（道路与铁道工程专业论文）高速公路沥青路面二灰垫层研究.pdf

摘要 在高速公路建设中，垫层是一种改善路基温湿状况，提高土基回弹模量的有效手段。 本文运用弯沉等效原则，计算出了在特定交通条件下，不同土基和不同垫层模量所 需设的垫层厚度。并将垫层作为土基的一部分，计算出了挚层顶面当量回弹模量。 垫层不仅应具有排水、隔水、防冻和防污染的功能，还要为底基层的施工提供一个 良好的平台，因此必须有足够的承受施工车辆荷载的能力。 垫层有多种类型，本文只研究了二灰碎石垫层的材料设计方法。为了使垫层满足上 述要求，本文采用骨架密实结构，并通过体积法最终确定了二灰碎石混合料的配合比。 在配合比设计的基础上，研究骨架密实型二灰碎石的力学性能、稳定性能( 水稳定 性和冰冻稳定性) 、抗收缩性能，并与公路沥青路面设计规范推荐级配二灰碎石混 合料的路用性能进行了对比。 关键词：垫层，当量回弹模量，厚度，二灰碎石，骨架密实，体积设计法 a b s t r a c t i nh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ，t h ec u s h i o ni sa ni m p r o v e m e n tr o a d b e dt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y ，i n c r e a s i n gt h es o i l - m o d u l u so fe f f e c t i v em e a n s b a s e dd e f l e c t i o ne q u i v a l e n t ，c a l c u l m e di nas p e c i f i ct r a f f i cc o n d i t i o n s ，d i f f e r e n ta n d d i f f e r e n ts o i l c u s h i o nm o d u l u sf o rac u s h i o nt h i c k n e s s t a k ec u s h i o na sp a r to ft h es o i l ，t h e t o pc u s h i o ne q u i v a l e n tr e s i l i e n tm o d u l u s i sc a l c u l a t e d b e d d i n gs h o u l dh a v en o to n l yd r a i n a g e ，c o n d u c t o r ，a n t i f r e e z ea n dp o l l u t i o np r e v e n t i o n f u n c t i o n s ，b u tf o rt h es u b b a s ec o n s t r u c t i o nt op r o v i d eag o o dp l a t f o r m t h e r e f o r et h e r em u s t b es u f f i c i e n tb e a r i n gc a p a c i t yt ow i t h s t a n dt h ec o n s t r u c t i o nv e h i c l el o a d t h e r ea r em a n yt y p e so fc u s h i o n w eo n l ye x a m i n e dl i m e f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t e s c u s h i o nm a t e r i a l sd e s i g nm e t h o d s i no r d e rt oc a u s et h ec u s h i o nt os a t i s f yt h ea b o v er e q u e s t ， s k e l e t o n d e n s i t yi su s e d ，a n dt h ep r o p o r t i o no fl i m e - f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t e sm i x t u r ei s c o n f i r m e d t h r o u g ht h ev o l u m em e t h o d i nt h i st e x t ，b a s e do nt h el i m e - f l ya s hs t a b i l i z e da g g r e g a t e sm i x t u r ed e s i g n ，t h ep a v e m e n tb e h a v i o r a n dp e r f o r m a n c eo fd e s i g n e dm i x t u r ei ss t u d i e da n dc o n t r a s t e dw i t ht h em i x t u r ew h i c hi sr e c o m m e n d e db y t h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o no fh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n t ，i n c l u d i n gm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，s t a b l e n e s s ，t h e a n t i - c r a c kp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c u s h i o n ；s o i l - b a s e dc o m p r e h e n s i v em o d u l e ；t h i c k n e s s ；l i m e - f l y a s hs t a b i l i z e d a g g r e g a t e s ；s k e l e t o n d e n s i t y ；t h ev o l u m em e t h o d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 狄确 论文知识产权权属声明 1 年占月7 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 。( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：狄鹏 导师签 2 名：弓 f l 其气e l 夕年月夕日 长安大学硕十学位论文 1 1 问题的提出和研究意义 第一章绪论 公路交通是为国民经济、社会发展和人民生活服务的公共基础设施，是衡量一个国 家经济实力和现代化水平的重要标志。 改革开放以来的2 0 多年，是我国公路发展速度最快，规模最大，最具活力的时期， 自1 9 8 8 年沈大、沪嘉高速公路建成通车以来，中国的公路事业进入了以建设高速公路、 一级公路等高等级公路为主的新时代。自1 9 9 8 年以来，中国已经连续每年将超过2 0 0 0 亿元的投资用于公路建设，2 0 0 3 年达到公路建设3 7 1 5 亿元。高速公路通车里程，1 9 8 9 年仅为2 7 1 公里，到1 9 9 9 年突破1 万公里，到2 0 0 2 年突破2 万公里，到2 0 0 4 年底已 经超过3 4 万公里，位居世界第二位，目前在建的还有1 6 万公里。 根据社会发展的要求和交通加快发展的新形势，国务院2 0 0 4 年底审议通过了国 家高速公路网规划。根据规划，未来3 0 年中国将掀起建设高速公路的高潮：投资两万 多亿元人民币、建成8 5 万公里的国家高速公路网。新路网简称为”7 9 1 8 ”网，将采用 放射线和纵横网格相结合的形式，由7 条北京放射线、9 条纵向路线和1 8 条横向路线组 成。规划总体上贯彻了”东部加密、中部成网、西部连通”的布局思路，建成后可以在全 国范围内形成”首都连接省会、省会彼此相通、连接主要地市、覆盖重要县市”的高速公 路网络。 我国国土辽阔，地貌丰富，在公路建设施工中，会遇到各种地质水文情况的路基。 在实践中，常常出现的路面损坏现象，大部分都是由于土基强度不足，稳定性变差，在 外荷载作用下产生的过量变形所致。因此，拥有一个坚实、均匀、稳定的土基，是保证 公路路面结构具有良好使用品质与经济效益的根本措施。在长期的工程实践中，工程技 术人员创造发明了许多处理路基的实用方法，根据路基处理的不同加固机理，可大致分 为以下几类：置换法，密实法，加筋法，灌浆法，复合地基法等。 在众多的路基处理方法中，垫层作为改善土基工作状态的一种手段，发挥着重要作 用。以前人们认为垫层的主要作用是在于隔水，排水，防冻，防污以改善基层和路基的 工作条件。例如用于地下水位较高的路基上，可能发生冻胀，翻浆的路基上，在排水不 良的土质路颦及水文不良的岩石路段等情况下以排除路面和路基中滞留的自由水，保证 第一章绪论 路面结构处于干燥或中湿状态的情况等。但并没有考虑到施工车辆荷载对挚层的损坏作 用。现在运料车荷载一般都非常大，据现场调查，运料车和筑路材料的总重可达到5 0 t 左右。为了抵御这么大的破坏荷载，及防止雨季施工时造成路基泥泞无法施工的状况， 根据不同地质情况合理的选择适合的垫层类型和设计满足路面结构要求和施工荷载要 求的垫层就是非常必要的。 在现行的规范中，只是提出了设置挚层的原则，针对具体地区的特殊地质水文情况， 还需要做更深入和细致的工作。而且现在设计单位在垫层设计时，很少考虑到施工车辆 对颦层的影响，这极有可能导致在进行底基层施工时，垫层被施工车辆破坏，为以后路 基出现病害并影响路面使用性能埋下隐患。规范中只对防冻层的厚度设计作出了规定， 并没有对其它类型的垫层厚度作出规定，许多设计单位所提出的挚层厚度，只是凭经验， 并没有理论依据。 本论文就是针对以上问题，在考虑施工荷载的影响下，提出合理的垫层厚度范围和 适宜的挚层设计方法。 1 2 垫层研究现状 1 2 1 国内研究现状 公路沥青路面设计规范( j t gd 5 0 - - 2 0 0 6 ) 中对垫层的设置做了原则性的规定： “为排除路面、路基中滞留的自由水，确保路面结构处于干燥或中湿状态，下列情况下 的路基应设置垫层。 ( 1 ) 地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段。 ( 2 ) 排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段。 ( 3 ) 季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段，可能产生冻胀需设防冻垫层的路段。 ( 4 ) 基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。 从其上可看出：规范只考虑了挚层的功能性要求，对施工荷载对垫层的影响并没有 考虑在内，这就有可能造成一种误解，即挚层只要具备隔水、排水、防冻及防污功能就 可以了，忽视了垫层应具有足够的强度以抵抗很大的施工荷载的现实，这极有可能导致 在进行底基层施工时，垫层被施工车辆破坏，为以后路基出现病害并影响路面使用性能 埋下隐患。 我国根据挚层的功能及特点，对垫层分为以下四类： ( 1 ) 排水挚层 长安人学硕 学位论文 排除渗入基层和垫层中的水分，防止路基过湿而影响路面的整体强度。一般采用砂 砾、碎石等松散颗粒材料铺设。高速公路、一、二级公路的排水垫层铺至与路基同宽， 以利路面结构排水，保持路基稳定。垫层最小厚度为1 5 c m 。 ( 2 )隔离垫层 隔断地下水对路基的影响，减少负温度下水分向路面结构层内移动。一般采用粗粒 料或土工合成材料作隔离层。 ( 3 ) 防冻胀垫层 我国东北、华北和西北地区为季节性冰冻地区，路面结构需考虑防冻胀最小厚度的 要求，通常采用以垫层增加路面结构层总厚度的措施来实现。防冻胀垫层应选用隔温性 能良好的粉煤灰、炉渣及矿渣等。若采用粗砂和砂砾料时， o 0 7 4 m m 颗粒含量不应大 于5 ，采用炉渣、矿渣时， 6 2 m p a ，无须对路基进行处治；当路基土m r 6 2 m p a ，一般需要对路基 进行处理。 1 3 课题研究的内容及技术路线 本文的研究以某地区某公路为依托，主要立足于提高挚层的综合路用性能，以提高 半刚性基层沥青路面使用寿命、避免公路早期破坏为目标，采用理论分析与具体试验相 结合的研究方法，对挚层顶面当量回弹模量和挚层厚度的确定进行重点的研究，并提出 适宜的挚层设计方法。 1 主要内容如下： 1 ) 挚层顶面当量回弹模量的确定 2 ) 挚层厚度设计方法研究 长安大学硕十学位论文 3 ) 二灰稳定碎石垫层材料设计研究 2 本文的技术路线如下： 1 ) 垫层厚度的确定 在某一交通量情况下，根据不同的土基状况，结合不同垫层模量，运用弯沉等效计 算原则，计算确定垫层厚度。 2 ) 垫层顶面当量回弹模量的确定 垫层既可以作为路面结构层，也可以作为土基的组成部分。运用双层体系顶面回弹 模量图，查图计算出垫层顶面当量回弹模量。 3 ) 二灰稳定碎石挚层材料设计研究 为了满足公路对垫层的技术要求，本文采用骨架密实型二狄稳定碎石混合料垫层。 二灰碎石混合料的组成设计包括了三个方面：粗集料级配设计；二灰砂浆的组成 设计；粗集料与二灰砂浆的合理配比研究。最后对本文设计的混合料，对比规范推荐 的级配所设计的混合料进行了力学性能、稳定性能、抗裂性能的比较研究，结果证明本 文设计的混合料从以上三方面都优于规范所设计的混合料。 第二章试验方法和试验方案 2 1 试验方案 第二章试验方法和试验方案 一、试验所用原材料的选取与性质分析 ( 1 ) 原材料的采集 考虑试验用材料与试验路实际情况相近，所以石料为某采石厂生产的石料。石灰为 某石灰厂生产的石灰；粉煤灰为某发电厂生产。 ( 2 ) 原材料的性质分析内容 1 ) 集料的物理力学性质： 2 ) 石灰、粉煤灰的物理化学性质； 二、确定配合比 ( 1 ) 通过逐级填充理论确定二灰粗集料级配； ( 2 ) 以7 天无侧限抗压强度作为指标，确定二灰结合料比例，细集料级配，二灰 与细集料配合比。 三、路用性能 1 力学性能检验； 2 稳定性检验； 3 抗裂性检验； 2 2 试验方法 2 2 1 级配试验 本文通过逐级填充的方法进行级配设计。为了模拟现场振动压路机在材料表面的作 用状况，将一定质量的集料( 或混合料) 分三次装入容量筒中，容量筒的容积为2 0 l ， 直径和高度均为2 9 4 m m 。配重为一个铁质的薄圆柱体，厚度为1 2 m m ，直径为2 9 0 m m ， 重为610 0 9 。每次装料完毕后，将配重置于集料顶部，然后进行振实。一般的振动压路 机的振动频率为2 0 7 0 h z ，振幅0 3 - - , 4 0 m m ，由于受试验条件的限制，本文采用的振 动平台的振幅为3 0 m m ，频率为3 5 h z 。如果试验条件允许可以调整振动频率和振幅， 以便更好地模拟振动压路机在材料表面的作用。每次振动时间为5 0 s ，三次总计振实时 长安大学硕十学位论文 i 司1 5 0 s 。 为了减小振实后粗集料体积测量的误差，干振实过程中，在集料表面增加了一配重。 配重一方面使粗集料表面在振动过程中自动找平，另一方面亦可模拟压路机在材料表面 的作用，并且能使粗集料的振实密度较快趋于稳定。当然，配重大小的选择，首先应保 证集料不被压碎，还要考虑现场施工压实功的大小等因素。 量测集料经振实后的高度( 量取八个点的高度，取其平均值作为计算结果) ，计算 振实后集料的体积，每次振实完毕称量集料与容量筒的总质量，然后求出集料的质量。 利用公式p = m n 计算其振实密度，并按公式空隙率= 卜振实密度视密度计算空隙率。 2 2 2 材料物理力学指标测试 一、材料性质分析 ( 1 ) 各档集料的密度 各档集料的密度试验包括：各档集料的表观密度( 视密度) 试验、松装密度、振实 密度、捣实密度试验等。试验按照公路工程集料试验规程( j t j 0 5 8 2 0 0 0 ) 中有关规 定进行。 ( 2 ) 击实试验 确定混合料最大干密度和最佳含水量的击实试验按照公路工程无机结合料稳定材 料试验规程( j t j 0 5 7 - 9 4 ) 中有关规定进行。 确定二狄结合料最大干密度和最佳含水量，采用击实甲法进行；确定二灰砂浆最大 干密度和最佳含水量，采用乙法进行；确定二灰稳定碎石混合料最大干密度和最佳含水 量，采用丙法进行。 二、力学性质试验 试件均按最佳含水量拌和，最大干密度控制，采用静力压实法制备，在养生室养生， 养生温度2 0 2 ，养生湿度9 0 。无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验按不同材料采 用不同尺寸的试件：二灰采用由5 c m xh 5 c m 试件，二灰砂浆采用巾1 0 c m xh 1 0 c m 试件， 二灰稳定碎石混合料采用巾1 5 c m xh 1 5 c m 试件。 ( 1 ) 无侧限抗压强度试验 将饱水2 4 h 后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上，使试件的形变以约 l m m m in 的等速率增加进行抗压强度试验。 资料在整理分析时，抗压强度r 。按下列相应公式计算： 第二章试验方法和试验方案 对于二灰试件r c = p a = o 0 0 0 5 1 p ( m p a ) 对于二灰砂浆试件 r 。= p a = o 0 0 0 12 7 p ( m p a ) 对于二灰稳定碎石试件p k = p a = o 0 0 0 0 5 7 p ( m p a ) 式中：卜试件破坏时的最大压力( n ) ； ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) a _ 试件的截面积，a = d 2 4 ，d 为试件的直径( 姗) 。 ( 2 ) 劈裂强度试验 将养生至规定龄期且饱水2 4 h 后的试件放到路面材料强度试验仪升降台上，使试件 的形变以l m m m i n 的等速率增加进行劈裂试验。 劈裂强度r 。按下列相应公式计算： 对于二灰试件 r ，= 芴2 p 万 对于二灰砂浆试件 r ，= 芴2 p 万 对于二灰稳定碎石试件 尺t = 芴2 p 百 0 0 4 2 4 4 旦 爿 0 0 6 3 6 6 p h 0 1 2 7 3 2 旦 m p a m p 口 m p a ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中：p 试件破坏时的最大压力( n ) ； 卜浸水后试件高度( 咖) 。 2 2 3 路用性能验证试验 ( 1 ) 力学性能试验 本文对混合料进行力学性能检验时，采用了无侧限抗压强度和劈裂强度检验。试验 方法如2 2 2 节。 ( 2 ) 冻融试验 材料的抗冻能力可以用经受冻融循环的次数和经受一定次数冻融作用的强度损失 来表征，但是这些指标与冻融方法有关。本文采用的冻融试验方法是将试件在1 5 冰 箱中冻6 h ，然后在2 0 。c 水浴中融1 8 h 为一循环。采用不同龄期的试件经5 次冻融循环 后的无侧限抗压强度r 畚与冻前无侧限饱水抗压强度之比的耐冻系数k 冻来表征材料 的抗冻性，即冻稳性。 抗冻系数= 芸籍善冀塞鬈剽吾景器箸器 ( 3 ) 收缩试验 温缩收缩系数和干燥收缩系数均采用电阻应变计测试。 长安大学硕上学位论文 ( a ) 温度收缩系数测定 电阻应变计常应用于测试材料的收缩应变，其精度较高，能达到1 0 书m 。 试件由静压法在最大干密度和最佳含水量条件下制成1 0 x1 0 4 0 r a m 中梁，在2 0 _ + 2 ，养生湿度9 0 条件下养生。 将到达养生龄期的试件提前一天取出后，用与混合料中所用结合料一致的比例来跳 配二灰浆，并用其仔细的涂抹在试件准备粘贴应变片的位置，二次层的厚度应在保证局 部消除麻面的前提下尽可能的薄。处理完之后，放入养生室养生一天，取出试件，在抹 有二灰浆的地方用细砂纸轻轻打磨，直至露出试件表面材料为止。然后用毛巾把表面擦 拭干净，并称量试件重量，在电阻应变计上涂上“哥俩好”家庭便利胶，并迅速平铺 在磨光的光滑面上，带上塑料手套，轻轻抹平应变计。待粘合剂把应变计粘合以后，为 防护应变片及防止测试零漂，用防潮剂( 机油、松香和石蜡按照1 ：2 ：2 比例调配) 均 匀涂在应变片表面和应变片外部分。待防潮剂表面初凝以后，用塑料薄膜密封试件，然 后接线，用电阻表进行电阻调试。每个试件粘贴两个应变计，调试初值稳定后，再将试 件放入高低温试验箱中。接着，按预定开始温度一3 0 恒温4 h 后，测试各个应变片的 应变。待完成后即以温差t = 5 升温，待升至t 。= t + t 后，恒温后开始采集数据， 依次类推直到测试温度t = + 3 0 。c 为此。试验开始跟结束以后都应该称量试件的质量，以 测定试件的含水量变化幅度。为了保证每个温度区间内有足够的变化时间，每次升温后， 恒温过程为2 h 。计算单位温度变化所产生的应变值，即若每一温度区间( 例如从t 。到 t 。+ 。) 测定的材料温度收缩应变相应为；和e ，则该温度区间内平均温缩系数q “。 铲精协等邶 ( 2 7 ) 式中：t - 一温差( ) ； 一t 内应变差； b 一标准材料的温度收缩系数( ue c ) ；本文的标准材料经西安电磁研究所技 术标定，在t = 0 - - 8 0 0 c 内，= 0 3 o 3 4 1 0 呻( 1 ) 。 ( b ) 干燥收缩系数测定 试件成型方法和温度收缩试验方法相同。待试件成型以后，养生6 天，然后按照温 缩系数测定的试件表面处理方式进行处理，养生至7 d 以后，从养生室搬出，立即粘贴 应变片，具体操作方法与温缩试验方法一致。为缩短试验时间，高低温试验箱应预先打 第= 章试验方洁和试验方案 丌，并使箱内温度维持在4 0 c 。被保鲜膜包裹的时间在试验箱内放置2 个小时后试件内 部温度也基本上达到4 0 c ，此时小心撕去包裹在试件上的保鲜膜，开始干缩系数的测定。 试验丌始后每隔8 个小时称量一次质量，并记录采集应变数据。称量试件时应轻取轻放， 以防试件掉渣，影响试验精度。本试验称重时尽可能采用精度较高的台秤。这- - n 试方 法有一个假设的前提：即近似认为相同配比、相同二灰剂量的3 个试件的饱水含水量和 含水量的散发速率是完全相同的。 同温缩测试相同，为了使实际测量时各方面不可避免的因素引起的随机误差对相同 龄期不同配合比的二扶稳定碎石同一批试件的钡4 试精度的影响( 即方差o - 2 ) 基本一致， 尽量将相同龄期的一批试件一次性地进行测试，这样测量数据才更具有可比性。 干燥收缩系数a ，指每单位含水量变化时的应变值，故取每两次测定的含水量w ，、 札，及计算得h 的应变e ，、e 。，进行计算可得a 。 口：l 二! !( 2 8 ) 】一 将a 一，近似认为是在台水量w j 和w 。之间的干燥收缩系数，即用平均值代替真值 图26 干缩试验进行中 1 i _ 磐塑 长安人学硕上学位论文 第三章垫层厚度及垫层顶面当量回弹模量的确定 3 。1 垫层厚度的确定 3 1 1 计算模型 计算荷载采用我国规范规定的典型模型。荷载图式采用双圆荷载，其半径为l o 6 5 c m ，两荷载圆中心间距为3 1 9 5 c m ，荷载应力为0 7 m p a ，在下面的计算中，采用双圆垂 直均布荷载作用下的多层弹性连续体系，约定如下假设： ( 1 ) 各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的，以及位移和形变是微小的； ( 2 ) 最下一层在水平方向和垂直向下方向为无限大，其上各层厚度为有限、水平方 向为无限大； ( 3 ) 各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处，其应力、形变和位移为零： ( 4 ) 应力和位移连续； ( 5 ) 不计自重。 计算采用b i s a r 和l m y s 程序进行。 结合某地区试验路的路面结构，决定选用下面有代表性的典型路面结构： 表3 1 计算所采用的典型路面结构 设计的路面结构( 模量和强度的单位都是m p a ) 结构层 厚度( c m )类型2 0 模量1 5 模量劈裂强度 上面层4a c 一1 3 f1 4 0 02 0 0 01 2 中面层 6a c - 2 0 c1 2 0 01 8 0 01 o 下面层 1 0 a c - 2 5 c1 0 0 0 1 2 0 0o 8 基层 2 0 水泥稳定碎石1 3 0 01 3 0 00 5 底基层2 3 水泥稳定碎石 8 0 08 0 0o 4 3 1 2 设计轴载 该高速路沥青路面设计年限2 0 年，预计设计年限内交通量平均年增长率为6 。累 计轴次计算结果见表3 2 ，属于特重交通等级。 第三章垫层厚度及穆层项面当量回弹模量的确定 表3 2 轴载换算与累计轴载 前轴重后轴重后轴 后轴轮组日交通量( 辆 汽车乍型 后轴距( m ) ( k n )( k n )数数 d ) 北京b j l 3 0 轻型货 1 3 42 7 412 o2 6 0 车 东风e q l 4 0 型 2 3 66 9 312 o6 6 0 东风s p 9 2 5 0 型5 0 71 1 3 3 3243 3 0 黄海d d 6 8 0 型长途 4 99 1 5 1204 5 0 客乍 黄河心1 6 3 5 8 61 1 412 o8 6 8 江淮a l 6 6 0 型 1 72 6 5120 2 2 0 换算方法弯沉及沥青层拉应力指标- l - i 孙j 性层拉应力指标 累计交通轴次2 7 0 6 3 2 3 7 4 8 5 2 2 5 0 9 3 1 3 路表弯沉等效计算法 在本论文中，计算垫层厚度，采用路表弯沉等效计算法。 按照路表弯沉相等原则计算挚层厚度的方法称作垫层厚度的弯沉等效计算法。如表 3 3 中路面结构a 和b 。土基模量为e 。时，路面结构a 的路表弯沉为l l ；土基模量为 e 。( e k e o ) 时，路面结构b 的路表弯沉为1 ：；如令l 。= l 。，就是说在路表弯沉相等的 条件下，通过程序试算出挚层厚度h 。 表3 3 路面结构 路面结构a 路面结构b 面层 h le i面层 h 1e l 基层 h 2e z基层 h 2e 2 底基层 h 3e 3 底基层 h 3e 3 垫层 h = ?e 4 土基 e 0 土基 e k 根据上述的轴次，由公式( 3 1 ) 可计算得n - 设计弯沉l d = 1 9 5 7 ( 0 0 1 m m ) 。 l d - - 6 0 0 n 。吨2a 。a 。a 。 ( 3 1 ) 3 1 4 计算结果 为了计算的简便，根据路表弯沉等效原则将表3 1 中的路面结构简化为下面的结构： 表3 4 简化的路面结构 结构层厚度( c m )抗乐同弹模量( 1 d p a ) 面层1 7 1 4 0 0 长安大学硕十学位论文 基层2 0 1 3 0 0 底基层2 38 0 0 满足要求所需要的垫层的厚度计算结果列在表3 5 表3 9 ： ( 1 ) 当垫层回弹模量以2 0 0 m p a 计： 表3 5 计算结果表 土基模鼍( m p a )路表弯沉( 0 0 1 m m )增设垫层厚度( c m )增设垫层后的路表弯沉( 0 0 1 r a m ) 6 6 1 9 6 0 1 9 6 6 02 0 251 9 6 5 02 1 81 61 9 6 4 02 3 92 61 9 6 3 02 73 91 9 6 ( 2 ) 当垫层回弹模量以3 0 0 m p a 计： 表3 6 计算结果表 十基模量( m p a ) 路表弯沉( 0 o l m m )增设垫层厚度( c m )增设垫层后的路表弯沉( 0 0 1 m m ) 6 51 9 601 9 6 6 02 0 241 9 5 5 0 2 1 81 1 51 9 5 4 0 2 3 92 01 9 6 3 02 73 0 51 9 6 ( 3 ) 当垫层回弹模量以4 0 0 m p a 计： 表3 7 计算结果表 十基模量( m p a )路表弯沉( o 0 1 m m )增没垫层厚度( c m ) 增设垫层后的路表弯沉( o 0 1 m m ) 6 51 9 601 9 6 6 02 0 231 9 6 5 02 1 89 51 9 6 4 0 2 3 91 6 51 9 6 3 0 2 72 5 51 9 6 ( 4 ) 当挚层回弹模量以5 0 0 m p a 计： 第三章垫层厚度及垫层顶面当量| 口i 弹模量的确定 表3 8 计算结果表 土基模晕( m p a )路表弯沉( 0 o l m m )增设垫层厚度( c m )增设垫层后的路表弯沉( o o l m m ) 6 51 9 6o1 9 6 6 02 0 231 9 5 5 0 2 1 8 81 9 6 4 02 3 91 51 9 5 3 02 72 2 51 9 6 ( 5 ) 当挚层回弹模量以6 0 0 m p a 计： 表3 9 计算结果表 十基模量( m p a )路表弯沉( o o l m m )增设垫层厚度( e m )增设垫层斤的路表弯沉( 0 o l m m ) 6 51 9 6o1 9 6 6 0 2 0 221 9 6 5 02 1 871 9 6 4 02 3 91 31 9 6 3 02 72 01 9 6 汇总表3 5 - 3 9 ，列出挚层厚度表如表3 1 0 。 表3 1 0 垫层厚度表 2 0 0 m p a3 0 0 m p a4 0 0 m p a5 0 0 m p a6 0 0 m p a 6 5 m p ao o 0o0 6 0 m p a54332 5 0 m p a1 5 1 1 59 5 87 4 0 m p a2 62 01 6 51 51 3 3 0 m p a3 93 0 5 2 5 52 2 5 2 0 将表3 1 0 中信息绘成图表，如图3 1 1 6 k 安大学硕+ 学位论立 况 表3l 垫层厚度一回弹模量图 从表中，町得出以下结论： ( a ) 挚层厚度随垫层抗压回弹模量的增大而减薄； ( b ) 以4 0 0 m p a 作为拐点。当挚层模量低于4 0 0 m p a 时，垫层厚度随垫层模量的增 大而急速减薄：当挚层模量高丁4 0 0 m p a 时，垫层厚度随挚层模量的增大而缓 慢减薄。 ( c ) 土基模量越小，毕层厚度髓挚层抗压回弹模量的增大，减薄速度越快。 以下曲线图表示路基回弹模量r 从6 0 l , l p a 下降到3 0 m p a 时，所需要的挚层厚度的情 图3z 垫层厚度计算固 第! 章垫层厚度世垫层顶咖当量p 1 弹模量确定 从图32 中，可| 三i 得出以下结论： ( a ) 垫层厚度随土基模量的增大而急速减薄； ( b ) 垫层模量越小，垫层厚度随土基模量的增大减薄速度越快； ( c ) 土基模量越大，不同挚层模量所对应垫层厚度越相近。 32 垫层顶面当量回弹模量的确定 如上面的计算分析，设置垫层扩散应力，改善路基的受力状态，是解决土基回弹模 量& 在公路运行期内下降，所伴随出现的各种问题，使之力学性能和稳定性能够满足要 求的行之有效的措施之一。 原则上说t 垫层既可以作为七基的组成部分，也可以作为路面结构层。考虑到设置 垫层丰要是为了保证路基的e 0 值，全封闭隔水和防止路基沉陷，以下从设计的角度，将 垫层作为土基的组成部分，分析计算出不同情况下的垫层顶面的当量回弹模量值，以方 便设计计算。 321 计算方法 按图32 和图33 确定般层体系顶面的当量回弹模量e 。其查图方法是由e 厄的 比值，作竖线垂直向上交于h 后，据此作水平线得到e l 的比值，即得到当量回弹模 量e 。 图33 双层体系顶面的当量回弹模量e t 长安大学碗学位论文 图34 双层体系顶面的当量回弹模量h 3 22 计算结果 在计算过程中，土基模量根据实际情况取3 0 m p a 6 0 m p a ，垫层回弹模量取2 0 0 m p a 6 0 0 m p a 。 ( 1 ) 当土基回弹模量巳为3 0 m p a 时查上表，得e 。值列在下表3 1 0 ，冈3 4 表31 1 垫层顶面当量回弹邑值表( b = 3 c _ p a ) 厚度( c m ) 9 45 1 33 8 09 61 5 9 2 08 55 1 3 8】5 3 第二章排层厚度驶垫层项面当量叫弹模量的确定 蚓 裂 国 删 邪 恒 罾 喽 影 2 0 0 1 5 0 5 ( ) 0 上基模量- 3 0 m p a 鹅层网弹模量( m 阳) 图35 垫层顶面当量回弹模量e t - l o c m 15 c m 一一2 0 c m 一一2 5 c m * 3 0 c m _ 3 5 c m 一4 0 c i l l ( 2 ) 当土基回弹模量r 为4 0 m p a 时查上表，得e 。值列在下表31 】，图3 5 ： 表31 2 垫层顶面当量回弹e t 值表( e n 4 0 m p a ) l o c m 3 0 e r a4 0 c m 8 6 1 2 4 1 3 4 1 03 01 0 81 2 6 1 25l s 2 l8 3 1 5 7 8 长安大学碗学位论文 卜基模量= 4 0 、l p a 2 0 030()4005 0 06 0 0 颦j ；：刚弹模量( m p a ) 固36 垫层顶面当量回弹模量e 。 一一2 0 c m 2 5 c n i - ： 5 c b l ( 3 ) 当上基回弹模量为5 0 m p a 时，查上表得e 。值列在下表31 2 ，图36 表31 3 垫层顶面当量回弹e 。值表( f 。= 5 0 m p a ) l3 6 第二章垫层厚度投垫层项面当量剐弹棋盘的确定 圈37 垫层顶面当量回弹横量e ， ( 4 ) 当土基回弹模量e 为6 0 m p a 时查上表，得e ，值列在下表31 3 ，罔3 7 表31 4 垫层顶面当量回弹e t 值表( b = 6 州p a ) 弋e e o 湎) 9 9 1 2 7l3 81 6 5 9 6 1 9 2 j 8 9 0 o 0 o 0 0 撕 锄 m 0 一日山基 蚓辎融互捌盯嵯菩陋亭 k 生大学顿i 学位论文 33 本章小结 十基模晕= 6 0 、, l p n ： ( 】( ) 4 0 0 5 0 ( )6 0 0 挚层回弹模量( 阳) 图38 垫层顶面当量回弹模量e 。 一l i ) c m - _ l5 c m 2 0 c m 一一2 5 c m * 3 0 c m _ 3 5 c m - - 一4 0 c m 本章的主要内容和结论如下： ( i ) 运用弯沉等效原则，汁算了不同土基回弹模量，不同垫层抗压回弹模量所需 满足路面结构要求的挚层厚度给出了挚层厚度计算图。实际应用当中，可以在土基回 弹模量e 。取值基础上，根据所采用挚层材料的回掸模量e l ，仿照前面所提供的算例，在 多层体系中，具体计算确定垫层厚度，使之满足力学要求 ( 2 ) 原则上说，鹅层既可以作为路面结构层，也可以作为十基的组成部分。考虑 到设置鹕层主要是为了保证路基的r 值，全封闭隔水和防止路基沉陷从设计的角度， 将垫层作为土基的组成部分，分析汁算出不同情况下的挚层顶面的当量回弹模量值，以 方便设计汁算。 0 o o o 0 0 0 鲫孙加m 0 一日_ | 弓 删辎棼丑竭卸旧譬理哥 第阴章二灰碎石混合料组成结构及强度形成机理分析 第四章二灰碎石混合料组成结构及强度形成机理分析 4 1 二灰碎石组成结构 二灰碎石混合料的路用性能与它的结构特点有着非常密切的关系。混合料的结构是 指混合料各组成材料之间相互作用的特点，相对位置分布及相互联系的状况。因此，混 合料的结构特性与其材料组成、材料力学性能及各组成部分之间的相对位置密切相关， 混合料受力变形特性是各结构特性组成因素的综合反映，即混合料力学特性与结构特性 成对应关系。当组成二灰碎石混合料结构特点的各因素发生变化时，混合料的力学特性 也会发生变化。 混合料的结构特点取决于以下因素： ( 1 ) 矿质颗粒的结构特点：包括矿料颗粒的大小、形状、级配、岩性等都会对二 灰碎石混合料的结构特性产生影响； ( 2 ) 二灰结合料：石灰与粉煤灰的比例、石灰中有效氧化钙、氧化镁的含量、粉 煤灰的细度及颗粒组成都会对混合料的结构特性有很大的影响； ( 3 ) 二次碎石混合料的含水量的高低及水质的好坏对二灰碎石整体结构特性也有 很大的影响。 混合料的结构强度在很大程度上取决于混合料的内摩阻力和粘结力。在混合料中， 各结构组分的变化，会对整个混合料受力产生直接影响，从而使混合料具有不同的变形 特性。其结构特点主要有以下三种情况： ( 1 ) 密实悬浮结构 这种结构形态的二灰碎石混合料，通常采用连续型密级配，骨料的颗粒尺寸由大到 小连续存在。这种结构中含有大量细料，而粗料数量较少，且相互问没有接触，不能形 成骨架，粗颗粒犹如“悬浮”于细颗粒之中。三轴试验表明，该种结构虽然具有较高的 粘聚力，但摩阻角较低，其强度主要受粘结力所控制，在外部荷载作用下，易产生破坏。 由此而修筑的二灰碎石结构层，受二灰性质的影响较大，因而其抗收缩性能较差，使结 构层容易开裂，破坏了结构层的整体性，是造成路面结构破坏的因素之一。 长安大学硕上学位论文 图4 1密实悬浮结构图4 2骨架空隙结构 ( 2 ) 骨架空隙结构 采用连续开级配的二灰碎石混合料属于这一结构类型。在这种结构中，粗骨料较多， 而细料数量极少，因此，虽然能够形成骨架，但其残余空隙较大。三轴试验表明，虽然 此种结构粘聚力较低，但其内摩阻角较大，其强度主要取决于内摩阻力，粘聚力相对是 次要的。由此而修筑的二灰稳定碎石结构层，受二灰性质的影响较小，因而其抗收缩性 能较好，但由于其空隙率太大，使结构层的耐久性受到影响。 ( 3 ) 密实骨架结构 图4 3 密实骨架结构 密实骨架结构是综合以上两种类型组成的结构。二 灰碎石混合料既有一定数量的粗骨料形成骨架，又根据 残余空隙的多少加入细料，从而使混合料形成较高的密 实度。这种结构的混合料三轴试验表明，此种结构不仅 具有较高的内摩阻角，而且具有较高的粘聚力。理论上 讲，属于该种结构类型的二灰碎石混合料具有最优的力学性能、抗收缩性能。 纵观以上分析可以看出，二灰碎石混合料中各组成成分的空间位置排列不同，就会 导致混合料整体性质发生变化，因此深入分析混合料内部组成结构，才能真正设计出性 能优良的二灰碎石混合料。 4 2 二灰碎石垫层技术性能要求 在路面结构中，垫层是位于底基层下的结构层，二狄稳定碎石垫层主要起次要承重、 扩散荷载应力、隔水以及改善路基水温状况的作用。因此，作为路面垫层的二灰混合料， 一般必须满足以下几个基本要求： 一、具有足够的强度和刚度 第p q 章_ 二灰碎石混合料组成结构及强度形成机理分析 二灰稳定碎石挚层必须具有足够的强度才能承受施工车辆荷载的反复作用，即在预 定设计标准轴次的反复作用下，垫层不会产生过多的残余变形，更不会产生疲劳弯拉破 坏。二灰稳定碎石材料的强度主要包括两个方面：一是石料本身的强度，可用集料压碎 值或集料磨耗值表示，也可用岩石的抗压强度表示；二是二灰碎石混合料整体的强度， 如抗压强度。另外，垫层的刚度必须与底基层的刚度相配，如垫层的刚度过小，则底基 层会由于过大的拉应力或拉应变而过早产生开裂破坏；如垫层的刚度过大，其抗裂性能 较差。 二、具有足够的水稳性和冰冻稳定性 在地下水位接近地表的地段，特别在路基填土不高时，地下水可通过毛细作用进入 土基上部和路面结构层；在冰冻地区，由于冬季水分重分布的结果，路基上层有可能处 于潮湿或过湿状态。这就要求垫层材料在水的作用下，其强度、整体性和刚度不会明显 的下降，并且在冬季有一定的承受冻融循环作用的能力。 三、具有良好的抗裂性能 垫层材料随着温度和湿度的变化，产生一定的拉应变，如果超过材料允许拉应变， 垫层就会开裂。垫层的收缩开裂不仅破坏其本身结构的整体性而降低强度，并且会为地 下水进入到路面结构内部提供途径，因此希望垫层的收缩量越小越好。二次碎石混合料 的收缩主要包括由于失水而产生的干燥收缩和因温度降低而产生的温度收缩两大方面。 出于下列原因，一般认为二灰材料的两类收缩中以温度收缩较为重要： ( 1 ) 一般道路建筑条件下，路面开裂现象主要发生在低于一5 的气温时，细的 横向裂缝宽度约在0 2 m m 2 m m 。这种情况下致使路面结构层形变的主要原因是温度收 缩。 ( 2 ) 施工中若能认真地控n - - 灰碎石结构层的水分散失，便能够减小甚至完全消 除干缩裂缝的发生。 国内部分路段调查结果也表明：在季节性冰冻地区，气温的急剧下降会增加路面的 开裂程度；二灰碎石混合料组成和稳定剂数量是影响收缩变形的主要因素。 4 3 二灰碎石混合料强度形成机理分析 二灰碎石混合料在压实成型后，系由固相( 石灰、粉煤灰、碎石) 、液相( 水溶液) 和气相( 空气) 三相组成。三相之间相互作用的结果，使得石灰粉煤灰稳定碎石混合料 具有较高的强度和刚度，从而满足了二灰碎石混合料作为路面结构层的性能要求。 长安大学硕士学位论文 构成二灰碎石混合料强度的因素包括两方面，即由矿质颗粒之间的内摩阻力和嵌挤 力，以及二灰结合料及其与矿料之间的粘结力和内聚力所构成。矿质集料对混合料强度 的影响主要是矿料级配类型、矿料物理特性等。混合料强度与集料级配组成有密切关系， 一般而言，具有良好级配的混合料既有坚实的矿质骨架网络，又具有密实度相对较高， 且空隙含量适中的特点，其路用性能就好，此外混合料中矿料表面的粗糙度、形状均对 强度有明显影响。 二灰碎石混合料加水拌合后，通过机械压实，使得集料在混合料中重新紧密排列， 使其充分发挥骨架作用。成型初期，可以认为二灰混合料未发生化学反应，其强度主要 来自密实骨架的内摩阻力，以及颗粒间水膜与相邻颗粒之间的分子引力所形成的“原始