（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土路面基层材料抗冲刷性能研究.pdf

摘要 近年来，我国经济的快速发展对道路交通提出了越来越高的要求，车速快，重载、 超载车辆比例大，加剧了水泥混凝土路面破坏。大量工程实践表明，很多由基层引起的 路面损坏并非基层的承载力不足，而是由其他的原因所致。其中半刚性材料抗冲刷能力 的不足是加速水泥混凝土路面破坏的重要因素之一。国内外的调查和研究显示，由于基 层材料的抗冲刷性不能满足要求而导致路面卿泥、破裂的情况明显存在。因此，开展水 泥板底脱空处的冲刷作用和基层材料抗冲刷性能研究对于水泥路面基层的长期性研究 具有重要意义。这将对有效地延长道路的使用寿命，并使道路在其使用寿命中为车辆提 供良好的服务有着非常重要的作用和意义。 本论文从水泥混凝土路面板底脱空处的抗冲刷研究出发，通过对板底脱空形成机 理、影响因素进行分析，并通过板底脱空室内试验研究各种因素对实际路面板底脱空处 动水压力的影响，并在参阅和分析国内外有关半刚性材料抗冲刷性能研究的基础上，设 计出了更为合理的抗冲刷性能试验装置，并用该试验装置进行了我国典型半刚性材料的 抗冲刷性能试验研究，在理论上对冲刷试验结果进行了分析并提出了一些抗冲刷指标。 本研究成果为今后深入开展基层材料抗冲刷性能室内试验研究和室外路面的抗冲刷性 能预测提供了必要的基础。 关键词：板底脱空半刚性基层材料抗冲刷动水压力冲刷机理试验装置 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c h i n a s r a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n th a sm a d et h er o a dt r a f f i c d e m a n d se v e r - i n c r e a s i n g h i g hs p e e d ，h e a v yl o a d ，t h el a r g ep r o p o r t i o no fo v e r l o a d e dv e h i c l e s ： a l lo ft h i si n c r e a s et h ed a m a g eo fc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t p r a c t i c es h o w st h a tt h e i n s u f f i c i e n ta n t i - e r o s i o nc a p a c i t yo fs e m i - r i g i db a s em a t e r i a la c c e l e r a t e dr o a dd a m a g ei so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a li n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tt h e r ei sa n o b v i o u se x i s t e n c eo fp a v e m e n t sb r e a k d o w nw h i c hi sc a u s e db yt h el a c ko ft h eb a s ec o u r s e s a n t i - e r o s i o n t h e r e f o r e ，c a r r y i n go u tr e s e a r c ho na n t i - e r o s i o np r o p e r t i e so fb a s ec o u r s e m a t e r i a la n dw a s ho f fr u l eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sw i l le f f e c t i v e l ye x t e n dt h es e r v i c el i f e o f t h er o a d i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra n a l y s i st h em e c h a n i s mo ft h ev o i d sb e n e a t hp a v e m e n ts l a b s a n di t si n f l u e n c ef a c t o r s t h r o u g ht h e l a bt e s to nt h ei t ，t h ee f f e c to ft h eh y d r a u l i cp r e s s u r eo n p r a c t i c ep a v e m e n th a sb e e na t t a i n e d f r o mt h es t u d yo ft h ec e m e n tc o n c r e t es l a b s a n t i e r o s i o np r o p e r t ya n dt h el i t e r a t u r eo nt h i ss u b je c t s ，am o r er e a s o n a b l ea n t i - e r o s i o nt e s t d e v i c ew a sd e v e l o p e d t h ed e v i c ew a su s e do nt h es t u d yo fo u rt y p i c a ls e m i - r i g i db a s e m a t e r i a l sa n t i - e r o s i o np e r f o r m a n c e s o m et e s tr e s u l t sw a sa n a l y z e di nt h e o r ya n da n u m b e ro fa n t i - e r o s i o ni n d e x e sw e r ep r o p o s e d t h er e s u l t so ft h i ss t u d ys e tan e c e s s a r y f o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ei n - d e p t hs t u d yo ft h ea n t i - - e r o s i o np e r f o r m a n c eo ft h eb a s ec o u r s e m a t e r i a l k e y w o r d s ：v o i d sb e n e a t hp a v e m e n ts l a b s e m i - r i g i db a s e c o u r s em a t e r i a l a n t i - e r o s i o n h y d r o d y n a m i cp r e s s u r e e r o s i o nm e c h a n i s mt e s td e v i c e 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： 黏反 啃3 一 论文知识产权权属声明 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) 论文作者繇磊弘明年加刁日 j ： 铷一防巩叩月7 日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 水泥混凝土路面是高级路面的重要结构形式，与沥青路面相比具有寿命长、养护工 作量小、能源消耗小、施工简便以及对交通等级和环境适应性强等优点。长期以来，水 泥混凝土路面就是世界各国广泛应用的路面结构形式，我国从2 0 世纪8 0 年代以来，水 泥混凝土路面也得到迅猛发展。据统计，1 9 8 0 年全国水泥混凝土路面的通车里程仅有 1 6 0 0 多公里，到1 9 8 8 年底就增至8 2 6 4 公里，平均每年增加8 0 0 多公里；在这之后的 1 0 多年间，水泥混凝土路面每年通车里程增加近1 0 0 0 0 公里，到2 0 0 8 年底，全国水泥 混凝土路面总里程已达3 0 多万公里，占高级路面的一半以上。 但是由于各种原因，我国早期修建的水泥混凝土路面使用状况不佳，使用寿命大大 低于设计使用年限。尤其在一些重交通干道上水泥混凝土路面早期破损严重，往往通车 2 5 年左右就产生断板、断角和碎裂等结构性损坏。也就是说，目前一些水泥混凝土 路面不但没有体现出使用寿命长、养护费用低等优点，反而使水泥混凝土路面维修困难 的弱点进一步体现，甚至造成有些省市行政主管部门明令限制水泥混凝土路面在干线公 路中的应用。 调查表明，水泥混凝土路面在使用早期出现的病害多与路基不均匀沉陷、基层类型 选择不当及面板铺筑质量不佳有关。而水泥混凝土路面长期使用性能主要与路基和基层 有关，良好的路基和基层是保证水泥混凝土路面良好运营的前提。而目前国内外广泛应 用的水泥混凝土路面基层主要有三大类型：刚性基层，如贫混凝土和碾压混凝土；半刚 性基层，如无机结合料( 水泥、石灰一粉煤灰) 稳定粒料( 碎石或砾石) 和土；柔性基 层，如沥青稳定类及碎( 砾) 石等粒料。 基层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度。当前，我国水泥混凝土路面大多采用 半刚性基层材料，该类基层抗冲刷能力较差，受侵蚀后引起的唧泥现象是导致混凝土路 面板底脱空、错台和断裂的直接原因。现行规范虽然对基层提出了抗冲刷能力及刚度要 求，但仅限于定性建议，材料组成与结构设计中未提出定量指标。多年来的应用实践表 明：水泥稳定粒料基层的刚度较大，混凝土面层会由此而产生较大的温度翘曲变形和应 力，使板底易出现同基层顶面的初始脱空现象：同时，在未采取隔离措施( 如铺设土工织 物或塑料薄膜等) 时，由于混凝土板同基层的粘结，水泥稳定粒料基层的收缩裂缝会反射 第一章绪论 到面层上来：水泥稳定粒料基层中的细料在缝隙处高压水的泵吸作用下不耐冲刷，高压 水流会使细料迁移，进一步淘空基层，使路面板和基层之间形成脱空区域。在雨雪天气 中，降水由面层裂缝不断渗入，不但会使裂缝附近面层下的基层材料吸水饱和，而且裂 缝附近面层与无机结合料基层之间也会渗入自由水。这种情况在寒冷的秋冬季节和气温 较低北方地区会因道路面层裂缝的扩大更为明显。在行车荷载尤其是在吨位较大的重车 作用下，这些自由水会产生很大的动水压力，使得基层材料中的细料部分会受到冲刷。 虽然每一次的冲刷量很小，但在行车荷载的重复作用下会积少成多，在面层与基层之间 形成细料浆，随着细料浆的不断增加，再加上行车荷载的反复作用，细料浆被逐渐挤出路 面面层的裂缝形成唧泥现象。如果面层上的裂缝是由基层裂缝反射而引起的，那么，由 于面层和基层的裂缝相互贯通，渗入路面的水还会很快地进入基层的内部，这样在冲刷 过程中基层内部的细料同样会损失，这种情况使得路面唧泥现象更加严重。 一旦基层材料产生冲刷，并由此导致面层与基层之间形成脱空现象，接下来便会进 入恶性循环，道路破坏的进程也会越来越快。因此，开展水泥混凝土板底脱空处的冲刷 作用和基层材料抗冲刷性能研究对于水泥路面基层的长期性研究具有重要意义。这对有 效延长道路的使用寿命，并使道路在其使用寿命中为车辆提供良好的服务具有非常重要 的作用和意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水泥混凝土板底脱空处冲刷的研究现状 水泥混凝土路面板底脱空，会导致路面板失去均匀支撑，从而在车辆作用下产生过 量的应力而发生断裂。水泥混凝土路面板底脱空区的形成和发展，是因为行车荷载作用 下脱空区内的滞留水高速流动对基层的冲刷造成的。对此，国内外的研究与工程实践从 二个方面展开，第一，采用统计方法，对试验路或实际道路的路面结构、气候条件和行 车作用与板底脱空之间关系进行归纳总结，进而在设计时加以考虑和应对，例如， a a s h t o ( 美国联邦公路与运输工作者协会) 设计法i l 】，其缺点是推广性较差；其次，从研 究基层材料的抗冲刷能力着眼，力求建立基层材料抗冲刷能力大于等于行车荷载作用引 起的基层冲刷作用的结构极限状态，从而达到消除和控制板底脱空的产生和扩展的目 的。 迄今为至，世界各国对行车荷载作用引起的基层冲刷作用的研究仍停留在起步阶 段。2 0 世纪8 0 - - 一9 0 年代，美国的蒂阿( t i a ，1 9 8 6 ) ，邓普西( d e m p s e y ，1 9 8 2 ) 2 1 ，冯 2 长安大学硕士学位论文 威吉克( v a nw i j k ，1 9 8 5 ，1 9 8 9 ) 1 3 1 4 1 ，亨森( h a n s e n1 9 9 1 ) 【5 1 等人采用观察和现场试验 方法，对脱空区滞留水的压力和流速进行研究，但是由于扁平脱空区内滞留水的流态变 化非常急剧，脱空区内布置压力和流速传感器不仅无法测得其流态极值，也不能正确地 描述其流态全貌。亨森在1 9 9 1 年，根据其在佛罗里达州现场试验的水压力和水流速测 定结果，采用平板流模型进行分析拟合。但由于实际路面板底脱空的情况未知，以及采 用一维水平向无限的平板流假设与实际情况出入过大，故这些成果缺乏良好的推广价 值。因此，对基层材料抗冲刷能力的研究只能停留在定性的层面上，尚无被普遍认同的 基层材料抗冲刷能力的标准试验方法。 1 2 2 基层材料抗冲刷性能研究现状 尽管早在2 0 世纪5 0 年代，美国等一些国家就有报道，在水泥混凝土路面混凝土板 的接缝处，由于板在行车的作用下所产生的泵吸作用会造成道路基层的卿泥现象，但是 国外开展基层材料抗冲刷性能研究真正始于2 0 世纪8 0 年代。总的来说，道路基层材料 抗冲刷性能的研究尚属于较新的领域。 1 国外研究现状 1 9 8 6 年，澳大利亚公路研究所采用加速加载设备在昆士兰州的试验路面上进行了 一系列的足尺路面加载试验。试验表明，如果水分积聚在路面的裂缝内或者积聚在没有 结合的层间交接面上，每当轮载通过一次，唧泥就有可能发生，凡是发生唧泥的位置水 泥处治材料中的细料部分将会被冲蚀掉，以致于道路的面层很快就会发生破坏。法国道 路部门利用旋转刷和振动台试验装置开展了许多道路冲刷试验。利用这些试验装置对以 水泥为结合料的水泥处治基层材料的抗冲刷性能进行研究，主要研究结论如下： ( 1 ) 存在一个临界的水泥剂量，在此剂量以下半刚性基层材料的冲刷量会急剧的增 加。 ( 2 ) 强度试验与水泥处治基层的冲刷性之间没有相关关系。 ( 3 ) 在法国用于重交通道路基层的粒料一矿渣，即1 的石灰及1 5 - 2 0 的粒状矿渣， 和8 5 一9 0 集料，在相同的条件下，其受冲刷较2 的水泥处治材料要大得多。 ( 4 ) 冻融循环的次数增加，冲刷量也会随之增加。 此外，法国道路部门的野外经验指出，水泥剂量不足、压实度不足和较差的养生环 境会加速水泥处治基层的冲刷：降雨时间、交通量增加、水分侵入以及缺少相应的路面 排水设施都会增加基层的冲刷。近几年来，澳大利亚的研究人员利用压实混凝土收缩试 第一章绪论 件的振动台作了大量的水泥处治材料的冲刷试验，也同样得出了一些研究成果： ( 1 ) 对于水泥稳定粒料存在一个临界的水泥剂量，而且这个水泥剂量取决于试件的养 生条件、泡水时间和试件被冲刷一面的接触压力等因素。 ( 2 ) 试件的养生方式及养生时间同样对试件的冲刷量有很大的影响。例如：对于2 的 水泥稳定粒料试件分别在6 5 ，1 0 0 湿度和2 3 ，1 0 0 湿度的条件下对其养生7 d ，试 验后表明养生温度为2 3 的试件冲刷性明显大于温度为6 5 下养生的试件。 虽然这些国家较早的开始研究无机结合粒料处治材料的抗冲刷能力，但总的说来， 由于试验方法和试验装置的原因，至今没有哪种室内试验方法能与现实道路的实用性能 建立较好的相互联系。而且他们较多的是研究水泥处治类材料，对我国常用二灰稳定类、 石灰稳定类的半刚性材料的研究相对较少。 2 国内研究现状 在我国，以水泥、石灰、粉煤灰为主要结合料的稳定土、粒料以及工业废渣的半刚 性材料，因其具有较高的强度、良好的水稳性和显著的经济效益被广泛地用作各类道路 的基层，相应的施工技术也在不断的完善。然而与道路面层的材料组成设计相比，半刚 性基层材料的组成设计控制指标相对单一。到目前为止，明确被用来作为半刚性材料组 成设计控制的指标仍然只有7 d 浸水后无侧限抗压强度，但在实际中路面的破坏往往并 非抗压强度不够，而是由其它原因所致，其中半刚性材料抗冲刷能力不足是其中重要原 因之一。 鉴于上述问题，1 9 8 5 年交通部颁布的公路路面基层施工技术规范中对基层材 料的抗冲刷能力有所考虑。例如，对一些抗冲刷能力比较弱的无机结合料稳定细粒土的 适用范围作出限制，并规定了无机结合料稳定粒料土中细料的粒径大小及其含量。但是， 缺乏相关研究成果的支持，这与半刚性基层材料的抗冲刷性能试验方法和指标这一前提 条件尚未建立有关。以下就国内关于半刚性基层材料的抗冲刷性能研究现状作简单介 绍。 长安大学沙爱民教授等人【6 】在分析评价现有试验方法的基础上，提出了新的试验装 置和试验方法，并通过对水泥土( 6 ) 和水泥砂砾( 6 ) 的试验进一步确定了试验条件，试 验结果表明：( 1 ) 无论是作用力相同、作用频率不同还是作用力不同、作用频率相同的冲 刷条件，冲刷过程中水泥土的冲刷量随时间的延长呈线性增长，水泥砂砾的冲刷量随时 间的延长呈曲线增长，在试验的前期增长较快，在后期增长较缓，并逐渐趋于稳定。( 2 ) 在作用力不变的条件下，提高作用频率( 作用次数增加) 后，水泥砂砾和水泥土的3 0 m i n 4 长安大学硕士学位论文 内冲刷量都在增加。但是，冲刷量增加的情况有所不同，水泥砂砾总的冲刷量变化不大， 水泥土总的冲刷量变化较大。( 3 ) 当作用力和作用次数不变时，频率的增加对冲刷量的 影响不大，尤其是在频率值较高的情况下这种影响较小。这说明作用频率本身对试件的 冲刷量影响不大。最终确定的试验条件是作用力为0 5 m p a ，作用频率定为l o h z ，作用 总时段取3 0 m i n 。 沈阳建筑大学张敏江等【7 】针对半刚性基层材料常见的冲刷病害，在分析其形成机理 的基础上，在室内利用冲刷试验仪研究抗冲刷性能的影响因素。试验表明：无机结合料 稳定粗粒土抗冲刷性能要明显优于稳定细粒土，二灰比为l ：3 要优于二灰比为1 ：2 的抗 冲刷性能。因此，半刚性基层抗冲刷性能主要与半刚性材料类型和配合比有关：同时， 提出了利用l o m i n 内材料的冲刷速率作为半刚性基层材料抗冲刷性能指标。 西安公路交通大学的郝培文和胡长顺等人【8 】分析了半刚性基层材料冲刷现象的形 成机理，在室内利用冲刷试验仪研究不同类型半刚性材料的抗冲刷特性，结果表明：对 于稳定土类，水泥土的抗冲刷性能最好，石灰土、二灰土相对较差：对于稳定粒料类， 水泥粉煤灰类要优于二灰类，但不同级配对抗冲刷性影响较大，与此同时提出了利用 5 m i n 内冲刷速率作为半刚性基层材料抗冲刷性能的评价指标。 长安大学滕旭秋等【9 】利用冲刷试验仪进行了不同材料、不同级配二灰碎石混合料的 冲刷试验研究，并通过试验确定了二灰碎石混合料的预冲刷时间，提出了在扣除预冲刷 时间对试验结果的影响后，可利用7 m i n 内的单位时间冲刷率来作为评价二灰碎石混合 料抗冲刷性能的指标。试验结果表明，影响二灰碎石混合料抗冲刷性能的主要因素是集 料的级配状况，但水泥的影响较小。 胜利油田的安博生【l o 】利用冲刷试验仪对g m ( 骨架密实型级配) 和g f ( 规范推荐级配 的中值) 级配的二灰碎石基层混合料进行了室内冲刷试验研究，通过试验确定了二灰碎 石基层的预冲刷时间，提出了在扣除预冲刷时间对试验结果的影响后，可把7 m i n 内的 单位时间冲刷率作为评价二灰碎石混合料抗冲刷性能的指标。他的研究得出的结论与滕 旭秋、陈忠达等人的结论相似。 交通部公路科学研究院的杜天玲【1 1 1 等采用沙爱民教授研制的抗冲刷试验机，针对黄 土地区常用的几种半刚性基层材料( 水泥稳定碎石、二灰稳定碎石、水泥粉煤灰稳定碎 石) 进行了抗冲刷试验研究，通过分析不同水泥剂量、不同二灰含量和二灰比对基层材 料抗冲刷性能的影响规律。他们认为：( 1 ) 当水泥稳定碎石级配不变时，冲刷量随着水泥 稳定碎石抗压强度的增加而减少。因此，在黄土地区，要满足半刚性基层材料的抗冲刷 第一章绪论 性能，必须对其抗压强度有一个最低的要求。不同水泥剂量的水泥稳定碎石试件抗冲刷 后有较明显的差别，水泥稳定碎石的抗冲刷性能与其混合料中细料的含量有密切的关 系，推荐水泥剂量范围为5 - - 6 。( 2 ) 当二灰集料比一定时，抗冲刷性随着二灰比的增 大而增强。当二灰比例为1 ：2 时，石灰的剂量相应增大6 7 ，其冲刷量比起二灰比为l ：4 时的冲刷量小2 6 9 6 。这是因为随着石灰剂量的增大，粉煤灰的火山灰反应比较充分，相 应生成的水化凝胶产物较多，粉煤灰颗粒之间的粘结作用较强，从而填充在骨料之间增 强了骨料的粘结力，因而表现出抗冲刷能力较强，其强度也较高。( 3 ) 将养护9 0 d ，混 合料的配合比7 ：1 3 ：8 0 的石灰粉煤灰稳定碎石和7 ：1 3 ：8 0 的石灰粉煤灰稳定砂砾的冲刷 试验结果比较分析可得：由于二灰稳定碎石的粗集料棱角较多，摩擦力较大，粗骨料之 间的嵌挤作用较大，宏观表现出抗压强度高于粗集料圆滑，粗骨料间结合力较弱的二灰 稳定砂砾。因此石灰粉煤灰稳定碎石的抗冲刷性能明显高于石灰粉煤灰稳定砂砾，相应 的其强度也高于二灰稳定砂砾8 0 。( 4 ) 当水泥粉煤灰与集料的比例一定时，水泥粉煤 灰稳定碎石的冲刷量随着水泥与粉煤灰的比例的增加而减少。并推荐应用水泥粉煤灰与 集料比为1 5 ：8 5 时，水泥粉煤灰比例为1 ：2 的水泥粉煤灰碎石为抗冲刷的基层材料配合 比。 长安大学的胡力群【1 2 】利用m t s 材料试验平台设备，在有水的条件下模拟实际路面基 层的冲刷状态，试验时荷载取0 5 m p a ，加载频率取l o h z ，试验时间为6 个时段，每个 时段5 m i n ，共计3 0 m i n ，分别对水泥土、水泥砂砾、水泥碎石和透水性基层材料作了抗 冲刷性能试验。得出如下几个结论：( 1 ) 影响水泥细粒土抗冲刷性能的材料组成因素主要 是水泥剂量，影响水泥稳定碎石或砂砾的材料组成因素有细料被结合状况、粗料的骨架 作用、透水状态等。( 2 ) 水泥稳定细粒土材料的抗冲刷性能主要取决于其中水泥石骨架 网在空间的分布密度，水泥石网的密度增加，抗冲刷性能增强，与抗压强度相关性大。 ( 3 ) 水泥稳定碎石或砂砾的抗冲刷性能主要取决于其中细颗粒的含量被稳定程度和粗颗 粒的骨架作用，冲刷初期受细颗粒状况影响，冲刷后期受粗颗粒状况影响，与抗压强度 相关性小。( 4 ) 在相同的水泥剂量及集料配比之下，水泥碎石在各时间段的冲刷量均小 于水泥砂砾。一般情况下，水泥稳定粗粒土的抗冲刷能力好于水泥土。 总的来说，国内外目前尚没有统一基层材料抗冲刷性能试验的方法及其指标，其中 很重要的原因之一是国内外都没有理想的基层材料抗冲刷试验仪器设备，这些设备在使 用过程中由于功能上的缺陷或多或少存在不足，不能很好的与实际冲刷现象相联系，无 法定量进行研究分析，同时不能为设计部门提供有效的设计参数，所以出现了基层材料 6 长安大学硕士学位论文 的抗冲刷性能不足的现象，这种现象的发生加速了道路的破坏速度，缩短了道路的使用 寿命。因此，对于水泥混凝土路面基层材料的抗冲刷性能研究首要的是要研制一种新型 的基层材料抗冲刷试验机仪器。 1 3 主要研究内容 本文针对目前许多路面结构因基层抗冲刷能力不足而导致路面寿命大大缩短的实 际情况以及现有的半刚性基层材料抗冲刷试验方法不能很好地与野外试验和实际路用 性能相联系的矛盾，对现有的抗冲刷试验装置及试验方法进行分析，指出其中的不足之 处。提出更为合理的半刚性基层材料抗冲刷性能试验装置和试验方法。利用新的抗冲刷 试验装置对国内几种典型的半刚性基层材料进行抗冲刷性能方面的试验，并对试验结果 进行较为详细的分析，在此基础上总结出一些规律。主要的研究内容如下： 1 水泥混凝土路面板底脱空机理分析 对水泥混凝土路面板底脱空的形成机理和影响因素进行理论分析。 2 水泥混凝土路面板底脱空室内试验研究 通过对水泥混凝土路面板底脱空进行试验室模拟，得出在行车荷载作用下脱空处动 水压力的实际情形。 3 基层材料抗冲刷试验方法研究 通过对以往冲刷试验装置的分析，扬长避短，提出新的冲刷试验装置。并通过对室 内板底脱空试验模拟和用新设计的试验装置对两种有代表性半刚性基层材料：水泥砂砾 ( 5 ) 、水泥土( 5 ) 作不同试验条件下的冲刷试验，再参考以往路面的实测数据，并据此 提出常用的试验条件。 4 半刚性基层材料抗冲刷性能评价 利用新半刚性基层材料抗冲刷性能的试验装置对国内几种典型的基层材料做抗冲 刷性能的试验。其中包括：石灰稳定土、二灰稳定土、水泥稳定土。分别从路面结构的 受力、变形和半刚性基层材料的物质组成与结构方面对试验结果、冲刷机理进行分析， 并在此基础上总结出一些规律。 7 第二章水泥混凝土路面板底脱空机理分析 第二章水泥混凝土路面板底脱空机理分析 2 1 板底脱空形成机理分析 板底脱空是指路面板与基层部分分离而产生空隙。 水泥混凝土的弹性模量非常高，一般为( 2 5 - - - 4 0 ) x1 0 3 m p a 。因此混凝土面层板具 有很高的刚度和扩散荷载的能力，通过面层板传到基层顶面的荷载应力值很小，一般情 况下小于o 1m p a ( 特殊部位在应力集中时应力会高于此值) ，与之相较，道路基层材 料的弹性模量要低得多，即使是强度较好的二灰稳定类和水泥稳定类，其9 0 d 的抗压回 弹模量也不会超过2 0 0 0 m p a 。一种材料的弹性模量表征了这种材料在荷载作用下的变 形能力。由于弹性模量的较大差异，所以在汽车荷载的作用下它们的变形能力也有所区 别。在车轮荷载作用下水泥混凝土路面板尚处在弹性变形阶段，其由于荷载所产生的变 形在荷载移去之后可以完全恢复，而基层由于其弹粘塑性，在车辆荷载的作用之下变形 不能完全恢复，虽然荷载每次作用后路基所残留的塑性变形量很微小，但数百万甚至数 千万次作用后的累积量并不小，荷载作用于路面板上不同部位时，所产生的弯沉量不同， 板角隅处大于板边缘处，而板中部的量最小，由于不同的部位板的弯沉量有差异，路基的 累计塑性变形量也不同，在板角隅下为最大，板边缘下次之，板中部下最小。这样，在板角 隅和板边缘处就形成了板底同路基顶面间的脱空。脱空意味板失去了部分支撑，势必显 著增加板内的弯拉应力【1 6 】。 i i o 咻 b 图1 1 路面在温度翘曲作用下的情形 然而在实际情况中，半刚性基层的刚度较大，水泥混凝土板会由于温度的变化而产 生翘起和拱起，混凝土面层会由此而产生较大的温度翘曲变形和应力，使板层易出现同 基层顶面的脱空。混凝土板因温度变化而产生变形的情况是非常明显的，尤其是在昼夜 温差较大的夏季。当外界的气温较高时混凝土板会向上拱起，此时混凝土板在车辆荷载 和板身自重的作用下，本由混凝土板下基层较均匀承担的力，现主要由板两端( 图1 1 a ) 长安大学硕士学位论文 下的基层承担，此处基层的受力比平常大出许多。当混凝土板发生翘曲时，混凝土板的 活动性增加，快速行驶的车辆又会给在板的两端( 图1 1 b ) 下的基层产生相当大的冲击 力。由此看来，无论混凝土板是在拱起还是翘曲状态下，板两端下的基层受力都较平常 大，在此阶段，局部的基层塑性变形也比别处的大，因此这些部位混凝土板下局部的脱 空的潜在可能性较大。 同时，水泥混凝土路面存在接缝( 有时还有裂缝) 和自由边缘，路基因降雨等原因，有 时处于浸润状态。此时，在车轮荷载作用下，路面板与基层之间会产生高压水流，从而侵 蚀基层表面，这就是冲刷作用，在车轮荷载作用下，含有基层材料的颗粒成分的压力水从 路面板的接缝或裂缝处喷出，通常称为唧泥或泵浆。这种现象一旦发生，路面板就会局部 失去基层的支承作用而产生断裂及错台。降水会沿缝隙下渗，并积滞在上述脱空区内， 车轮驶过时，后方板的边缘或角隅先向弯沉，将脱空区内积滞的水挤向前方，而后车轮行 驶到前方板上时，又将水挤向后方。行车速度较快，积滞水受到挤压的前后流动速度很高， 路基材料在高速水流作用下很容易受冲刷，而积滞水也变成了含有细粒土的泥浆。“在车 轮和面层板弯沉变形作用下，泥浆沿接( 裂) 缝自由边缘冒出，泥浆冒出意味路基受冲刷， 细粒土被带出，因而脱空区扩大，板的支承条件更加恶化、在荷载作用下极易产生断裂 ( 纵、横向或角隅) 损坏【2 3 1 。当板底脱空达到一定的规模时，路面板在外荷载作用下弯拉 应力大大增加，从而导致路面板使用寿命大为缩短。 同时，车轮驶往前方板时，带有细粒土的泥浆以高速向后方板脱空区喷射，使部分细 粘土沉积在该脱空区，从而使后方板块抬高，形成了接缝处相邻两板边缘的竖向高差。这 种病害称为错台，错台的出现加剧了路面的不平整，恶化了行车的舒适性。 水泥混凝土路面在接缝处的板底脱空区纵剖面示意图如图1 2 。 o e o ir l l一一| 一一0，如1 儿”? d 卜一一一 图1 2 接缝处板底脱空区纵剖面示意图 在脱空区内充满或接近充满水的情况下，当车辆荷载驶近脱空区时，路面板开始向 下挠曲变形，向下挠曲的板底对水体施加了一个压力，水体在这一压力的作用下，向前 9 第二章水泥混凝七路面板底脱空机理分析 方流动并从接缝处挤出；当车轮驶过接缝进入前板时，后板迅速反弹，迅速反弹的板底 对水体形成了类似“真空 泵吸作用，再加上前板的向下变形，加剧了前板下脱空区内 水体向后板的流动。这种高速流动的水对基层形成了短暂但很急剧的冲刷作用，基层表 面的细颗粒被曳离结构层，并从接缝缝隙带出，从而形成唧泥。由于板的振动，车轮驶 过后，上述唧泥和冲刷作用并不是马上终止，而会进行几个循环。 2 2 板底脱空影响因素分析 通过对板底脱空的形成机理进行理论分析，得出水泥混凝土路面板底脱空是指面板 与基础之间出现空隙，是在交通荷载的重复作用下，水泥混凝土路面板下基础产生一定 的塑性变形，或者由于温度、湿度的影响混凝土板将产生翘曲，致使混凝土板局部范围 内不再与基础保持连续接触，即混凝土板下局部出现脱空。同时由于雨水的渗入在板下 形成积水在行车荷载的反复挤压作用下，积水与基层材料中的细粒材料形成泥浆，并沿 面板接缝缝隙处喷溅出来形成唧泥，唧泥的出现进一步加剧了板下的脱空。 实际观测和实践经验都表明，水泥混凝土路面板下的局部脱空是大量存在的，特别 是修筑在细粒材料基层上的水泥混凝土路面。脱空的出现对水泥混凝土路面板的受力是 极为不利的，特别是在板角、板边部位，在行车荷载的作用下，其受力状态类似于悬臂 梁，将产生过大的应力、应变和竖向变形，极易导致水泥混凝土路面板的断裂和破碎等 损坏，这将严重影响水泥混凝土路面板的使用性能和疲劳寿命。 导致板底脱空的原因是多方面的，是内因和外因共同作用的结果，内因主要与基层 材料本身抗冲刷力不足有关，材料中含有细料越多，冲刷越严重，越容易产生脱空；其 外因可概括为：车辆荷载与温度应力、结构设计、施工质量和养护管理水平较低等四个 方面的原因。 2 2 1 车辆荷载与温度应力原因 车辆荷载作用下，导致脱空板弯拉应力、变形增大。 水泥混凝土面层板具有很大的刚度，基层均匀支承时，对路基的要求不高，计算表 明，车辆荷载在均匀支承的水泥混凝土路面板内产生的弯拉应力不大。但是，车辆荷载 不均匀地作用于路面板上的时候，板体表面会产生弯沉变形，尽管传力杆的设置对板体 变形会有所缓解，但是产生的弯沉最大点仍然在板角隅处。由于板的弯沉会使基层、垫 层及路床产生一定量的弹性和塑性变形，弹性变形量在荷载驶离后恢复原状，而部分塑 l o 长安大学硕士学位论文 性变形则不能完全恢复原状。虽然荷载每次作用后路基残留的塑性变形量很小，但数万 次甚至数十万次作用的累积量却不能忽视。 温度疲劳荷载反复作用，导致基层塑性变形累积。 水泥混凝土路面板裸露在自然环境下，承受环境温度的作用，板体产生反复伸缩和 膨胀，导致路面板的水平抗剪能力下降。温度梯度的存在导致了水泥混凝土路面板体形 状的改变，在某个温度梯度作用下板内产生的翘曲应力克服板自重的作用将发生板体形 状的改变，在正温度梯度作用下，板的中心向上凸起、板的四周产生下凹，负温度梯度 使得板角和板边缘向上卷起，板中下凹，加速了路面板与板下基层的分离，且将贯穿于 路面的整个使用过程当中。在车辆荷载和温度应力的共同作用下，特别是重型车辆的震 动、冲击作用，致使水泥混凝土路面板下的基层的塑性变形累积增加，同时，在基层中 产生的和基层中自然存在的可悬浮细粒松散土，从接缝处排出。在此类作用后，水泥混 凝土路面板底与基层之间将会出现微小的空隙，即原始脱空区形成。原始脱空区是板下 基层不均匀支承的雏形，进一步发展，真正的不均匀支承形式将会出现。 车辆荷载与温度应力综合影响，导致基层粒料冲刷，引起唧泥。 硬化后的水泥混凝土路面板，受环境温度的影响，会产生很大的温度应力，为避免 板的断裂和拱起，设置了纵缝、横缝。在自然环境下，正是纵缝、横缝的存在，水的侵 入是不可避免的。在重载车辆作用下，车轮使得后板回弹时形成真空，这种负压进一步 将水泵入己形成的原始脱空区内，随着混凝土板下水的累积，基础材料趋向于自由水饱 和状态。 在重型车频繁的作用下，移动荷载引起的高动水压力，使得某些未经处置的细粒料和 联结较弱的胶结料受到冲刷，并随着水的被挤出而被带出，这些悬浮的液体就形成了唧 泥现象。当重载车辆通过时，形成了相当大的冲刷破坏力。这种现象一旦发生，路面板 就会局部逐渐失去基层的支承作用而产生断裂及错台，降水会沿缝隙下渗，并积滞在脱 空区内，车辆驶过时，后方板的边缘或角隅先向下弯沉，将脱空区内积滞的水挤向前方， 而后轮行驶到前方板时，又将水挤向后方。行车速度较快，积滞水受到积压的前后流动 速度很高。路基材料在高速水流的作用下很容易受冲刷，而积滞水也变成了含有细粒土 的泥浆。在车轮和面层板弯沉变形的作用下，泥浆沿接缝和裂缝边缘压出，细粒土不断 被带出，不均匀支承的面积变大，板的支承条件恶化。 第二章水泥混凝土路面板底脱空机理分析 2 2 2 结构设计原因 路基不均匀沉陷。 路基承受路面传来的荷载，并通过路床和路堤进行传递和扩散。如果设计的路基不 稳定，出现不均匀沉陷，基层将随之变形而致使面板产生脱空。路基设计不仅应具有足 够的强度、稳定度和耐久性，还须对地面水和地下水采取拦截或排出路基以外的措施， 正确选择路基的干湿类型，使路基始终处于干燥或中湿状态。基层设计的优劣直接关系 到路面的使用品质。 防冻层厚度不足，导致基层冻融、冲刷，引起唧泥。 设计厚度不足，解决不了水稳性不良或防冻问题：选料不当，起不到透水和均质作 用。例如水泥、石灰等无机结合料稳定细粒土基层，这种结构的基层不仅易于干缩开裂， 造成反射裂缝，而且水稳性和温稳性较差，抗融性和防水冲蚀性不良，经雨水浸泡和冰 冻作用，土基松散变软，强度降低，产生不均匀沉降；由于基层强度偏低，且含细粒料 较多，破坏后容易从板缝唧出。这种结构的混凝土路面使用一段时间后，基层表面凹凸 不平，形成板底脱空。 冻胀是由于土基下部的水向上集聚并冻结成冰所致。当土层温度下降水分开始冻结 时，孔隙中的自由水首先在0 时冻结成冰晶体，温度下降至负温时，结合水的最外层 也开始冻结，冰晶体逐渐扩大。这样周围的结合水膜随之减薄，土粒产生剩余的引力， 同时由于结合水膜的减薄，结合水中的离子浓度开始增加，产生渗附加压力。在以上剩 余引力和渗附加压力的作用下，就会吸引下部未冻结区孑l 隙中的水分子，使之向冻结区 移动，但一到冻结区后，在负温作用下，即冻结使得冰晶体进一步增大，土体发生膨胀， 形成冻胀现象，结果导致路面板局部翘起，脱空形成。还有，在冻土中，水与冰是处于 不同温度不同蒸汽压力之下的，也产生蒸汽分子的迁移，导致冻土中冰晶体不断增大。 冻土中这种水分迁移过程和现象称为聚冰作用。因此，聚冰作用使土层中水分由下部不 断地向冻结面聚集，形成各样的冰晶体，有的土粒与冰层分层形成冰夹层。春融期间， 土基强度因含水过多而急剧下降，在行车作用下路面发生弹簧、裂缝、鼓包、冒泥等病 害。冻胀和翻浆将导致基层对水泥混凝土路面板的局部支承增强( 冻胀) 和减弱( 融沉) ， 从而导致板下脱空的产生： 路基路面排水设计考虑不足。 另外，路基路面排水设计也是相当重要的。路基、路面的积水是形成道路多种病害 的首要因素。路基路面排水不畅，被水浸泡，在车轮荷载作用下，路面板与基层之间会 1 2 长安大学硕士学位论文 产生高压水流，从而侵蚀基层表面、进一步冲击、携带松散粒料沿板缝冲出，产生唧泥， 是板底脱空的直接原因。而由于认识上的局限，许多混凝土路面的设计没有意识到综合 排水的重要性，没有考虑设置妥善的排水设施，未能将路基和路面水及时排除，给水侵 入基层提供了机会。 易产生冲刷的条件为：( 1 ) 因荷重作用板的弯曲变形反复发生：( 2 ) 路面结构中有水 存在；( 3 ) 使用基层材料易产生冲刷。因此，为防止冲刷，应采取如下措施：横缝处设滑动 传力杆，路肩铺筑混凝土板，车道混凝土板之间设拉杆等以减小混凝土板弯曲变形。根据 法国的调查，由于接缝填料不良，降雨时路表水的6 0 侵入路面结构层，并从基层流向路 肩，通常路肩容易滞留水，故沿路肩的路面板易产生唧泥。为此，应在路肩下用透水性材 料设置排水装置。 2 2 3 施工质量原因 施工控制是保证工程质量、提高路面使用质量的重要环节。施工中选取材料的优劣、 施工季节的选择、合理利用施工机械、施工工艺和施工方法等方面都直接关系着水泥路 面板的使用寿命，而精心施工对避免和预防混凝土路面的脱空、断板尤为重要。 保证路基压实度足够、均匀是基础，在填挖相交端面处、桥涵构造物附近压实机械 难以施工处、不同填料的交界面处，都是压实的薄弱点，在路面施工过程中，由于水温 条件的变化和行车荷载的作用，路基产生不均匀沉降，水泥混凝土板底脱空也在这些位 置发生。基层施工质量不好，强度不均匀或较低，使用中基层松散或在渗水作用下材料 被吸往一边，面层即产生脱空。 在旧路加宽设计时，无论是双侧加宽还是单侧加宽，常常将加宽侧的旧路边坡挖 除( 低路堤) 或做成台阶形式，对旧水泥混凝土路面板基层的扰动是不可避免的。若施工 时不进行路堤边坡有效的支护，边坡挖除后的旧路基裸露数日，在降雨形成地表水流的 冲刷、风力作用及车辆荷载震动作用下，在具有垂直临空面的旧路堤上常常导致旧路堤 产生侧向位移，甚至坍塌。另外，新路堤修筑后，其荷载也将对旧路堤产生新的附加不 均匀沉降，致使板下不均匀支承的产生。 由于压实度不足而导致的脱空支承最典型的情况发生在桥头搭板处，桥头路基碾压 施工一般要在桥梁及明涵的主体结构施工完成后才能进行，近桥涵处路基施工作业面狭 小，大吨位压实机械很难进行工作，迫使此处采用小型机具或者人工压实，压实标准基 本达不到规范要求。同时，桥梁与桥台之间的结构间隙，使得地表水渗入了搭板下，加 第二章水泥混凝土路面板底脱空机理分析 剧了对填土的冲刷，致使了搭板下脱空的出现。 2 2 4 养护管理水平较低 长期以来，道路养护人员对水泥混凝土道路的“持久耐用、养护要求不高 的片面 理解，认为水泥混凝土路面可“一劳永逸”，使得水泥混凝土路面的养护工作滞后。 水泥混凝土面板接缝填料的养护至关重要，填缝料经一段时间之后发生老化，逐渐 失去防止雨水下渗功能，最终脱落，如不及时更换、补灌，雨水下渗加剧，侵蚀冲刷基 层，基层细料沿接缝缝隙喷出，唧泥现象不断产生，面板边缘脱空而失去支撑。水泥混 凝土面板出现微裂缝时，如果不及时进行填缝处理，也为水的侵入增加了途径。加强养 护工作，及时地发现、处理问题，可以避免和减少水泥混凝土面板脱空的产生。 2 3 板底脱空预防措施 车辆荷载与温度应力原因、结构设计原因、施工质量原因和管理水平较低四大因素 均能导致板底出现脱空，且脱空病害模式多样，脱空产生后危害巨大，必须制定出一套 行之有效的预防措施。为避免或抑制板底脱空病害的产生，制定出一套在设计、施工和 养护阶段应当采取必要措施，对脱空病害的产生加以控制。 ( 1 ) 设计方面：选择适宜的基层材料类型、基层材料级配，提高基层强度和抗冲 刷能力；综合设计路面、基层排水设施，并做好接缝设计，保证基层不易被冲刷； 设计应保证足够的防冻层厚度，防止冻胀的产生；合理设置板的平面尺寸，避免面板 对基层产生过大行车荷载应力和温度应力；为防止渗漏水对基层的冲刷破坏，可在铺 水泥混凝土路面板之前，在现有的水泥稳定粒料类上基层表面上做5 - l o m m 厚的沥青 防水封闭层，沥青封闭层上面撒砂或石屑并碾压，以利于防水、封水与防止唧泥，预防 脱空。 ( 2 ) 施工方面：严格控制基层材料质量和基层施工质量，保证设计厚度，确保基 层强度和抗冲刷性能；排水设施必须严格按照设计施工，保证路面、路基排水通畅； 选择良好的接缝封缝材料，避免接缝出现早期破坏。 ( 3 ) 养护方面：提高养护人员对水泥混凝土路面的养护意识；定期对路面状况 进行调查，加强对接缝处的养护；对路面裂缝( 特别是微小裂缝) 及时进行灌缝处治， 防止裂缝扩大及水下渗。 1 4 长安大学硕士学位论文 2 4 小结 本章在对板底脱空进行广泛调研的基础上，对板底脱空的形成机理、影响因素进行 分析，提出了脱空预防措施。主要结论为： 1 对板底脱空的形成机理进行了理论分析。板底脱空是由于在交通荷载的重复作 用下，水泥混凝土路面板下基础产生一定的塑性变形，或者由于温度、湿度的影响混凝 土板将产生翘曲，致使混凝土板局部范围内不再与基础保持连续接触，即混凝土板下局 部出现脱空。 2 对板底脱空的影响因素进行了分析，得出