碎石化技術(shù)的適用性研究

摘要 碎石化技術(shù)是一種對(duì)舊水泥路面進(jìn)行改造再利用的方法，多錘頭碎石化技術(shù)是其中一種，具有施工速度快、對(duì)環(huán)境和交通影響小等優(yōu)點(diǎn)?；诖?，文章從路面破壞條件、基層、路基、涵洞適用性四個(gè)方面分析了多錘頭碎石化技術(shù)在舊水泥路面改擴(kuò)建工程中的適用性問(wèn)題，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，旨在為多錘頭碎石化施工提供參考。

關(guān)鍵詞 公路工程項(xiàng)目；舊水泥路面；碎石化技術(shù)；多錘頭破碎機(jī)

中圖分類號(hào) U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）13-0117-03

0 引言

碎石化技術(shù)是通過(guò)專用設(shè)備破碎舊水泥混凝土面板形成互相嵌鎖、嚙合的高強(qiáng)度粒料層，可有效消除反射裂縫，提高路面承載力。碎石化技術(shù)有多種形式，如共振碎石化、多錘頭碎石化、打裂壓穩(wěn)等，各有其特點(diǎn)和適用范圍。其中多錘頭碎石化技術(shù)是通過(guò)多個(gè)錘頭同時(shí)作用于舊水泥混凝土板塊，以高頻低振的方式進(jìn)行小能量的破碎，使破碎后的碎石層呈現(xiàn)上部粒徑小、下部粒徑大的結(jié)構(gòu)，具有較好的抗彎拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。該文從路面破壞條件、基層適用性、路基適用性和涵洞適用性四個(gè)方面進(jìn)行了分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了多錘頭碎石化技術(shù)的可行性和優(yōu)越性[1]。

1 應(yīng)用多錘頭碎石化的路面破壞條件

并非所有舊水泥混凝土路面都適合采用多錘頭碎石化技術(shù)，應(yīng)用這一技術(shù)需滿足的條件如下：

（1）路面板斷板率超過(guò)15%，平均錯(cuò)臺(tái)量大于4 mm，說(shuō)明路面已嚴(yán)重?fù)p壞，需進(jìn)行碎石化處理。斷板率是指路面板中有裂縫或缺損的比例[2]。

（2）路面出現(xiàn)翻漿、角隅破壞、錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象，說(shuō)明路面結(jié)構(gòu)已失效，需進(jìn)行修補(bǔ)或更換。

（3）利用多錘頭碎石化技術(shù)相比其方法的成本更低，如銑刨、拆除、覆蓋等方法[3]。

采用碎石化技術(shù)前，需深入調(diào)查路基及基層情況，確認(rèn)是否有裂縫、沉降、變形等問(wèn)題，如有則需要及時(shí)修補(bǔ)加固，避免多錘頭碎石化施工加劇路面破壞。碎石化層可以作為基層或底基層，其表面需鋪設(shè)水泥混凝土或?yàn)r青混凝土作為面層，以有效保證路面的平整度和耐久性。另外，如涵洞、橋梁、管線等交通設(shè)施地基相對(duì)軟弱，使用碎石化技術(shù)時(shí)需謹(jǐn)慎，避免多錘頭破碎機(jī)的沖擊力導(dǎo)致原有設(shè)施損壞[4]。

2 多錘頭碎石化對(duì)基層的適用性分析

多錘頭破碎機(jī)對(duì)路面的作用力遠(yuǎn)大于車輛荷載，因此，需考慮施工給基層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定帶來(lái)的不利影響。

2.1 基層抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

該文采用三分點(diǎn)加載試驗(yàn)方法對(duì)基層的抗彎拉強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法能更準(zhǔn)確地反映基層的抗彎曲性能。制作若干個(gè)基層試件，用三分點(diǎn)加載試驗(yàn)機(jī)開展抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用公式（1）計(jì)算了基層試件的抗彎拉強(qiáng)度：

式中，σt——基層試件的抗彎拉強(qiáng)度；P——三分點(diǎn)加載時(shí)的最大荷載；l——試件跨度；b——試件寬度；h——試件厚度。

混凝土的抗彎拉強(qiáng)度是反映其抗彎曲性能的重要指標(biāo)，需用專門試件進(jìn)行試驗(yàn)?！豆匪嗉八嗷炷猎囼?yàn)規(guī)程》規(guī)定了三種不同的試件尺寸，分別是100 mm

×100 mm×400 mm、150 mm×150 mm×550 mm、150 mm

×150 mm×600 mm。采用這三種尺寸中的一種進(jìn)行抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)規(guī)范性。試驗(yàn)時(shí)需根據(jù)不同尺寸試件合理調(diào)整相應(yīng)的跨度和荷載[5]。

2.2 基層抗彎拉強(qiáng)度分析

開始多錘頭碎石化施工前先進(jìn)行基層抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)分析，確定該方法是否適用。分析方法包括：

（1）利用有限元軟件模擬多錘頭破碎機(jī)對(duì)路面的作用，計(jì)算出最不利情況下的基層底部拉應(yīng)力。

（2）采用三分點(diǎn)加載試驗(yàn)方法，制作并測(cè)試基層試件的抗彎拉強(qiáng)度。

（3）通過(guò)對(duì)拉應(yīng)力、抗彎拉強(qiáng)度判斷基層的比較分析，確定是否能夠承受多錘頭破碎機(jī)的作用，以確定多錘頭破碎技術(shù)是否適用。如抗彎拉強(qiáng)度大于計(jì)算拉應(yīng)力，則適用多錘頭破碎技術(shù)。

3 多錘頭碎石化對(duì)路基的適用性

公路工程中，路基不僅要承受自身重量，還要承受路面和車輛的荷載。因此，路基的力學(xué)性能很重要，其中一個(gè)重要的指標(biāo)是土的抗剪強(qiáng)度[6]。

3.1 莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則

土體抗剪強(qiáng)度是指試驗(yàn)中土體發(fā)生剪切破壞時(shí)的剪應(yīng)力。土體是否發(fā)生剪切破壞取決于土體本身性質(zhì)以及土體的應(yīng)力狀態(tài)。因此，需要合理的破壞準(zhǔn)則來(lái)判斷土體是否發(fā)生剪切破壞。目前，比較常用的土體破壞準(zhǔn)則是莫爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則認(rèn)為土體發(fā)生剪切破壞時(shí)，其主應(yīng)力之差與主應(yīng)力之和之間存在一個(gè)線性關(guān)系。根據(jù)這個(gè)準(zhǔn)則，可以推導(dǎo)出土體的抗剪強(qiáng)度公式和安全系數(shù)公式。具體的計(jì)算過(guò)程見式（2）～（4）：

式中，σ——土體承受的法向應(yīng)力；φ——土體內(nèi)摩擦角；τ——土體承受的剪應(yīng)力；c——土體黏聚力，（砂土土體的c值為0）；σ1——土體第一主應(yīng)力值；σ3——土體第三主應(yīng)力值；τf ——土體抗剪強(qiáng)度值（kN/m2）。

3.2 土基抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)分析

在抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，通過(guò)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ這兩個(gè)指標(biāo)主要依靠土的室內(nèi)剪切試驗(yàn)和土體原位測(cè)試來(lái)確定?，F(xiàn)論述主要的測(cè)試儀器和常規(guī)試驗(yàn)方法?？辜魪?qiáng)度是反映土的抗剪切變形能力的重要參數(shù)，一般用黏聚力、內(nèi)摩擦角表示，參數(shù)值可通過(guò)室內(nèi)剪切試驗(yàn)與原位測(cè)試確定[7]。

3.2.1 直接剪切試驗(yàn)

直接剪切試驗(yàn)是指用直剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)，如圖1所示。直剪儀可測(cè)量不同的法向應(yīng)力下試件的剪應(yīng)力和剪切變形。逐級(jí)施加法向應(yīng)力，逐漸提升剪應(yīng)力，直到試件破壞。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制剪變形關(guān)系曲線，如圖2所示。改變法向應(yīng)力，重復(fù)上述過(guò)程得到不同法向應(yīng)力下的試件抗剪強(qiáng)度[8]?；讦摇幼鴺?biāo)系繪制抗剪強(qiáng)度曲線（即莫爾-庫(kù)倫破壞包絡(luò)線），如圖3所示。

直接剪切試驗(yàn)點(diǎn)簡(jiǎn)單易操作，設(shè)備不復(fù)雜。但試件剪應(yīng)力分布不均勻，排水條件難以控制，剪切面不穩(wěn)定。

3.2.2 三軸剪切試驗(yàn)

三軸剪切試驗(yàn)是用三軸儀進(jìn)行試件剪切試驗(yàn)，如圖4所示。

試驗(yàn)時(shí)，為保證試件受到的周圍壓力σ3均勻不變，即使用橡膠膜將試件包裹后，放置在壓力室的底座上，并向壓力室內(nèi)注水，通過(guò)活塞桿向試件施加軸向壓力，直到試件發(fā)生破壞。當(dāng)試件破壞時(shí)，活塞桿的壓力為Δσ1，則試件的最大主應(yīng)力為σ1f =σ3+Δσ1，主應(yīng)力最小值為σ3f?；谥鲬?yīng)力最小值σ3f 和主應(yīng)力最大值σ1f 繪制莫爾圓?；谀獱枅A可得土基抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值，制作并測(cè)試3～4個(gè)試件，重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程，得到不同的莫爾圓[9]。根據(jù)土力學(xué)原理可求出土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ。

3.2.3 大型直剪試驗(yàn)

大型直剪試驗(yàn)適用于無(wú)法取得原狀試件的情況。大型直剪試驗(yàn)是將現(xiàn)場(chǎng)取得的大塊土樣置于特制的剪切盒中，沿水平方向施加剪切力，測(cè)量其發(fā)生剪切破壞時(shí)的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。大型直剪試驗(yàn)的土樣尺寸較大，且在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，可以更好地反映工程實(shí)際情況。

3.3 路基抗剪強(qiáng)度分析

路基模量和荷載應(yīng)力為45 MPa、37.3 MPa時(shí)，通過(guò)ABAQUS有限元軟件模擬，計(jì)算路基中四種不同工況的應(yīng)力分布，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，工況四時(shí)路基中的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力的差值最大，達(dá)到119 MPa，因此工況四是最不利工況，最容易導(dǎo)致路基破壞。為判斷路基是否能夠承受多錘頭破碎機(jī)的作用，需進(jìn)行路基抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得路基黏聚力和內(nèi)摩擦角的大小?；跍y(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出路基的抗剪強(qiáng)度，比較分析路基抗剪強(qiáng)度與有限元計(jì)算得到的工況四下的剪應(yīng)力，如抗剪強(qiáng)度大于剪應(yīng)力，說(shuō)明路基不會(huì)發(fā)生破壞，多錘頭碎石化技術(shù)適用，如抗剪強(qiáng)度小于剪應(yīng)力，說(shuō)明路基可能發(fā)生破壞，多錘頭碎石化技術(shù)不適用[10]。

4 多錘頭碎石化對(duì)涵洞的適用性分析

使用多錘頭碎石化時(shí)需注意保護(hù)涵洞，避免破壞其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，為此，需計(jì)算分析多錘頭碎石化作用下涵洞的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)位移。結(jié)構(gòu)應(yīng)力是指涵洞受到的內(nèi)部或外部力所產(chǎn)生的應(yīng)力；結(jié)構(gòu)位移是指涵洞受力后發(fā)生的形變或移動(dòng)。如結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于涵洞強(qiáng)度，說(shuō)明涵洞可承受多錘頭破碎機(jī)的沖擊；如結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于涵洞強(qiáng)度，說(shuō)明涵洞可能發(fā)生破壞，需采取必要的保護(hù)措施。

5 結(jié)論

綜上所述，使用多錘頭碎石化技術(shù)前應(yīng)深入調(diào)查原路面狀況，確保該技術(shù)滿足使用條件，否則可能會(huì)造成原路面和周圍環(huán)境和設(shè)施的不必要破壞，影響工程的安全和質(zhì)量。如路面狀況不符合使用條件，禁止使用該技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，多錘頭碎石化技術(shù)的適用性需考慮以下幾個(gè)方面：

（1）檢查原路面的破壞程度，確認(rèn)是否滿足使用條件。原路面板斷板率超過(guò)15%，且路面接縫修補(bǔ)超過(guò)20%時(shí)可使用多錘頭碎石化技術(shù)。

（2）檢測(cè)原路面下基層、路基的力學(xué)性能，確認(rèn)是否能夠承受多錘頭破碎機(jī)的作用。主要測(cè)量基層的抗彎拉強(qiáng)度、路基抗剪強(qiáng)度，保證路基抗剪強(qiáng)度大于剪應(yīng)力。

（3）調(diào)查原路面下是否有涵洞等交通設(shè)施，分析其結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。多錘頭破碎機(jī)作用下涵洞結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度，說(shuō)明涵洞可能發(fā)生破壞。因此，需要計(jì)算出涵洞的安全深度，確保多錘頭破碎機(jī)不會(huì)影響到涵洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

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