公路半剛性基層材料結(jié)構(gòu)理論多指標(biāo)控制設(shè)計(jì)方法及工程應(yīng)用第1頁/共61頁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(gè)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(zhǎng)路面使用壽命。供車輛安全、平穩(wěn)行駛主要起承重作用

牛牛文庫(kù)文檔分享第2頁/共61頁+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(shí)、養(yǎng)生半剛性基層在我國(guó)應(yīng)用極廣，占到基層用量的85%（各級(jí)公路基層）至95%（高速公路基層）以上。圖1各級(jí)公路基層類型圖2高速公路基層類型

牛牛文庫(kù)文檔分享第3頁/共61頁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(jì)方法問題?路面結(jié)構(gòu)類型（半剛性基層瀝青路面）

設(shè)計(jì)理論體系（指標(biāo)與方法）

牛牛文庫(kù)文檔分享第4頁/共61頁抗裂性不足導(dǎo)致面層反射裂縫沖刷能力不足導(dǎo)致面層唧漿、松散強(qiáng)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(shì)的同時(shí)，存在下列突出問題。

牛牛文庫(kù)文檔分享第5頁/共61頁半剛性基層的“問題”強(qiáng)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?

牛牛文庫(kù)文檔分享第6頁/共61頁半剛性基層強(qiáng)度高抗裂性好抗沖刷性能強(qiáng)

國(guó)外對(duì)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(guó)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(duì)面層的影響，效果不明顯，且易引起新的破壞現(xiàn)象。

牛牛文庫(kù)文檔分享第7頁/共61頁長(zhǎng)安大學(xué)自“八五”開始至今，近二十年長(zhǎng)期對(duì)半剛性基層的抗裂性、強(qiáng)度形成機(jī)理以及綜合性能改善等方面開展了大量研究和實(shí)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(jì)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第8頁/共61頁研究?jī)?nèi)容理論依據(jù)試驗(yàn)手段設(shè)計(jì)方法工程應(yīng)用

牛牛文庫(kù)文檔分享第9頁/共61頁理論依據(jù)

牛牛文庫(kù)文檔分享第10頁/共61頁強(qiáng)度問題半剛性基層的可設(shè)計(jì)強(qiáng)度值域很寬:0.5~12MPa半剛性基層材料的強(qiáng)度不僅靠結(jié)合料的劑量,更應(yīng)要靠良好的集料級(jí)配.在一定條件下可以做到高強(qiáng)又不開裂.高強(qiáng)度半剛性材料應(yīng)該是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求的結(jié)果,而且應(yīng)該是有界限的.

牛牛文庫(kù)文檔分享第11頁/共61頁土類級(jí)配良好的礫石-砂-粘土，砂或礫石粉質(zhì)砂，砂質(zhì)粘土粉質(zhì)-砂質(zhì)粘土，級(jí)配差的砂粉土，粉質(zhì)粘土，級(jí)配很差的砂重粘土7d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）＞2.8～10.51.7～3.50.7～1.70.35～1.05≤0.7彎拉模量（×103MPa）7～2173.5～7＜3.51.4水泥劑量（干土重%）≤57910≥13水泥穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彎拉模量

牛牛文庫(kù)文檔分享第12頁/共61頁收縮開裂問題溫度或干燥收縮是材料的“天性”。及時(shí)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。

牛牛文庫(kù)文檔分享第13頁/共61頁干縮系數(shù)

牛牛文庫(kù)文檔分享第14頁/共61頁溫縮系數(shù)

牛牛文庫(kù)文檔分享第15頁/共61頁成分收縮系數(shù)（×10-6）水泥石10～20集料花崗巖7～9玄武巖6～8石灰石6白云石7～10砂巖11～12水泥石和集料的收縮系數(shù)

牛牛文庫(kù)文檔分享第16頁/共61頁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(dòng)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(qiáng)度消減動(dòng)水壓力

牛牛文庫(kù)文檔分享第17頁/共61頁沖刷試驗(yàn)結(jié)果

圖4-18水泥砂礫（6%）、水泥土（6%）在相同作用力相同時(shí)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(shí)間不同作用力下沖刷曲線

牛牛文庫(kù)文檔分享第18頁/共61頁沖刷試驗(yàn)

牛牛文庫(kù)文檔分享第19頁/共61頁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(duì)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(zhǎng)的疲勞壽命。半剛性基層的長(zhǎng)壽命

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牛牛文庫(kù)文檔分享第21頁/共61頁路面基層一般要求應(yīng)具有足夠的強(qiáng)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(qiáng)的抗沖刷能力。

牛牛文庫(kù)文檔分享第22頁/共61頁材料組成設(shè)計(jì)目標(biāo)材料組成設(shè)計(jì)新方法——多指標(biāo)：適宜強(qiáng)度較小收縮較小沖刷

材料組成設(shè)計(jì)新理念——考慮結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)決定性能

牛牛文庫(kù)文檔分享第23頁/共61頁試驗(yàn)手段

牛牛文庫(kù)文檔分享第24頁/共61頁振動(dòng)壓實(shí)倡導(dǎo)室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)成型目的-適應(yīng)多粒料材料的壓實(shí)保持設(shè)計(jì)級(jí)配符合現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)狀態(tài)減小試驗(yàn)結(jié)果偏差

牛牛文庫(kù)文檔分享第25頁/共61頁振動(dòng)壓路機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)壓路機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第26頁/共61頁1—手動(dòng)葫蘆2—機(jī)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(dòng)軸13—電動(dòng)機(jī)14—變頻器

室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)成型設(shè)備示意圖室內(nèi)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)結(jié)構(gòu)

牛牛文庫(kù)文檔分享第27頁/共61頁振動(dòng)法、靜壓法含水量變化情況對(duì)比——反映了振動(dòng)壓實(shí)功與靜力壓實(shí)功的一致性

牛牛文庫(kù)文檔分享第28頁/共61頁振動(dòng)法、靜壓法集料破碎情況對(duì)比靜壓法振動(dòng)法

牛牛文庫(kù)文檔分享第29頁/共61頁振動(dòng)法確定壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法一、目的和適用范圍本試驗(yàn)方法適用于在室內(nèi)對(duì)水泥、石灰、石灰粉煤灰穩(wěn)定粒料土基層材料進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)步驟五、計(jì)算及制圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第30頁/共61頁振動(dòng)法成型試件試驗(yàn)方法一、目的和適用范圍本試驗(yàn)方法適用于采用振動(dòng)壓實(shí)方法成型無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料的各種試件，其中包括用于測(cè)試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、間接抗拉強(qiáng)度和抗壓回彈模量的圓柱體試件和用于溫縮系數(shù)、干縮系數(shù)、抗折強(qiáng)度以及抗折回彈模量測(cè)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(xiàng)及相關(guān)說明

牛牛文庫(kù)文檔分享第31頁/共61頁

1—溫度補(bǔ)償片2—溫度補(bǔ)償應(yīng)變片3—屏蔽線4—接線柱5—應(yīng)變儀6—測(cè)試應(yīng)變片7—試件收縮系數(shù)測(cè)試接線示意

半剛性基層材料收縮方法

1—計(jì)算機(jī)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(cè)試系統(tǒng)

牛牛文庫(kù)文檔分享第32頁/共61頁溫縮系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

牛牛文庫(kù)文檔分享第33頁/共61頁溫縮系數(shù)測(cè)定方法一、目的和適用范圍水泥、石灰等無機(jī)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(yàn)方法適用于在室內(nèi)測(cè)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(yàn)步驟八、計(jì)算各具體溫度區(qū)間的溫度收縮系數(shù)

牛牛文庫(kù)文檔分享第34頁/共61頁一、目的和適用范圍水泥、石灰等無機(jī)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(yàn)方法適用于在室內(nèi)測(cè)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(yàn)步驟八、計(jì)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(cè)定方法

牛牛文庫(kù)文檔分享第35頁/共61頁基層沖刷試驗(yàn)現(xiàn)有設(shè)備狀況

1—鋼桶2—試件3—水4—配重5—振動(dòng)臺(tái)頂面6—振動(dòng)臺(tái)

法國(guó)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置

澳大利亞振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置

1—旋轉(zhuǎn)刷2—試件

法國(guó)旋轉(zhuǎn)刷試驗(yàn)裝置

1—鋼桶2—水

3—混凝土墊塊4—試件

5—振動(dòng)臺(tái)頂面6—振動(dòng)臺(tái)

牛牛文庫(kù)文檔分享第36頁/共61頁利用MTS進(jìn)行沖刷試驗(yàn)壓頭向下運(yùn)動(dòng)壓頭向上運(yùn)動(dòng)

牛牛文庫(kù)文檔分享第37頁/共61頁室內(nèi)沖刷試驗(yàn)機(jī)1—機(jī)架2—皮帶3—固定偏心塊4—活動(dòng)偏心塊5—配重箱6—沖刷頭7—沖刷桶8—導(dǎo)向柱9—電機(jī)10—框架11—分動(dòng)齒輪12—配重塊13—水14—試件15—鋼夾道路沖刷試驗(yàn)機(jī)示意圖激振力調(diào)節(jié)原理示意圖

1—活動(dòng)偏心塊2—銷孔3—固定偏心塊

牛牛文庫(kù)文檔分享第38頁/共61頁抗沖刷性能試驗(yàn)方法一、目的和使用范圍本試驗(yàn)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(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)。本試驗(yàn)方法包括：按照室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所確定的最大干密度和最佳含水量，采用靜力壓實(shí)或振動(dòng)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(shè)備三、試件形狀、尺寸四、試料準(zhǔn)備五、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的確定六、試件制備七、試件養(yǎng)生八、試驗(yàn)步驟九、試驗(yàn)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

牛牛文庫(kù)文檔分享第39頁/共61頁設(shè)計(jì)方法

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設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)類型選擇控制指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)選擇法試驗(yàn)法

牛牛文庫(kù)文檔分享第41頁/共61頁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(shí)結(jié)構(gòu)、骨架孔隙結(jié)構(gòu)、懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、均勻密實(shí)結(jié)構(gòu)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第42頁/共61頁V1

＜V2V1＝V2V1＞V2

提出了結(jié)構(gòu)類型劃分的物理概念和檢驗(yàn)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(shí)結(jié)構(gòu)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)骨架孔隙結(jié)構(gòu)均勻密實(shí)結(jié)構(gòu)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)骨架密實(shí)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

牛牛文庫(kù)文檔分享第43頁/共61頁各結(jié)構(gòu)類型基層的特點(diǎn)懸浮密實(shí)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(jí)公路的基層和底基層。骨架密實(shí)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(shí)混合料的嵌擠強(qiáng)度較高，抗裂性、抗沖刷性較好，宜用于高速公路和一級(jí)公路的基層。骨架孔隙結(jié)構(gòu)型混合料與骨架密實(shí)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(shí)型混合料建筑費(fèi)用較低，可用作二級(jí)及二級(jí)以下公路路面的基層或底基層，不能用作高速公路和一級(jí)公路的基層。

牛牛文庫(kù)文檔分享第44頁/共61頁水泥穩(wěn)定碎石基層材料體積參數(shù)測(cè)定結(jié)果試驗(yàn)項(xiàng)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

牛牛文庫(kù)文檔分享第45頁/共61頁粗集料骨架試驗(yàn)——級(jí)配粗集料試驗(yàn)級(jí)配表篩孔孔徑（mm）31.526.519.016.013.29.54.75連續(xù)級(jí)配a10088675847300b10087645243260c10085594837220多級(jí)嵌擠d10085352015100e1009578271370f1008872645550單級(jí)級(jí)配g1000h1000i1000

牛牛文庫(kù)文檔分享第46頁/共61頁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）ρ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(jì)量（%）B——通過試驗(yàn)確定出的粗集料空隙體積（cm3）骨架密實(shí)水泥穩(wěn)定碎石組成計(jì)算

牛牛文庫(kù)文檔分享第47頁/共61頁結(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(shí)結(jié)構(gòu)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)車輛組成道路等級(jí)、面層類型氣候條件路用性能檢驗(yàn)確定混合料配比是否滿足要求推薦使用否是交通量

牛牛文庫(kù)文檔分享第48頁/共61頁混合料設(shè)計(jì)方法

半剛性基層材料混合料組成設(shè)計(jì)方法分兩種，即選擇法和試驗(yàn)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(duì)于這些材料，當(dāng)其集料級(jí)配得到改善，或混合料結(jié)構(gòu)類型由懸浮密實(shí)型向骨架密實(shí)型改變后，其路用性能也會(huì)隨之改善，當(dāng)其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求后其他性能也能滿足相應(yīng)要求。

試驗(yàn)法實(shí)踐中會(huì)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(jí)配組成；并且，隨著半剛性基層材料的發(fā)展，在各地的實(shí)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(qiáng)劑以及當(dāng)?shù)氐墓I(yè)廢渣等。這些材料使用經(jīng)驗(yàn)很少，僅從7天的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)難以評(píng)判這些新材料的其他路用性能，對(duì)于它們需要進(jìn)行充分的室內(nèi)試驗(yàn)論證其可用性。

牛牛文庫(kù)文檔分享第49頁/共61頁選擇法——水泥穩(wěn)定碎石懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)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(shí)結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)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10090755030800骨架孔隙結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石級(jí)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

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骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定類集料級(jí)配

（JTGD50-2006）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10068～8638～5822～3216～288～150～3

牛牛文庫(kù)文檔分享第51頁/共61頁懸浮密實(shí)型水泥穩(wěn)定類集料級(jí)配

（JTGD50-2006）層位通過下列方篩孔（mm）的質(zhì)量百分率（%）37.531.519.09.504.752.360.60.075基層10090～10060～8029～4915～326～200～5底基層10093～10075～9050～7029～5015～356～200～5

牛牛文庫(kù)文檔分享第52頁/共61頁試驗(yàn)法一、原材