西藏级配砾石柔性基层沥青路面结构的研究（可编辑）

西藏级配砾石柔性基层沥青路面结构的研究（可编辑） 西藏级配砾石柔性基层沥青路面结构的研究 重庆交通大学 硕士学位论文 西藏级配砾石柔性基层沥青路面结构研究 姓名:张毅 申请学位级别:硕士 专业:材料学 指导教师:梁乃兴 20090601摘 要 西藏地区海拔高、气候寒冷、交通量相对较少,公路路面的破坏形式主要以 冻害和半刚性基层沥青路面的反射裂缝为主。与半刚性基层沥青路面相比,级配 砾石柔性基层沥青路面具有更好的抗冻性、抗反射裂缝性能,本文通过对级配砾 石柔性基层沥青路面的研究以提高西藏公路的使用耐久性,减少路面的养护和维 修费用。另外,西藏地区交通相对不便,公路建设材料外运困难,采用级配砾石 柔性基层沥青路面能够充分利用当地极为丰富的砂砾石材料,从而大大降低工程 造价,促进西藏地区低等级道路交通的发展。 本文通过室内试验结合理论,研究了级配砾石混和料的非线性承载力特 性与级配砾石基层沥青路面中沥青混凝土的疲劳寿命;通过室内试槽试验和在西 藏铺筑试验路分析了级配砾石基层沥青路面结构的路用性能,具体内容如下: . 通过击实试验和试验研究得出最大粒径. 比最大粒径为 的级配砾石混合料最大干密度和值都要大;通过水稳定性试验研究得出级配 砾石混合料具有较好的水稳定性,.的部分含量是影响级配砾石混和料的水 稳定性的关键;通过回弹模量试验研究了级配砾石混和料最大粒径与回弹模量的 关系、不同压实度与回弹模量的关系、含水量与回弹模量的关系,冻融对级配砾 石混和料回弹模量的影响,通过研究得出..这级粗砾石的存在对级配 砾石混和料整体强度的提高起到了一定的作用,级配砾石混和料压实度在%一 %之间改变时材料抵抗变形的能力改变不大,随着级配砾石混和料水分的蒸发承 载力逐渐提高,级配砾石混合料具有较好的抗冻性,.的部分含量是影响级 配砾石混和料的抗冻性的关键;结合回弹模量试验结果,通过理论分析建立了级 配砾石混和料冻融前后的非线性承载力模型,级配砾石混和料冻融前的非线性承 载力模型为..盯,矾.,级配砾石混和料冻融后的非 线性承载力模型为..仃,吼.;通过对级配砾石基层 沥青路面的室内试槽试验与检测研究得出所选结构中基层和沥青混凝土是主要的 承重层,要想减小路面车辙,一个方面措施可以采取提高级配砾石基层和沥青混 凝土的承载能力,另一个措施就是要提高沥青面层的厚度;在进行室内劈裂疲劳 试验的基础上建立了沥青混凝土应变疲劳方程,并结合有限元计算得到的沥青混 凝土层底拉应变结果对试验路结构中沥青混凝土面层进行了疲劳寿命分析,分析 得出试验路结构冻融后沥青路面的疲劳寿命仅是无冻融沥青路面疲劳寿命的%, 但无论是有无冻融破坏的两种情况均能满足疲劳寿命的要求。通过对级配砾石基 层沥青路面试验路的铺筑和不同时期的路用性能检测,了解到级配砾石柔性基层沥青路面的裂缝率和破损率均远远小于半刚性基层沥青路面,级配砾石柔性基层 沥青路面具有良好的路用性能。 研究的成果为进一步研究级配砾石基层材料的非线性特性与级配砾石基层 沥 青混凝土路面的疲劳寿命奠定了基础,对今后西藏地区级配砾石基层沥青路 面的 推广与应用具有重要的参考价值。 关键词:级配砾石;沥青路面;非线性模型;疲劳寿命 ?西. 锄西 , .. .? ,; , :.. ; .;, , . .~ 仃 %??% ’ , ,.; , , . , .盯盯. ..仃盯 .; 廿.;、析 仃,%,., ? . ,.: ; ; ;重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他 个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 啉年占其乙 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并进行信 息服务包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等,同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名:隈酸 指导教师签名:..曼羔习竺竺量竺麓竺量 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊光盘版电子杂志社?系 列数据库中全文发布,并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》 规 定享受相关权益。 一 学位 指导 师 名 ;参 日期 者年 狼? 议日 日期 年 苫月 / 袅朋 文山 名; 捌 涉 敝谚 作叫,, 一 签口’第一章概述 第一章概述 .项目背景及意义 西藏地区有一个相对特殊的地理气候条件,即海拔高、气候寒冷。公路冻害 就是西藏公路的主要破坏形式之一,这便对西藏地区的公路路面材料和结构 提出 特殊的要求特别是抗冻性要求。此外,西藏地广人稀,交通不便,公路养护难 度大,公路建设材料外运困难,因此当地的公路建设需要因地制宜,以当地料 源 为主。同时也要求公路路面要有较好的耐久性,从而有效的减少路面的养护和维 修。 西藏地区现有沥青路面的结构形式绝大部分采用半刚性基层沥青路面。在新 修的沥青路面结构中,绝大部分采用水泥稳定级配碎砾石作为路面基层。半 刚性基层具有良好的板体性能、较高的承载能力和分布荷载的能力,可使得路面 结构对土基的依赖性大大降低。然而,在大量应用过程中发现,半刚性基层沥青 路面也存在着一些难以解决的问题: 首先,半刚性基层沥青路面在西藏地区的应用过程中最突出的问题就是早期 损害。据相关调查资料显示,西藏地区有些半刚性基层沥青路面建成仅年, 甚至是在公路建成当年,沥青路面就发生了不同程度早期损坏,并且大部分公路 普遍达不到要求的年限,道路路面网裂、松散、坑洞、唧浆、拥包,推移等 病害频繁出现,这不仅影响了行车的舒适性,增加了车辆损耗,提高了运营成本, 更重要的是对行车安全构成了严重的威胁,社会影响极其恶劣。使得路面远不能 满足其本应提供的行车安全、舒适、经济、快捷的服务功能要求。半刚性基层沥 青路面早期损坏严重主要有以下两方面原因: ?由于半刚性基层为水硬性材料,在温缩和干缩作用下会形成裂缝,基 层裂缝在荷载作用下会逐步向上扩展,形成沥青路面的反射裂缝。 ?半刚性基层自身透水性差,不仅使其客观上成为了路面内部的截水层, 从而导致沥青层与半刚性基层之间的界面耦合作用遭受破坏,还会使得沥青混凝 土聚集大量的水份,为沥青路面的水损坏特别是冻融破坏埋下隐患。随着水份的 不断下渗和聚集还会对基层和土基造成冲刷,为基层或底基层底面处形成泵吸作 用创造了条件,从而削弱路面的整体强度、导致路面结构的破坏。 其次,从路面修筑的经济成本方面考虑,西藏地区的水泥成本高,采用水泥 稳定级配碎石半刚性基层沥青路面的结构将使路面的修筑成本增加。 基于半刚性基层沥青路面在西藏地区大量应用的现实及其存在的问题,急需 针对沥青路面结构和材料进行深入地研究和反思,寻找出解决半刚性基层沥青路 第一章概述 面易于发生早期病害问题的途径和改造现有半刚性基层沥青路面组合结构的方 法。 据国内外已有研究成果与相关报道显示,采用级配砾石柔性基层沥青路面能 有效的解决半刚性基层沥青路面所存在的问题,形成优质的路面结构。级配 砾石 柔性基层使沥青路面的裂缝减少,同时由于其排水性能良好,路面结构中由于水 聚集而引起路面破坏的可能性大大降低,从而提高沥青路面的使用性能及使用寿 命。此外,西藏地区有着极为丰富的砂砾材料,如果能很好的应用到公路工程建 设中,将能大大降低西藏地区的工程造价。鉴于以上原因,本项目对西藏地区级 配砾石柔性基层沥青路面进行了研究。本次研究对西藏地区公路的建设有非常重 要的现实指导意义,必将促进高寒高海拔地区公路修筑技术的发展,使得路面更 经济、结构更合理、使用性能及耐久性更好,同时本课题的研究成果也将对级配 砾石基层沥青路面的设计及结构分析有一定的理论价值。 .国内外研究现状 ..国外沥青路面结构概况及发展趋势 到目前为止,沥青路面有沥青下卧粒料基层路面、沥青稳定基层沥青路面、 全厚式沥青路面,半刚性基层沥青路面四大类。几个有代表性国家的沥青路面结 构如下: ?美国 半刚性基层沥青路面在世纪、年代曾经是美国沥青路面的主要结构 类型。但从年代开始,半刚性材料使用越来越少。取而代之的是沥青下卧粒料 基层和全厚式结构的柔性路面结构。世纪初,美国沥青路面联盟牵头联合 各单位进行的永久性路面的研究中,永久性路面的基本结构选用的是全厚式沥青 路面和高强度厚沥青路面,这基本上是否定了半刚性基层路面在高速公路和重载 交通上的使用。 ?法国 年法国的路面结构主要有三种,分别为:组合结构加沥青碎石基层、 复合结构全半刚性基层以及倒装结构设碎石过度层。年,技术 委员会对半刚性路面进行了全面的总结,反思了原来认为的高强度和高承载能力 不一定意味着最好的路面性能,并指出了半刚性基层有着本身难以克服的缺陷和 不足。 ?德国 第一章概述 德国沥青路面结构历来以柔性结构为主,且沥青层较厚。在年的典型结 构中,半刚性材料明确不允许用作路面结构的基层,一般采用的沥青面 层。半刚性材料只作为底基层,厚度统一为。高速公路上,即使交通量较低, 由于半刚性材料不可避免的会产生开裂,因此不采用半刚性材料。而是以沥青下 卧粒料基层或全厚式路面的柔性路面结构作为高速公路的主要结构。 ?日本 日本使用沥青稳定材料作为基层。沥青稳定基层有两种方式:一是采用加热 拌和式沥青稳定基层;二是使用液体沥青在常温下拌和混合料。热拌沥青稳定层 材料所采用的沥青等级为针入度/、/、/,集料采用碎石、未筛 碎石、砾石、矿渣、砂等,沥青用量通过试验确定。 ?南非 南非的沥青路面面层很薄,只有的密级配沥青混凝土,基层采用级配 碎石或沥青稳定材料,底基层采用水泥稳定集料。 各国采用的沥青路面结构的区别,不仅表现在沥青面层厚度的差别,也表现 在路面基层材料类型及厚度的差别以及底基层材料类型的差别。其中使用性能最 好的是沥青下卧粒料基层和全厚式结构的柔性路面结构,至于半刚性基层的沥青 路面,在国外已基本上退出了历史舞台,水泥稳定集料类材料只用作路面的底基 层。国外沥青路面的使用现状和趋势是以沥青下卧粒料基层和全厚式结构的柔性 路面结构为主要路面结构形式。 ..国内外粒料类基层沥青路面的使用现状 在国外,将粒料类材料广泛应用于道路基层的国家有:巴西、南非、比利时、 南斯拉夫、德国、丹麦、葡萄牙、法国、意大利、奥地利、印度、新西兰,加拿 大等。至于将粒料类材料用于底基层的国家就更多了。这些国家在将粒料类材料 作为基层时,都是采用连续级配的,而作为底基层时,则可以用级配的,也可以 用天然的【】。美国的纽约州交通运输部门对粒料材料作为路面基层、路面底基层的 级配、压碎值、塑性指数和砂当量制定了相应的规澍。具体数据见表和表 .. 第一章概述 表.粒料材料级配 . 基层 底基层 筛孔通过粒径 面层 . ~ ~ . ~ . ~ ~ ~ . ? ~ ~ .唧 ~ ~ ~ 表.粒料材料特性 . 材料特性 面层 基层 底基层 最大压碎值娟 塑性指数 砂当量 ?在美国的的设计方法中对沥青面层和粒料基层的最小厚度给定了 一 个建议值【,见表.。 第一章概述 表.沥青面层和粒料基层的最小厚度. 沥青混凝土 粒料基层 交通 . 小于 ~ . ~ ..~ . 大于 . 注:?最小厚度单位为,.; ?数据引自。 在美国地沥青学会法中,对基层和底基层采用未处理的粒料材料的质量作了 具体要求【,见表.。 表.基层和底基层未处理的粒料质量要求 . 试验 底基层 基层,最小值,最小 液限,最大塑性指数,最大 无塑性含砂当量,最小通过号筛的百分数,最大 在加拿大,道路运输部门还针对不同的交通量给出了粒料基层沥青路面的路 面结构厚度的建议值【。现将加拿大安大略省的柔性基层沥青路面结 构组合见表.。 第一章概述 表.加拿大安大略 省的柔性基层沥青路面结构组合 . 设计车道的累计标准轴次 结构层次 . . 路基 路基 路基 路基 路基 路基 路基 路基 路基 沥青混凝十面层 粒料基层 ?与~ ? ?届 粒料底基层 ~ ~ ~?总厚度 注:括号内数值为路基土值;标准轴载为。 瑞士、芬兰、法国等一些国家针对将非粘结材性粒料用于基层还给出了交通 量的限制,结果见表.。 表.粒料材料作为基层的交通量限制 . .重车/日/方向 轴载 使用范围 冻融或无冻融 国家 薄层沥青下 厚层沥青下 双轴 表处下基层 单轴 深度: 的基层 的基层 达到辆重前 瑞士 冻融 不使用 厚单层材料 芬兰 冻融.~.法国 冻融或无冻融 . 澳大利亚 无冻融 没有交通限制,每一种情况分别检查 德国 冻融.~. 交通量低 无限制 荷兰 冻融 用得少,无交通量限制~ 意大利 无冻融捷克 冻融.~.葡萄牙 无冻融 ~ 冻融 波兰 .~. .~ . 无限制 加拿大 无冻融 第一章概述 由上述表可知,在将粒料类材料作为基层时,粒料材料在满足级配、压碎值、 塑性指数和砂当量的要求的前提下不但能作为低交通量的道路的基层,也能 作为 交通量达到万累计标准轴次的道路基层使用。 目前,国内公路建设中,对粒料类材料采用的通常做法是:将碎砾石按 一定的级配组成,然后掺加一定比例的粘结料石灰、粉煤灰或水泥,将这种掺 加了无机结合料并满足级配要求的混合料作为高等级公路的基层【】。而不 掺加无机 结合料的粒料类材料适用于二级和二级以下公路的基层以及各级公路的底 基层。 当用作基层时,石料的最大粒径不宜超过姗;当用作底基层时,石料的最大粒 径不宜超过。以粒料类材料直接作为公路的基层,所见报道较少。偶尔见 有,也仅限于公路等级低,或所建公路位于河滩、河谷等碎砾石很丰富的地 区。如湖南国道芷江沙湾.公里二级公路改建工程;该公路从使用实践来 看,由于粒料类材料的塑性指数过大和级配较差,路面在使用一年之后便出现大 面积的网裂、辙槽、沉陷等病害【】。此外,黑龙江同化三村边防公路也采用粒料类 材料基层,该公路从使用实践来看,路面结构整体性较好,稳定性强,路面较平 整,基本达到晴雨通车【引。 兰永贵等人就级配碎砾石基层对寒冷地区高等级公路沥青路面反射裂缝 隔断作用进行了研究,指出级配碎砾石与半刚性材料构成的组合基层具有明显 的抗裂效果,在不影响路面结构整体强度的情况下,对路面结构的水稳性和冰冻 稳定性等有显著改善,是北方地区的一种良好的路面结构组合形式旧。。王树森和 范云等人提出了级配碎石基层材料组成设计与工艺控制方法。。国内粒料类材料 研究成果总结如下: ?关于振动成型与静力压实成型的分析比较:振动成型试样的值、弹 性模量均高于同等密度情况下击实成型试样;同击实成型相比,振动成型试样中, ..以上颗粒含量多出%%,因而振动成型使得嵌挤作用更强?。 ?级配碎砾石弹性模量动三轴的实验研究:级配碎石成型压实度大于 %%对于保证强度是必须的。同时初步证明了优质级配碎砾石在半刚性路 面防裂过渡层的止裂作用;证明了含水量是除应力状态外,影响级配碎砾石 弹 性模量的又一个重要因素,控制成型含水量在最佳含水量附近是重要的;需 要指 出的是当前规范中级配碎砾石模量未充分考虑材料的非线性,故取值不够合 理, 取值偏小”。。 ?碎砾石基层材料表现出较明显的非线性特性,即弹性模量随主应力的 增加而增加。相应其承载力会随交通荷载的增加而增加?。 第一章概述 国内研究人员也铺筑了一定数量的柔性基层沥青路面,并对其使用情况进行 了调查: 四成渝高速公路大部分是采用的沥青层二灰碎石的半刚性基层沥青路 面,但也铺筑了相当一部分级碎砾石柔性基层沥青路面,柔性基层结构为 沥青混凝土沥青碎石级配碎石基层石灰稳定泥岩底基层。 自年通车到年进行现场调查,半刚性基层和柔性基层沥青路面都发生 了不同程度损坏。但是在其一期建设的路段,同样是采用级 配碎砾石基层柔性结构,在通车年后,路面上除有轻微车辙、少量微裂缝及 桥涵构造物衔接处局部沉陷外,路面状况基本完好。为分析相同结构的柔性 基层 沥青路面却有不同的使用效果的原因,交通部公路科学研究所在已损坏和未损坏 的柔性基层路段,分别进行了现场开挖检验。现场开挖后发现,在已损坏的路段, 级配碎砾石中含泥量严重超标,水稳性差;而在未损坏的路段,因沥青层非常 致密,表面水渗入较少,级配碎砾石基层十分洁净,基本不含泥土成分?。 广西国道南宁三塘至五塘段旧路面改造采用了柔性基层,路面结构为: 沥青碎石封层级配碎石未筛分碎石原路面。年竣工后, 到年未进行大中修,虽然路表弯沉已大大超过容许弯沉,但除了由于路基下 沉导致路面部分损坏外,路面状况完好。 国道线南宁~梧州二级公路采用类似结构,到年路面良好,路面 平整、无坑槽、无车辙,使用年未进行大中修。 玉林一山口二级公路.倒装结构试验路,路面结构厚度为沥青表面 处治?级配碎石层过渡层?掺%的水泥稳定砂砾。试验路于 年月份竣工,该路段日混合交通量超过次且在有大量超载的煤矿车 通行下,使用至年才罩面中修,路面使用期间无横向裂缝,处于良好状态。。 北京市国道京沈路京密一级公路、老国道、京周公路等铺筑于 世纪年代,沥青层大部分是贯入式路面或上拌下贯式路面,面层厚度一般不到 ,天然砂砾和碎石基层材料也很不规范,但都经过约年才开始第一次加铺 罩面。这些路的交通量都非常大,超载车也很多,经过多年使用,路面主要发 生 了龟裂,但很少见横向裂缝和车辙,尤其是龟裂后的沥青层仍然可以使用,而不 容易产生坑槽?。。 由此可见,这些早期铺筑的柔性基层沥青路面虽然沥青层较薄,但由于材料 合格,施工质量良好,级配碎石基层沥青路面仍然表现出了良好的工作状态,这 第一章概述 应该引起足够重视。这些成功经验促使研究人员对柔性基层沥青路面进行重新认 识,为工程界提供了一种解决沥青路面早期破坏问题的思路。 ..国内外对粒料基层设计理论的研究 ?碎砾石材料的应力一应变特性 国内外对柔性基层材料即粒料的研究很多,意见也很不一致,这主要是由于 粒料类材料的物理力学性能十分复杂,因而表示其变形性质的回弹模量也是一个 相当复杂的物理力学指标,在作粒料基垫层的力学分析时,将其取为常数就 显得十分勉强了,在设计法中规定粒料模量值决定于路基的模量和粒料基 层厚度,国内如张起森、凌天清等人也对这方面有较深的研究。 级配碎砾石、天然级配砂砾以及填隙碎石等粒料材料的变形特性是相当 复杂的,其变形可归结为结构变形和颗粒变形两种基本形态。结构变形为各颗粒 之间位置相互转移的结果,是不可恢复的变形,颗粒自身的变形是连续的,一般 呈非线性状态。由于颗粒之间的接触应力要超过连续体计算的平均应力的许多倍, 即使平均应力不太大,而接触点的实际应力已大到产生塑性变形的程度,同时颗 粒之间的接触面随作用力的增大而增大,而所有这些都使得作用在颗粒上的材料 上的应力与应变关系呈现明显的非线性特性,因而回弹模量并非是一个常数,而 是应力状态、压实度、含水量、细料含量以及毗邻结构层刚度等因素的函数。国 内对该问题研究甚少,而国外研究大多采用重复的三轴试验,并建立了粒料回弹 模量与应力状态的关系。 对于轮载作用下粒料层材料的变形可以分为可恢复变形和残余变形。而颗粒 材料的变形机理至今仍然没有被完全了解。认为,颗粒材料在荷载 作用下的变形是三种不同机理共同作用的结果,即固结、形变和碾压。 许多研究都表明粒料类材料的模量均随作用的应力状态而变化,其应力应变 的非线性使得材料的回弹模量在很大程度上受竖向和侧向应力大小的影响。其回 弹模量己的确定方法采用三轴试验确定,试验结果表明在同一侧向应力。作 用下 回弹模量随偏应力盯一仃,增大而逐渐减小,随偏应力的减小而增大瑚。。根 据 实验研究结果,回弹模量乜值可用下式表示: 巨如 . 式中:,一粒料基层弹性模量; 口一第一应力不变量,仃,盯仃; 第一章概述 、局一材料和试验有关的回归系数。 在美国沥青路面设计方法中,对于粒料基层而言,弹性模量也采 用式.表示,对基层材料通常取~,.~.。对于具体的基 层材料,。和:值采用 方法确定。若无这方面的资料,可以用以下所 列数值,见表.。 表.粒料材料基层常用和值 .水分状况 ? 尼 干 ~ .~. 潮湿 .?旬. ~ .~. 湿 基层的回弹模量不仅是。和:的函数,而且还是应力状态的函数。基层 的应力状态值随路基土回弹模量和面层的厚度而变化。常用的值见表.。 表.基层常用应力状态值 .路基土同弹模量 沥青混凝土厚度 小于 ? 大于 注:?口的单位为,.,.; ?数据引自。 。在美国沥青协会沥青路面设计方法中,对于未处治的粒状材料的材料 特性的确定:泊松比假设为.,而模量与应力水平相关,应力对回弹模量的影 响仍为式.,系数选用的范围为.~.,幂指数:.。 设计法规定粒料模量取决于路基的模量和粒料基层厚度,即第一章概述 .式中:系数,.,‘: 而广粒料基层厚度,。 对于常见的粒料层厚度,介于.之间,因此粒料基层模量也基本介于 间。 在设计程序中,将土基和所有沥青层作为线弹性,将未经处治的粒料 基层作为非线性弹性体。因为由土基应力变化产生的模量变化通常很小,假 设土 基线弹性是合理的。粒料基层的模量根据多变量回归的预测方程计算: .办尹埘辟”霹。‘姗 . 式中:、、局?分别为沥青层、粒料基层和土基的模量; 、』广分别为沥青层和粒料基层的厚度; 蜀一同式.。 国内何兆益四采用重复三轴试验,对级配碎石弹性模量进行了系统研究,试 验设备为中型动三轴仪,试样尺寸为直径由高。竖向 应力采用正矢波脉冲偏应力,应力持续时间.,间隔时间为,施加重复应 力数为次测定瞬时回弹应变,并按下式计算回弹模量: %/, . 对不同级配、含水量和密实度的级配碎石进行室内动三轴试验研究认为 均值,.均值。 卜。模型形式简单,被广泛应用于描述刚度对应力的依赖性。但是, 模型也有一定的局限性,如假定泊松比是恒定的【等等。因而又有许多学者 提出 了好多模型,有提出的三轴条件下的模型: . 以:白风旦和建议一口模型应包括破坏项,即: . 耳墨簧 我国的一些学者,如凌天清在野外足尺试验的基础上建立了粒料基垫层 第一章概述 材料回弹模量与粒料层厚度和基础下卧层模量之间的回归关系模型【】。此 关 系模型可用于道路路面结构非线性、铁路路床和砂砾石换填路基的力学分析 使用。 具体模型如下: . 式中:卜天然级配砂砾的回弹模量 五颤然级配砂砾结构层的厚度; 卜对应测点土基回弹模量; ,扛与材料有关的系数。 凌天清通过研究认为粒料基层厚度在~之间时,其回弹模量是土基或 基础回弹模量的倍。利用国外试验研究资料并经理论分析推导得出粒料基 层回弹模量的另一应力依赖性模型四: . 、 丽 一,盯盯 式中:一粒料基层的回弹模量; 、刀一根据三轴试验数据确定的回归系数,足肜,,., .,. 尼一实际作用偏应力%与破坏偏应力盯飞厂之比; 鼢一偏应力,飞; 一以?破坏偏应力,其值与粒料的强度指标有关,由摩尔一库伦 破坏准则: .? .:丝掣掣型业 ???二二 式中:、旷粒料的单位粘结力和内摩擦角,由三轴试验确定; 哪料基层内的主应力之和,眈乃。 梁乃兴针对粒料材料的特点提出了非线性的理论模型【,该模型的公式如下: 口仃盯 . 式中:盯一大主应力, 毋一小主应力, 口一试验参数,无量纲; 第一章概述 一试验参数,单位~: 一试验参数,单位为; ,,是采用室内回弹试验的数据利用有限元理论回归而得。 可见,对于粒料层非线性分析模型较多,结论不一,但是有一点是肯定的, 那就是粒料层具有明显的非线性特征,运用非线性分析肯定比线性分析要合 理, 而且更有利于材料物性的发挥。 ?粒料基层永久变形预估模型 同荷载作用次数相关的模型 等对不同基层材料的永久应变状况进行了广泛的重复加 载三轴试验作用次数次后发现,在给定的偏应力比条件下,轴向永久应变 的积累同加载次数的对数呈正比‘: . 毛 式中:、扣州验确定的参数。 研究了粒料的长期响应,发现在荷载重复作用次数少的情况 下可以用上述半对数关系式拟合,但当重复荷载作用次数超过后该模型公式 就 不适用了。为此建议在大量重复作用次数采用双对数关系式‘: . 乞 ? 由公式可得:孝 公式中是与材料所受的应力有关的参数;是与材料性质有关的参数 对于基层材料在..范围内。 等采用重车模拟设备在足尺实验路段上进行数百万次作用后,对 上述双对数关系式提出了质疑。认为永久变形由两阶段构成:初始阶段作用 万次之前,永久变形快速发展,但增长率不断减少:第二阶段,永久变形的发 展 速率要慢得多,其增长率趋近于一个定值。由于双对数关系式对大荷载作用 次数 的永久应变不能给出可靠的估计,等建议采用下述应力一应变模型: 口,脚口一一? . 式中:、、均为回归系数。 上述研究都说明了,永久应变会随作用次数无限累计。一些研究还表明,当 第一章概述 作用的重复应力保持在某一水平下时,所产生的永久应变最终会停止增加, 达到 平衡状态。 对石灰岩碎石进行永久应变性状研究后认为,永久应变累计速率随著 : 作用次数呈对数下降,可采用下公式表述‘ 亟:舭 . 一月, 式中:?材料参数; 材料和应力一应变参数,为剪应力比和回弹模量的函数。 同应力状况相关的模型 许多研究结果表明,应力水平对永久应变的发展有重大影响,永久应变的性 状主要受某种形式的应力比控制。 等对部分饱和的碎石进行了重复荷载三轴排水试验,进行次 重复作用后量测到轴向永久应变稳定在一个不变的水平,它可直接同偏应力 和侧 限应力的比值相关联‘: . “.华 等对几种松散粒料进行了全面的研究,使用邓肯一张双 曲线模型在轴向偏应力与围岩的比值和永久应变之间建立了函数关系‘ 。 他提出 的双曲线型式的永久变形预估方程为: 分可?器南七四 式中:;?初始的切线模量,它是围压的函数,其中、均为常数; ,痧?粘结力系数和内摩擦角; ,一与土的抗压强度和大气压强的比值相关的常数。 等分析了粒料的重复加载三轴试验结果后发现,在累计永久应变、应 力路径长度以及最大剪应力和法向应力之间可以可以建立上述形式简单的 关系 第一章概述 八 筹口乒 式中:孝,婶?在作用?,次?,后累计轴向永久应变; 应力路径长度, ??参照应力,:,卜回归系数。 同应力水平和荷载作用次数综合效应相关的模型 等依据采用种应力组合对基层粒料进行了常侧限应力三轴试验的结果 共组数据,将永久应变累计同作用次数和应力水平联系起来,通过回归 分析认为,下述指数或对数形式的模型具有较高的相关性‘: . 卣西‖尺. . 石, ‖. 式中:、、、为由回归得到的模型参数。 提出如下式的经验模型,利用该模型可以利用简单的塑性 参数计算累积塑性变形‘翻: .。 乞口×会;×鲁×詈口,, 式中:,,??层顶的竖向压应力;刊料的弹性模量 、、、口、‖、,,??系数。 ?国内对粒料基层永久变形的最新研究 同济大学根据典型路面结构粒料基层路面永久变形量的分析,采用统计 回归方法建立了粒料永久变形量与主要路面设计参数的回归方法建立了粒 料永久 变形量与主要路面设计参数当量轴载作用次数,路面厚度,模量,基层 厚度,模量,土基模量之间的五参数经验回归关系式如下?: ..矿..互.舰. 同时该研究发现柔性路面的粒料层永久变形量达到半刚性基层沥青路面的 第一章概述 量的永久变形要限制重载和超载车辆。 ?级配理论 一组良好的集料组成,总要求空隙率最小而比表面的总和也不太大,这样的 目的是要使集料本身最为紧密。因此,我们必须研究粗细集料各自本身的配 比问 题以及它们组成后的配比问题。这类问题的解决途径有嵌挤原则和级配原则, 前 者的理论基础是填充理论,后者的理论基础是干涉理论【。 对于最佳级配组成的理论基础是..魏矛斯提出的粒子干涉 理论,认为颗粒间的空隙率应由次一级颗粒所填充,其所余空隙又由再次一级颗 粒所填充,但填隙的颗粒不得大于其间隙的距离,否则大小颗粒之间势必发生干 涉现象,这种既有填充、又有干涉,而不过分干涉的大小粒子间一定数量的分配 的干涉理论为级配理论和级配原则打下了基础。 对各级粒子数量具体分配的级配原则,国内外都进行了大量的研究,提出了 许多经验表格和计算方法,主要的有连续级配、间断级配、折断级配三类,但连 续级配是基础,后两者是结合填充理论发展而成的。 连续级配 组成混合料的级配曲线平顺圆滑,相邻粒径间有一定的重量比例。对连续级 配的计算方法早年有..富勒 根据实验提出的理想级配,认为颗粒级 配曲线越接近抛物线,则密度愈大,表达式为: 只?虽% . 式中:一某粒径集料的通过百分率%; 卜集料的最大粒径咖。 以后.泰波.把富勒公式改变为以下通式: 只。云”‰ . 此式当.时即富勒曲线。根据泰波的理论分析和试验认为..间, 都具有较好的密实度。由于此法主要决定于值,一般又将其称为法。 间断级配 在连续级配中剔除其中一个分级或几个分级形成一种不连续的级配称为间 断级配。间断级配是综合干涉理论与填充理论而成,细料部分仍按连续级配原则 以保持其凝聚力。从填充理论得知,如粗骨料的空隙以更小的粒径而不用次级骨 料填充会得到更大的密实度,因而如把粗料与细料予以间断,那么粗料可以靠拢 第一章概述 而不受干涉,则可提高它的摩阻角,所以间断级配在理论上是兼有嵌挤原则与级 配原则的优点,是摩阻力、凝聚力,密实度都最好的混合料。 折断级配 间断级配虽有其优点,但由于组成间断后,拌和不易均匀。折断级配乃取连 续级配与间断级配之长,其主骨料控制至两级,原则上也使其达到靠拢的程度, 细料按连续级配,粗细料之间不问断,因而级配曲线成折断型,故称这种级配 为 折断级配。 ?粒料材料的颗粒特征及与干密度的关系 粒料材料颗粒组成不同时,性能差别很大。反映在颗粒级配上,一种为连续 级配;一种为缺乏中间粒径的不连续级配。前者表现在颗粒组成积分曲线上比较 连续,颗粒组成微分曲线呈单峰型;后者反映在颗粒组成积分曲线上出现平缓段, 在微分曲线上呈多峰型。分析认为,多峰型的出现,标志着这类粒料材料颗粒组 成的不连续性,谷点明显地将粒料材料分为粗、细两部分,把大于谷点粒径的颗 粒称为粗料,小于谷点粒径的颗粒称为细粒,谷点粒径为粗、细料的区分粒径。 许多资料也同时证明,这类分界粒径通常在~处,以较多。另外,许 多资料分析统计结果表明,无论是缺乏中间粒径的粒料,还是连续级配的粒料, 它们的颗粒组成中,~颗粒的含量一般都比较少。所以,在我国,习惯用 固定粒径作为分界粒径,即将小于的颗粒成为细料、大于的颗粒成 为粗料,含量用表示。一般认为粗料形成骨架,细料填充孔隙,填充愈好,土 体密度愈大,抗剪强度愈高,沉陷变形愈小。总之,颗粒组成是决定粒料材料工 程特性的主要因素。 尽管粒料材料的产地、矿物成分、颗粒性质、颗粒组成不同,但干密度随粗 料含量的变化有共同的规律,即当时,随细料性质的不同,密度大小不同; 当土体粗料增加时,因粗料颗粒大,响应颗粒个数少,代替同重量的个数多、比 表面积大的细料,势必形成单位体积土重增大,这就是干密度随粗料含量增大而 增大的原因。从微观看,在?%范围内,细料占绝大多数,粗料颗粒被细料所 包裹,干密度仍决定于细料,粗料只起影响作用,故在此范围内密度增长率较小。 当%以后,粗料开始起骨架作用,在细料、粗料彼此填充的联合作用下,干 密度增长较快。当为%左右时,粗料形成完整骨架,细料又能填满孔隙,干 密度值最大。%以后,由于细料含量减少,填不满粗料的孔隙,故粗料起主 要作用,细料只起影响作用,出现干密度随粗料含量的增大而减小的现象。 ?碎砾石基层的强度构成 碎砾石基层结构强度形成的特点是:矿料颗粒之间的联结强度,一般都 第一章概述 要比矿料颗粒本身的强度小得多;在外力作用下,材料首先将在颗粒之间产生滑 动和位移,使其失去承载能力而导致破坏。因此,对于这种松散材料组成的基层 结构强度,其中矿料颗粒本身强度固然重要,但是起决定作用的则是颗粒之 间的 联结强度。碎砾石基层的抗剪强度可以用库仑公式表示。因此,由材料的粘 结力和内摩阻角所表征的内摩擦力所决定的颗粒之间的联结强度,即构成了碎 砾石基层的结构强度。 纯碎砾石材料是按嵌挤原则产生强度,它的抗剪强度主要决定于剪切面 上的法向应力和材料的内摩阻角。它的主要影响因素如下: 粒料表面的相互滑动摩擦; 因剪切时体积膨胀而需克服的阻力; 因粒料重新排列而受到的阻力。 纯砾石粒料摩阻角的大小主要取决于石料的强度、形状、尺寸、均匀性、表 面粗糙度以及施工时的压实程度。当石料强度高、形状接近正立方体、有棱角、 尺寸均匀、表面粗糙、压实度高,则内摩阻力就大。 当碎砾石材料含土少时,其按嵌挤原则形成强度;当含土量较多时,则 按密实原则形成强度。这类碎砾石混合料的强度和稳定性取决于内摩阻力和 粘结力的大小。为得到最大强度和稳定性而设计的颗粒材料,应具有高内摩阻力 来抵抗荷载作用下的变形。内摩阻力和由此而产生的抗剪力在很大程度上取决于 密实度、颗粒形状和颗粒大小的分配。在这些因素中,以集料大小的分配,特别 是粗细成分比例为最重要。 室内试验和工地实践表明,集料为碎石时,由于颗粒嵌挤作用的增强,其强 度和稳定性较圆滑砾石集料为好,渗透系数也高,更易排水。此外,细料土的物 理性质对混合料的强度和稳定性也有很大影响,特别是颗粒间的接触破坏时影响 更大。研究表明,当小于.的细粒土少时,其塑性指数对强度的影响便越来 越大。因此,对于细料含量多的混合料,必须限制细料的塑性指数。 第二章课题研究目标与研究内容 第二章课题研究目标与研究内容 .课题研究目标 本课题的研究目标是: ?通过室内试验得出级配砾石混和料的承载能力特性、水稳定性、抗冻性及 其影响因素,以及级配砾石混和料最大粒径与回弹模量的关系、不同压实度与回 弹模量的关系、含水量与回弹模量的关系,冻融对级配砾石混和料回弹模量的影 响。将室内试验结合理论分析得出级配砾石混合料回弹模量随着大、小主应力变 化而变化的非线性模型; ?通过室内试验研究沥青混和料在不同温度和冻融前后的疲劳特性并建立 疲劳方程,将室内试验结合理论计算分析西藏实验路级配砾石基层沥青路面 的疲 劳寿命; ?通过级配砾石基层沥青路面室内试槽和试验路的铺筑以及对各项指标的 现场检测,分析级配砾石基层沥青路面结构的路用性能。 .课题研究内容 依据课题的研究目标,本课题研究内容: ..级配砾石基层和沥青混和料室内试验研究 级配砾石基层和沥青混和料室内试验研究主要包括以下几个方面: ?砾石的材料特性和级配砾石级配组成; ?不同级配砾石混合料的最佳含水量,最大干密度; ?不同级配砾石混合料的承载力; ?级配砾石混合料水稳定性; ?回弹模量与最大粒径的关系、回弹模量与压实度的关系、回弹模量与含水 量的关系、冻融对回弹模量的影响; ?沥青混凝土不同试验温度以及冻融前后的疲劳性能。 ..级配砾石材料非线性特性分析和级配砾石基层沥青路面结构受 力分析研究 结合室内试验结果利用分析软件对级配砾石材料和级配砾石基层沥青路面 结 构进行分析,包括级配砾石混合料回弹模量随着大、小主应力变化而变化的 非线 第二章课题研究目标与研究内容 性特点和级配砾石基层沥青路面结构中沥青混凝土的层底最大拉应变。 ..西藏地区级配砾石基层沥青路面实验路和室内试槽试验研究 西藏地区级配砾石基层沥青路面实验路研究与室内试槽研究主要包括以下 两个部分: ?按照试验设定的多个路面结构在交通大学试验室内铺筑足尺试槽,采 用标准轴载加载万次以上,检测路面结构内的多个位雹的受力状况。 ?在西藏中尼公路同喀则至拉孜段整治改建工程中铺筑了级配砾石基层沥青 路面的试验路,在不同时间对路面弯沉、平整度路面以及破损状况进行检 测,并与半刚性基层路面的检测结果进行对比。 ..级配砾石基层沥青路面疲劳寿命分析研究 对试验段所使用的沥青混和料进行不同温度和冻融前后的疲劳试验,将试验结 果回归出疲劳方程,将分析软件计算得到的路面结构中沥青混凝土层的层底最大 拉应变代入应变疲劳方程计算级配砾石基层沥青路面在冻融前后的疲劳寿命。 第三章级配砾石基层材料及其混和料的路用工程性能分析 第三章级配砾石基层材料及其混和料的路用工程性能分析 .级配砾石基层材料及级配组成 ..材料特性 本课题研究所采用的材料主要为砂砾石。砂砾石从外表看,表面光滑,没有 破损的裂纹,基本上是椭球型,但也有不少是不符合规范的长扁型。天然砂砾 石 的主要成分及特性见表.,物理参数见图.。 表.天然砂砾石的主要矿物成分及特性 .矿物成分 特 性 石灰石 深灰色、灰色,节理发育,有方解石脉。硬度大,致密坚硬 中粒砂岩 深灰色,含石英和方解石,硬度大,致密坚硬 粗粒砂岩 灰白色,以石英为主,颗粒磨圆度差,有层理 粗粒砂岩 以石英为主,含铁质,有层理 细砂岩 层理发育,以石英、长石为主,含白云母碎片 自云岩 灰白色,致密坚硬 表.砂砾石物理参数表 .成分 石灰石 中粒砂岩 粗粒砂岩灰白色 粗粒砂岩铁红色 细砂岩 白云岩 . . . . . 含量% . % . . . . . . . . . . 真密度/ . . . . . 视密度/ . . . . 孔隙率 . 注:虬%指样品烘小时后的含水量。 从上表可以看出,无论是哪种成分的砂砾石,一个共同的特点是:视密度较 大,孔隙率及砂砾石本身的含水量很小。这些特点表明:就单个砂砾石来说,自 身具有很大的强度,从而能够保证砂砾石组成的混合料具有较小的压缩性,这样第三章级配砾石基层材料及其混和料的路用程性能分析 的特点表明砂砾石材料是一种良好的路面材料。 ..材料的选择 由于基层会受较大的应力作用,级配砾石基层材料应采用高质量的轧制砾石。 不同的材料类型其性能也会有一定的差异。爱尔兰根据年无粘结材料使用经验 表明石灰岩是所有作为级配砾石材料中最好的。其主要原因为:石灰岩细颗粒中 碳酸盐含量较高,在拌和中和水一起对粗集料能起到胶结料的作用。而对于粗砂 岩、变质岩等材料由于针片状颗粒含量较多,在施工中容易离析并难以压实 成密 实状态,路用性能相对较差。 ?强度要求 美国 .以及其他一些国家的规范对粒料基层强度的 评定通常采用洛杉基磨耗值,一般规定磨耗值不应超过。我国《公路路面基 层 施工技术规范》规定高速公路和一级公路基层的级配砾石集料压碎 值%。 ?集料形状 对于砾石材料形状主要是针片状含量的规定,我国规范规定作为基层的粒料 材料针片状集料含量应不超过%。 ?液限、塑限指数 粒料基层材料中.含量及其塑性指数应严格限制,.及 均规定其液限应%,塑性指数%。我国规范规定液限 %,塑性指数%。当材料的塑性较高的时候,应限制其细料的含量。 ..级配组成 《公路路面基层施工技术规范》规定级配砾石用做基层时,砾石的最大粒径 不应超过.,故在筛分前应将占少量的超粒径颗粒剔除,给出的级配砾石基 层的颗粒组成范围最大粒径为.和.两种,级配类型为密实级配。本课 题研究所选用的试验级配是在对比路面基层施工技术规范所要求的级配砾 石基层 颗粒组成范围经微调得出的。通过最大粒径的改变,材料的级配组成也发生 改变。 试验选用砂砾石取自重庆江边采石厂,各档粒径石料的密度和吸水率见表., 设 计级配见表.,相应的级配曲线见图.,图.。 第三章级配砾石基层材料及其混和料的站月工程性能分析 表 各档粒径石料的密度和吸水翠 髓 砂砾材料的各档粒径瓜 试验项目 . . 表自捅对密度‖? .曲 . . . 表干相对密度“?毛体积相对密度“?.. 吸水率% . 表 级配砾石混和料设计级配 .筛分尺寸眦. . . . ~ ~ ~ ~ ~ ~ 规范级配范围 筛分尺寸锄 . . 规范级配范围 ~ ~ 图 的设计级配曲线围 第三章级配砾石基层材料及其混和料的路用工程性能分析图 的设计级配曲 线图 级配砾石材料的最佳含水量、最大干密度试验 粒料类材料所组成的混和料强度一般是靠碾压作用使材料中大小颗粒达到紧 密的排列和相互填充而形成,如果混和料中含水量过少,则由于水分子在土颗粒 表面形成了一层水化膜,颗粒移动不仅要克服摩阻力,还要克服水分子的结合力, 凼而不易压实。如果上体中的含水量过多,由于水是不可压缩的,它会占据颗粒 问的空隙而不能有效压实;含水量适中时颗粒问的水化膜较厚,水分子的结合力 减小,且能在颗粒问起润滑作用,使颗粒易于移动和相互填充,使混和料压实到 擐大密度,这个含水量就是最佳含水量。为了得出级配砾石混和料的最佳含水量 和最大干密度并考察其影响因素,本项目进行了如下试验。试验方法 由击实试验确定级配砾石材料的最大干密度和最佳古水量。击实标准采用重 型击实 标准,锤底直径为,锤质量 ,落高为,试筒尺寸,分层击实,每层击次。以干密度为纵坐标,含水率为横坐 标,绘制干密度及含水率的关系曲线,曲线上的峰值点坐标分别为最大干密度和晟 佳含水率。试验结果与分析 本项研究对最大粒径为. 和最大粒径为. 级配砾石混合料进行 了击实试验,测出的最佳含水量和最大干密度见表 ,干密度与含水量曲线图见 图.。第三章级配砾石基层材料及其混和料的路用工程性能分析 表.级配砾石混合料的最大干密度及最佳含水量 .. . . 含水量% . . . . . . . . 干密度/ 含水量% . . . . . . . . . . . 干密度/ 图.级配砾石混和料干密度一含水量图 . 由上图可以看出; ?最大粒径. 吼比最大粒径为 . 的级配砾石混合料最大干密度 大。其原因主要在于细粒料由于本身比表面积和孔隙率较大而干密度较小, 从而 造成了混合料整体的最大干密度偏小。另外,级配砾石是无粘结介质的松散体, 主要靠外力强制作用下颗粒之间的相互挤密来形成强度,混合料最大粒径过小、 细集料含量相对过多,集料将会处于堆积状态,类似堆积的砂砾而不能形成密实 结构。但混和料最大粒径过大也不能达到最大干密度,混合料最大粒径过大、租 颗粒含量相对过多,将在粗颗粒之间形成较多的大空隙,这些空隙不容易被细集 料完全填充,从而导致不密实。只有级配砾石中最大粒径适中、粗细集料搭配合 理,才能形成一种密实结构。 ?随着含水量的逐渐增加,级配砾石干密度一含水量曲线逐渐上升,但在上 升到一定程度后便几乎不发生变化。其原因在于砂砾石几乎不含粘结颗粒,细料 也是基本无粘性的石料,颗粒之间粘结力趋于零。当含水量较小时,颗粒表面形 成一层薄膜水,增大了分子引力,颗粒间形成了似粘结力,在外力作用下,颗粒 移动不但要克服摩阻力,还要克服由水分子形成的似粘结力,因而不易压实, 干 密度较小;随着含水量增大,水膜增厚,水分子引力逐渐减小,甚至消失,同时 第三章级配砾石基层材料及其混和料的路用::程性能分析 还在颗粒间起润滑作用从而减小了摩阻力,颗粒在外力作用下易于移动和相互填 充,可达到较高的密度值。由于砂砾石自身透水性强,能自由排水,水加到一定 程度时,再加水已经没有意义,多加的水全部排走,对干密度基本没有影响,级 配砾石击实曲线的上升段的最高点为最大干密度和最佳含水量。 .级配砾石材料的试验 值是是目前国内外评价粒料类材料力学特性的主要指标,反映了粒料类 材料在一定变形下的承载能力。国内外许多研究机构先后进行了粒料类材料的 试验研究,从不同角度分析了粒料种类、粒料级配组成、密实度、含水量、 成型方式等对值的影响。.约德研究认为,针对圆孔筛