公路半剛性基層材料結構理論、多指標控制設計方法及工程應用ppt_第1頁
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文檔簡介

1、公路半剛性基層材料結構理論、多指標控制設計方法及工程應用,長安大學 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公路路面的使用壽命。,大背景:公路建設快速發(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

2、性基層在我國應用極廣,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“內憂外患”,超載問題?施工質量問題?路面結構設計方法問題? 路面結構類型(半剛性基層瀝青路面) 設計理論體系(指標與方法),,,,抗裂性不足導致面層反射裂縫,沖刷能力不足導致面層唧漿、松散,,強度不足導致面層疲勞破壞,半

3、剛性基層在具有顯著技術、經濟優(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。 國內曾采取過在基層中通過設置應力吸收層、鋪設土工布

4、、預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濟、有效途徑在于改進材料的組成設計。,,,,,研究內容,,,,,,,理論依據,試驗手段,設計方法,工程應用,,理論依據,強度問題,半剛性基層的可設計強度值域很寬:0.5~12MPa

5、半剛性基層材料的強度不僅靠結合料的劑量,更應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該是結構設計的要求的結果,而且應該是有界限的.,,水泥穩(wěn)定土的無側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??刂萍毩虾靠梢燥@著減小溫度收縮開裂可能。,,,,,干縮系數,,,,,,,溫縮系數,水泥石和集料的收縮系數,,沖刷問題,半剛性基層表面的非緊密聯(lián)

6、結的細料在動水壓力泵吸作用下的脫離是形成沖刷的主要原因。不產生或減小沖刷途徑: 減少細料含量 增加結合強度 消減動水壓力,,,,沖刷試驗結果,,圖4-18 水泥砂礫(6%)、水泥土(6%)在相同作用力相同時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、相同作用時間不同

7、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。 ?半剛性基層的長壽命,,,,路面基層一般要求,應具有足夠的強度和穩(wěn)定性;在冰凍地區(qū)應具有一定的抗凍性;應具有較小的收縮(溫縮及干縮)變形;較強的抗沖刷能力

8、。,,材料組成設計目標,材料組成設計新方法——多指標: 適宜強度 較小收縮 較小沖刷,,材料組成設計新理念——考慮結構: 結構決定性能,,試驗手段,振動壓實,倡導室內振動壓實成型目的- 適應多粒

9、料材料的壓實保持設計級配符合現(xiàn)場壓實狀態(tài)減小試驗結果偏差,,振動壓路機結構,振動壓路機結構示意圖,,,,1—手動葫蘆 2—機架 3—導向柱 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

10、 室內振動壓實成型設備示意圖,,室內振動壓實機結構,,振動法、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,,振動法確定壓實標準試驗方法,,一、目的和適用范圍本試驗方法適用于在室內對水泥、石灰、石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料土基層材料進行振動壓實試驗,以確定這些材料的含水量—干密度關系曲線,確定其最佳含水量和最大干密度。試驗集料的最大粒徑應控制在31.5m

11、m以內,最大不得超過37.5mm。二、儀器設備三、試料準備四、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合料穩(wěn)定粒料的各種試件,其中包括用于測試無側限抗壓強度、間接抗拉強度和抗壓回彈模量的圓柱體試件和用于溫縮系數、干縮系數、抗折強度以及抗折回彈模量測試的梁式試件。二、儀器設備三、試料準備四、試件制作步驟五、注意事項及相關說明,,,1—溫度

12、補償片 2—溫度補償應變片 3—屏蔽線 4—接線柱 5—應變儀 6—測試應變片 7—試件 收縮系數測試接線示意,,半剛性基層材料收縮方法,1—計算機 2—接口線 3—接線柱 4—應變儀 5—屏蔽線 6—環(huán)境箱 7—試件 8—應變片 收縮系數測試系統(tǒng),溫縮系數測定試驗,,,溫縮系數測定方法,一、目的和適用范圍 水泥、石灰等無機結合料穩(wěn)定細粒土或

13、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表征。材料的溫度收縮系數是指下降單位溫度條件下,材料產生的收縮應變量。本試驗方法適用于在室內測定半剛性基層材料的溫度收縮系數。二、儀器設備三、試料準備四、成型標準確定五、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,,一、目的和適用范圍 水泥、石灰等無機結合料穩(wěn)定細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表征。

14、材料的干燥收縮系數是指減少單位含水量條件下,材料產生的干燥應變量。本試驗方法適用于在室內測定半剛性基層材料的干燥收縮系數。 二、儀器設備三、試料準備四、成型標準確定五、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:,干縮系數測定方法,,,基層沖刷試驗現(xiàn)有設備狀況,,,,,,1—鋼桶 2—試件 3—水 4—配重 5—振動臺頂面 6—振

15、動臺,法國振動臺試驗裝置,,澳大利亞振動臺試驗裝置,,,,1—旋轉刷 2—試件,法國旋轉刷試驗裝置,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進行沖刷試驗,壓頭向下運動,壓頭向上運動,,,室內沖刷試驗機,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

16、—導向柱 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)定類等基層材料進行抗沖刷試驗。本試驗方法包括:按照室內擊實試驗所確定的最大干密度和最

17、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1∶1。二、儀器設備三、試件形狀、尺寸四、試料準備五、壓實標準的確定六、試件制備七、試件養(yǎng)生八、試驗步驟九、試驗結果處理,,,設計方法,設計方法,結構類型選擇控制指標、標準選擇法試驗法,,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、 無結合料粒料類;力學行

18、為—半剛性、柔性、剛性;結構組成—骨架密實結構、骨架孔隙結構、 懸浮密實結構、均勻密實結構。,,,,,V1 < V2 V1= V2 V1> V2,提出了結構類型劃分的物理概念和檢驗標準。 提出半剛性基層材料四種結構類型: 均勻密實結構 懸浮密實結構 骨架密實結構 骨架孔隙結構,均勻密實結

19、構 懸浮密實結構 骨架密實結構 骨架孔隙結構,不同結構類型半剛性基層材料,粗集料壓密后的孔隙體積,細集料和結合料壓密后的總體積,各結構類型基層的特點,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。骨架孔隙結構型混合料

20、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測定結果,,粗集料骨架試驗——級配,粗集料試驗級配表,,,x—— 混合料中水泥的用量(g)y—— 混合料中細料的用量(g) W粗料——裝滿標準容器后粗料的質量(g)

21、 ρ水泥、細集料—— 水泥、細集料的最大干密度(g/ cm3) A ——混合料中預定水泥計量(%) 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,,結構類型的選擇,,,混合料設計方法,半剛性基層材料混合料組成設計方法分兩種,即選擇法和試驗法。 選擇法 選擇法適用

22、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,當其集料級配得到改善,或混合料結構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,當其強度滿足規(guī)范要求后其他性能也能滿足相應要求。 試驗法 實踐中會因材料和施工設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、早強劑以及當地的工業(yè)廢渣等。這些

23、材料使用經驗很少,僅從7天的抗壓強度指標難以評判這些新材料的其他路用性能,對于它們需要進行充分的室內試驗論證其可用性。,,選擇法——水泥穩(wěn)定碎石,懸浮密實結構水泥穩(wěn)定碎石級配范圍,骨架密實結構水泥穩(wěn)定碎石級配范圍,骨架孔隙結構水泥穩(wěn)定碎石級配范圍,,,骨架密實型水泥穩(wěn)定類集料級配 (JTG D50-2006),懸浮密實型水泥穩(wěn)定類集料級配

24、 (JTG D50-2006),試 驗 法,一、原材料二、試驗方法 1. 試件成型方法 2. 抗壓強度 3. 收縮系數測定 4. 抗沖刷性能試驗 三、多指標控制,,設計指標及標準,表8—1 水泥穩(wěn)定碎石基層,表8—2 石灰、粉煤灰穩(wěn)定碎石基層,,,,,,工程應用,,施工現(xiàn)場,,,應用該方法設計的半剛性基層抗裂效果顯著:,,,,,工程應用,,應用該方法設計的半剛性基層抗沖刷能力

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