沥青隔离层对水泥混凝土道面荷载响应的影响研究

2020-08-25赵策

交通科技 2020年4期

赵策

(上海民航新时代机场设计研究院有限公司上海 200335)

民用机场道面结构形式多采用承载力强、使用寿命长的水泥混凝土道面，基层材料一般采用水泥稳定碎石[1]。为防止水泥混凝土面层与水泥稳定碎石基层之间产生薄弱的过渡层[2]、避免层间水对基层的侵蚀和冲刷，同时解决土工布隔离层现场铺设问题及土工膜隔离层造成的道面板滑移隐患，近2年在新建水泥混凝土道面设计、施工时多在基层和面层之间设置沥青隔离层。

在道面结构设计时，认为隔离层作为一种层间处治方式，厚度可以不计，对道面结构的力学响应不产生影响[3]。沥青隔离层作为一种新兴的机场道面隔离层材料，厚度为2 cm，由同步碎石封层和2层微表处或稀浆封层组成，其与土工布隔离层或土工膜隔离层无论是材料上还是厚度上均存在本质区别，因此对道面结构产生的力学响应影响也有待研究。

目前，隔离层在公路水泥混凝土路面中应用广泛，隔离层对铺面结构的力学影响也集中在公路路面方面，但研究成果大多基于数值计算或室内试验[4-6]，鲜有通过现场工程进行实证性的研究。本文依托实体工程，通过在道面中埋设应变传感器，进行荷载作用下的道面力学响应测试，分析设置沥青隔离层对水泥道面板受力的影响。

1 现场试验方案

1.1 道面参数

依托华东地区某机场扩建工程，道面结构为水泥混凝土道面。道面各结构层厚度通过钻芯获取，材料力学参数通过实验室或现场实测获取，具体数值见表1。

表1 道面结构及材料力学参数

其中，为对比分析设置沥青隔离层与否对结构力学响应产生的影响，参照组水泥板底部未设置隔离层。试验在1 d之内完成，当日最高气温29 ℃，道面养生龄期为54 d。

试验所选板块平面尺寸均为5 m×5 m，四周通过接缝与相邻水泥板相连，其中垂直于荷载行驶方向的横缝为假缝，平行于荷载行驶方向的纵缝为企口缝。

1.2 传感器埋设

道面设计中以板底拉应变作为结构厚度设计指标，试验中机场道面结构变形监测采用较为成熟的光纤光栅应变传感器，在浇筑混凝土时埋设于道面板中，以获取水泥板底产生的拉应变。在道面结构分析中，临界荷载位置为纵缝板中和板角，因此在试验中将传感器埋设于纵缝板中和板角2种位置，传感器的平面定位示意见图1。

图1 应变传感器在水泥混凝土板中埋设位置示意

1.3 荷载与加载方式

受试验条件限制，荷载施加选用同步碎石封层车，包括3种轮轴类型，由前至后分别为单轴单轮、单轴双轮和双轴双轮，对应的轮轴重量分别为59，58，179 kN，其中双轴双轮的前轴重为85 kN，后轴重为94 kN。

加载方式采用静态加载和动态加载2种形式，施加荷载选取轴重较大的双轴双轮，加载位置包括纵缝中部和板角2种情况。民用飞机在飞行区内的滑行速度一般为0～50 km/h，但与飞机相比，加载车荷载较小，在试验过程中发现，当加载车行驶速度超过20 km/h时，板内应变小，不能通过传感器准确读取数据，因此在动态加载时荷载移动速度取值为5，10，15，20 km/h，以分析荷载移动速度对试验结果的影响。

2 试验结果分析

2.1 静态加载试验结果分析

在静态荷载作用下，监测无隔离层与设置沥青隔离层条件下水泥混凝土板底的拉应变，不同荷位的拉应变见图2。

图2 静态荷载作用下板底拉应变

由图2可见，设置沥青隔离层会增加板底的拉应变。在本文试验荷载条件下，设置沥青隔离层后，纵缝中部拉应变由3×10-6增加到6.9×10-6，增长率为130%；板角拉应变由2.8×10-6增加到6.5×10-6，增长率为132%。分析认为，设置隔离层对板底拉应变产生明显影响是因在有限的试验条件下，所施加的车辆荷载为90 kN左右，而飞机单个起落架轮载通常为400～1 000 kN，远大于试验中所用的车辆荷载，而在较低的荷载水平下，道面结构中传递到基层的应力较小，基层对道面结构受力贡献小，水泥板自身及板底支撑成为影响受荷条件下板底拉应变的主要影响因素，因此，板底的沥青隔离层对水泥板的受力产生了显著影响。

2.2 动态加载试验结果分析

2.2.1板底拉应变峰值影响分析

在移动荷载作用下，监测无隔离层与设置沥青隔离层条件下水泥混凝土板底的拉应变，不同荷位的拉应变峰值随荷载移动速度的变化曲线见图3，设置沥青隔离层相对于无隔离层条件下的板底峰值应变增长率见图4。

图3 移动荷载作用下板底拉应变峰值

图4 移动荷载作用下设置沥青隔离层板底拉应变增长率

由图3可见，在不同荷载移动速度下，设置沥青隔离层的板底拉应变均明显大于无隔离层的板底拉应变；随着荷载移动速度的增加，板底的拉应变逐渐减小，但减小的趋势逐渐趋于平缓。图4中的结果表明，随着荷载移动速度的增加，设置沥青隔离层相对于无隔离层条件，板底拉应变的增长率逐渐增大，且增长率随着速度变化呈现放大的趋势。

分析认为，在移动荷载作用下，板体变形不充分，且荷载移动速度越大，荷载作用于水泥板的时程越短，板体瞬时发生的变形越小，板体发生等效变形时对应的静态荷载也越小，综合2.1中的分析结果，则设置沥青隔离层对水泥板的受力影响越大。

2.2.2板底拉应变动态曲线影响分析

以荷载移动速度为10，20 km/h时纵缝中部工况为例，分析设置沥青隔离层对板底力学响应的影响，板底应变值随荷载移动在一个完整时程中的变化曲线见图5、图6。

图5 10 km/h移动荷载速度下纵缝板中位置在一个完整时程中板底拉应变变化曲线

图6 20 km/h移动荷载速度下纵缝板中位置在一个完整时程中板底应变变化曲线

由图5可见，在荷载经过时，板底在4种不同的轴载下均产生了拉应变峰值，但在峰值之间无轴载作用时，及轴载完全经过后，设置沥青隔离层的板体在恢复变形的过程中，因自身振动产生的应变曲线变化相对更加平缓，曲线波动次数更少、幅度也更低。图6结果因移动荷载速度较大，有无隔离层情况下的峰值之间的曲线变化趋势差异较小，但在荷载经过后板体恢复变形的过程中，无隔离层的板体产生的振动相对于设置沥青隔离层的情况更加明显。

综上所述，分析认为设置沥青隔离层可以降低水泥板在动态荷载瞬时作用后板体的振动幅度及频率，减少面层和基层之间的硬接触，在一定程度上起到了应力缓冲的作用。