混凝土預製塊結構設計方法研究

發布時間：2015/6/11 18:27:59

　　混凝土預製塊結構設計方法研究，目前在國外高等級公路中已有應用，但在國內高等級公路中的應用還是短板。預製塊路麵力學行為及破壞模式與水泥路麵和瀝青路麵有著本質不同，以致在路麵結構設計、施工工藝以及養護維修等方麵存在較大差異，受適用場合及使用規模的限製，國內缺乏對這種路麵結構較為係統深入地研究，目前尚無係統完善的混凝土預製塊路麵力學行為理論和結構設計方法，對其施工工藝、排水措施、施工質量保證措施、驗收標準等也幾乎處於短板，因而嚴重製約了混凝土預製塊路麵在國內的推廣和應用。

　　混凝土預製塊路麵是由單個小尺寸（平麵尺寸通常在30×30cm以下）預製塊體鋪築在砂墊層上形成的一種特殊路麵結構，可采用人工或小型機械輔助施工，其施工靈活且受天氣影響小，對環境汙染少。

　　論文依托雲南磨（黑）至思（茅）高速公路建設，針對混凝土預製塊路麵力學行為、結構設計方法、路麵滲水特性及結構防排水設計、路用性能評價、路麵施工工藝及質量保證措施等展開係統深入研究。借助室內大型足尺環道試驗場，按1:1比例鋪築不同結構組合的預製塊路麵，試驗段考慮了水泥穩定碎石和級配碎石兩種基層型式、考慮了細砂、水泥+細砂、乳化瀝青砂漿三種接縫材料和2mm、5mm、8mm、10mm四種接縫寬度、考慮了2cm、4cm、6cm三種砂墊層厚度、塊體尺寸為29cm×19cm×16cm（長×寬×高），通過調整鋪砌方式考慮了16cm、19cm、29cm三種塊體結構層厚度。預製塊路麵是一種可以拆卸的“活路麵”，塊體可以重複利用，且便於就地取材，工程成本及環境壓力小。因此，預製塊路麵是一種既經濟又環保的路麵結構型式。

　　論文取得的主要成果如下：

　　1、通過接縫滲水試驗和室內模擬降雨試驗研究混凝土預製塊路麵接縫的滲水特性，研究了接縫材料、接縫寬度對滲水係數的影響，確定了混凝土預製塊路麵接縫的滲水係數取值範圍，建立了預製塊路麵單位麵積（1m2）的滲水量計算方法；

　　2、通過承載板試驗實測不同結構組合下的預製塊路麵荷載-彎沉曲線，研究了塊體平麵尺寸、接縫材料類型、接縫寬度、砂墊層厚度、基層類型等對預製塊路麵承載力的影響，試驗證實了塊體層“拱效應”的存在；在荷載作用下塊體層表現出“變剛度”的承載力特性，終揭示了預製塊路麵承載力機理；

　　3、提出了適合於高速公路應急車道、服務區的預製塊路麵典型結構型式，製定了預製塊路麵施工工藝及質量保證措施，基於論文研究成果指導鋪築了600m混凝土預製塊路麵試驗段，獲得了成功。論文研究成果涉及了預製塊路麵結構力學行為及結構設計方法、預製塊路麵結構組合及路用性能評價、預製塊路麵排水特性及排水結構層設計、預製塊路麵施工工藝、質量保證措施、質量驗收方法以及經濟性評價，為推動混凝土預製塊路麵的應用與發展提供了技術儲備。

　　4、通過室內足尺環道試驗測試了在不同標準軸載作用次數下預製塊路麵平整度和接縫寬度的變化，研究了接縫寬度、砂墊層厚度、塊體厚度以及荷載作用次數對預製塊路麵中間變形的影響規律，建立了混凝土預製塊路麵中間變形預估模型；

　　5、運用ANSYS軟件建立預製塊路麵結構的三維有限元模型，針對級配碎石柔性基層和水泥穩定碎石半剛性基層，分析計算了塊體厚度、基層厚度、路基模量等對於路表彎沉、基層頂麵壓應力和基層底麵拉應力的影響。計算結果表明路基模量是影響預製塊鋪麵路表彎沉值的主要因素，塊體厚度和基層厚度對於基層底麵拉應力有一定影響；

　　6、提出了臨界彎沉、荷載擴散係數、中間變形影響係數等預製塊路麵結構設計關鍵參數，通過承載力試驗確定了水泥穩定碎石和級配碎石兩種基層條件下，不同塊體尺寸、砂墊層厚度和不同接縫寬度下的預製塊路麵臨界彎沉值、荷載擴散係數取值範圍、中間變形影響係數取值範圍；

　　7、建立了以路表車轍深度和基層底麵拉應力為控製指標的基於力學的混凝土預製塊路麵結構設計方法，提出適用於柔性基層的預製塊路麵車轍深度計算方法和適用於半剛性基層的預製塊路麵基層底麵拉應力計算方法，並給出了相應的軸載換算方法和設計指標容許值範圍。

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