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1、公路半刚性公路半刚性公路半刚性公路半刚性(n xn)(n xn)(n xn)(n xn)基层材料结构基层材料结构基层材料结构基层材料结构理论、多指标控制设计方法及工程应用理论、多指标控制设计方法及工程应用理论、多指标控制设计方法及工程应用理论、多指标控制设计方法及工程应用 长安长安(chn n)(chn n)大学大学 沙爱民沙爱民 2010 年 04 月09日 第一页，共60页。基层基层(jcng)路基路基(lj)面层面层(min cn)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
2、起承重作用第二页，共60页。+拌合、摊铺(tn p)水泥(shun)或石灰砂石材料或工业(gngy)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 高速公路基层类型第三页，共60页。沥青路面早期(zoq)损坏成因的“内忧外患”超载(chozi)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）第四页，共60页。抗裂性不足导致面层反射(fnsh)裂缝冲刷(chngshu)能力不足导致面层唧浆、松散强度不足导致面层(min cn)疲劳破坏半刚性基
3、层在具有显著技术、经济优势的同时，存在下列突出问题。第五页，共60页。半刚性基层(jcng)的“问题”强度(qingd)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?第六页，共60页。半刚性(n xn)基层强度(qingd)高抗裂性好抗冲刷(chngshu)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。第七页，共60页。长安大学自“八五”开
4、始至今，近二十年长期对半刚性基层的抗裂性、强度(qingd)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。第八页，共60页。研究研究(ynji)(ynji)内内容容理论依据试验(shyn)手段设计(shj)方法工程应用第九页，共60页。理论依据第十页，共60页。强度(qingd)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(cilio)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(cilio)应该是结构设计的要求的结果,而且应该是有界限的.第十一页
5、，共60页。土土 类类级级配良好的配良好的砾砾石石-砂砂-粘粘土，砂或土，砂或砾砾石石粉粉质质砂，砂，砂砂质质粘土粘土粉粉质质-砂砂质质粘土，粘土，级级配差的砂配差的砂粉土，粉粉土，粉质质粘土，粘土，级级配配很差的砂很差的砂重粘土重粘土7d7d无无侧侧限抗限抗压压强强度度（MPaMPa）2.82.810.510.51.71.73.53.50.70.71.71.70.350.351.051.050.70.7弯拉模量（弯拉模量（10103 3MPaMPa）7 721217 73.53.57 73.53.51.41.4水泥水泥剂剂量（干土重量（干土重%）5 57 79 910101313水泥水泥(s
6、hun)稳定土的无侧限抗压强度和弯拉模量稳定土的无侧限抗压强度和弯拉模量 第十二页，共60页。收缩(shu su)开裂问题温度或干燥收缩是材料的“天性”。及时的保湿养生(yngshng)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。第十三页，共60页。干缩系数(xsh)第十四页，共60页。温缩系数(xsh)第十五页，共60页。成分成分收收缩缩系数（系数（1010-6-6）水泥石水泥石10102020集料集料花花岗岗岩岩7 79 9玄武岩玄武岩6 68 8石灰石石灰石6 6白云石白云石7 71010砂砂 岩岩11111212水泥石和集料的收缩水泥石和集料的收缩(shu su)系
7、数系数 第十六页，共60页。冲刷(chngshu)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(chnshng)或减小冲刷途径：减少细料含量 增加结合强度 消减动水压力第十七页，共60页。冲刷试验(shyn)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(pnl)下冲刷曲线图4-20 水泥(shun)砂砾（6%）、水泥(shun)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第十八页，共60页。冲刷(chngshu)试验第十九页，共60页。疲劳(plo)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
8、 超载对半(dubn)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 第二十页，共60页。第二十一页，共60页。路面基层(jcng)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(ydng)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。第二十二页，共60页。材料(cilio)组成设计目标材料组成设计新方法多指标：适宜(shy)强度 较小收缩 较小冲刷 材料组成设计新理念考虑结构(jigu)：结构(jigu)决定性能 第二十三页，共60页。试验(shyn)手段第二十四页，共60页。振动(zhndng)
9、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(boch)设计级配符合现场压实状态减小试验结果偏差第二十五页，共60页。振动(zhndng)压路机结构振动(zhndng)压路机结构示意图第二十六页，共60页。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(xi ch)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(zhndng)压实机结构第二十七页，共60页。振动法、静压法含水量变化情况(qngkung)对比 反映了振动压实功与静力压实功的一致性第二十八页，共60页。振动(zhndng)法、
10、静压法集料破碎情况对比静 压法振 动法第二十九页，共60页。振动法确定压实标准(biozhn)试验方法一、目的和适用范围本试验方法(fngf)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mmmm。二、仪器设备三、试料准备四、试验步骤 五、计算及制图第三十页，共60页。振动法成型试件试验(shyn)方法一、目的和适用(shyng)范围 本试验方法适用(shyng)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
11、。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 第三十一页，共60页。1温度(wnd)补偿片 2温度(wnd)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(n xn)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(hunjng)箱 7试件 8应变片 收缩系数测试系统第三十二页，共60页。温缩系数测定(cdng)试验第三十三页，共60页。温缩系数(xsh)测定方法一、目的和适用范围 水泥、石灰等无机结合(jih)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
12、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 第三十四页，共60页。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(n xn)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(n xn)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
13、水量区间的干燥收缩系数：干缩系数(xsh)测定方法第三十五页，共60页。基层(jcng)冲刷试验现有设备状况1钢桶 2试件 3水 4配重(pi zhn)5振动台顶面 6振动台 法国(f u)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振动台第三十六页，共60页。利用MTS进行冲刷(chngshu)试验压头向下(xin xi)运动压头向上(xingshng)运动第三十七页，共60页。室内(sh ni)冲刷试验机 1机架 2皮带(p di)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
14、 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(tioji)原理示意图1活动偏心块 2销孔 3固定偏心块第三十八页，共60页。抗冲刷性能试验(shyn)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(god)与直径之比为11。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
15、天第三十九页，共60页。设计(shj)方法第四十页，共60页。设计(shj)方法结构类型选择控制指标、标准(biozhn)选择法试验法第四十一页，共60页。路面(lmin)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(n xn)、柔性、刚性(n xn)；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。第四十二页，共60页。V1 V2 V1 V2 V1 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(gji)密实结构 骨架(gji)孔隙结构均匀密实(m shi
16、)结构 悬浮密实(m shi)结构 骨架密实(m shi)结构 骨架孔隙结构 不同不同结结构构类类型半型半刚刚性基性基层层(jcng)材料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第四十三页，共60页。各结构类型基层(jcng)的特点悬浮密实型混合料中的粗集料(j lio)用量一般在50左右，细集料(j lio)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(j lio)用量一般在75以上，细集料(j lio)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
17、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。第四十四页，共60页。水泥稳定碎石基层材料体积参数(cnsh)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第四十五页，共60页。粗集料(j lio)骨架试验级配粗集料(j lio)试验级配表 筛孔孔径 （mm）31.526.5 19.016.013.29.54.75
18、连续级配a10088675847300b10087645243260c10085594837220多级嵌挤d10085352015100e1009578271370f1008872645550单级级配g1000h1000i1000第四十六页，共60页。x 混合料中水泥的用量（g）y 混合料中细料的用量（g）W粗料装满标准容器后粗料的质量（g）水泥、细集料 水泥、细集料的最大干密度（g/cm3）A 混合料中预定水泥计量（%）B 通过试验(shyn)确定出的粗集料空隙体积（cm3）骨架密实水泥稳定碎石组成(z chn)计算第四十七页，共60页。结构(jigu)类型的选择选择结构类型骨架孔隙结构骨架
19、密实结构悬浮密实结构车辆组成道路等级、面层类型气候条件路用性能检验确定混合料配比是否满足要求推荐使用否是交通量第四十八页，共60页。混合料设计(shj)方法 半刚性基层材料混合料组成设计方法分两种，即选择法和试验法。选择法 选择法适用于常见的水泥稳定碎石、二灰稳定碎石材料。对于这些材料，当其集料级配得到(d do)改善，或混合料结构类型由悬浮密实型向骨架密实型改变后，其路用性能也会随之改善，当其强度满足规范要求后其他性能也能满足相应要求。试验法 实践中会因材料和施工设备等条件的变化提出超出常规的新的材料级配组成；并且，随着半刚性基层材料的发展，在各地的实践中采用了许多外加成分和新材料，如在混合
20、料中加入各种填加剂、纤维、早强剂以及当地的工业废渣等。这些材料使用经验很少，仅从7天的抗压强度指标难以评判这些新材料的其他路用性能，对于它们需要进行充分的室内试验论证其可用性。第四十九页，共60页。选择法水泥(shun)稳定碎石悬浮密实结构水泥(shun)稳定碎石级配范围筛孔尺寸(mm)31.526.519.016.09.54.752.361.180.60.30.150.075上限100100998877493527181372下限100948873572917126420骨架密实结构水泥稳定碎石(su sh)级配范围筛孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.3
21、61.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150333下限10082564534190细集料上限10010010090592552下限10090755030800骨架孔隙结构水泥稳定碎石级配范围 筛孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150335下限10082564534190细集料上限100100100100844052下限100908575601500第五十页，共60页。骨架密骨架密实实型水泥型水泥(shun)(shun)稳稳定定类类集料集料级级配配 （JTG D
22、50-2006JTG D50-2006）层位通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%）31.519.09.504.752.360.60.075基层100688638582232162881503第五十一页，共60页。悬浮悬浮(xunf)密实型水泥稳定类集料级配密实型水泥稳定类集料级配 （JTG D50-2006）层位通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%）37.531.519.09.504.752.360.60.075基层1009010060802949153262005底基层10093100759050702950153562005第五十二页，共60页。试 验 法一、原材料二、试验方法 1.试
23、件成型(chngxng)方法 2.抗压强度 3.收缩系数测定 4.抗冲刷性能试验 三、多指标控制第五十三页，共60页。设计指标(zhbio)及标准表81 水泥(shun)稳定碎石基层 公路等级指标高速、一级公路二级、二级以下公路抗压强度（MPa）32收缩系数平均干缩系数（1/%）7010-68510-68010-69510-6平均温缩系数（1/）（+5515）6.510-67.510-67.510-69.010-630min冲刷量（g）4252表82 石灰(shhu)、粉煤灰稳定碎石基层 公路等级指标高速、一级公路二级、二级以下公路抗压强度（MPa）0.80.6收缩系数平均干缩系数（1/%）5
24、510-66510-66510-67510-6平均温缩系数（1/）（+5515）8.510-69.510-68.510-69.510-630min冲刷量（g）3545第五十四页，共60页。工程(gngchng)应用第五十五页，共60页。施工现场第五十六页，共60页。应用该方法设计(shj)的半刚性基层抗裂效果显著：工程工程(gngchng)(gngchng)应用应用第五十七页，共60页。应用该方法设计的半刚性(n xn)基层抗冲刷能力显著：工程工程(gngchng)(gngchng)应用应用第五十八页，共60页。有利于延长路面使用寿命，增加了路面大中修时间(shjin)间隔。工程工程(gngchng)(gngchng)应用应用第五十九页，共60页。项目名称：项目名称：公路公路(gngl)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长 安安 大大 学学谢谢(xi xie)各位！第六十页，共60页。