土工合成材料在低造价路面中的应用研究-报告简本.doc

精品文档西部交通建设科技项目合同号：2001 318 00046土工合成材料在低造价路面中的应用研究研究报告简本长沙理工大学2006年7月研究报告简本本项目主要针对低造价沥青路面结构类型、应用土工合成材料处治低造价沥青路面的技术经济性分析、应用于低造价沥青路面的土工合成材料技术要求、土工合成材料处治低造价沥青路面基层设计方法和土工合成材料处治低造价沥青路面基层施工技术等五个主要方面展开研究。其中，紧紧围绕应用土工合成材料处治低造价沥青路面的技术经济性分析这一核心问题，结合工程应用和室内外试验，着重研究了应用土工合成材料改善沥青路面结构刚度、强度和承载能力（包括抗疲劳等长期性能）的机理。通过系列的调研、试验和理论分析，总结提出了土工合成材料处治、加固低造价沥青路面底基层、基层及面层的设计方法和设计标准以及相应的施工技术。研究报告包括七章和一个应用指南。第一章 低造价沥青路面结构类型及其土工合成材料潜在作用详细地总结分析了国内外低造价沥青路面的结构类型，认为土工合成材料设置在基层与土基之间影响路基土与粒料基层的水稳定性、粒料基层的土污染、基层的整体性及其承载力；设置在基层与面层之间时影响沥青面层的疲劳开裂、半刚性基层沥青路面的反射裂缝、沥青路面的车辙。土工合成材料在低造价沥青路面中的潜在作用可以概括为三类主要作用：加筋，隔离与防渗。第二章 试验路铺设方案、施工与测试介绍了试验路基本情况、沥青路面结构试验方案、现场施工、原材料及各结构层性质试验、现场试验检测。试验路选在张家界至罗依溪二级公路K45+500K45+980段，其中填方200米，挖方280米。试验路按照不同的基层材料（级配碎石、水泥稳定碎石）、是否铺设土工合成材料、不同类型土工合成材料（土工格网、防渗土工布、防裂土工布）、土工合成材料不同的铺设位置（基层和底基层之间、基层与面层之间）的有限组合共分11个方案铺设，面层统一采用2.5cm细粒式沥青混凝土4cm热拌沥青碎石。试验路于2003年10月底通车运行，跟踪观测的结果表明，整个试验路段使用状况良好。第三章 粒料层回弹模量非线性模型及其参数反算采用确定性优化反算方法，针对承载板多级非线性荷载，模拟承载板测路面弯沉的过程，编制了非线性有限元计算程序，对柔性路面结构层材料特性反算进行了系统的研究，主要成果包括:（1）在增量计算时引入迭代加速技术，改进高斯求解过程，有效地加快了计算速度；引入局部应力磨平技术，以及增量法的多阶自校正技术，极大的提高了非线性计算的精度，取得良好效果。（2）采用了改进的非线性最小二乘优化方法Marquardt法，并且针对本问题对该方法进行了相应改进，包括对病态矩阵判定条件以及灵敏度矩阵修正系数的转换，在将该方法引入本问题以后，由于实现了二阶近似，收敛稳定性得到提高，收敛速度显著加快。（3）经过多种材料非线性本构模型的比选，最后选择了适应性较强的三参数模型来模拟碎石土、碎石基层材料的非线性性质。实际计算证明，该模型对反算材料性质模拟效果较好，反算弯沉与实测弯沉吻合程度高，能够满足工程中的实际需求。（4）在选定的试验路段上，随着施工的进展，在路基、底基层、基层上分别进行了承载板弯沉检测，并且利用计算机模拟该过程进行了材料非线性特性参数反算。实际应用情况表明，静力线弹性反分析方法得到的结果在某些情况下明显不合理，而考虑应力非线性特性则可以给出合理的解答。（5）结合反算所得数据进行了分析，校核了参数的准确性。同时，探讨了承载板下的路面结构层模量非线性分布规律：第四章 土工合成材料加筋沥青路面的作用机理分析1、进行了土工合成材料加筋沥青砼试件疲劳损伤试验及分析这一部分主要工作及结论包括： 沥青路面分析仪（APA）往返轮载疲劳试验试验结果表明，土工布、玻璃纤维格栅加筋措施能显著地提高沥青混凝土梁式试件的疲劳寿命。 采用有限元方法确定了APA梁式试件跨中应力分布，并结合弯曲试件疲劳损伤损伤演化方程，计算得到沥青材料疲劳损伤模型中的特征参数。 提出APA梁式试件力学模型，根据所得到的疲劳损伤特征参数,采用损伤力学有限元方法,模拟计算APA梁式试件的疲劳损伤断裂过程,分析试件疲劳损伤过程中的弯拉应力、跨中位移、损伤变量、裂纹扩展速率等的变化规律，预测沥青混合料试件失稳断裂时的裂纹长度，并比较加筋材料的加筋效果。疲劳寿命的数值模拟结果与试验结果吻合较好。证明了在APA试件弯曲疲劳试验情况下所提出的沥青混合料疲劳损伤模型的有效性。 关于疲劳裂纹形成阶段和扩展阶段的疲劳寿命分析指出，对于APA弯曲梁试件，其疲劳裂纹扩展阶段的疲劳寿命约为裂纹形成阶段的疲劳寿命的两倍。2、进行了土工合成材料加筋沥青路面疲劳损伤寿命分析得到如下结论：（1）对于级配碎石柔性基层沥青路面，可在较薄的碎石基层底部或较厚的碎石基层内部铺设土工加筋材料，以改善碎石基层的支承刚度；在碎石基层与沥青面层之间铺设土工加筋材料，以提高沥青面层抗裂能力，从而延长级配碎石基层沥青路面的疲劳断裂寿命。在条件允许范围内，应尽量选用抗拉能力强的土工加筋材料，以充分发挥其加筋延长沥青路面使用寿命的作用。（2）对于半刚性基层沥青路面，可在沥青面层与半刚性基层之间铺设防裂土工材料，以延缓半刚性基层疲劳裂缝发展速率，延长沥青路面使用寿命。第五章 土工合成材料在低造价沥青路面中的应用原理与设计方法系统地总结了土工合成材料在低造价沥青路面中所发挥的抗疲劳开裂、车辙和反射裂缝等各类作用，阐述了各类作用中土工合成材料的应用原理，并提出了有关的设计思路和方法以及对土工合成材料的技术要求。主要研究工作包括：(1)土工合成材料改善低造价沥青路面抗疲劳破坏性能 将土工加筋材料布置在路基与基层之间、基层与面层之间，以发挥其加筋作用，加强粒料基层结构和疲劳损坏过程中路面结构的整体性，提高使用过程中路面结构层的支承刚度与强度。对于半刚性基层沥青路面，若将土工加筋材料布置在路基与半刚性基层之间，其作用是降低半刚性基层疲劳起裂以后的应力水平、从而延长半刚性基层疲劳开裂寿命，以及控制半刚性基层疲劳裂缝向上扩展的速率、从而延长沥青路面整个结构开裂破坏的疲劳寿命。欲明显改善半刚性基层沥青路面疲劳寿命、减薄半刚性基层厚度，需要选用更为高强的土工加筋材料。此时，可以先按照公路沥青路面设计规范设计未铺设土工加筋材料的半刚性基层厚度，再除以对应的半刚性基层加筋厚度折减系数k1，作为铺设土工加筋材料半刚性基层的设计厚度。对于柔性路面，若将土工加筋材料布置在路基与粒料基层之间，除了增强粒料基层和路基土的侧向约束作用之外，还可将荷载扩散到更大范围，以及在抗车辙或软基等情形时提供向上的张力、降低路基顶面荷载压力，从而提高路基和粒料基层的承载能力。设计时，可将未铺设土工加筋材料的粒料基层设计厚度除以柔性基层加筋厚度折减系数k2，作为应用土工加筋材料的粒料基层厚度。根据本项目研究和相关的试验研究，将土工加筋材料铺设在路基与粒料基层之间时，发挥其加筋作用的粒料基层的适宜厚度应在20-30cm以内，与加筋材料的特性有关。若加筋材料张拉模量高，可适用于较厚的粒料基层。对于柔性路面，若将土工加筋材料布置在粒料基层与沥青面层之间，根据疲劳损伤模拟分析，土工加筋作用表现为在沥青面层底部开裂后抑制裂缝向上扩展速率。可暂时按常规的无筋的柔性路面进行设计，然后将粒料基层的设计厚度除以厚度折减系数（一般设计时已知沥青厚度，将粒料基层作为设计层）。这一粒料基层厚度折减系数可取为1.1。 通过土工合成材料的隔离与防渗作用，改善粒料基层与路基的水稳定性，保证使用过程中它们的支承刚度和强度不受到水的不利影响。当土工合成材料起隔离作用时，应选择土工织物类材料。在路基路面排水条件良好的情况下，可考虑选择土工格网。它可防止粒料基层或路基中的细集料进入路基或基层内造成土污染，避免所进入的结构层渗透性和水稳定性下降。将防渗土工布（防裂土工布）铺设在沥青面层与基层或基层与路基之间，可改善路基路面内部水环境，及时疏导排除路基内部水分，避免路基抗变形能力降低。对于有地下水冒出的挖方路段，在路基顶面铺设防渗土工布，成效显著。(2)应用土工合成材料防治低造价沥青路面车辙，可将之布置在两种层位达到其目的。一是将土工合成材料设置在基层与路基之间，可以改善结构支承刚度、降低路基顶面压应变，从而减少车辙的应用情形之外；一是将土工合成材料布置在沥青面层与粒料基层之间，可进一步改善沥青路面抗车辙能力。借助Giroud等人对未加铺整体性面层的粒料路面的车辙问题的解决方法，应用地基承载力理论和交通荷载动态效应经验公式，对本项目研究对象，提出了应用土工合成材料防治低造价沥青路面车辙的设计方法。可根据所提供的方法进行两类设计。一是先选定土工合成材料类型，根据其抗拉强度，设计基层厚度；一是先设定结构层厚度，计算土工合成材料需要提供的张力，据此选择土工合成材料类型。并据此探讨了试验路应用土工合成材料防治沥青路面车辙的合理性。(3)土工合成材料（土工布、玻璃纤维格栅等）在防止反射裂缝时所发挥的力学效应主要包括：软弱夹层作用（应力吸收薄膜），可增大基层内的垂直裂缝沿界面向水平方向发展的可能性，从而延缓裂缝反射到路表的时间；桥联作用，裂缝进入沥青混凝土面层后，土工合成材料将使开裂断面具有一定的抗弯拉能力，减少裂缝张开变形，降低裂缝尖端的拉应力集中；嵌锁咬合作用，将提高开裂断面抗剪切传荷能力，降低裂缝尖端的剪应力集中。第六章 土工合成材料应用于低造价沥青路面的技术经济分析分析表明，如果在泥结碎石底基层与级配碎石基层之间铺设土工格网，可以节约造价7.6万元/公里；如果在级配碎石基层与面层之间铺设防裂土工布，可以节约造价2.23万元/公里；如果在挖方路段路基与水泥稳定碎石基层之间设置防渗土工布，可以节约造价1.52万元/公里。试验路段的使用情况和效益分析都表明，土工合成材料在低造价沥青路面的应用就技术和经济性而言是可行的，可以起到降低工程造价、延长使用寿命的作用，有推广应用价值。第七章 结论与建议对项目研究的主要成果进行了概括，主要研究成果包括：(1)通过广泛调研分析，总结提出了低造价沥青路面结构形式以及适宜的结构层厚度。在此基础上，结合土工合成材料的功能，首次系统地探讨了土工合成材料在低造价沥青路面结构中的潜在作用，提出了土工合成材料作用发挥中所涉及的低造价沥青路面结构问题以及技术难点，为项目的开展提供了研究思路。(2)根据湖南省公路建设实际情况，选择张家界-罗依溪公路沥青路面作为试验工程，制定了沥青路面结构方案、试验路施工技术方案及试验检测方案，并结合试验工程施工进度，进行了现场承载板试验等试验检测。近两年的跟踪观测表明，项目至今成功地应用土工合成材料解决了低造价沥青路面存在的结构问题。(3)首次针对承载板多级非线性荷载特点，采用确定性优化反算方法，包括引入Aitken迭代加速技术、改进非线性最小二乘法优化方法Marquardt法，模拟承载板检测路面弯沉的过程，开发了基于非线性有限元的粒料层回弹模量非线性模型参数反算程序，结合试验工程的路基、底基层和基层顶面现场承载板弯沉检测，对粒料层回弹模量非线性模型参数反算问题进行了系统的研究分析。同时，探讨了承载板下的路面结构层模量非线性分布规律。(4)利用美国SHRP开发的沥青路面分析仪（APA）进行室内沥青混凝土疲劳损伤试验，并采用疲劳损伤力学理论与方法开展了土工合成材料加筋沥青混凝土试件疲劳损伤室内试验数值仿真模拟分析，为后续机理分析与设计方法的提出提供了试验依据和疲劳损伤分析方法。(5)首次建立了加筋和无筋状态下无结合料粒料基层和半刚性基层沥青路面结构疲劳损伤分析模型，针对试验路不同结构方案开展了沥青路面结构疲劳损伤演化过程模拟分析，探讨了不同结构类型沥青路面的破坏形式和土工合成材料处治机理，为后续长期效益分析提供了理论基础和试验依据。(6)根据调研与项目研究，首次系统地总结了土工合成材料在低造价沥青路面中所发挥的抗疲劳开裂、车辙和反射裂缝等各类作用，阐述了各类作用中合理应用土工合成材料的原理，并提出了有关的设计思路和方法以及对土工合成材料的技术要求。(7)针对布置在低造价沥青路面中不同层位的土工合成材料防治路面车辙的作用特点，借助Giroud等人对未加铺整体性面层的粒料路面