连续配筋混凝土路面的层间粘结状态与横向裂缝特性研究

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随着我国交通运输业的快速发展,对路面结构的承载力和耐久性要求越来越高,连续配筋混凝土路面(CRCP)作为一种满足高速、重载的长寿命和高性能路面具有极大的发展空间,其路面结构的力学特性研究和冲断等病害的评估与预防越来越被国内外学者广泛关注。CRCP混凝土板的冲断与板底支撑能力和裂缝传荷能力密切相关。因此,对CRCP的原位层间粘结状态的评估和横向裂缝特性的预测研究具有重要意义和价值,是构建CRCP全寿命周期路用性能评价体系的重要组成部分。本研究采用有限元数值模拟、现场FWD试验、解析建模和修筑全尺连续配筋混凝土(CRC)试验梁等方法,对CRCP层间粘结状态的评估和横向裂缝特性的预测展开了研究。分析了传统普通混凝土路面反演方法在CRCP中的适用性,建立了基于FWD实测弯沉盆的CRCP板中、板边中部加载的反演体系,提出了基于CRCP反演方法和简化摩阻模型的原位CRCP路面板与基层的层间粘结状态的评估方法,并将反演方法和层间粘结状态的评估方法应用于实际CRCP路段。最后提出了基于钢筋与混凝土的线性粘结-滑移模型、基层与混凝土板的分段线性摩阻力模型的CRCP横向裂缝间距和宽度的解析法预测控制方程,并通过修建全尺CRC试验梁对该预测模型进行了验证与参数敏感性评价。主要结论如下:(1)对CRCP采用传统反演方法,引起的反演土基反应模量k值、有效弹性模量E值和路面有效厚度heff的误差随裂缝传荷能力LTE、横向裂缝间距CS和无量纲板尺寸L/l的增大而减小。对板厚为10in.(25.4cm)的CRCP,当LTE≥80%时,传统反演方法对CS<8ft(2.4m)不再适用;当LTE<80%时,传统反演方法对CS<10ft(3.7m)不再适用。(2)根据有限元建模得到的理论弯沉值,通过统计回归得到了相对刚度半径l和无量纲弯沉Δint*的计算表达式,根据不同CS和LTE的组合,建立了基于FWD实测弯沉盆的CRCP板中、板边中部加载的反演体系。建议对LTE ≥ 80%的CRCP统一采用LTE=90%时的反演公式,对 CS ≥ 6ft(1.8m)和 CS<6ft(1.8m)的 CRCP,分别采用 AREA36 和 AREA24 的传感器配置,并将上述CRCP反演体系应用于美国伊州某收费高速公路CRCP试验段中。(3)通过理论分析,对现场FWD试验提出了相应建议。板中加载时建议避免在ΔT>24℉(13.32℃)时,对CS>10ft(3.0m)的CRCP进行试验;板边中部加载时建议避免在ΔT>160F(8.88℃ 时,对 CS>10ft(3.0m)的 CRCP 进行试验。对 CS≤8ft(2.4m)的 CRCP,建议严格控制FWD承载板的加载位置,避免出现纵向偏移;对CS≥12ft(3.7m)的CRCP,允许出现较小范围的承载板偏移。在板边中部加载时,建议将FWD承载板的横向偏移量控制在2in.(5.1cm)内,最大偏移量不超过4in.(10.2cm)。(4)在板边中部加载时,地基延伸宽度对反演结果的影响可转化为基层等效厚度,且随延伸宽度和横向裂缝间距的增大而增大。当横向裂缝间距和地基延伸宽度分别为12ft(3.7m)和3ft(0.9m)时,基层的等效厚度最大,为7.21in.(18.3cm),比设计厚度高出1.21in.(3.1cm)。因此,存在地基延伸宽度时,会得到较高的反演有效厚度heff。(5)CRCP板与基层的层间摩阻系数Λ*与路面有效厚度heff呈正相关。当Λ*=1时,heff比路面板厚高3in.(7.6cm),认为此时层间粘结状态很好;当Λ*=0.6时,认为此时粘结较好;而当Λ*<0.2时,此时粘结相对较差。水泥稳定碎石基层能在较长时间(20年甚至更久)内为CRCP路面板提供较稳定的支撑能力。同等厚度的沥青混合料+水稳碎石的组合基层也具有较好性能,但由于混合料动态模量随温度变化而变化,导致该类基层与CRCP板的层间粘结状态随季节(温度)变化,在夏季时层间粘结程度下降。(6)解析预测模型对横向裂缝间距CS的预测与现场测量结果相近,而裂缝宽度CW预测结果略大于测量结果。尽管如此,对不同配筋率和混凝土材料的组合,模型的预测结果与现场测量结果的规律一致。与较低配筋率相比,较高配筋率试验段的CS和CW均较小;含有轻质集料混凝土材料的CRC试验梁比普通混凝土材料试验段的CS大、CW小。(7)预测模型的参数敏感性分析结果表明,预测结果的准确性与模型参数的选取密切相关。筋材与混凝土的粘结刚度系数、筋材的弹性模量对CRCP横向裂缝间距和宽度预测结果的影响较大;而基层与混凝土板的层间摩阻力系数、混凝土的弹性模量对横向裂缝间距和宽度预测结果的影响均较小;混凝土线膨胀系数和干缩应变对横向裂缝间距的影响高于对裂缝宽度的影响。
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