同济共振技术交流ppt课件.ppt

主讲人：袁主讲人：袁 捷捷 工学博士，副教授工学博士，副教授同济大学道路与机场工程系同济大学道路与机场工程系2008.12 广东广东深圳深圳 汇报内容汇报内容l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 ）l碎石化技术：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）l共振碎石化技术：共振碎石化技术： 共振共振 （Resonance） 第第1章章我国既有水泥混凝土路面量多我国既有水泥混凝土路面量多需改建、重建的比例大需改建、重建的比例大“白白+黑黑”技术出现技术出现传统技术的不足传统技术的不足各种破碎技术出现各种破碎技术出现B/S、C/S法的不足法的不足碎石化技术出现碎石化技术出现MHB多锤头碎石化法的不足多锤头碎石化法的不足共振碎石化技术的成熟共振碎石化技术的成熟技术引入中国，上海开始技术引入中国，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无法消除效果有限效果有限效果明显效果明显效果有限效果有限打裂压稳打裂压稳破碎压稳破碎压稳MHB碎石化技术碎石化技术p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p2002年，我国引进MHB技术，白改黑应用工程：n山东（济南104国道、泰化路）n浙江（35省道临石线）n陕西（道勉县-略阳二级公路、汉中309省道）n四川（成绵高速公路白马段）n广东（清远-连州山区一级公路改建）n广西（平果-百色二级公路改建）RPB碎石化技术碎石化技术p1986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p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无工程项目1-45+10+20+30+40+60+p已在美国已在美国50个州中的个州中的38个州应用与推广个州应用与推广p应用里程超过应用里程超过13000km车道车道p在智利、俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰、加拿大均有使用在智利、俄罗斯、白俄罗斯、乌克兰、加拿大均有使用RPB碎石化技术碎石化技术p2004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p2005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p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p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 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通车将近2 2年，金山大道和新卫公路已通车超过半年），路面运行良好，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。尚未发现裂缝等病害。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（碎石化层（010cm内）级配与级配碎石级配对比图内）级配与级配碎石级配对比图 碎石化层（碎石化层（010cm内）级配与级配砾石级配对比图内）级配与级配砾石级配对比图碎石化层（碎石化层（018cm内）级配与级配碎石级配对比图内）级配与级配碎石级配对比图 碎石化层（碎石化层（018cm内）级配与级配砾石级配对比图内）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）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个测点检测点个数检测点个数破碎前破碎前破碎后破碎后加铺后加铺后小计小计沪青平公路沪青平公路1092032161金山大道金山大道1755833551113新卫公路新卫公路328466182非试验路段非试验路段44小计小计3166874571460加铺前后路表实测弯沉对比（加铺前后路表实测弯沉对比（BB梁）梁）成果成果3/7试验路段加铺后路表代表弯沉汇总表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试验路段设计弯沉汇总表A b取值为：取值为：1.6。成果成果3/7Evercalc反算软件反算软件BAKFAA反算软件反算软件 金山大道和新卫公路做了金山大道和新卫公路做了3030个点，共计个点，共计8585次承载板试验。分别在破次承载板试验。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。碎前三渣层顶面、破碎后三渣层、破碎后碎石化层顶面测试。承载板测次承载板测次破碎前三渣层顶面破碎前三渣层顶面破碎后三渣层顶面破碎后三渣层顶面破碎后碎石层顶面破碎后碎石层顶面小计小计金山大道金山大道23252270新卫公路新卫公路55515小计小计28302785结构层模量厚度(cm)泊松比沥青加铺厚度13cm16cm20cm沥青加铺层0.25 2288 2525 2330 碎石化层250.30 1214 932 1112 三渣层300.25 1553 1687 1317 砂砾石垫层150.35 580 543 463 土 基4600.40 146 138 112 刚性层0.20 1500 沪青平公路试验路段结构层反算模量沪青平公路试验路段结构层反算模量结构层厚度(cm)泊松比各结构层反算模量值(MPa)NH车道NL车道SL车道SH车道路段1路段2路段1路段2路段1路段2路段1路段2HMA250.25 2124 2052 2207 2335 2376 2073 2671 2033 碎石化层250.30 1059 1075 1137 1097 1105 1092 1245 1094 三渣层300.25 1799 1647 1634 1499 1582 1657 1716 1341 砂砾垫层150.35 565 423 412 393 348 415 440 335 土 基6000.40 123 117 118 104 147 117 115 108 刚性层0.20 1500 金山大道试验路段结构层反算模量金山大道试验路段结构层反算模量新卫公路试验路段结构层反算模量新卫公路试验路段结构层反算模量结构层厚度(cm)泊松比各结构层反算模量值(MPa)EH车道EL车道WL车道WH车道HMA200.251850 2446 2536 2674 碎石化层250.31023 1120 1157 1243 三渣层300.251475 1577 1636 1726 砂砾垫层150.35311 406 420 441 土基8000.40122 107 110 115 刚性层0.21500 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% p 测试结果：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动态回弹模量集中在集中在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据比例关系求得碎石化层材料静态回弹模量静态回弹模量集中在集中在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：承载板检测表明： 金山大道碎石化层模量均值为金山大道碎石化层模量均值为673MPa，新卫公路为，新卫公路为747MPa模模 量量级配碎石级配碎石碎石化层碎石化层半刚性基层半刚性基层静态模量静态模量200400 MPa500900 MPa10003000 MPa动态模量动态模量300650 MPa7001500 MPa22004500 MPa模量比例模量比例碎石化层：级配碎石碎石化层：级配碎石2.5半刚性基层：碎石化层半刚性基层：碎石化层3.0材料类型材料类型回弹模量（回弹模量（MPa）材料类型材料类型回弹模量（回弹模量（MPa）碎石化层碎石化层500900沥青混凝土沥青混凝土（粗粒式）（粗粒式）8001200水稳碎石水稳碎石13001700石灰粉煤灰稳定碎石石灰粉煤灰稳定碎石13001700级配碎砾石级配碎砾石250350沥青碎石沥青碎石（粗粒式）（粗粒式）600800沥青混凝土沥青混凝土（中粒式）（中粒式）10001400石灰粉煤灰土石灰粉煤灰土600900结构失效结构失效反射裂缝反射裂缝最佳区域最佳区域碎石化层模量碎石化层模量碎石化层破碎粒径碎石化层破碎粒径小小大大可可能能性性0(a) (a) 碎石化全过程机理图碎石化全过程机理图 (b) (b) 涉及的理论知识涉及的理论知识 (c) (c) 能量的传递与转化能量的传递与转化 碎石化全过程分析碎石化全过程分析 tA02A0 A(t)2共振碎石化机的激振力输出模式共振碎石化机的激振力输出模式 振动系统分析简化模型振动系统分析简化模型000( )sincoscossincos22ttyyppy tetytetttmm=0.1=1/200.51.01.52.001.02.03.04.05.06.0=0=0.2=0.3=0.4=0.5=1.0r当激振荷载的频率当激振荷载的频率满足满足0.71.3时，时，系统的受迫振动振系统的受迫振动振幅会大幅放大。幅会大幅放大。第第3章章简谐激振力作用下水泥混凝土板的动力响应（单自由度）简谐激振力作用下水泥混凝土板的动力响应（单自由度） 22222sincos( )sincossin()4tpy tettm (0tt1） 11111111( )( )( )( )sincossin( )cossincosy ty ty ty tttty tttt( t1tT ) p 增大外力增大外力p p 外力频率外力频率f接近系统的固有频率接近系统的固有频率f水泥板响应水泥板响应/ /振幅最大振幅最大22222sin()()4ptm 连续体（无数个自由度）时的动力响应连续体（无数个自由度）时的动力响应 K K地基上的水泥混凝土薄板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：2420wDwkwht3212 1cE hD444442242xxyy u w=w(x, y, t)=W(x, y)T(t)= W(x, y)sint 42( , )( , )0DW x ykW x yh 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)无限介质的P波速度 1(1)(12 )E无限介质的S波速度 2(1)E P波沿板的传播速度 2(1)E瑞利波波速 0.862 1.41RSVV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。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。有限元计算模型有限元计算模型p按照多层体系建模p碎石板层按照弹塑性层考虑（六项参数）n用弹性模量En泊松比n摩擦角n膨胀角n粘聚力cn热膨胀塑性应变（该值取零）p其余各层材料为线性弹性层n弹性模量E和泊松比表征n层间接触为连续状态的多层体系结构层结构层材料属性材料属性厚度厚度(cm)弹性模量弹性模量(MPa)泊泊松松比比粘聚力粘聚力(kPa)内摩擦角内摩擦角(度度)膨胀角膨胀角(度度)热膨胀热膨胀塑性应塑性应变变沥青加铺层沥青加铺层弹弹 性性2015000.25碎石板层碎石板层弹塑性弹塑性2025 50015000.30540200半刚性基层半刚性基层弹弹 性性3010000.25土土 基基弹弹 性性300.400.20.250.30.155.1沥青加铺层碎石化破碎层三渣基层砂砾石垫层路基p3.53.5ABCDEFG三维有限元几何模型（单位：m）模型网格划分沥青层层底应力距荷载中心距离（m）土基顶面压应变()(1)ppNN塑性应变反射裂缝产生机理反射裂缝扩张示意图沥青加铺面层级配良好的沥青加铺联结层碎碎 石石 化化 层层旧水泥路面半刚性基层碎石化层防止反射裂缝示意图应力强度因子理论应力强度因子理论碎石化层上沥青加铺层的强度因子：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：旧水泥混凝土板上沥青加铺层的强度因子：KI=0.380p 碎石化道路的损坏模式碎石化道路的损坏模式 ：沉陷、变形、疲劳开裂：沉陷、变形、疲劳开裂p 综合控制指标：路表弯沉综合控制指标：路表弯沉p 分项控制指标：沥青层层底拉应力、土基顶面压应变分项控制指标：沥青层层底拉应力、土基顶面压应变 路表弯沉：路表弯沉：lsld 沥青层层底拉应力：沥青层层底拉应力：mR 顶顶许许压压应应变变0 00 0E EE E土土基基面面容容： ls轮隙中心处路表计算弯沉值（轮隙中心处路表计算弯沉值（0.01mm） ld设计弯沉值（设计弯沉值（0.01mm），），ld=600Ne-0.2AcAsAb 路表弯沉：路表弯沉：lsld，控制沉陷和变形，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容许拉应力容许拉应力 ，R =S/Ks s为为15C时沥青加铺层材料的极限劈裂强度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，为抗拉强度结构系数，Ks0.09Ne0.22/Ac 沥青层层底拉应力：沥青层层底拉应力：mR ，控制疲劳开裂，控制疲劳开裂 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的垂直压应变，由弹性层状体系理论求得 0 00 0E EE E土土基基顶顶面面容容许许压压应应变变： ，控控制制变变形形（车车辙辙）0E 路基顶面容许垂直压应变路基顶面容许垂直压应变 ，0E0bEaN 方法方法a (10-2)bShellPSI=2.5(车撤深车撤深20mm)2.8(保证率保证率50%)2.1(保证率保证率85%)1.8(保证率保证率95%)0.25AI车撤深车撤深12.7mm1.050.223诺丁汉诺丁汉临界临界(车撤深车撤深10mm)破坏破坏(车撤深车撤深20mm)1.042.160.270.26比利时比利时1.10.23澳大利亚澳大利亚0.930.143新西兰新西兰按按5种试验路面测定得到种试验路面测定得到1.200.145法国法国平均日轴次平均日轴次150轻交通轻交通1.21.60.222沥青加铺层厚度设计方法：沥青加铺层厚度设计方法：p 弹性层状体系法，设计方法及流程同弹性层状体系法，设计方法及流程同公路沥青路面设计规范公路沥青路面设计规范p 美国地沥青协会美国地沥青协会AI碎石化碎石化加铺层厚度设计方法加铺层厚度设计方法p AASHTO 1993 碎石化加铺厚度设计方法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：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：设计方法设计方法弹性层状体系计算法弹性层状体系计算法AIAASHTO厚度厚度18 cm19.5 cm22.5 cm经结构验算，三种方法设计的加铺层厚度均满足要求。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，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，并建议同时采用并建议同时采用AI及及AASHTO关于碎石化路面加铺层厚度设计的方法，通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。过比较最终确定合适厚度。 旧路损害等级被评定为次或差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旧路接缝传荷能力被评定为次或差参考标准：参考标准：p20的接缝损坏需要修复p20的混凝土板需要进行更换或补块旧路出现以下损害时，特别适合于旧路出现以下损害时，特别适合于RPB破碎法：破碎法：p有D裂缝p碱集料反应p冻融破坏加铺层材料要求：加铺层材料要求：p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p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碎石化路面推荐结构碎石化路面推荐结构 水泥混凝土面层半刚性基层土 基垫 层沥青混凝土加铺层水泥混凝土破碎层旧路半刚性基层土 基旧路垫层碎石化路面推荐结构碎石化路面推荐结构 结构层结构层沥青加铺层沥青加铺层碎石化层碎石化层旧路半刚性基层旧路半刚性基层垫层垫层厚度（厚度（cm）1525152520351545模量（模量（MPa）100020005009008001500150250碎石化路面结构层典型厚度及模量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碎石化加铺路面推荐结构公路等级公路等级结构层组合结构层组合结构层材料结构层材料结构层厚度结构层厚度高速及一、二高速及一、二级公路级公路上、中、下上、中、下三层三层高性能沥青混凝土高性能沥青混凝土1525cm二级以下公路二级以下公路上、中、下上、中、下三层三层或上、下两层或上、下两层三层全沥青混凝土或三层全沥青混凝土或上层沥青混凝土，中、下层沥青上层沥青混凝土，中、下层沥青碎石混合料碎石混合料1018cm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。 2、碎石化施工工艺、碎石化施工工艺4、碎石化沥青路面加铺工艺、碎石化沥青路面加铺工艺5、施工质量控制及验收标准、施工质量控制及验收标准3、碎石化后整备工艺、碎石化后整备工艺1、碎石化施工前整备工艺、碎石化施工前整备工艺碎石板层破碎质量验收标准：碎石板层破碎质量验收标准：p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） 7p级配：满足或接近级配碎（砾）范围p回弹模量：模量（静态）处于于5001500MPan承载板法nFWD测试p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：加铺层路面质量验收标准：p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p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取值旧水泥混凝土路面碎石化施工工艺流程图 HMA沥青加铺面层反虑织物带孔集水管集水沟（透水性材料）横向排水管(2%-3%)破碎后的旧水泥混凝土层地 基基 层破碎后的旧水泥混凝土层（水可渗入区域）密级配集料基层HMA沥青加铺面层破碎后的旧水泥混凝土层地 基基 层破碎后的旧水泥混凝土层（水可渗入区域）开级配集料基层Tongji University