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
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1、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。,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
2、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
3、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:0.512MPa 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.,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
4、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。,干缩系数,温缩系数,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,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,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,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
5、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,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
6、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,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
7、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
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