同济共振技术交流ppt课件.ppt
共振碎石化技术原理与应用技术经验交流,主讲人：袁 捷 工学博士，副教授同济大学道路与机场工程系2008.12 广东深圳,汇报内容,技术背景,路用性能,设计方法,质量控制,机理分析,技术背景.旧水泥混凝土路面破碎技术,破碎技术：打裂压稳B/S（Breaking/Seating）破碎压稳C/S（Cracking/Seating）碎石化（Rubblization ）碎石化技术：多锤头碎石化法（MHB，Multi-Head Breaker）共振碎石化法（RPB或RFB，Resonant Pavement Breaker或Resonant Frequency Breaker）共振碎石化技术： 共振 （Resonance）,第1章,我国既有水泥混凝土路面量多,需改建、重建的比例大,“白+黑”技术出现,传统技术的不足,各种破碎技术出现,B/S、C/S法的不足,碎石化技术出现,MHB多锤头碎石化法的不足,共振碎石化技术的成熟,技术引入中国，上海开始,防止反射裂缝,破碎不彻底对地基影响大,无法消除,效果有限,效果明显,效果有限,打裂压稳,破碎压稳,技术背景.技术比较,技术背景.国内外应用简介,MHB碎石化技术美国Wisconsin州公路Antigo设备有限公司（MHB Badger Breaker）开发，1995年，由Antigo建筑有限公司最早实施2002年，我国引进MHB技术，白改黑应用工程：山东（济南104国道、泰化路）浙江（35省道临石线）陕西（道勉县-略阳二级公路、汉中309省道）四川（成绵高速公路白马段）广东（清远-连州山区一级公路改建）广西（平果-百色二级公路改建）,技术背景.国内外应用简介,RPB碎石化技术1986年，John Brizzell（纽约州运输部的工程师）首次使用RPB共振破碎机进行道路破碎美国共振机械公司RMI（Resonant Machines Inc. of Tulsa, Oklahoma.）是从事此机械破碎施工的承包商,已在美国50个州中的38个州应用与推广应用里程超过13000km车道在智利、俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰、加拿大均有使用,RPB碎石化技术2004年3月，我国公路第二届科技创新高层论坛上，RMI公司向我国介绍了共振碎石化技术2005年到2008年间，我国上海市、四川、浙江等地多条公路改造工程中得到应用同济大学交通运输工程学院依托上海市的三条公路在国内率先开展了RPB碎石化技术的专题研究，正在编制上海市市政工程管理局地方标准清华大学土木水利学院在浙江省开展了共振碎石化的机理与应用技术的研究,技术背景.国内外应用简介,技术背景.工程实例,跟踪观测表明，试验路段竣工通车运营迄今（沪青平公路试验路段已通车将近2年，金山大道和新卫公路已通车超过半年），路面运行良好，尚未发现裂缝等病害。,共振碎石化层的路用性能. 表观状况,共振碎石化层上下两层的分化,混凝土与钢筋的分离情况,碎块的最大粒径：1、018cm内最大的碎石化块尺寸在1215cm之间2、010cm内为7cm,碎石化层上部破碎比较均匀碎石化层下部具有“裂而不碎”的特征,共振碎石化层的路用性能. 级配曲线,碎石化层（010cm内）级配与级配碎石级配对比图,碎石化层（010cm内）级配与级配砾石级配对比图,碎石化层（018cm内）级配与级配碎石级配对比图,碎石化层（018cm内）级配与级配砾石级配对比图,筛分结果显示： 010cm内级配良好，位于级配碎（砾）石级配曲线之间，粉尘（0.075mm以下）含量为5.12 018cm内级配和级配碎石骨架密实型下限级配曲线以及级配碎石连续型1下限级配曲线很接近，粉尘含量0.59 粉尘含量均低于级配碎石粉尘含量的上限值（67）,共振碎石化层的路用性能. 弯沉,PRI 2100弯沉车,车载数据采集系统,采用PRI 2100 FWD弯沉测试车,三条试验路均于破碎前后、加铺后进行了FWD测试。共检测1460个测点,共振碎石化层的路用性能. 弯沉,碎石化后水泥砼板变为散粒层，顶面弯沉大幅度降低，实测弯沉的变化范围为：4.59.1倍之间。碎石化层经碾压后，顶面弯沉的变异性降低，普遍低于旧水泥路的水平。加铺后顶面弯沉较旧路顶面弯沉有所增加，幅度在1.01.7倍之间。,成果3/7,共振碎石化层的路用性能. 弯沉,试验路段加铺后路表代表弯沉汇总表,试验路段设计弯沉汇总表,设计规范要求：对采取柔性结构层和半刚性基层组合而成混合式基层的路面，是从柔性向半刚性过渡的结构，设计弯沉值应介于两者之间。柔性结构层大于30cm时，路面结构类型系数A b取值为：1.6。碎石化层上加铺沥青混凝土与规范要求的条件基本吻合：碎石化层厚度2030cm，沥青加铺层厚度一般1230cm，两者相加大于30cm。旧水泥混凝土路面一般采用半刚性基层。,成果3/7,共振碎石化层的路用性能. 弯沉,共振碎石化层的路用性能. 回弹模量,采用软件反算（通过FWD测得的弯沉反算各结构层模量）和承载板检测并计算相结合的办法。模量反算采用Evercalc及BAKFAA两种国外反算软件 。,Evercalc反算软件,BAKFAA反算软件,共振碎石化层的路用性能. 回弹模量,金山大道和新卫公路做了30个点，共计85次承载板试验。分别在破碎前三渣层顶面、破碎后三渣层、破碎后碎石化层顶面测试。,共振碎石化层的路用性能. 回弹模量,沪青平公路试验路段结构层反算模量,共振碎石化层的路用性能. 回弹模量,金山大道试验路段结构层反算模量,共振碎石化层的路用性能. 回弹模量,新卫公路试验路段结构层反算模量,共振碎石化层的路用性能. 回弹模量,碎石化前三渣层顶面当量回弹模量均值239.4MPa,承载板测试计算旧路基层顶面当量回弹模量Et1,碎石化后三渣层顶面当量回弹模量均值159.3 MPa,共振碎石化法会造成旧板下模量降低30%40%,共振碎石化层的路用性能. 回弹模量,测试结果：FWD现场检测数据反算结构层模量结果表明碎石化层动态回弹模量集中在7001500MPa再对柔性基层及半刚性基层材料静态、动态回弹模量的调查统计，根据比例关系求得碎石化层材料静态回弹模量集中在500900MPa通过承载板数据计算验证该静态回弹模量值是合理的,承载板检测表明： 金山大道碎石化层模量均值为673MPa，新卫公路为747MPa,共振碎石化层的路用性能. 回弹模量,共振碎石化层的路用性能. 回弹模量,碎石化层最佳粒径及模量的确定（NAPA IS-117及AI MS-17建议）,碎石化层模量的变化是路面结构响应的关键因素破碎方式、碎石层粒径与级配等均可影响碎石化层模量国外资料及本研究试验路段表明，碎石化层最佳粒径为2.520cm，模量（静态）为5001000 MPa,共振碎石化技术特点. 共振破碎机理,(a) 碎石化全过程机理图 (b) 涉及的理论知识 (c) 能量的传递与转化 碎石化全过程分析,共振碎石化技术特点. 共振破碎机理,共振碎石化技术特点. 共振破碎机理,共振碎石化机的激振力输出模式,振动系统分析简化模型,共振碎石化技术特点. 共振破碎机理,当激振荷载的频率满足0.71.3时，系统的受迫振动振幅会大幅放大。,共振碎石化技术特点. 共振破碎机理,第3章,简谐激振力作用下水泥混凝土板的动力响应（单自由度）,(0tt1）,增大外力p 外力频率f接近系统的固有频率f,水泥板响应/振幅最大,共振碎石化技术特点. 共振破碎机理,连续体（无数个自由度）时的动力响应,K地基上的水泥混凝土薄板,k地基上的板做自由振动的无阻尼运动微分控制方程为：,w=w(x, y, t)=W(x, y)T(t)= W(x, y)sint,采用有限元方法求解4阶偏微分方程，得到4边自由板的理论共振频率,共振碎石化技术特点. 共振破碎机理,共振碎石化技术特点. 共振破碎机理,锤头冲击荷载,应力波传播方向由锤击处开始,水泥板,(a) 激振力作用下应力波的传播 (宏观),(b) 激振力作用下应力波的传播 (微观),共振碎石化技术特点. 共振破碎机理,无限介质的P波速度,无限介质的S波速度,P波沿板的传播速度,瑞利波波速,三种波辐射出去的能量，瑞利波占67.3%，横波占25.8%，纵波占6.9%。在半空间内，辐射出去的能量密度随着离开波源距离的增大而减小，振动幅值也减小。,共振碎石化技术特点. 对于附近构筑物的影响,由于是通过达到共振频率实现板的破碎，所以激振力的振幅较其他破碎方式更小。弹性固体中的应力波随着传递距离的增加将发生衰减，所以对激振源较远处的构筑物影响有限。由于不同固体其固有共振频率的差异较大，所以一般情况下不会引起周边构筑物的破坏，但是，必须加强现场监测。实现最佳共振频率需充分考虑地基强度，板块尺寸、板块破坏程度，碎石化机的激振力、激振频率、轮胎触地压力、机器行进速度等因素，寻求合理的施工组合方案。第一遍碎石化非常关键，应尽量一遍就碎石化成功，避免重复，因为之后的重复破碎很难达到碎石化效果。,设计方法. 力学行为,有限元计算模型按照多层体系建模碎石板层按照弹塑性层考虑（六项参数）用弹性模量E泊松比摩擦角膨胀角粘聚力c热膨胀塑性应变（该值取零）其余各层材料为线性弹性层弹性模量E和泊松比表征层间接触为连续状态的多层体系,采用ABAQUS有限元软件建立碎石化路面三维有限元模型，分析碎石化后路面力学行为,设计方法. 力学行为,碎石化层不同模量条件下沿道路横向沥青层层底拉应力,碎石化层不同模量条件下沿道路纵向沥青层层底拉应力,碎石化层不同模量条件下荷载中心线沥青厚度方向沥青层应力,沥青层层底应力,设计方法. 力学行为,碎石化层由于模量的下降，导致沥青加铺层层底处于受拉状态,碎石化层不同模量条件下沿道路横向土基顶面压应变（10-3）,土基顶面压应变,设计方法. 力学行为,碎石化层随着模量的下降，土基顶面压应变增加,设计方法. 力学行为,碎石化层的累积塑性应变较大，达到10-3数量级别由于该层厚度不大（25cm），在当量轴载作用次数很大时碎石板层的累积塑性变形仍比较小（ 2mm ）,设计方法. 防反机理,反射裂缝产生机理,碎石化层防止反射裂缝示意图,应力强度因子理论碎石化层上沥青加铺层的强度因子：KI=0.050旧水泥混凝土板上沥青加铺层的强度因子：KI=0.380,设计方法.防反机理,碎石化层上加铺层型应力强度因子较低的主要原因 碎石化层模量的大幅度降低,设计方法.与级配碎石层结构响应的比较,碎石化层上的沥青加铺层底拉应力较级配碎石小15%碎石化层上的沥青加铺层底拉应变变化规律相似碎石化层下部“裂而不碎”的物理特性在承受竖向荷载时，较级配碎石具有更高的强度,设计方法.设计指标,碎石化道路的损坏模式 ：沉陷、变形、疲劳开裂综合控制指标：路表弯沉分项控制指标：沥青层层底拉应力、土基顶面压应变,路表弯沉：lsld,沥青层层底拉应力：mR,设计方法.设计控制标准,ls轮隙中心处路表计算弯沉值（0.01mm） ld设计弯沉值（0.01mm），ld=600Ne-0.2AcAsAb,路表弯沉：lsld，控制沉陷和变形,m双圆荷载轮隙中心或单圆荷载中心处沥青加铺层层底拉应力 R容许拉应力 ，R =S/Ks s为15C时沥青加铺层材料的极限劈裂强度 Ks为抗拉强度结构系数，Ks0.09Ne0.22/Ac,沥青层层底拉应力：mR ，控制疲劳开裂,设计方法.设计控制标准,路基顶面的垂直压应变，由弹性层状体系理论求得,路基顶面容许垂直压应变 ，,设计方法.设计控制标准,沥青加铺层厚度设计方法：弹性层状体系法，设计方法及流程同公路沥青路面设计规范美国地沥青协会AI碎石化加铺层厚度设计方法AASHTO 1993 碎石化加铺厚度设计方法,同济大学研究提供了金山大道加铺层厚度设计算例，计算结果见下表：,经结构验算，三种方法设计的加铺层厚度均满足要求。,碎石化路面加铺层厚度设计，可采用我国规范上的弹性层状理论法计算，并建议同时采用AI及AASHTO关于碎石化路面加铺层厚度设计的方法，通过比较最终确定合适厚度。,设计方法.厚度设计流程,设计方法.适用条件,旧路损害等级被评定为次或差旧路接缝传荷能力被评定为次或差参考标准：20的接缝损坏需要修复20的混凝土板需要进行更换或补块旧路出现以下损害时，特别适合于RPB破碎法：有D裂缝碱集料反应冻融破坏,设计方法.推荐结构,加铺层材料要求：国外碎石化路面的工程实践表明，对加铺层材料无特别要求，也不要求要加土工加筋材料或途洒透层油鉴于碎石化路面可能产生车辙问题，另外也为保障其路用性能，建议在二级及以上公路中采用SMA面层或者橡胶沥青混合料,设计方法.推荐结构,碎石化路面推荐结构,既不同于柔性基层路面结构，也不同于半刚性基层路面结构，与国外“倒装式”路面结构最接近,设计方法.推荐结构,碎石化路面推荐结构,碎石化路面结构层典型厚度及模量,碎石化加铺路面推荐结构,质量控制.工艺及质量控制,要控制碎石化层粒径、级配、模量，控制碎石化施工对旧路地基的影响，均需要从碎石化施工工艺出发。同济大学提出了较详细的破碎及加铺施工工艺、质量控制及验收标准，为碎石化道路施工提供了依据和指导。编制了施工技术指南。,质量控制.工艺及验收控制标准,碎石板层破碎质量验收标准：粒径：破碎粒径大部分在15.2cm以内，20.3cm的含量不超过2，粉尘含量（0.075mm）7级配：满足或接近级配碎（砾）范围回弹模量：模量（静态）处于于5001500MPa承载板法FWD测试碾压：碾压次数 5遍，宜在24遍内，摊铺前不允许碎石化表面出现凹陷深度超过2cm,加铺层路面质量验收标准：路面厚度和压实度：同常规沥青路面验收标准，参见公路路基路面现场测试规程及公路沥青路面施工技术规范路表弯沉：参见公路沥青路面设计规范、公路沥青路面施工技术规范及公路路基路面现场测试规程，注意碎石化路面设计弯沉按照路面结构系数Ab=1.6取值,质量控制.工艺及验收控制标准,旧水泥混凝土路面碎石化施工工艺流程图,质量控制.施工流程,质量控制.施工流程,Tongji University,汇报完毕 敬请领导、专家指正！,
