公路半刚性基层材料结构理论、多指标控制设计方法及工程应用PPT

公路半刚性基层材料结构理论、多指标控制设计方法及工程应用长安大学沙爱民2010年04月09日基层路基面层基层是公路路面的主要承重层,基层的使用寿命决定着整个公路路面的使用寿命。大背景:公路建设快速发展。减少路面早期损坏，延长路面使用寿命。供车辆安全、平稳行驶主要起承重作用+拌合、摊铺水泥或石灰砂石材料或工业废渣半刚性基层压实、养生半刚性基层在我国应用极广，占到基层用量的85%（各级公路基层）至95%（高速公路基层）以上。半刚性基层,85%其他类型基层,15%半刚性基层其他类型基层半刚性基层,95%其他类型基层,5%半刚性基层其他类型基层图1各级公路基层类型图2高速公路基层类型沥青路面早期损坏成因的“内忧外患”超载问题?施工质量问题?路面结构设计方法问题?路面结构类型（半刚性基层沥青路面）设计理论体系（指标与方法）抗裂性不足导致面层反射裂缝冲刷能力不足导致面层唧浆、松散强度不足导致面层疲劳破坏半刚性基层在具有显著技术、经济优势的同时，存在下列突出问题。半刚性基层的“问题”强度高且容易开裂半刚性基层容易发生水损坏半刚性基层的耐久性需要考证半刚性基层何去何从?半刚性基层强度高抗裂性好抗冲刷性能强国外对半刚性基层的开裂与冲刷损坏主要是通过增加面层厚度和控制面层的渗水来避免和减少，效果有限，成本较高。国内曾采取过在基层中通过设置应力吸收层、铺设土工布、预锯缝以及封层等方式减少基层自身收缩开裂和冲刷现象以及对面层的影响，效果不明显，且易引起新的破坏现象。长安大学自“八五”开始至今，近二十年长期对半刚性基层的抗裂性、强度形成机理以及综合性能改善等方面开展了大量研究和实践，发现：半刚性基层性能改善的经济、有效途径在于改进材料的组成设计。研究内容理论依据试验手段设计方法工程应用理论依据强度问题半刚性基层的可设计强度值域很宽:0.5~12MPa半刚性基层材料的强度不仅靠结合料的剂量,更应要靠良好的集料级配.在一定条件下可以做到高强又不开裂.高强度半刚性材料应该是结构设计的要求的结果,而且应该是有界限的.土类级配良好的砾石-砂-粘土，砂或砾石粉质砂，砂质粘土粉质-砂质粘土，级配差的砂粉土，粉质粘土，级配很差的砂重粘土7d无侧限抗压强度（MPa）＞2.8～10.51.7～3.50.7～1.70.35～1.05≤0.7弯拉模量（×103MPa）7～2173.5～7＜3.51.4水泥剂量（干土重%）≤57910≥13水泥稳定土的无侧限抗压强度和弯拉模量收缩开裂问题温度或干燥收缩是材料的“天性”。及时的保湿养生可以避免干燥收缩裂缝。控制细料含量可以显著减小温度收缩开裂可能。05010015020025004812162024283236404448时间（h）干缩系数（με/%）水泥碎石XM4%水泥碎石XM5%水泥碎石XM6%0501001502002500123456含水量（%）干缩系数（με/%）水泥碎石XM4%水泥碎石XM5%水泥碎石XM6%1.52.53.54.55.56.504812162024283236404448时间（h）含水量（%）水泥碎石XM4%水泥碎石XM5%水泥碎石XM6%05010015020025030035040004812162024283236404448时间（h）干缩应变（με）水泥碎石XM4%水泥碎石XM5%水泥碎石XM6%0501001502002503003504000123456含水量（%）干缩应变（με）水泥碎石XM4%水泥碎石XM5%水泥碎石XM6%干缩系数0100200300400500600700-25-15-551525354555温度（℃）温缩应变（με）水泥碎石GK6%水泥碎石GK8%水泥碎石GK10%46810121416-25-5153555温度（℃）温缩系数（με/℃）水泥碎石GK6%水泥碎石GK8%水泥碎石GK10%0100200300400500600700800-25-15-551525354555温度（℃）温缩应变（με）二灰碎石XM4：11：85二灰碎石XM9：16：75二灰碎石GM4：11：8505101520-25-5153555温度（℃）温缩系数（με/℃）二灰碎石XM4：11：85二灰碎石XM9：16：75二灰碎石GM4：11：85温缩系数成分收缩系数（×10-6）水泥石10～20集料花岗岩7～9玄武岩6～8石灰石6白云石7～10砂岩11～12水泥石和集料的收缩系数冲刷问题半刚性基层表面的非紧密联结的细料在动水压力泵吸作用下的脱离是形成冲刷的主要原因。不产生或减小冲刷途径：减少细料含量增加结合强度消减动水压力冲刷试验结果水泥土(6%)05010015020025030051015202530时间(分钟)冲刷量(克)0.5MPa10HZ0.5MPa15HZ0.5MPa20HZ0.5MPa25HZ水泥砂砾(6%)05101520253035404551015202530时间(分钟)冲刷量(克)0.5MPa10HZ0.5MPa15HZ0.5MPa20HZ0.5MPa25HZ图4-18水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用力相同时间不同频率下冲刷曲线水泥土(6%)05010015020051015202530时间(分钟)差刷量(克)0.3MPa10HZ0.5MPa10HZ0.7MPa10HZ水泥砂砾(6%)0102030405051015202530时间(分钟)冲刷量(克)0.3MPa10HZ0.5MPa10HZ0.7MPa10HZ图4-20水泥砂砾（6%）、水泥土（6%）在相同作用频率、相同作用时间不同作用力下冲刷曲线0102030405060708090100水泥碎石XM4%水泥碎石XM5%水泥碎石XM6%水泥碎石GM4%水泥碎石GM5%水泥碎石GM6%水泥碎石GK6%水泥碎石GK8%水泥碎石GK10%二灰碎石XM4∶11∶85二灰碎石XM9∶16∶75二灰碎石GM4∶11∶85冲刷量（g）30分钟冲刷量（g）冲刷试验疲劳问题半刚性基层材料是一应力敏感性材料：疲劳曲线较为平缓超载对半刚性基层的寿命影响要更大于沥青面层同样应力比条件下，半刚性基层比普通沥青面层具有更长的疲劳寿命。半刚性基层的长寿命半刚性基层材料沥青混合料lgNf应力比路面基层一般要求应具有足够的强度和稳定性；在冰冻地区应具有一定的抗冻性；应具有较小的收缩（温缩及干缩）变形；较强的抗冲刷能力。材料组成设计目标材料组成设计新方法——多指标：适宜强度较小收缩较小冲刷材料组成设计新理念——考虑结构：结构决定性能试验手段振动压实倡导室内振动压实成型目的-适应多粒料材料的压实保持设计级配符合现场压实状态减小试验结果偏差振动压路机结构振动压路机结构示意图1—手动葫芦2—机架3—导向柱4—上车系统5—偏心块6—减振块7—下车系统8—压头9—钢模套环10—钢模11—钢模底盘12—传动轴13—电动机14—变频器室内振动压实成型设备示意图室内振动压实机结构振动法、静压法含水量变化情况对比——反映了振动压实功与静力压实功的一致性振动法、静压法集料破碎情况对比9.52.364.7513.2161931.52030405060708090100筛孔尺寸(mm)通过百分率(%)原始级配振动法级配击实法级配静压法振动法振动法确定压实标准试验方法一、目的和适用范围本试验方法适用于在室内对水泥、石灰、石灰粉煤灰稳定粒料土基层材料进行振动压实试验，以确定这些材料的含水量—干密度关系曲线，确定其最佳含水量和最大干密度。试验集料的最大粒径应控制在31.5mm以内，最大不得超过37.5mm。二、仪器设备三、试料准备四、试验步骤五、计算及制图振动法成型试件试验方法一、目的和适用范围本试验方法适用于采用振动压实方法成型无机结合料稳定粒料的各种试件，其中包括用于测试无侧限抗压强度、间接抗拉强度和抗压回弹模量的圆柱体试件和用于温缩系数、干缩系数、抗折强度以及抗折回弹模量测试的梁式试件。二、仪器设备三、试料准备四、试件制作步骤五、注意事项及相关说明1—温度补偿片2—温度补偿应变片3—屏蔽线4—接线柱5—应变仪6—测试应变片7—试件收缩系数测试接线示意半刚性基层材料收缩方法1—计算机2—接口线3—接线柱4—应变仪5—屏蔽线6—环境箱7—试件8—应变片收缩系数测试系统温缩系数测定试验温缩系数测定方法一、目的和适用范围水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的温度收缩性能通常用温度收缩系数表征。材料的温度收缩系数是指下降单位温度条件下，材料产生的收缩应变量。本试验方法适用于在室内测定半刚性基层材料的温度收缩系数。二、仪器设备三、试料准备四、成型标准确定五、试件制备六、试件养生七、试验步骤八、计算各具体温度区间的温度收缩系数一、目的和适用范围水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土或粒料所形成的半刚性基层材料的干燥收缩性能通常用干燥收缩系数表征。材料的干燥收缩系数是指减少单位含水量条件下，材料产生的干燥应变量。本试验方法适用于在室内测定半刚性基层材料的干燥收缩系数。二、仪器设备三、试料准备四、成型标准确定五、试件制备六、试件养生七、试验步骤八、计算某一具体含水量区间的干燥收缩系数：干缩系数测定方法基层冲刷试验现有设备状况1—钢桶2—试件3—水4—配重5—振动台顶面6—振动台法国振动台试验装置澳大利亚振动台试验装置1—旋转刷2—试件法国旋转刷试验装置1—钢桶2—水3—混凝土垫块4—试件5—振动台顶面6—振动台利用MTS进行冲刷试验压头向下运动压头向上运动113109875211643121415180O0O132132354O室内冲刷试验机1—机架2—皮带3—固定偏心块4—活动偏心块5—配重箱6—冲刷头7—冲刷桶8—导向柱9—电机10—框架11—分动齿轮12—配重块13—水14—试件15—钢夹道路冲刷试验机示意图激振力调节原理示意图1—活动偏心块2—销孔3—固定偏心块抗冲刷性能试验方法一、目的和使用范围本试验方法适用于水泥稳定类、石灰稳定类、二灰稳定类等基层材料进行抗冲刷试验。本试验方法包括：按照室内击实试验所确定的最大干密度和最佳含水量，采用静力压实或振动成型法制备试件，试件为圆柱体，高度与直径之比为1∶1。二、仪器设备三、试件形状、尺寸四、试料准备五、压实标准的确定六、试件制备七、试件养生八、试验步骤九、试验结果处理材料种类养生龄期水泥稳定类28天二灰稳定类90天设计方法设计方法结构类型选择控制指标、标准选择法试验法路面基层类型材料组成—水泥稳定类、石灰粉煤灰稳定类、水泥混凝土类、沥青稳定类、无结合料粒料类；力学行为—半刚性、柔性、刚性；结构组成—骨架密实结构、骨架孔隙结构、悬浮密实结构、均匀密实结构。11CCCmVVFFFmV)1(2V1＜V2V1＝V2V1＞V2提出了结构类型划分的物理概念和检验标准。提出半刚性基层材料四种结构类型：均匀密实结构悬浮密实结构骨架密实结构骨架孔隙结构均匀密实结构悬浮密实结构骨架密实结构骨架孔隙结构不同结构类型半刚性基层材料粗集料压密后的孔隙体积细集料和结合料压密后的总体积各结构类型基层的特点悬浮密实型混合料中的粗集料用量一般在50％左右，细集料含量较多，抗弯拉性能较好，适用于各等级公路的基层和底基层。骨架密实型混合料中的粗集料用量一般在75％以上，细集料含量较少，压实混合料的嵌挤强度较高，抗裂性、抗冲刷性较好，宜用于高速公路和一级公路的基层。骨架孔隙结构型混合料与骨架密实型混合料相比具有较高的孔隙率，适用于有较高路面内部排水要求的基层。均匀密实型混合料建筑费用较低，可用作二级及二级以下公路路面的基层或底基层，不能用作高速公路和一级公路的基层。水泥稳定碎石基层材料体积参数测定结果试验项目单位以9.5mm划分以4.75划分以2.36划分粗集料空隙体积cm3409.05724.31760.36细集料部分(含水泥、水)体积cm31981.851345.68990.00混合料结构类型悬浮悬浮悬浮粗集料骨架试验——级配粗集料试验