碎砾石路面剖析.ppt

第十章碎、砾石路面,路基路面工程课程,第十章碎、砾石路面,路基路面工程课程,学习重点：1.碎砾石材料的强度构成、应力应变特性2.碎石面层的分类3.水结碎石、泥结碎石的施工工序4.级配碎砾石路面5.优质级配碎石基层6.磨耗层与保护层学习难点：（1）碎砾石材料的强度构成、应力应变特性（2）各种类型路面的适用情况,第一节碎、砾石路面的力学性能,1碎、砾石路面的强度构成（1）定义：碎、砾石路面通常是指水结碎石路面、泥结碎石路面以及密级配的碎(砾)石路面等数种（这类路面通常只能用于中低等交通量的公路）。（2）强度来源：矿料颗粒本身强度颗粒之间的联结强度,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,1碎、砾石路面的强度构成,（3）几种材料的强度构成（a）纯碎石材料1）抗剪强度决定因素：剪切面上的法向应力材料的内摩阻角2）抗剪强度的构成因素：粒料表面的相互滑动摩擦；因剪切时体积膨胀而需克服的阻力；因粒料重新排列而受到的阻力。,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,1碎、砾石路面的强度构成,3）内摩阻角范围：30（单一粒料在另一有粗糙面但表面平整的粒料上滑动，其摩阻角大多在30以下）；40-50（许多粒料相互紧密接触，沿某一剪切面相互变位时，因体积膨胀和粒料重新排列而多消耗的功，可使摩阻角增到40-50）4）内摩阻角决定因素：纯碎石粒料摩阻角的大小主要取决于石料的强度、形状、尺寸、均匀性、表面积糙度以及施工时的压实程度。当石料强度高、形状接近正立方体、有棱角、尺寸均匀、表面粗糙、压实度高时，则内摩阻力就大。,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,1碎、砾石路面的强度构成,（b）土碎（砾）石混合料1）强度形成原则：按嵌挤原则形成强度（当这类材料含土量小时）；按密实原则形成强度（当含土量较多时）。2）强度和稳定性决定因素：内摩阻力粘结力,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,1碎、砾石路面的强度构成,a)骨架空隙结构b)骨架密实结构c)悬浮密实结构土碎（砾）石混合料三种物理状态,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,不含或含很少细料,（指0.075mm以下的颗粒）的混合料，它的强度和稳定性依靠颗粒之间摩阻力获得。这类的混合料其密实度较低，但透水性好，不易冰冻。由于这种材料没有粘结性，施工时压实困难。,含有足够的细料来填充颗粒间的空隙的混合料，它仍然能够从颗粒接触而获得强度，其抗剪强度、密实度有所提高，透水性低，施工时较第一种情况易压实。,含有大量细料而没有粗颗粒与粗颗粒的接触，集料仅仅是“浮”在细料之中。这类混合料施工时易压实，但其密实度较低，易冰冻，难于透水，强度和稳定性受含水量影响很大。,1碎、砾石路面的强度构成,3）土砾石混合料的密实度和CBR试验,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,土砾石混合料的密实度和CBR值随细料含量而变化,1碎、砾石路面的强度构成,4）土碎石混合料密实度和CBR试验,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,土碎石混合料的密实度和CBR值随细料含量而变化,1碎、砾石路面的强度构成,5）粒状材料用AASHO标准压实法成型后测得的CBR值和干密度试验,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,混合料密实度和CBR值随细料和最大粒径的变化,1碎、砾石路面的强度构成,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,室内试验和工地实践都表明，集料为碎石时，由于颗粒嵌挤作用的增强，其强度和稳定性较圆滑砾石集料为好，渗透系数亦高，更易排水。,1碎、砾石路面的强度构成,6）细粒土的物理性质对混合料的强度和稳定性的影响,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,塑性指数对砾石（最大粒径2.54cm）三轴强度的影响,2碎、砾石材料的应力应变特性,（1）碎、砾石材料的显著特点之一是应力应变的非线性性质，回弹模量在很大程度上受竖向和侧向应力大小的影响。（2）回弹模量Er与主应力和之间的关系：,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,2碎、砾石材料的应力应变特性,（3）某种轧制集料的回弹模量值同主应力和的关系,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,2碎、砾石材料的应力应变特性,（4）颗粒材料的模量影响因素：材料的级配、形状、表面构造、密实度、含水量等。一般密实度愈高，模量值愈大；棱角多，表面粗糙者有较高模量；当细料含量不多时，含水量仅有甚小影响。,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,3碎、砾石材料的形变累积,良好级配砾石在良好排水条件下塑性形变的发展图,路基路面工程课程,第一节碎、砾石路面的力学性能,第二节碎石路面与基层,定义：碎石路面是用加工轧制的碎石按嵌挤原理铺压而成的路面。分类：碎石路面按施工方法及所用填充结合料的不同，分为水结碎石、泥结碎石、泥灰结碎石和干压碎石等数种。修筑：碎石路面通常用砂、砾石、天然砂石、或块石为基层，有时亦可直接铺在路基上。优缺点：碎石路面的优点是投资不高，可以随交通量的增加分期改善；缺点是平整度差，易扬尘，泥结碎石路面雨天还易泥泞。强度来源：石料的嵌挤作用以及填充结合料的粘结作用。,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,第二节碎石路面与基层,碎石尺寸与分类：碎石颗粒尺寸大致为075mm，通常按其尺寸大小划分为六类。,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,一、水结碎石路面,（1）定义：水结碎石路面是用大小不同的轧制碎石从大到小分层铺筑，经洒水碾压后而成的一种结构层。（2）强度来源：其强度是由碎石之间的嵌挤作用以及碾压时所产生的石粉与水形成的石粉浆的粘结作用而形成的。（3）水结碎石路面对材料的基本要求：碎石应具有较高的强度（III以上）、韧性和抗磨耗能力；碎石应具有棱角且近于立方体，长条扁平的石料不超过10；此外，碎石应干净，不含泥土杂物。,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,一、水结碎石路面,（4）水结碎石路面施工工序：准备工作；撒铺石料并摊平，可分一次或二次撒铺；预碾碎石；碾压碎石并洒水；撒铺嵌缝料并碾压与洒水粘压；撒铺石屑（米石）并洒水碾压成型；初期养护。,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,一、水结碎石路面,（5）铺筑工艺：水结碎石，一般情况应全幅施工。如特殊情况需要半幅施工时，纵向接缝处理必须仔细，以保证路面质量。摊铺主层时，不论分一层或两层均应按压实系数（1.25-1.3）一次摊铺，并须仔细找平。（6）碎石的碾压质量影响因素：石料性质、形状、层厚、压路机类型和重量、碾压行程次数、以及洒水与铺撒嵌缝料的适时与否等因素有关。（7）碾压三个阶段：根据碾压时碎石的移动、嵌挤以及最后成型等情况，水结碎石路面的碾压过程可分为三个阶段：（a）第一个阶段为稳定期（b）第二阶段为压实期（c）第三阶段为成型期,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,一、水结碎石路面,（8）碾压次数：各个阶段压路机碾压的行程次数，因压路机重量、石料性质及碎石层厚度而异。,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,二、泥结碎石路面,（1）定义：泥结碎石路面是以碎石作为集料、泥土作为填充料和粘结料，经压实修筑成的一种结构。（2）构造：泥结碎石路面厚度一般为8-20cm；当总厚度等于或超过15m时，一般分两层铺筑，上层厚度6-10cm，下层厚度9-14cm。（3）强度来源：泥结碎石路面的力学强度和稳定性不仅有赖于碎石的相互嵌挤作用，同时也有赖于土的粘结作用。,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,二、泥结碎石路面,（4）材料要求：泥结碎石层所用的石料，其等级不宜低于IV级，长条、扁平状颗粒不宜超过20%。不产石料地区的次要道路，交通量少时，可采用碎砖等材料。碎砖粒径宜稍大，一般为路面厚度的0.8倍。泥结碎石层所用粘土，应具有较高的粘性，塑性指数以12-15为宜。粘土内不得含腐殖质或其它杂物。粘土用量一般不超过混合料总重的15-18。（5）施工方法：灌浆法、拌和法、层铺法（6）施工工序：1）准备工作2）摊铺碎石3）预压4）浇灌泥浆5）撒嵌缝料6）碾压,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,二、泥结碎石路面,（7）用作不同结构层时的要求：泥结碎石亦能用作路面的基层，但其水稳定性较差，当用作沥青路面基层时一般只适用于干燥路段。泥结碎石作为基层时，主层矿料的粒径不宜小于40mm，并不大于层厚的0.7倍。嵌缝料应与主层矿料的最小粒径相衔接。土的塑性指数以10-12为宜，含土量不宜大于混合料总重的15。,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,三、泥灰结碎石路面,（1）定义：泥灰结碎石路面是以碎石为骨料，用一定数量的石灰和土作粘结填缝料的碎石路面。因为掺入石灰，泥灰结碎石路面的水稳定性比泥结碎石为好。（2）材料要求：泥灰结碎石路面的粘土质量规格要求与泥结碎石相同；石灰质量不低于3级。石灰与土的用量不应大于混合料总重的20%，其中石灰剂量为土重的8-12%。（3）施工程序与质量要求：与泥结碎石路面相同。（4）施工工艺：与泥结碎石路面相同。采用拌和法时，应先将石灰与粘土拌和均匀，再撒在石料上拌和，摊铺均匀，边压边洒水，使石灰与土在碾压中成浆并充满空隙。,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,四、填隙干压碎石基层,（1）施工方法要求：碎石基层可采用干压方法，要求填缝紧密，碾压坚实。如土基软弱，应先铺筑低剂量石灰土或砂砾垫层，以防止软土上挤和碎石下陷。（2）材料要求：材料要求：石料和嵌缝料的尺寸，视结构层的厚度而定。,路基路面工程课程,第二节碎石路面与基层,第三节级配碎（砾）石路面,级配碎（砾）石路面的定义：由各种集料（砾石、碎石）和土，按最佳级配原理修筑而成的路面层或基层。由于级配碎（砾）石是用大小不同的材料按一定比例配合、逐渐填充空隙，并用粘土粘结，故经过压实后，能形成密实的结构。强度来源：级配碎（砾）石路面的强度是由摩阻力和粘结力构成，具有一定的水稳性和力学强度。,路基路面工程课程,第三节级配碎（砾）石路面,第三节级配碎（砾）石路面,1.级配碎（砾）石路面与基（垫）层的厚度与材料（1）结构层厚度：级配碎（砾）石路面厚度，一般为8-16cm，当厚度大于16cm时应分两层铺筑，下层厚度为总厚度的0.6倍，上层为总厚度的0.4倍。如基层和面层为同样类型的结构，其总厚度在16cm以下时，可分两层摊铺，一次碾压。（2）材料：级配碎（砾）石路面所用材料，主要为天然砾石或较软的碎石。其形状以接近立方体或圆球形为佳，石料强度应不低于IV级。,路基路面工程课程,第三节级配碎（砾）石路面,2.级配碎（砾）石路面与基（垫）层的施工,（1）施工工序（a）开挖路槽（b）备料运料（c）铺料（d）拌合与整型（e）碾压（f）铺封层若施工方法采用拌和机集中拌制，则第（c）、（d）两工序分别改为拌和与摊铺整型两工序。,路基路面工程课程,第三节级配碎（砾）石路面,2.级配碎（砾）石路面与基（垫）层的施工,（2）其它用来修筑基（垫）层的材料：天然砂砾，它可以就地取材，且施工简易，造价低廉。天然砂砾料含土少，水稳性好，宜作为路面的底基层或垫层。（3）天然砂砾材料要求：天然砂砾基层所用的砂砾材料，虽无严格要求，但为了保证其干稳性及便于稳定成型，对于颗粒组成应予适当控制。综合各地初步使用经验，其颗粒组成中，大于20mm的粗骨料要占40%以上，最大粒径不宜大于压实厚度的0.7倍，并不得大于100mm，小于0.5mm的细料含量应小于15，细料塑性指数不得大于4。,路基路面工程课程,第三节级配碎（砾）石路面,2.级配碎（砾）石路面与基（垫）层的施工,（4）天然砂砾基层施工工艺：关键在于洒水碾压。砂砾摊铺均匀后，先用轻型压路机稳压几遍，接着洒水用中型压路机碾压，边压边洒水，反复碾压至稳定成型。（5）缺点与措施：由于天然砂砾基层的颗粒组成不属最佳级配，且缺乏粘结料，故其整体性较差，强度不高。为了提高其整体性和强度，可根据交通量和公路线形（如弯道、陡坡）情况，在其表面嵌入碎石或铺碎石过渡层。,路基路面工程课程,第三节级配碎（砾）石路面,第四节优质级配碎石基层,1优质级配碎石基层的应用无结合料处治粒料在国外是一种应用极为普遍的筑路材料，广泛用于柔性路面的基层和底基层，用于基层的常为较优质的碎石层。美国、澳大利亚及南非还把最佳级配的优质碎石用于半刚性基层与沥青面层之间，作为减少沥青路面反射裂缝的措施。我国也在多项大型工程中应用了这类材料和结构，取得了较好的效果。,路基路面工程课程,第四节优质级配碎石基层,第四节优质级配碎石基层,2强度来源及其材料要求优质级配碎石基层强度主要来源于碎石本身强度及碎石颗粒之间的嵌挤力。因此，对于碎石基层应保证高质量的碎石，获得高密度的良好级配和良好的施工压实手段。我国规定高速公路和一级公路路面级配碎石集料压碎值应不大于26%。从结构强度和结构层排水综合考虑，建议液限应小于25，同时规定小于0.5mm的细料应无塑性，如特殊情况下难以做到，则塑性指数应小于4。,路基路面工程课程,第四节优质级配碎石基层,第四节优质级配碎石基层,3级配对于级配碎石强度与刚度的影响级配是影响级配碎石强度与刚度的重要因素。一般来说，密实的级配易于获得高密度，从而使级配碎石获得高的CBR值和回弹模量。用于高等级公路基层或用于半刚性基层和沥青面层之间的最佳级配优质碎石，其级配应能获得最大密实度，并具有较好的透水性。4采用重型击实和振动成型方法对级配碎石的试验表明，振动成型可以使级配碎石获得更高的CBR值和回弹模量值。,路基路面工程课程,第四节优质级配碎石基层,第四节优质级配碎石基层,5.表征级配碎石刚度的指标及设计参数：回弹模量级配是影响级配碎石强度与刚度的重要因素。6.级配碎石回弹模量随应力状态而变的非线性关系：,路基路面工程课程,第四节优质级配碎石基层,第四节优质级配碎石基层,7.级配碎石弹性模量取值范围不同层位级配碎石受力状态及模量取值建议范围,路基路面工程课程,第四节优质级配碎石基层,*路面结构为520cm沥青面层+1015cm碎石上基层+4050cm半刚性基层+土基；*路面结构为520cm沥青面层+2040cm半刚性基层+20cm碎石底基层+土基。,第五节碎（砾）石路面的养护,碎（砾）石路面养护的主要任务各种交通组成和交通量的负荷下，使路面保持应有的强度和平整度；对路面在车辆荷载与自然因素影响下产生的病害，如沉陷、松散、坑洞、车辙及裂缝等，进行事前预防及事后及时维修，使其经常保持良好的状态，以便利行车，并延长使用寿命。为提高碎（砾）石路面的平整度，抵抗行车和自然因素的磨损和破坏作用，应在面层上加铺磨耗层和保护层。,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,第五节碎（砾）石路面的养护,一、磨耗层与保护层（1）磨耗层（a）作用：磨耗层是路面的表面部分，用以抵抗由车轮水平力和轮后吸力所引起的磨损和松散，以及大气温度、湿度变化等因素的破坏作用，并提高路面平整度。（b）用料要求：磨耗层应具有足够的坚实性和稳定性，通常多用坚硬、耐磨、抗冻性强的级配粒料来铺筑。（c）厚度要求：磨耗层的厚度视所用材料和交通量大小而定，不宜过薄，以免抗磨能力过低，引起过早损坏；也不宜过厚，避免材料浪费和产生车辙。采用坚硬小砾石或石屑时，宜厚23cm，用砂土时宜厚12cm，采用软质材料时，以34cm厚为宜。,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,第五节碎（砾）石路面的养护,一、磨耗层与保护层（d）施工工艺：加铺磨耗层时，宜先整平原路面凹坑，矫正路拱，清除面上浮土和松散颗粒，然后洒水，将拌好的混合料均匀铺撒于原路面上。其松铺厚度为压实厚度的1.31.4倍，即用轻型压路机压34遍，使形成密实平整、稳定的表层。开放交通两周内调节行车路线，使磨耗层得到全面压实，并适当洒水，以保持最佳含水量。,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,一、磨耗层与保护层,（2）保护层保护层在磨耗层上面，用来保护磨耗层，减少车轮对磨耗层的磨损。加铺保护层是一项经常性措施。保护层厚度一般不大于1cm。（a）类型：按使用材料和铺设方法的不同，保护层分为稳定保护层与松散保护层两种。前者系使用含有粘土的混合料，借行车碾压，形成稳固的硬壳，粘结在磨耗层上；后者是只用粗砂或小砾石而不用粘土，在磨耗层上呈松散状态。,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,一、磨耗层与保护层,（b）稳定保护层的做法：在润湿的磨耗层上浇洒粘土一层，用扫帚扫匀，或先铺粘土，洒水扫浆，接着撒铺粗砂或石屑，扫匀后控制行车碾压。稳定保护层有砂土混合料与土砂封面两种。1）砂土混合料：是指天然级配的或人工配合的砂土混合料。2）土砂封面：系用粘土封面后，再撒一层砂，在湿润条件下借行车碾压形成密实的表层。土、砂体积比大致为1:1。,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,一、磨耗层与保护层,（c）松散保护层：1）材料：在磨耗层上均匀铺撒粗砂或砂粒（石屑），粒径一般为25mm，干旱地区可用510mm。2）材料组成：松散保护层材料，按其粒径规格分为三种：,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,一、磨耗层与保护层,（c）松散保护层：3）施工：松散保护层施工简便，而且可使车轮水平力所产生的能量（动能），大部分转化为松散颗粒的自由移动（位移）的位能，从而大大减少了车轮水平力对磨耗层的损坏作用。因此，只要不断回砂、扫砂，就可保护磨耗层不致过早损坏。（d）适用场合：松散保护层一般适用于南方潮湿地区。稳定保护层行车阻力小，养护用料少，但施工技术较复杂，在干旱和大风地区宜于采用。,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,二、碎（砾）石路面养护维修与改善,（1）磨耗层的修理：（a）新铺：在行车作用下，如磨耗层发生坎坷不平，可铲去凸出部分，并用同样的级配混合料补平压实。如磨耗层损坏过甚，或大部分被磨坏，应先划出整齐的修补范围，清除残余部分，整平底层，洒水润湿，然后按新铺磨耗层的方法用与周围同样的混合料来铺筑。（b）加铺：磨耗层经行车磨损而厚度逐渐减薄时，可用同样材料加铺一层。为使上下层结合良好，须先将旧磨耗层上的浮砂、泥土等扫净，进行擦毛，然后撒铺薄层粘土，洒水扫浆，或浇洒一薄层粘土浆，将拌和好的混合料铺上，整平，洒水压实。,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,二、碎（砾）石路面养护维修与改善,（2）坑槽、车辙的修补（a）对较小较浅的坑槽和较浅的车辙：可先将坑槽和车辙内及其周围的尘土杂物清除，洒水润湿，再用与原路面相同的材料拌和填补，并夯压密实。（b）若坑槽或车辙较深、面积较大时：应划定较整齐的范围（比损坏面积稍大），按矩形开挖，壁应垂直，深度应不小于坑槽最大深度，也不得小于修补用材料最大颗粒的1.5倍挖槽后，清除槽内杂物并整平槽底，旧路面材料可过筛重用。坑槽的填补，对泥结碎石或级配路面，一般用干拌、浆拌或灌浆法来填补；对水结碎石路面，可将筛出的石料铺于槽底，再添加新石料，耙平，夯压。夯实工作应按先轻后重、先边后中的作法进行，夯实后的补坑部分应略高于原路面，以便行车继续压实。,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,二、碎（砾）石路面养护维修与改善,（3）路面松散和波浪（搓板）的防治（a）路面松散的原因：路面呈现松散多在干燥季节，主要是由于所用材料结合力不够、拌和不匀、碾压不实或保养不善等所造成。（b）路面松散的处理办法：1）当松散层厚度不大于3cm时，可将松散材料扫集起来，整平路面表层，扫除泥土，洒水润湿，把扫集起来的砂石进行筛分，并添加新料和粘土，洒水重拌，重铺压实。2）当松散厚度大于3cm时，可按前述补坑方法处理，但应适当提高加铺材料的塑性指数，混合料塑性指数宜大于10，粘土塑性指数最好大于15。,路基路面工程课程,第五节碎（砾）石路面的养护,二、碎（砾）石路面养护维修与改善,（c）防治路