种道面结构参数下均分 析 4种不同脱空程 度, 共计算模型 2 0 4 8个。通过模型数据库分析 , 得 到道面板厚度 h 、 I S M、 接缝弯沉 比传荷 系数 L T E、 角 中弯沉比 A , 和边 中弯沉比 A 对板底竖向脱空量的 影响规 律 。 在 其他 因素不变的情况下( 相同的边中比、 表 2 道面 结构 参数变化范 围 Ta b l e 2 Va r i a t i o n r a ng e o f s t r u c t ur e p a r a me t e r s f o r Pa v e me n t 角中比及接缝传荷系数) , 板厚 h越 大则 板底脱空 量 随之
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