公路半剛性基層材料結(jié)構(gòu)理論多指標(biāo)控制設(shè)計(jì)方法.ppt

1、公路半剛性基層材料結(jié)構(gòu)理論、多指標(biāo)控制設(shè)計(jì)方法及工程應(yīng)用,長(zhǎng)安大學(xué) 沙愛民,2010 年 04 月09日,基層,路基,面層,基層是公路路面的主要承重層, 基層的使用壽命決定著整個(gè)公路路面的使用壽命。,大背景:公路建設(shè)快速發(fā)展。 減少路面早期損壞，延長(zhǎng)路面使用壽命。,供車輛安全、平穩(wěn)行駛,主要起承重作用,+,拌合、攤鋪,水泥 或 石灰,砂石材料 或 工業(yè)廢渣,半剛性 基層,壓實(shí)、養(yǎng)生,半剛性基層在我國應(yīng)用極廣，占到基層用量的85%（各級(jí)公路基層）至95%（高速公路基層）以上。,圖1 各級(jí)公路基層類型 圖2 高速公路基層類型,瀝青路面早期損壞成因的“內(nèi)憂外患”,超載問題? 施工質(zhì)量問題? 路面結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計(jì)方法問題? 路面結(jié)構(gòu)類型（半剛性基層瀝青路面） 設(shè)計(jì)理論體系（指標(biāo)與方法）,抗裂性不足 導(dǎo)致面層 反射裂縫,沖刷能力 不足導(dǎo)致面層 唧漿、松散,強(qiáng)度不足 導(dǎo)致面層 疲勞破壞,半剛性基層在具有顯著技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，存在下列突出問題。,半剛性基層的“問題”,強(qiáng)度高且容易開裂 半剛性基層容易發(fā)生水損壞 半剛性基層的耐久性需要考證 半剛性基層何去何從?,半剛性基層,強(qiáng)度高,抗裂性好,抗沖刷性能強(qiáng),國外對(duì)半剛性基層的開裂與沖刷損壞主要是通過增加面層厚度和控制面層的滲水來避免和減少，效果有限，成本較高。 國內(nèi)曾采取過在基層中通過設(shè)置應(yīng)力吸收層、鋪設(shè)土工布、預(yù)鋸縫以及封層等方式減少基層自身收縮開裂和

3、沖刷現(xiàn)象以及對(duì)面層的影響，效果不明顯，且易引起新的破壞現(xiàn)象。,長(zhǎng)安大學(xué)自“八五”開始至今，近二十年長(zhǎng)期對(duì)半剛性基層的抗裂性、強(qiáng)度形成機(jī)理以及綜合性能改善等方面開展了大量研究和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)：半剛性基層性能改善的經(jīng)濟(jì)、有效途徑在于改進(jìn)材料的組成設(shè)計(jì)。,研究?jī)?nèi)容,理論依據(jù),試驗(yàn)手段,設(shè)計(jì)方法,工程應(yīng)用,理論依據(jù),強(qiáng)度問題,半剛性基層的可設(shè)計(jì)強(qiáng)度值域很寬:0.512MPa 半剛性基層材料的強(qiáng)度不僅靠結(jié)合料的劑量,更應(yīng)要靠良好的集料級(jí)配. 在一定條件下可以做到高強(qiáng)又不開裂. 高強(qiáng)度半剛性材料應(yīng)該是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求的結(jié)果,而且應(yīng)該是有界限的.,水泥穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彎拉模量,收縮開裂問題,溫度或干燥收縮

4、是材料的“天性”。 及時(shí)的保濕養(yǎng)生可以避免干燥收縮裂縫。 控制細(xì)料含量可以顯著減小溫度收縮開裂可能。,干縮系數(shù),溫縮系數(shù),水泥石和集料的收縮系數(shù),沖刷問題,半剛性基層表面的非緊密聯(lián)結(jié)的細(xì)料在動(dòng)水壓力泵吸作用下的脫離是形成沖刷的主要原因。 不產(chǎn)生或減小沖刷途徑： 減少細(xì)料含量 增加結(jié)合強(qiáng)度 消減動(dòng)水壓力,沖刷試驗(yàn)結(jié)果,圖4-18 水泥砂礫（6%）、水泥土（6%）在相同作用力相同時(shí)間不同頻率下沖刷曲線,圖4-20 水泥砂礫（6%）、水泥土（6%）在相同作用頻率、相同作用時(shí)間不同作用力下沖刷曲線,沖刷試驗(yàn),疲勞問題,半剛性基層材料是一應(yīng)力敏感性材料： 疲勞曲線較為平緩 超載對(duì)半剛性基層的壽命影響要更

5、大于瀝青面層 同樣應(yīng)力比條件下，半剛性基層比普通瀝青面層具有更長(zhǎng)的疲勞壽命。 半剛性基層的長(zhǎng)壽命,路面基層一般要求,應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性； 在冰凍地區(qū)應(yīng)具有一定的抗凍性； 應(yīng)具有較小的收縮（溫縮及干縮）變形； 較強(qiáng)的抗沖刷能力。,材料組成設(shè)計(jì)目標(biāo),材料組成設(shè)計(jì)新方法多指標(biāo)： 適宜強(qiáng)度 較小收縮 較小沖刷,材料組成設(shè)計(jì)新理念考慮結(jié)構(gòu)： 結(jié)構(gòu)決定性能,試驗(yàn)手段,振動(dòng)壓實(shí),倡導(dǎo)室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)成型目的- 適應(yīng)多粒料材料的壓實(shí) 保持設(shè)計(jì)級(jí)配 符合現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)狀態(tài) 減小試驗(yàn)結(jié)果偏差,振動(dòng)壓路機(jī)結(jié)構(gòu),振動(dòng)壓路機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,1手動(dòng)葫蘆 2機(jī)架 3導(dǎo)向柱 4上車系統(tǒng) 5偏心塊 6減振塊 7下車系統(tǒng) 8壓頭 9鋼模

6、套環(huán) 10鋼模 11鋼模底盤 12傳動(dòng)軸 13電動(dòng)機(jī) 14變頻器 室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)成型設(shè)備示意圖,室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)結(jié)構(gòu),振動(dòng)法、靜壓法含水量變化情況對(duì)比 反映了振動(dòng)壓實(shí)功與靜力壓實(shí)功的一致性,振動(dòng)法、靜壓法集料破碎情況對(duì)比,振動(dòng)法確定壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,一、目的和適用范圍 本試驗(yàn)方法適用于在室內(nèi)對(duì)水泥、石灰、石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料土基層材料進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，以確定這些材料的含水量干密度關(guān)系曲線，確定其最佳含水量和最大干密度。試驗(yàn)集料的最大粒徑應(yīng)控制在31.5mm以內(nèi)，最大不得超過37.5mm。 二、儀器設(shè)備 三、試料準(zhǔn)備 四、試驗(yàn)步驟 五、計(jì)算及制圖,振動(dòng)法成型試件試驗(yàn)方法,一、目的和適用范圍 本試驗(yàn)方法

7、適用于采用振動(dòng)壓實(shí)方法成型無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料的各種試件，其中包括用于測(cè)試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度和抗壓回彈模量的圓柱體試件和用于溫縮系數(shù)、干縮系數(shù)、抗折強(qiáng)度以及抗折回彈模量測(cè)試的梁式試件。 二、儀器設(shè)備 三、試料準(zhǔn)備 四、試件制作步驟 五、注意事項(xiàng)及相關(guān)說明,1溫度補(bǔ)償片 2溫度補(bǔ)償應(yīng)變片 3屏蔽線 4接線柱 5應(yīng)變儀 6測(cè)試應(yīng)變片 7試件 收縮系數(shù)測(cè)試接線示意,半剛性基層材料收縮方法,1計(jì)算機(jī) 2接口線 3接線柱 4應(yīng)變儀 5屏蔽線 6環(huán)境箱 7試件 8應(yīng)變片 收縮系數(shù)測(cè)試系統(tǒng),溫縮系數(shù)測(cè)定試驗(yàn),溫縮系數(shù)測(cè)定方法,一、目的和適用范圍 水泥、石灰等無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土或粒料所形成的半剛性基

8、層材料的溫度收縮性能通常用溫度收縮系數(shù)表征。材料的溫度收縮系數(shù)是指下降單位溫度條件下，材料產(chǎn)生的收縮應(yīng)變量。本試驗(yàn)方法適用于在室內(nèi)測(cè)定半剛性基層材料的溫度收縮系數(shù)。 二、儀器設(shè)備 三、試料準(zhǔn)備 四、成型標(biāo)準(zhǔn)確定 五、試件制備 六、試件養(yǎng)生 七、試驗(yàn)步驟 八、計(jì)算各具體溫度區(qū)間的溫度收縮系數(shù),一、目的和適用范圍 水泥、石灰等無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定細(xì)粒土或粒料所形成的半剛性基層材料的干燥收縮性能通常用干燥收縮系數(shù)表征。材料的干燥收縮系數(shù)是指減少單位含水量條件下，材料產(chǎn)生的干燥應(yīng)變量。本試驗(yàn)方法適用于在室內(nèi)測(cè)定半剛性基層材料的干燥收縮系數(shù)。 二、儀器設(shè)備 三、試料準(zhǔn)備 四、成型標(biāo)準(zhǔn)確定 五、試件制備 六、試

9、件養(yǎng)生 七、試驗(yàn)步驟 八、計(jì)算某一具體含水量區(qū)間的干燥收縮系數(shù)：,干縮系數(shù)測(cè)定方法,基層沖刷試驗(yàn)現(xiàn)有設(shè)備狀況,1鋼桶 2試件 3水 4配重 5振動(dòng)臺(tái)頂面 6振動(dòng)臺(tái),法國振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置,澳大利亞振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置,1旋轉(zhuǎn)刷 2試件,法國旋轉(zhuǎn)刷試驗(yàn)裝置,1鋼桶 2水 3混凝土墊塊 4試件 5振動(dòng)臺(tái)頂面 6振動(dòng)臺(tái),利用MTS進(jìn)行沖刷試驗(yàn),壓頭向下運(yùn)動(dòng),壓頭向上運(yùn)動(dòng),室內(nèi)沖刷試驗(yàn)機(jī),1機(jī)架 2皮帶 3固定偏心塊 4活動(dòng)偏心塊 5 配重箱 6沖刷頭 7沖刷桶 8導(dǎo)向柱 9電機(jī) 10框架 11分動(dòng)齒輪 12配重塊 13水 14試件 15鋼夾 道路沖刷試驗(yàn)機(jī)示意圖,激振力調(diào)節(jié)原理示意圖,1活動(dòng)偏心塊 2銷孔 3

10、固定偏心塊,抗沖刷性能試驗(yàn)方法,一、 目的和使用范圍 本試驗(yàn)方法適用于水泥穩(wěn)定類、石灰穩(wěn)定類、二灰穩(wěn)定類等基層材料進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)。本試驗(yàn)方法包括：按照室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所確定的最大干密度和最佳含水量，采用靜力壓實(shí)或振動(dòng)成型法制備試件，試件為圓柱體，高度與直徑之比為11。 二、儀器設(shè)備 三、試件形狀、尺寸 四、試料準(zhǔn)備 五、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的確定 六、試件制備 七、試件養(yǎng)生 八、試驗(yàn)步驟 九、試驗(yàn)結(jié)果處理,設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)方法,結(jié)構(gòu)類型選擇 控制指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn) 選擇法 試驗(yàn)法,路面基層類型,材料組成水泥穩(wěn)定類、石灰粉煤灰穩(wěn)定類、 水泥混凝土類、瀝青穩(wěn)定類、 無結(jié)合料粒料類； 力學(xué)行為半剛性、柔性、剛性； 結(jié)構(gòu)組成骨

11、架密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架孔隙結(jié)構(gòu)、 懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、均勻密實(shí)結(jié)構(gòu)。,V1 V2 V1 V2 V1 V2,提出了結(jié)構(gòu)類型劃分的物理概念和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 提出半剛性基層材料四種結(jié)構(gòu)類型： 均勻密實(shí)結(jié)構(gòu) 懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu) 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu) 骨架孔隙結(jié)構(gòu),均勻密實(shí)結(jié)構(gòu) 懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu) 骨架密實(shí)結(jié)構(gòu) 骨架孔隙結(jié)構(gòu),不同結(jié)構(gòu)類型半剛性基層材料,粗集料壓密后的孔隙體積,細(xì)集料和結(jié)合料壓密后的總體積,各結(jié)構(gòu)類型基層的特點(diǎn),懸浮密實(shí)型混合料中的粗集料用量一般在50左右，細(xì)集料含量較多，抗彎拉性能較好，適用于各等級(jí)公路的基層和底基層。 骨架密實(shí)型混合料中的粗集料用量一般在75以上，細(xì)集料含量較少，壓實(shí)混合料的嵌擠強(qiáng)度較高，抗裂性、抗沖刷

12、性較好，宜用于高速公路和一級(jí)公路的基層。 骨架孔隙結(jié)構(gòu)型混合料與骨架密實(shí)型混合料相比具有較高的孔隙率，適用于有較高路面內(nèi)部排水要求的基層。 均勻密實(shí)型混合料建筑費(fèi)用較低，可用作二級(jí)及二級(jí)以下公路路面的基層或底基層，不能用作高速公路和一級(jí)公路的基層。,水泥穩(wěn)定碎石基層材料體積參數(shù)測(cè)定結(jié)果,粗集料骨架試驗(yàn)級(jí)配,粗集料試驗(yàn)級(jí)配表,x 混合料中水泥的用量（g） y 混合料中細(xì)料的用量（g） W粗料裝滿標(biāo)準(zhǔn)容器后粗料的質(zhì)量（g） 水泥、細(xì)集料 水泥、細(xì)集料的最大干密度（g/ cm3） A 混合料中預(yù)定水泥計(jì)量（%） B 通過試驗(yàn)確定出的粗集料空隙體積（cm3）,骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石組成計(jì)算,結(jié)構(gòu)類型的選

13、擇,混合料設(shè)計(jì)方法,半剛性基層材料混合料組成設(shè)計(jì)方法分兩種，即選擇法和試驗(yàn)法。 選擇法 選擇法適用于常見的水泥穩(wěn)定碎石、二灰穩(wěn)定碎石材料。對(duì)于這些材料，當(dāng)其集料級(jí)配得到改善，或混合料結(jié)構(gòu)類型由懸浮密實(shí)型向骨架密實(shí)型改變后，其路用性能也會(huì)隨之改善，當(dāng)其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求后其他性能也能滿足相應(yīng)要求。 試驗(yàn)法 實(shí)踐中會(huì)因材料和施工設(shè)備等條件的變化提出超出常規(guī)的新的材料級(jí)配組成；并且，隨著半剛性基層材料的發(fā)展，在各地的實(shí)踐中采用了許多外加成分和新材料，如在混合料中加入各種填加劑、纖維、早強(qiáng)劑以及當(dāng)?shù)氐墓I(yè)廢渣等。這些材料使用經(jīng)驗(yàn)很少，僅從7天的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)難以評(píng)判這些新材料的其他路用性能，對(duì)于它們需要進(jìn)行充分的室內(nèi)試驗(yàn)論證其可用性。,選擇法水泥穩(wěn)定碎石,懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配范圍,骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配范圍,骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)配范圍,骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類集料級(jí)配 （JTG D50-2006）,懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定類集料級(jí)配 （JTG D50-2006）,試 驗(yàn) 法,一、原材料 二、試驗(yàn)方法 1. 試件成型方法 2. 抗壓