公路半剛性基層材料結(jié)構(gòu)理論、多指標(biāo)控制設(shè)計方法及工程應(yīng)用PPT

1、 2010 年 04 月09日 基層基層路基路基面層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、養(yǎng)生 半剛性基層在我國應(yīng)用極廣，占到基層用量的85%（各級公路基層）至95%（高速公路基層）以上。 圖1 各級公路基層類型 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)設(shè)計方法問題? 路面結(jié)構(gòu)類型（半剛性基層瀝青路面） 設(shè)計理論體系（指標(biāo)與方法）抗裂性不足導(dǎo)致面層反射裂

2、縫沖刷能力不足導(dǎo)致面層唧漿、松散強度不足導(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)勢的同時，存在下列突出問題。半剛性基層的“問題”強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?半剛性基層強度高抗裂性好抗沖刷性能強 國外對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沖刷現(xiàn)象以及對面層的影響，效果不明顯，且易引起新的破壞現(xiàn)象。長安大學(xué)自“八五”開始至今，近二十年長期對半剛性基層的抗裂性、強度形成機理以及

3、綜合性能改善等方面開展了大量研究和實踐，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。研究內(nèi)容研究內(nèi)容理論依據(jù)試驗手段設(shè)計方法工程應(yīng)用理論依據(jù)強度問題半剛性基層的可設(shè)計強度值域很寬:0.512MPa半剛性基層材料的強度不僅靠結(jié)合料的劑量,更應(yīng)要靠良好的集料級配.在一定條件下可以做到高強又不開裂.高強度半剛性材料應(yīng)該是結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求的結(jié)果,而且應(yīng)該是有界限的.土土 類類級配良好的級配良好的礫石礫石- -砂砂- -粘粘土，砂或礫土，砂或礫石石粉質(zhì)砂，粉質(zhì)砂，砂質(zhì)粘土砂質(zhì)粘土粉質(zhì)粉質(zhì)- -砂質(zhì)砂質(zhì)粘土，級粘土，級配差的砂配差的砂粉土，粉質(zhì)粉土，粉質(zhì)粘土，級配粘土，級配很差的砂很差的

4、砂重粘重粘土土7d7d無側(cè)限抗壓強度無側(cè)限抗壓強度（MPaMPa）2.82.810.510.51.71.73.53.50.70.71.71.70.350.351.051.050.70.7彎拉模量（彎拉模量（10103 3MPaMPa）7 721217 73.53.57 73.53.51.41.4水泥劑量（干土重水泥劑量（干土重% %）5 57 79 910101313水泥穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度和彎拉模量水泥穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度和彎拉模量 收縮開裂問題溫度或干燥收縮是材料的“天性”。及時的保濕養(yǎng)生可以避免干燥收縮裂縫?？刂萍?xì)料含量可以顯著減小溫度收縮開裂可能。1.52.53.54.55.56.

5、504812162024283236404448時間（h）含水量（%）水泥碎石 XM 4%水泥碎石 XM 5%水泥碎石 XM 6%05010015020025030035040004812162024283236404448時間（h）干縮應(yīng)變（）水泥碎石 XM 4%水泥碎石 XM 5%水泥碎石 XM 6%干縮系數(shù)0100200300400500600700-25-15-551525354555溫度（）溫縮應(yīng)變（）水泥碎石 GK 6%水泥碎石 GK 8%水泥碎石 GK 10%46810121416-25-5153555溫度（）溫縮系數(shù)（/）水泥碎石 GK 6%水泥碎石 GK 8%水泥碎石 GK

6、10%0100200300400500600700800-25-15-551525354555溫度（）溫縮應(yīng)變（）二灰碎石 XM 4：11：85二灰碎石 XM 9：16：75二灰碎石 GM 4：11：8505101520-25-5153555溫度（）溫縮系數(shù)（/）二灰碎石 XM 4：11：85二灰碎石 XM 9：16：75二灰碎石 GM 4：11：85溫縮系數(shù)成分成分收縮系數(shù)（收縮系數(shù)（1010-6-6）水泥石水泥石10102020集料集料花崗巖花崗巖7 79 9玄武巖玄武巖6 68 8石灰石石灰石6 6白云石白云石7 71010砂砂 巖巖11111212水泥石和集料的收縮系數(shù)水泥石和集料的收

7、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)合強度 消減動水壓力沖刷試驗結(jié)果水泥土(6%)05010015020025030051015 202530時間(分鐘)沖刷量(克)0.5MPa10HZ0.5MPa15HZ0.5MPa20HZ0.5MPa25HZ水泥砂礫(6%)0510152025303540455 10 15 20 25 30時間(分鐘)沖刷量(克)0.5MPa10HZ0.5MPa15HZ0.5MPa20HZ0.5MPa25HZ圖4-18 水泥砂礫（6%）、水泥土（6%）在相同作用力相同時

8、間不同頻率下沖刷曲線水泥土(6%)050100150200510 15 20 25 30時間(分鐘)差刷量(克)0.3MPa10HZ0.5MPa10HZ0.7MPa10HZ水泥砂礫(6%)01020304050510 15 20 25 30時間(分鐘)沖刷量(克)0.3MPa10HZ0.5MPa10HZ0.7MPa10HZ圖4-20 水泥砂礫（6%）、水泥土（6%）在相同作用頻率、相同作用時間不同作用力下沖刷曲線沖刷試驗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 超載對半剛性基層的壽命影響要更大于瀝青面層 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的疲勞壽命。 半剛性

9、基層的長壽命 路面基層一般要求應(yīng)具有足夠的強度和穩(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；較強的抗沖刷能力。材料組成設(shè)計目標(biāo)材料組成設(shè)計新方法多指標(biāo)： 適宜強度 較小收縮 較小沖刷 材料組成設(shè)計新理念考慮結(jié)構(gòu)： 結(jié)構(gòu)決定性能 試驗手段振動壓實倡導(dǎo)室內(nèi)振動壓實成型目的- 適應(yīng)多粒料材料的壓實保持設(shè)計級配符合現(xiàn)場壓實狀態(tài)減小試驗結(jié)果偏差振動壓路機結(jié)構(gòu)振動壓路機結(jié)構(gòu)示意圖1手動葫蘆 2機架 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鋼模套環(huán) 10鋼模 11鋼模底盤 12傳動軸 13電動機 14變頻器 室內(nèi)振動壓實成型設(shè)備示意圖室內(nèi)振動壓實機結(jié)構(gòu)振

10、動法、靜壓法含水量變化情況對比 反映了振動壓實功與靜力壓實功的一致性振動法、靜壓法集料破碎情況對比靜 壓法振 動法振動法確定壓實標(biāo)準(zhǔn)試驗方法一、目的和適用范圍本試驗方法適用于在室內(nèi)對水泥、石灰、石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料土基層材料進(jìn)行振動壓實試驗，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、試驗步驟 五、計算及制圖振動法成型試件試驗方法一、目的和適用范圍 本試驗方法適用于采用振動壓實方法成型無機結(jié)合料穩(wěn)定粒料的各種試件，其中包括用于測試無側(cè)限抗壓強度、間接抗拉強度和抗壓回彈模量的圓

11、柱體試件和用于溫縮系數(shù)、干縮系數(shù)、抗折強度以及抗折回彈模量測試的梁式試件。二、儀器設(shè)備三、試料準(zhǔn)備四、試件制作步驟五、注意事項及相關(guān)說明 1溫度補償片 2溫度補償應(yīng)變片 3屏蔽線 4接線柱 5應(yīng)變儀 6測試應(yīng)變片 7試件 收縮系數(shù)測試接線示意 半剛性基層材料收縮方法 1計算機 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)測試系統(tǒng)溫縮系數(shù)測定試驗溫縮系數(shù)測定方法一、目的和適用范圍 水泥、石灰等無機結(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。本試驗方法適用于在室內(nèi)測

12、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、試驗步驟八、計算各具體溫度區(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。本試驗方法適用于在室內(nèi)測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、試件養(yǎng)生七、試驗步驟八、計算某一具體含水量區(qū)間的干燥收縮系數(shù)：干縮系數(shù)測定方法基層沖刷試驗現(xiàn)有設(shè)備狀況1鋼桶 2試件 3水 4配重 5振動臺頂面 6振動臺

13、法國振動臺試驗裝置 澳大利亞振動臺試驗裝置 1旋轉(zhuǎn)刷 2試件法國旋轉(zhuǎn)刷試驗裝置 1鋼桶 2水 3混凝土墊塊 4試件 5振動臺頂面 6振動臺利用MTS進(jìn)行沖刷試驗壓頭向下運動壓頭向上運動113109875211643121415180O0O132132354O室內(nèi)沖刷試驗機 1機架 2皮帶 3固定偏心塊 4活動偏心塊 5 配重箱 6沖刷頭 7沖刷桶 8導(dǎo)向柱 9電機 10框架 11分動齒輪 12配重塊 13水 14試件 15鋼夾道路沖刷試驗機示意圖激振力調(diào)節(jié)原理示意圖1活動偏心塊 2銷孔 3固定偏心塊抗沖刷性能試驗方法一、 目的和使用范圍本試驗方法適用于水泥穩(wěn)定類、石灰穩(wěn)定類、二灰穩(wěn)定類等基層材

14、料進(jìn)行抗沖刷試驗。本試驗方法包括：按照室內(nèi)擊實試驗所確定的最大干密度和最佳含水量，采用靜力壓實或振動成型法制備試件，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、壓實標(biāo)準(zhǔn)的確定六、試件制備七、試件養(yǎng)生八、試驗步驟九、試驗結(jié)果處理材料種類養(yǎng)生齡期水泥穩(wěn)定類28天二灰穩(wěn)定類90天設(shè)計方法 設(shè)計方法結(jié)構(gòu)類型選擇控制指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)選擇法試驗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)組成骨架密實結(jié)構(gòu)、骨架孔隙結(jié)構(gòu)、 懸浮密實結(jié)構(gòu)、均勻密實結(jié)構(gòu)。11CCCmVVFFFmV)1 (2V1

15、V2 V1 V2 V1 V2 提出了結(jié)構(gòu)類型劃分的物理概念和檢驗標(biāo)準(zhǔn)。 提出半剛性基層材料四種結(jié)構(gòu)類型： 均勻密實結(jié)構(gòu) 懸浮密實結(jié)構(gòu) 骨架密實結(jié)構(gòu) 骨架孔隙結(jié)構(gòu)均勻密實結(jié)構(gòu) 懸浮密實結(jié)構(gòu) 骨架密實結(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)類型基層的特點懸浮密實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，適用于各等級公路的基層和底基層。骨架密實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，壓實混合料的嵌擠強度較高，抗裂性、抗沖刷性較好，宜用于高速公路和一級公路的基層。骨架孔隙結(jié)

16、構(gòu)型混合料與骨架密實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。均勻密實型混合料建筑費用較低，可用作二級及二級以下公路路面的基層或底基層，不能用作高速公路和一級公路的基層。水泥穩(wěn)定碎石基層材料體積參數(shù)測定結(jié)果試驗項目單位以9.5mm劃分以4.75劃分以2.36劃分粗集料空隙體積cm3409.05724.31760.36細(xì)集料部分(含水泥、水)體積cm31981.851345.68990.00混合料結(jié)構(gòu)類型懸浮懸浮懸浮粗集料骨架試驗級配粗集料試驗級配表 篩孔孔徑 （ mm）31.526.5 19.016.013.29.54.75連續(xù)級配a10088675847300b100

17、87645243260c10085594837220多級嵌擠d10085352015100e1009578271370f1008872645550單級級配g1000h1000i1000ByxAWyx水泥、細(xì)料漿粗料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)定水泥計量（%） B 通過試驗確定出的粗集料空隙體積（cm3）骨架密實水泥穩(wěn)定碎石組成計算結(jié)構(gòu)類型的選擇選擇結(jié)構(gòu)類型骨架孔隙結(jié)構(gòu)骨架密實結(jié)構(gòu)懸浮密實結(jié)構(gòu)車輛組成道路等級、面層類型氣候條件路用性能檢驗確定混合料配比是否滿足

18、要求推薦使用否是交通量混合料設(shè)計方法 半剛性基層材料混合料組成設(shè)計方法分兩種，即選擇法和試驗法。 選擇法選擇法 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。對于這些材料，當(dāng)其集料級配得到改善，或混合料結(jié)構(gòu)類型由懸浮密實型向骨架密實型改變后，其路用性能也會隨之改善，當(dāng)其強度滿足規(guī)范要求后其他性能也能滿足相應(yīng)要求。 試驗法試驗法 實踐中會因材料和施工設(shè)備等條件的變化提出超出常規(guī)的新的材料級配組成；并且，隨著半剛性基層材料的發(fā)展，在各地的實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、早強劑以及當(dāng)?shù)氐墓I(yè)廢渣等。這些材料使用經(jīng)驗很少，僅從7天的抗壓強度指標(biāo)難以評判這些新材料

19、的其他路用性能，對于它們需要進(jìn)行充分的室內(nèi)試驗論證其可用性。 選擇法水泥穩(wěn)定碎石懸浮密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級配范圍篩孔尺寸(mm)31.526.519.016.09.54.752.361.180.60.30.150.075上限100100998877493527181372下限100948873572917126420骨架密實結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級配范圍篩孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150333下限10082564534190細(xì)集料上限10010010090592552下限10090755

20、030800骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級配范圍篩孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150335下限10082564534190細(xì)集料上限100100100100844052下限100908575601500 骨架密實型水泥穩(wěn)定類集料級配骨架密實型水泥穩(wěn)定類集料級配 （JTG D50-2006）層位通過下列方篩孔（mm）的質(zhì)量百分率（%）31.519.09.504.752.360.60.075基層100688638582232162881503懸浮密實型水泥穩(wěn)定類集料級配懸浮密實型水泥穩(wěn)定類集料級配 （JTG D50-2006）層位通