（道路与铁道工程专业论文）低交通量公路粒料基层柔性路面抗剪性能研究.pdf

两要 本文从国内外低交通量公路路面结构形式以及设计年限内累计当量轴次小的特点 出发，提出粒料基层柔性路面是一种适合低交通量公路的路面。 粒料基层柔性路面，面层比较薄，主要起功能性作用，基层是主要承重层，在荷载 作用下，剪应力较大范围在粒料基层内，而粒料基层抗压强度高，抗剪强度低，荷载作 用下以剪切破坏为主。所以粒料基层柔性路面为保证不发生剪切破坏，需验证剪应力。 本文以此为出发点，提出两种剪应力计算方法，第一：计算标准轴载作用下路面中最大 剪应力；第二：从散体力学出发，以标准轴载作用下路面中剪应力与正应力比值最大的 面作为剪切破坏最薄弱面，以该面上最大剪应力与材料剪切抗力做比较，进行剪应力验 算。粒料基层柔性路面剪应力验算应采用第二种剪应力验算方法。基于弹性层状体系理 论，分别计算两种剪应力验算方法下最危险剪切面位置以及最危险剪切面上剪应力与正 应力值，绘制了不同路面结构下剪应力与正应力诺谟图。并研究了沿路面结构深度方向 剪应力变化规律。 最后通过粒料基层柔性路面剪应力验算例子，进一步说明粒料基层柔性路面剪应力 验算的必要性，并提出剪应力不满足时的处理措施。 关键词：低交通量公路，粒料基层，剪应力，柔性路面 a b s t r a c t b a s e do np a v e m e n ts t r u c t u r et y p ea th o m ea n da b r o a da n dt h ec h a r a c t e ro fl o w a c c u m u l a t i v ee q u i v a l e n ta x l ei nt h el o w v o l u m eh i g h w a y , t h ef l e x i b l ep a v e m e n ts t r u c t u r e a b o v et h eg r a n u l eb a s ei sc o n s i d e r e dt ob es u i t a b l ef o rt h el o w - v o l u m eh i g h w a y b e c a u s et h et h i c k n e s so ft h es u r f a c i n gc o u r s eo ft h ef l e x i b l ep a v e m e n ts t r u c t u r ea b o v e t h eg r a n u l eb a s ei st h i n ，i ta c t sa saf u n c t i o ne f f e c t c o r r e s p o n d i n g l y , t h eb a s ec o u r s eo ft h e p a v e m e n ts t r u c t u r eu n d e r t a k e sm a i n l yt h ee f f e c to ft h et r a f f i cl o a d s ot h eh i g h e rs h e a r i n g s t r e s se x i s t si nt h eb a s ec o u r s e h o w e v e r ，t h es h e a rs t r e n g t ho fg r a n u l em a t e r i a l si so w n i n f e r i o r t op r e v e n ts h e a rf a i l u r e ，t h ec h e c k i n go ft h es h e a rs t r e s si sr a t h e rn e c e s s a r y f i r s t l y , u n d e rt h es t a n d a r da x i sl o a d ，t h em a x i m u ms h e a rs t r e s so ft h eg r a n u l eb a s ec a nb ea c q u i r e d t h r o u g hc o m p a r i n gt h em a x i m u ms h e a rs t r e s sa n dt h es h e a rs t r e n g t ho ft h eg r a n u l em a t e r i a l ， t h ec o n c l u s i o no fc h e c k i n gc a l c u l a t i o na r eg o t s e c o n d l nb a s e do nt h eg r a n u l a rm e c h a n i c s ， w h e nt h er a t i oo ft h es h e a rs t r e s sa n dt h en o r m a ls t r e s si st h eb i g g e s t ，t h es h e a rs t r e s si s c o n s i d e r e dt ot h em o s te a s i l yd i s r u p t i v ev a l u eo ft h ek i n do fg r a n u l a rm a t e r i a l t h r o u g h c o m p a r i n gt h es h e a rs t r e s sa n dt h es h e a rs t r e n g t ho ft h eg r a n u l a rm a t e r i a l ，t h ec o n c l u s i o no f c h e c k i n gc a l c u l a t i o na r eo b t a i n e d b a s e do nt h ee l a s t i cl a y e r ss y s t e mt h e o r y , n o m o g r a p ho f t h el i m i t i n gs h e a rs t r e s s sp o s i t i o na n dt h el i m i t i n gt h es h e a rs t r e s so ft h r e el a y e r ss y s t e m sa r e o b t m n e d ；a n dt h er u l eo fb i g g e s ts h e a r i n gs t r e s sa l o n gt h ea s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ed e p t h d i r e c t i o na r ea n a l y z e d a tl a s t ，c o m b i n i n gw i t ht h ee x a m p l eo ft h ef l e x i b l ep a v e m e n ts t r u c t u r ea b o v et h e g r a n u l eb a s e ，t h es i g n i f i c a n c eo ft h ec h e c k i n gi sf u r t h e rv e r i f i e d t h em e a s u r ei sp r o p o s e dt o s o l v et h el a c ko ft h es h e a rs t r e n g t h k e yw o r d s ：l o w - v o l u m eh i g h w a y ，g r a n u l eb a s e ，s h e a r i n gs t r e s s ，f l e x i b l ep a v e m e n t i i 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文知识产权权属声明 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：重彭勘t ) 年5 月扩日 导师签名：。脾月砒 长安大学硕一l 学位论文 1 1 低交通量公路的概念 第一章绪论 不同国家和组织对低交通量公路的定义不尽相同【1 1 。 l 、美国沥青学会( a i ) 设计法对低交通量公路规定如下： ( 1 ) 1 9 5 6 年版：日交通量小货车不大于2 5 辆或大货车不大于5 辆的公路。 ( 2 ) 1 9 8 1 及1 9 9 1 年版：设计当量轴次8 0 k ne s a l 值在1 0 x 1 0 4 以下的公路。 2 、美国加州设计方法规定如下： 年平均日交通量不大于1 0 0 辆的公路。 3 、t r bs p e c i a lr e p o r tn o l6 0 规定如下： 年平均日交通量不大于4 0 0 辆、造价低廉且面层为沥青混凝土厚度5 c m 以下者。 4 、t r b8 9 8 规定如下： 行车速度为3 0 - - - 6 0 k m h 且路面宽度在7 2 m 以下者。 5 、a a s h t 0 1 9 9 3 年版设计方法规定如下： ( 1 ) 市街或乡村公路的设计当量轴次8 0 k ne s a l 值在5 x 1 0 4 1 x 1 0 6 者采取柔性 或刚性铺面时； ( 2 ) 8 0 k ne s a l 值在1 1 0 4 - - 1 x 1 0 5 者采取粒料铺面时。 还有的提法剐2 】f 氐交通量公路指农村地区和欠发达地区年平均日交通量( a a d t ) 小于5 0 0 辆的公路。 从上面可以看出，不同国家和组织对低交通量公路的定义不同；同一组织在不同 时期对低交通量公路定义也不同。因此，低交通量公路的概念，要根据实际情况而定。 我国低交通量公路又称地方公路、县乡公路或农村公路。主要是为满足农业生产和 农民生活而修筑的公路基础设施。具体来讲，低交通量公路是连接县城、乡镇和农村行 政村、居民点及农、林、牧、渔生产基地、乡镇企业、学校、集贸市场等农村政治、经 济、文化中心之间，主要供机动车行驶并达到一定技术标准的公路。现在为了方便起见， 很多情况下不做具体区分，把低交通量公路直接称为农村公路。 1 2国内外低交通量公路路面结构与研究现状 1 2 1 我国低交通量公路路面结构与研究现状 第一章绪论 1 我国低交通量公路路面结构3 】 1 ) 东北地区低交通量公路路面结构 ( 1 ) 吉林省低交通量公路路面结构 吉林省低交通量公路路面结构形式见表1 1 。路面结构是： 面层：县道是沥青路面：乡道、村道水泥混凝土路面；通屯公路有的采用水泥路面， 也有红砖路。 基层：一般采用半刚性基层，如：二灰稳定碎石( 土) 、水泥稳定碎石( 土) 。山区 基层厚度为1 5 - - 2 0 c m ，平原地区基层厚度为2 5 3 0 c m ；村道基层大多是石灰土，或无 基层。 垫层：在旧路路段上有调平层，材料用天然砂砾或灰土，厚度为2 0 - - - 3 0 c m 。 表1 1 吉林省低交通量公路路面结构表 公路功能县道乡道村道 公路等级二级三级四级 路面类型沥青混凝土路面水泥混凝土路面水泥混凝土路面或砂石路 沥青混凝土水泥混凝土水泥混凝土 面层 3 + 4 c m 或3 + 5 c m2 0 2 2 e m1 8 c m 路面水泥、二灰稳定类：水泥、二灰稳定类 基层 结构15 - - 2 0 c m 山区1 5 - - 2 0 c m ；平原2 0 - - 2 5c m 天然砂砾或灰土山砂或灰土 调平层 2 0 - - 一3 0 c m2 0 3 0 c m ( 2 ) 辽宁省低交通量公路路面结构 辽宁省低交通量公路包括：县道、乡道、村道。路面结构比较单一，绝大多数是沥 青混凝土路面。面层：沥青混凝土；基层：半刚性基层( 水泥稳定砂砾、水泥稳定碎石、 电石渣粉煤灰稳定中粗砂) ：垫层：粒料( 天然砂砾、天然卵石、石渣等) 。 2 ) 东部地区以浙江省为例低交通量公路路面结构 浙江省低交通量公路路面形式见表1 2 。路面有沥青路面和水泥混凝土路面两种。 县道、乡道沥青路面较多；村道有的采用沥青路面，有的采用水泥路面。低交通量公路 也因经济条件不同而呈现比较大的差距。一般情况下，低交通量公路技术标准比较高， 通县、乡公路在三级路以上。村道一般是四级路标准。 2 长安人学顾十学位论文 表1 2 浙江省低交通量公路路面结构表 公路功能乡道 村道 公路等级 三级 四级 四级 路面类型 沥青混凝土路面水泥混凝土路面沥青路面 沥青混凝土水泥混凝士沥青混凝土或沥青表处 面层 4 8 c m 1 8 2 0 c m 4 c m 或3 e r a 路面水泥、二灰稳定 二灰稳定、水泥稳定、石灰稳定碎石士 基层 结构2 0 2 5 c m单层：l5 - 2 0 c m ；双层2 0 2 5 c m 级配碎石河卵、砂砾 调平层 2 0 - - - 3 0 c m1 0 1 5 c m ： 3 ) 中部地区低交通量公路路面结构 ( 1 ) 安徽省低交通量公路路面结构 安徽省低交通量公路路面形式见表1 3 。路面结构是： 面层：县道、乡道沥青混凝土：厚度4 c m - - 6 c m ；水泥混凝土：厚度2 0 - - , 2 2 c m ； 村道泥结碎石、砂石层：厚度一般为2 0 c m 。 基层：水泥砂砾，级配碎石( 砾石) ：安徽省北方地区缺少砂石料，通常采用石灰 土基层。 垫层：石灰土居多，厚度2 0 - 3 0 c m 。旧路上用山砂、灰土作整平层。 表1 3 安徽省低交通量公路路面结构表 公路功能县道 乡道村道 公路等级二级 三级 四级 路面类型沥青混凝土路面沥青混凝土路面水泥混凝土路面或砂石路 沥青混凝土沥青混凝土水泥混凝土 面层 3 + 5 c m4 c m2 0 - 一2 2 c m 路面二灰稳定类二灰稳定类泥结碎石、级配碎石、石灰土 基层 结构1 5 2 0 c m 1 5 2 0 c m18 - 2 2 c m 垫层石灰土石灰土山砂或灰土 ( 调平层) 2 0 - - - 3 0 c m2 0 3 0 c m2 0 - - - 3 0 c m ( 2 ) 湖北省低交通量公路路面结构形式 第一章绪论 湖北省低交通量公路路面形式见表1 4 。路面结构是： 面层：县道沥青混凝土或沥青碎石，厚3 c m 或5 c m ：乡道一般是沥青混凝土或沥 青碎石，厚3 - - 4 c m ；村道水泥混凝土面板厚1 8 c m ，沥青混凝土面层厚3 c m 。 基层：县道以碎石类半刚性基层居多，大多是双层：乡道基层以半刚性基层居多， 大多是单层：村道基层是水泥土或石灰土。 调平层：在旧路路基上设置调平层，材料为碎石或灰土，厚度1 0 - 1 5 c m 。 表1 4 湖北省低交通量公路路面结构表 公路功能县道乡道村道 公路等级二级 二、三级四级 路面类型沥青混凝土路面沥青路面水泥路面沥青路面 沥青混凝土+ 沥青碎石沥青砼或沥青碎石水泥混凝土沥青碎石 面层 3 + 5 c m3 4 c m1 8 c m3 c m 路面水泥、二灰碎石水泥碎石、二灰土二灰土水泥土，石灰土 基层 结构1 5 - - 2 0 c m2 0 3 0c m1 5 c m15 - - - , 2 0 c m 垫层 碎石 碎石、灰土碎石、灰土 ( 调平层) 1 0 1 5 c m1 0 1 5 c m1 0 1 5 e r a 4 ) 西部地区低交通量公路路面结构 ( 1 ) 甘肃省低交通量公路路面结构 甘肃省低交通量公路路面形式见表1 5 。路面结构是： 面层：县道沥青混凝土厚4 6 c m ；乡道主要采用沥青贯入和沥青表处，交通量大 时采用双层贯入：村道少数用沥青表处，大部分仅是开通路基，无路面，或者碎石路、 砂石路等。 基层：县道采用半刚性基层；乡道基层大多是泥结碎石；村道没有基层。 表1 5 甘肃省低交通量公路路面结构表 公路功能县道乡道村道 公路等级二级四级四级 路面类型沥青路面沥青路面土路面 路面 面层 沥青混凝土沥青混凝土或沥青贯入 结构 基层半刚性基层泥结碎石8 l o c m 4 长安人学硕i j 学位论文 ( 2 ) 四川省低交通量公路路面结构 四川省低交通量公路路面结构形式见表1 6 。路面结构是： 面层：县道6 c m 厚沥青混凝土；乡道沥青面层厚3 - - - 6 c m ：通村路1 8 , - 2 0 c m 厚水 泥路。 基层：县道、乡道一般采用半刚性基层，主要是水泥稳定碎石、二灰砂砾。 表1 6 四川省低交通量公路路面结构表 公路功能县道乡道村道 公路等级二三级三四级四级 路面类型沥青混凝土路面沥青混凝土路面水泥混凝土路面 沥青混凝土沥青混凝士水泥混凝土 面层 3 8 c m18 - - - , 2 0 c m 路面水泥稳定碎石，二灰砂砾碎石、砂砾 基层 结构 1 5 - - - , 2 0 e r a 。2 5 c ml o 1 5 c m 垫层碎砾石，砂石、级配碎石 ( 调平层) 1 0 1 5 c m ，2 0 一- 3 0 c m 2 ，我国低交通量公路研究现状 我国低交通量公路研究主要集中在技术标准、典型路面结构与公路网规划方面。研 究了低交通量公路等级、平面、纵断面、横断面以及路基等方面的标准【4 】【5 】【6 】；推荐了 一些适合低交通量公路的典型路面结构7 】【8 】；做了农村公路网规划方面的研究；何兆益 【9 】等对农村公路设计参数进行了研究，提出了交通等级划分、土基回弹模量与路面材料 类型以及设计参数的取值范围：赵乐易【lo 】对低交通量公路土路面粉煤灰硬化做了研究。 国内低交通量公路路面设计与其他等级公路设计方法一致，以弯沉为指标，没有针 对低交通量公路交通量小、路面结构薄的特点提出针对低交通量公路的设计方法。 1 2 2 国外低交通量公路路面结构形式与研究现状 1 国外低交通量公路路面结构形式 国外低交通量公路路面结构【1 1 】【1 2 1 以沥青面层与粒料基层组成的路面结构为主；年 平均日交通量小于2 0 0 量时大多采用级配碎砾石路面【i3 j ：或者采用土工织物加固的级配 碎砾石路面【1 4 1 ，由于土工织物的强度和柔韧性，能起到加筋作用，对集料起约束效应【1 5 】。 国外低交通量公路主要采用粒料基层柔性路面。 第一章绪论 2 国外低交通量公路研究现状 国外低交通量公路设计研究主要针对粒料基层柔性路面提出了一些具体的设计方 法，具体有以下几种： 1 ) 美国低交通量公路s o ilf a c t o r 设计法【1 6 】【1 7 】 s o i lf a c t o r 设计法主要针对低交通量粒料基层提出的，在1 9 世纪5 0 年代美国明尼 苏达州开始用这种设计方法确定低交通量路面总厚度。其基本思路是把路面结构所有层 厚度换算为等效粒料厚度( g e ) ，计算公式为： g e = a l d l + a 2 d 2 + a 3 d 3 式中： d i 一面层沥青混合料的厚度，单位：i i l i n ； d 2 一基层厚度，单位：m m ： d 3 一底基层厚度，单位：r l l m ； a l 、a 2 、a 3 一等效粒料厚度影响因子。 等效粒料厚度影响因子是按照a a s h t o 设计规范中土的类型确定的经验参数。 交通参数有两个指标：第一：平均日交通量( a a d t ) ，第二：载重货车平均日交 通量( h c 儿t ) 。a a d t 包括所有的交通量：h c a a d t 指六轮及六轮以上的货车。 然后根据经验建立了交通量与路面结构等效粒料总厚度的关系。 s o i lf a c t o r 设计法是典型的经验法，设计中没有反应出土基强度这一参数，这与我 们公路的设计理念有较大区别。 2 ) 印度低交通量公路设计方法【1 8 】 印度低交通量公路面层为一薄沥青层，这层仅起防水作用，不起承受荷载作用；基 层由粒料组成。路面结构分析采用弹性层状体系，将薄沥青层当作粒料基层的一部分， 利用软件f p a v e 计算应力应变与路基竖向应变。路基竖向应变通过两点的计算值来确 定：一点是单轮中心，另一点在双轮荷载对称轴上，两点中数值较大的一点被作为临界 点，以此确定路面设计厚度。其典型路面结构计算图示如图1 1 。 该设计方法以车辙作为评估小交通量公路使用性能的标准，认为车辙达到5 0 m m 即为临界破坏点。与5 0 m m 车辙深度相对应的累计标准轴次n 和路基顶面竖向应变。 有如下关系式： n = 3 4 2 1 0 。1 1 ( 1 s 。) 5 4 4 ( r = 0 7 7 )( 1 1 ) 式中： 6 长安人学硕f j 学位论义 n 一累计标准轴次； 。一路基顶面竖向应变。 1 ! ! 一一 p 斗竺一 卜竺p 堡一一僦九 粒料基层 。j!。一一一一一 i 路基土 注：图中尺寸以c m 为单位。 z 图1 1印度低交通量公路路面结构荷载作用图式 基于以上分析，研究者采用车辙标准制定设计曲线图。利用软件计算相应车辙标准 下的弹性层状体系应力应变，确定不同路基强度和不同交通状况下的路面设计厚度。路 面结构材料性能以回弹模量( e ) 和泊松比( ) 表示，轮迹带车辙深度是利用2 5 m 直 尺测量得到的。图1 2 是根据不同累计标准轴载、路基回弹模量按5 0 置信度水平编制 而成的。 ，、 e 暑 毯 毋 蝼 吐 瓒 墨 目 蜜 累计标准轴次 图1 2印度低交通量公路路面厚度设计曲线 图1 2 是印度低交通量公路路面厚度设计曲线，该设计方法采用了双圆垂直均布荷 载作用下弹性层状体系理论，以车辙作为路面使用性能标准设计路面结构层厚度。其路 7 第一章绪论 面结构基层只考虑粒料基层。车辙是路面各结构层变形的累积，涉及到结构层材料的塑 性、粘弹性等性质。采用车辙指标作为路面结构的设计标准，其设计值的实用性值得考 虑。 3 ) 南非小交通量公路设计方法【1 9 】【2 0 】【2 l 】 南非小交通量路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下弹塑性理论，以车辙指标反映 路面使用性能。设计标准轴载为8 0 k n ，以2 0 m m 车辙作为路面破坏指标。它基于s n 曲线，s 代表一定的应力状态，n 代表荷载作用下路面结构达到临界破坏时累积塑性变 形( 车辙) 所对应的荷载作用次数。通过重载模拟器( h v s ) 精确测定粒料基层弹、塑 性变形s n 设计曲线。 利用h v s 在不同路面类型上重复施加一系列不同轴载，得出弹塑性变形数据，其 轮载作用次数与塑性变形之间关系最逼近下列函数； y = ( m x + a ) ( 1 - - e 由。) 式中： y 一塑性变形； x 一荷载作用次数； a ，b , m 一回归系数： e 一自然对数底数。 通过上述函数关系式和室内外试验结果，建立路面结构层材料塑性变形( 应变) 与 荷载作用次数关系，进行路面结构层组合与厚度设计。图1 3 反映了塑性变形与累计 作用次数函数关系。 累计标准轴次( 1 0 i ) 长安大学硕j ：学位论文 图1 3 塑性变形与累计作用次数关系 在h v s 测试时，用弯沉仪测回弹弯沉，再由回弹弯沉反算材料参数。据此参数计 算轴载作用下路面结构层中的应力大小。以应力( 主应力o ) 为纵坐标，荷载作用次数 为横坐标，绘出s 刊曲线上的一个点，运用不同轴载重复试验同样得到曲线上的其它 点。 南非小交通量公路设计方法是针对粒料基层弹塑性理论。弹塑性理论在公路结构设 计理论中是非常可取的，它突破了传统线弹性理论，使理论模型更接近实际路面结构受 荷情况。但目前塑性理论本身研究并不成熟，将塑性理论知识运用到路面结构设计中， 验证路面弹塑性模型的试验方法、评价路用性能参数取值与各设计参数可靠性及稳定性 等需作进一步研究。 1 3问题的提出 低交通量公路是支撑我国农业和农村经济发展的重要基础设施，也是我国公路网的 重要组成部分。加快低交通量公路建设，改善农村生产和生活条件，是发展农村经济、 解决“三农”问题的基础和前提。根据2 0 0 6 年公路水路交通行业发展统计公报【2 2 1 ，2 0 0 6 年底，全国低交通量公路( 含县道、乡道、村道) 里程达到3 0 2 6 1 万公里，其中县道 5 0 6 5 万公里，乡道9 8 7 6 万公里，村道1 5 3 2 0 万公里，分别占公路总里程的1 4 7 、 2 8 6 和4 4 3 。全国通公路的乡( 镇) 占全国乡( 镇) 总数的9 8 3 ，通公路的建制 村占全国建制村总数的8 6 4 。总体来说我国低交通量公路等级低，路网密度小，随着 我国经济的发展，低交通量公路建设的比例会越来越大，但是我国在低交通量公路方面 的研究比较少，所以低交通量公路的研究有其必要性与紧迫性。 从参考文献【3 调查结果看出，我国低交通量公路面层以沥青类面层和水泥混凝土 路面为主，其中沥青面层有沥青混凝土、沥青贯入式、沥青碎石、沥青表面处治。路面 基层主要是水泥稳定类、石灰稳定类、工业废渣稳定类等半刚性基层：级配碎石、级配 砂砾等柔性基层很少。 对于低交通量沥青路面而言，目前主要采用较薄沥青面层+ 半刚性基层的结构组合。 这种半刚性基层沥青路面结构在低交通量公路应用过程中存在以下问题： ( 1 ) 半刚性基层的收缩开裂引起沥青路面反射裂缝，这也是半刚性基层存在的最 致命缺陷。由于半刚性材料是水硬性材料，失水干燥过程中会产生收缩，进而产生收缩 应力；温度变化过程中，其内部产生温度应力。在干缩应力和温度应力共同作用下，半 9 第一章绪论 刚性基层会产生裂缝，在温度与交通荷载综合作用下，裂缝向上层延伸，逐渐贯通整个 沥青面层，最终形成反射裂缝。 ( 2 ) 半刚性基层排水性能差，水从各种途径进入路面并到达基层后，不能从基层迅 速排走，只能沿沥青面层和基层界面扩散、积聚，导致沥青面层和基层界面条件发生变 化，基层承载能力迅速降低，表面产生冲刷，出现灰浆，裂缝处形成唧浆、坑槽，然后 导致更多裂缝的出现。 ( 3 ) 半刚性基层损坏后修补困难。基层一旦破坏，除了挖掉重建，别无它法，这 对沥青路面的维修养护造成很大困难，即使在半刚性基层上铺加铺层也不能很好的结合 成为整体。 半刚性基层主要优点【2 3 1 是板体性好、弯沉小、强度高刚度大。但由许志宏的研究结 果【2 4 】，从力学性能分析，只有累计作用轴次超过4 0 0 万次以上的半刚性基层才显示明显 优势，实际上低交通量公路设计累计轴次远小于4 0 0 万次。针对低交通量道路特点以及 国外粒料基层柔性路面使用效果建议国内低交通量公路在材料来源能满足的条件下，尽 可能采用粒料基层柔性路面。从受力角度看，只要粒料的级配合理，抗剪强度满足，完 全可以满足低交通量公路的要求。 粒料基层柔性路面弯沉是一综合指标，即使弯沉满足要求，但粒料基层抗剪强度低， 不一定能抵抗车辆荷载作用下的剪应力，所以弯沉满足设计要求路面结构也会出现剪切 破坏。我国道路设计规范没有对路面内的剪应力进行验算，主要由于路面结构剪应力较 大范围一般是路面结构1 0 c m 深度以内。高等级公路柔性路面面层比较厚，一般在l o c m 以上，而沥青混凝土本身抗剪强度比较高，所以除了紧急停动、启动路段，其余一般不 会出现剪切破坏；半刚性基层抗剪强度也高，一般不出现剪切破坏。而对于低交通量粒 料基层柔性路面，沥青面层薄，基层在剪应力较大范围内：另为对粒料材料而言，颗粒 本身的抗压强度高，不会出现材料颗粒本身的压坏，所以荷载作用下剪切破坏是粒料基 层的主要破坏模式。 针对粒料类基层柔性路面低交通量道路，有必要对剪应力进行分析验算，在弯沉满 足的前提下，保证不出现粒料基层剪切破坏，这是本文研究的出发点。 1 4 本文主要研究内容 低交通量粒料基层柔性路面，沥青面层比较薄，主要起功能性作用。粒料基层是主 要承重层，粒料抗压强度很高，而抗剪强度低，破坏主要是剪切破坏，所以粒料基层柔 1 0 长安大学硕士学位论文 性路面，要保证粒料基层不出现剪切破坏，需验证路面结构在荷载作用下的剪应力是否 满足粒料基层的剪切抗力。本文以此为出发点，基于弹性层状体系理论，计算了粒料基 层柔性路面最危险剪切面的位置及最危险剪切面上的剪应力与正应力值，并分析了路面 结构沿深度方向的变化规律。具体研究内容如下： 1 、提出粒料基层柔性路面中剪应力的两种验算方法： 2 、计算粒料基层柔性路面最大剪应力的位置； 3 、计算粒料基层柔性路面正应力与剪应力比值最大时的剪应力位置； 4 、计算粒料基层柔性路面最大剪应力值： 5 、计算粒料基层柔性路面正应力与剪应力比值达到最大时的剪应力值及对应的正 应力值； 6 、剪应力在粒料基层柔性路面中的应用。 第一二章低交通量沥青路面设计指标及翦应力计算探讨 第二章低交通量粒料基层柔性路面剪应力计算探讨 2 1 粒料基层柔性路面剪应力验算 2 1 1 最大剪应力讨论 粒料材料基层中荷载作用下剪应力最大时抗剪强度包线与应力圆相交。如图2 1 所 不o t m x o 0 3 b o l 一 0 图2 1 应力分布图 最大剪应力值与最大、最小主应力有关，二者的关系是： 1 l m 戡= 去( q 一吒) 2 1 2 剪应力理论( 二) 在剪应力验算中的应用 实际上剪应力最大面不是最危险的破坏面( 如图2 1 所示，因为抗剪强度包线o a 与应力圆已有两个交点，说明剪应力最大时已经发生了剪切破坏) ，而剪应力与正应力 ( d o ) 比值达到最大时的面是剪切破坏临界面，如下图2 2 所示抗剪强度包线o a 与 莫尔应力圆相切时是剪切破坏临界情况，一旦抗剪强度包线o a 与莫尔应力圆有两个交 点，说明已经发生了剪切破坏：若抗剪强度包线o a 与莫尔应力圆没有相交说明不会出 现剪切破坏。 为了与最大剪应力区分开，本文把剪应力与正应力( r 仃) 比值达到最大值时所对 应的剪切破坏命名为剪应力理论( 二) 。 1 2 长安人学硕? 卜学位论文 j k ， 口帕x二二二二二二二。眵丁、 彳父、一 00 30 n 鼹。 b 0 1 0 图2 2 冥尔圆j 匝力分布图 其应力关系由上图可得： t m 。= 去( q 一吒) 。2i 【q 一吒j h 一= 。c o s 9 = 去( q - o 3 ) c o s 8 o n = 去 ( q + 吧) 一( q - t r 3 ) s i n o 所以当一t ：f 三l：k 时是最危险的破坏面。利用剪应力理论( 二) 验算剪应 仃 仃m 烈仃 力用2 2 式： 垃辔9 ( 2 1 ) o n 式中： k 一结构强度系数，与荷载作用次数有关，主要考虑疲劳效应，经试验确定； h 一一路面结构中剪应力与正应力比值最大时的剪应力值； 一路面结构中剪应力与正应力比值最大时的剪应力所对应正应力值； 秒一剪应力验算点处路面材料的内摩擦角。 2 1 3 两种剪应力在剪应力计算比较 1 最大剪应力在剪应力计算的优缺点 1 ) 优点：利用最大剪应力计算时，最大剪应力点的位置以及最大剪应力值的计算 很方便，可以利用弹性层状体系理论编写程序或利用现有程序计算。 2 ) 缺点：从图2 1 中可以发现，最大剪应力时所对应抗剪强度包线o a 与莫尔应 力圆是相交的，说明这时材料已经发生了剪切破坏，而不是临界破坏情况。所以这种剪 第二章低交通量沥青路面设计指标及剪应力计算探讨 应力在验算剪应力时不安全。 2 剪应力理论( 二) 在剪应力验算中的优缺点 1 ) 优点：剪应力理论( 二) 剪应力与正应力比值达到最大时实际是临界破坏情况， 其验算理论更合理。 2 ) 缺点：没有现成软件确定最危险面在路面中的位置以及最危险面上的剪应力与 正应力值。 3 两种剪应力的关系 有粘聚力的材料，同一路面结构相同荷载作用下，最大剪应力值与剪应力理论( 二) 下的剪应力值大小相差不大，特别是粘聚力比较大时，二者基本相等；但没有粘聚力的 粒料材料，差别较大。对于没有粘聚力的粒料基层柔性路面采用剪应力理论( 二) 验算 剪应力。 2 2 散体力学中的剪应力理论 许多由大量大致相同的单个颗粒所组成的物体( 砂土、砾石土、碎煤、水泥及其它 粒状和粉状的材料) ，按照物理性质它们介于固体和液体之间的中间状态，被称为散粒 体或简称为散体【2 5 l 【2 6 】。所以粒料类材料属于散体材料。 固体力学中，如切应力超过某一定值，沿该面就可能产生滑动。散体力学中【2 7 i ，最 危险滑移面并不是切应力最大的面，而是比值d o 达到最大的面。因此，散体力学中， 其应力状态受下列条件的制约： f 矽p ) 散粒体任一平面上的应力如满足下列关系式： 一( 仃) r 痧( 仃) ( 2 3 ) 则散粒体处于平衡状态。 分别以( 仃，f ) 为坐标轴，建立平面直角坐标系，按照式子2 3 做曲线( 盯) ，则最大 应力圆或者在曲线的内部( 如图2 3 a ) ，称为非极限平衡状态；或者与曲线矽( 盯) 相切( 如 图2 3 b ) ，称为极限平衡状态。事实上这个关系存在与经过散粒体介质中若干个点所形 成的平面内。因此，从某中意义上讲，曲线矽( 仃) 是所有各点最大应力圆的包络线，故 散粒体介质的极限平衡由下式确定： 1 4 长安入学硕二【j 学位论文 式中：f 散粒体内摩擦系数。 ( ) 。= t 9 0 = 厂 ：妙 夕夕、 仆心一 一研一夕夸 0 t n i一 研一 o 图2 3 非极限平衡状态与极限平衡状态图 所以剪应力理论( - - ) 实际是从散体力学出发得到的剪应力理论，对于粒料基层的 柔性路面结构剪应力验算更适合。 2 3 剪应力的计算方法 2 3 1剪应力与正应力的计算 1 最大剪应力的计算 采用弹性层状体系软件b i s a r 计算路面结构中的最大剪应力位置以及在最大剪应 力面上的最大剪应力值。 2 剪应力理论( 二) 中剪应力与正应力的计算 剪应力验算式2 2 中，h 。戤、的计算基于弹性层状体系理论，利用软件 b i s a r 3 0 计算，但b i s a r 3 0 不能计算得到剪应力与正应力比值最大时的剪应力与正 应力，但可计算任一点的三个主应力q 、吒与o - 3 。由弹性力学知识【2 8 】，一点三个主应 力q 、吒与q 已知，通过该点任一斜面上的正应力与剪应力可求： o j v = ( i - m 2 一九2 ) q + 朋2 c r 2 + ，z 2 吒 知= ( 1 一m 2 _ n 2 ) q + 所2 0 - 2 + n 2 c r 3 一 ( 1 一m 2 一门2 ) q + m 2 0 - 2 + 疗2 吧 2 第- 二章低交通量沥青路面设计指标及剪应力计算探讨 其中m 、n 是斜面外法线n 对应于应力主向的方向余弦。 然后自己编写程序1 2 9 】，使m 从0 01 8 0 。按照1 。递增，n 从0 0 _ 1 8 0 。按照1 。递增， 然后循环判断“吼最大时的值，即得f 。c 7 的最大值，以及t n m a x 吼最大时所对 应的f _ 。积、c t 值。 2 3 2 其它参数取值 矽是材料的内摩擦角，可用三轴试验测定或根据工程经验取值。 剪切结构强度系数k 。与破坏层材料类型、设计年限内累计当量轴次有关，主要考 虑荷载的疲劳效应。需作大量的试验与调查，才能确定，鉴于能力与时间，只提出该参 数，具体数值不做研究。 2 4 小结 本章提出粒料基层柔性路面剪应力验算方法，并对验算方法中有关参数的计算过 程、有关参数的取值做了说明。 本章同时对两种剪应力在粒料基层柔性路面剪应力验算适用性做了比较，发现剪应 力理论( 二) 更适合。 1 6 长安大学硕：i ：学位论文 第三章粒料基层柔性路面最大剪应力计算 3 1 剪应力最大点在路面结构中的位置 3 1 1 计算图式与计算参数取值 最大剪应力计算按弹性层状体系理论，为计算方便采用三层体系，若不是三层体系， 可按照多层体系换算原则，转换为三层体系【3 0 】；力学计算图式如图3 1 。荷载为标准轴 载，轮载半径6 = 1 0 6 5 c m ，接地压力p = 0 7 m p a 。计算点位置取如图所示取a 、b 、c 、 d 、e 、f 六个点。计算采用s h e l l 公司的路面设计软件b i s a r3 0 。 路面结构参数取值根据低交通量道路的特点h l 取0 2 5 8 、o 5 5 、1 0 6 ；h 取1 0 6 、2 0 6 、 3 0 5 、5 0 5 ；e j e l 取0 2 、0 4 、0 6 、0 8 ；e o e 2 取0 1 、0 2 、0 。4 。 ! ! !兰! ： ；： ； ； ! ：兰!兰!全主主皇主主 e 。u o 厂、， 厂、 4 一 ： i 鼓己6 茜着 一 x y 图3 1 荷载、路面结构及计算点位置 3 1 2 最大剪应力位置的确定 1 y 方向最大剪应力位置的确定 经初步试算发现路面结构中剪应力最大时z 方向的位置一般在0 0 5 米处，所以y 方向位置计算中z 的大小取为0 0 5 米，然后计算a 、b 、c 、d 、e 、f 不同点处的剪应 力值，计算结果见表3 1 。 2 。z 方向最大剪应力位置的确定 由以上计算可知剪应力最大时y 方向位置一般在e 点，即y = 0 2 1 3 m 。所以计算剪 应力最大时z 方向位置，取y = 0 2 1 3 m ，然后计算不同深度处的剪应力值，结果见表3 2 。 n 口卜卜心寸 寸an 寸o on n ov 、卜西n寸i n 岣一nn 叫 乜一承一诘弱一一。萌一一一“一“卜一一寻式“ 。 铽竺高2 葛戈是= 2 呙胬罱 $ 2 昌式冈舄82 式冈瓮金 o 一n 卜 ni n 寸on 卜n 岔卜寸n_ o 。n 卜n 一 q “d “一1o 一寻o “ 弱。寸“一峥“一永甜寸 o 高竺昌竺旨篙赛! 竺金斜图瓮= 旦昌瓮昌 82 罱式图金 寸_ 寸岔卜 i nnhnn n n n nhonn 岔i n ” 寸 9 一西寸ob9“dd6 诘g “承c ；一水一“d 哂 。 g 村村葛冈s2 式瓮葛舄82 斜高瓮昌藩2 胬高葛当 o o 卜岔卜卜i n ”乱n 寸h卜小卜昏乱n寸_n岔 n 寸一一d 弱“一萌一b 一“9c ；c ；一一“qb d 话一 oo 8 式式葛旨s = 昌式忒g ：2 高瓮高舄2 瓮忒瓮金 ”o_nn9q1 啦t寸小o o ”西 nnno 西。 一 td甜6d 晶 轰g 器苫& 葛 q “一水岵0卜一寸一6 “ o 器= 呙昌式瓮 昌= 兰封瓮；= 2 昌瓮高国= 式瓮高2 寸 一乜99 叼 卜均h o n”o岔n”no_hn 。 g 鲨冒嚣嚣 寸o6“一b9“dbo6够“一d “心 ：合：2 胬瓮葛呙s2 瓮高葛昌s2 斟霜葛金 n ”心寸卜寸oonn 卜n 呐n 寸心n 卜n 一 寸n t 一一一o “寸“一一6b一一一一一一峥“一一茁g 。o 馨纣瓮冷冷8 = 昌瓮葛逭= 高瓮高昌s ：2 瓮高瓮金 _ 寸寸i no 寸寸n ”i n _nnn_西口口n 岣卜 一“话c ；舀弱q 萌式一一一寸“一一一a寸d “一一“ o 2 罱瓮戈罱s2 金罱瓮8 = 昌式高昌s = 式胬瓮金 寸 q卜n1 qh 岣卜na 卜寸9峥qq 鸣 ”ooi no_ o 墨趸嚣蠡惑 言d 焉孪荨旨 蓉釜窝戛寒墨 1 一一d 式寸 是竺斟葛葛呙2 村罱葛金 岔_ 寸nn昏q1 啦qqn峥q99 叼一”n 寸 nn 吗甜一“一一 蓉兰暑冒嚣暑 蓉篁暑嚣戛蛋 q 一“一do oo 是= 图葛罱冷2 窝高罱金 n 寸卜西nno9 峥岬冀9卜o ”岔啦卜_ 卜卜寸寸 _ q 萌6 甜吞占 g 墨晷嚣戋 魄一。一西一 _ 寸_ n 交趴夏o 器兰葛葛瓮篙s = 昌胬霜昌卜h nnh 、? 墨翳 f 谩 uq 叫uo 叫函uq 【】皿 琳 u 口皿 蠢 f o o o o 、 工 - _ n n i n v 、 n o 一n 僻 蜮右r翅疑k嚼旧馥掣帐噬醐亲梨料躲 n o 寸寸n 寸 一岔寸寸n 寸n 西。口。寸 口nnv 、on 哆“c ；一一“啦一一dc ；寸寸一一b6 “ 峥一文bob o8 = 舄昌葛冷g = 金呙高式葛= 昌式高昌g2 式瓮瓮金 0 0 o 价卜卜卜nhn卜n_寸口n 寸寸nn崎no 寸卜 一16 忒“一0峥寸b6 石喇1ddd “一叼b “式6 “ 。 s2 = 0 葛罱器! 竺呙瓮罱瓮= 9 昌图昌g2 罱衬高金 no o 卜n 岔卜卜。寸n卜n 寸oo寸西on ”o o 寸 9 “d 寻节一6 “二哂峥“o 一一1 一一一一一 o 器2 昌图葛胬：22 斟瓮葛昌暑2 瓮瓮葛昌s2 村高葛金 卜nv 、呐寸nno卜岔o寸n 一寸卜卜卜n 卜寸 n 9 一一一一。一一一。寸q “