（材料学专业论文）厚层水泥稳定碎石基层病害机理分析及处置对策研究.pdf

摘要 整体大厚度水泥稳定碎石基层是我国高速公路基层主要结构形式之一，本文在现有 研究基础上，对其破坏特点及破坏机理进行了研究。结果表明，基层层间的非连续性会 显著降低路面结构使用质量及使用寿命，实际应用中因分层施工产生的层间薄弱面是造 成此类结构整体性能较差的主要原因，薄弱夹层的出现使在设计时假设的基层整体厚板 受力变为多薄板受力，结构计算表明，增加基层厚度或加大基层上部厚度能够降低薄弱 层对结构造成的不利影响。 此外，考虑到在现有压实条件下，铺筑厚度的增加会降低结构层整体性能，因此， 减少因加大铺筑厚度而造成的整体性能降低，是提高单层铺筑厚度的前提保证，据此对 上下压实效果不同变异条件下水泥稳定碎石路用性能进行了研究。研究结果表明，上下 压实差异的存在会降低路用性能，但是，可以通过提高基层上部压实标准的措施来减少 上下性能差异，确保下部结构使用质量，进而提高基层路用性能。最终，在室内研究的 基础上，结合浙江省两龙高速厚层水泥稳定碎石基层试验路进行验证。 研究成果对推广整体大厚度水泥稳定碎石基层结构形式具有一定的指导意义。 关键词：厚层水泥稳定碎石、层间状态、病害机理、性能测试、b i s a r 模拟计算 a b s t r a c t l a r g et h i c k n e s so fo v e r a l lc e m e n ts t a b i l i z e da g g r e g a t eb a s ei so n eo ft h em a i nb a s es t r u c t u r e h i g h w a y si no u rc o u r t 时a tt h eb e s to ft h ef i e l dt e s ta n da n a l y s i si nh i g h w a ym a j o rr e p a i rw o r k s ，t h e n c o m b m et h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s w es t u d i e dt h ef e a t u r e so fs u c hb a s es t r u c t u r ed a m a g ea n di t s m e c h a n i s m t h er e s u l t ss h o wt h a tn o l l c o n t i n u i t yb e t w e e nb a s el a y e r sr e d u c e su s eq u a l i t ya n dl i f e t i m e s t r a t i f i e dl a y e r sc o n s t r u c t i o nw i l lc a u s et h ew e a ks i d ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ；i ti st h em a i nr e a s o no fp o o r e n t i r e l yq u a l i t y t h ee m e 唱e n c eo fw e a kl a y e rc h a n g et h es t r e s si nb a s ec h a n g e df r o md e s i g n i n go v e r a l l l a y e rt oan u m b e ro ft h i n - l a y e r s t h es t r u c t u r a lc a l c u l a t i o n ss h o wt h a ti n c r e a s et h et h i c k n e s so ra d dt h e u p p e rb a s et h i c k n e s sc a nr e d u c ea d v e r s ee f f e c t sc a u s e db yw e a kl a y e ri ns t r u c t u r e i na d d i t i o n ，i nt h ee x i s t i n gc o m p a c t i o nc o n d i t i o n ，i n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so ft h el a y e rw i l lr e d u c et h e o v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h es t r u c t u r e i ti sap r o m i s et h a te d u c i n gt h e e f f e c tc a ni m p r o v et h es i n # e - l a y e r t h i c k n e s s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fd i f f e r e n te f f e c t so nt h ew h o l ev a r i a t i o no fc o m p a c t i o nu n d e rt h e c o n d i t i o n so fp e r f o r m a n c eo fc e m e n ts t a b i l i z e da g g r e g a t e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x i s t e n c eo f d i f f e r e n c e sc o m p a c t i o nb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rw i l lr e d u c ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，w ec a l l r e d u c et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nu p p e ra n dl o w e rb yi m p r o v i n gt h eu p p e rc o m p a c t i o n i nt h i sw a y ，w ee n s u r e t h ep e r f o r m a n c eo fl o w e rs t r u c t u r ea n di m p r o v et h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ei nb a s e f i n a l l y , a tt h eb a s eo f s t u d y , w ev e r i f yt h er e s u l t sb yc o m b i n i n gt h et e s tr o a do fl a r g et h i c k n e s so fc e m e n ts t a b i l i z e da g g r e g a t e b a s ei nl i a n g l o n ge x p r e s s w a yi nz h e j i a n gp r o v i n c e t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eac e r t a i ns i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h el a r g et h i c k n e s so f ( o v e r a l lc e m e n t s t a b i l i z e da g g r e g a t eb a s es t r u c t u r e k e y w o r d s ：t h i c kl a y e rc e m e n ts t a b i l i z e dm a c a d a mb a s e ；s t a t e sb e t w e e nl a y e r s ；d a m a g e m e c h a n i s m ；p e r f o r m a n c et e s t ；b i s a rs i m u l a t i o n u 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。 论文作者签名：够力n 武 刎7 年爹月创日 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：弼_ ；6 、2 栽 2 细7 年乡月2 口日 导师签名： f 乒7 日 长安大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 问题的提出 我国高等级公路建设发展迅速，近年来进入历史上发展速度最快、规模最大的鼎盛 时期，到2 0 0 2 年底，我国高速公路通车里程一举突破2 5 万公里，位居世界第二位， 除西藏外，各省、自治区和直辖市都已拥有高速公路，有1 5 个省份的里程超过1 0 0 0 公 里，预计至2 0 1 0 年中国高速公路总里程将达6 5 万公里。 最近几年受经济的影响，国家拉到内需，大力投入交通等基础设施建设，这为我国 交通事业的发展提供了千载难逢的机会。就通车总里程来讲，我国高速公路已经居位世 界第二位，但因地域广阔，公路的平均密度仍很低，而且在全国范围内分布的极不平均， 很多省市的公路密度仍处于非常低的水平，严重制约了当地经济的发展1 1 j 。 在众多建成通车的高等级公路中，半刚性基层结构形式是路面基层的主要结构形 式，占到了举足轻重的地位。此种结构具有强度高、整体性能好、分布荷载能力强、工 艺简单等优点，9 0 以上的高等级公路沥青路面基层均采用了此种结构形式。 近年来，随着交通量的骤增和交通轴载的增加，公路结构也发生了改变。基层作为 主要的承重层有越来越厚的趋势。为了满足重交通、特重交通的需要，半刚性基层的厚 度从刚开始的1 8 - - 2 4 c m 逐渐增加到2 8 c m 2 1 ，甚至更厚。 所谓厚层半刚性基层是指整个基层由稳定类基层材料组成，其厚度一般在3 5 c m 以 上。它具有较强的分布荷载能力。在路基强度和稳定性得以保证的条件下，厚层半刚性 基层的经济性明显地提高，这是因为相对于沥青面层来讲，半刚性基层的修筑费用要低 的多，如果基层足够承载行车荷载，那么面层只用作功能层，其厚度也不就用要求很高 【3 】。那么基层的厚度是不是越厚越好呢? 答案是否定的。 在基层厚度不断增加的今天，其施工工艺却非常落后。规范规定“水泥稳定土结构 用1 2 - - 1 5 t 三轮压路机碾压时，每层压实厚度不应超过1 5 c m ，用1 8 - - 2 0 t 三轮压路机 碾压时，每层压实厚度不得大于2 0 c m ；对于水泥稳定中粒、粗粒土，采用能量大的振 动压路机碾压时，每层压实厚度可以根据试验适当增加，压实厚度超过上述规定时，应 分层修筑”【4 1 ，这种施工工艺必然形成不连续的基层层间状态，如养生不好基层的不连 续将更加严重。 对大量的取芯试样进行分析后发现：基层的不连续状态对基层乃至整个路面结构的 使用性能均有大幅度的影响，基层的不利影响与路面破坏如：坑槽和裂纹等病害有很好 第一章概述 的相关性，因此如何避免层间引起的不利影响就成为广大公路关注的焦点【5 l 。 随着大功率施工机械的普及，新的基层施工工艺也大量涌现，如：分层连续摊铺碾 压、两次摊铺一次厚层碾压和一次性厚层摊铺碾压等，新的工艺在一定程度上改善了基 层的不连续性，尤其是一次性厚层摊铺碾压工艺。目前，传统的分层间断铺筑工艺仍占 主导地位，原因为新工艺虽然路用性能优于传统工艺，但无规范可循而且此工艺可能会 带来新的问题，如：( 1 ) 因压实功率不够，上下部分压实度会有差异这将导致路用性能 上的差异，( 2 ) 高等级公路规定基层的压实度为9 8 以上，如果在大功率一次厚层摊铺 碾压条件下对于压实度的要求可否降低? ( 3 ) 无论传统工艺还是新工艺，上下压实度的 差异是无法避免的，那么如何保证基层的整体路用性能呢? 上层压实度合格，如何保证 下层压实度也满足要求呢? 这一系列的问题成为公路研究者的难点。 对路面结构进行全寿命计算发现：厚层一次性施工工艺不仅路用性能优异，而且还 缩短了工期，而且经济效益明显，值得在国内大范围推广应用，因此针对关于此工艺的 研究非常必要。 1 2 国内外研究现状 在国外，半刚性基层主要用于低交通量的公路，其强度与水泥剂量较低【6 】；国内针 对半刚性基层沥青路面的研究多集中在改善面基层层间状态、不同施工工艺和成型碾压 方面，下面逐一进行论述。 1 ) 沥青路面与水泥稳定碎石基层层间状态 针对层间状态的研究多集中在面层与基层的结合上，在设计时，假设沥青面层与半 刚性基层为完全连续状态阴，实际施工时采用散布透层油和粘层油的方式来实现，并用 粘结系数r 作为评价指标。粘结系数可以用剪切力和剪切变形量来测试出来，面层与基 层并不是完全连续的，而其改善措施多为新工艺和新材料的应用。 但是针对基层间的层间结合状态的研究较少，而且也不能采用粘结系数的指标进行 评价，为什么呢? 因为试验中剪切力和剪切变形量均不能测试出来，这方面的研究有待 深入。目前，为了改善基层的层间结合状态，使用水泥砂浆粘结或划毛下层后再铺筑上 层的等方式均有一定的效果。 2 ) 水泥稳定碎石干密度和强度 现场碾压多采用振动碾压，而室内试验则以重型击实为标准；研究人员采用振动压 实成型试验机，对水泥碎石的振动压实特性进行了研究，得到如激振力、频率、静面压 2 长安大学硕士学位论文 力、偏心角等振动压实参数，结论为振动条件下水泥碎石振动压实效果较好且最大干密 度高于重型击实最大干密度，和现场实际状态更相近。规范规定：基层的压实度为9 8 ，同时规定7 d 的抗压强度不小于4 m p a ，压实度的规定是在一定最大干密度基础上 规定的，如果最大干密度很小，压实度的规定有何意义呢? 日本的半刚性基层沥青路面主要使用在较低交通量的道路上，水泥剂量很低，类似 于国内少量结合料的级配碎石材料。7 d 强度为2 9 m p a ，底基层仅为0 9 8 m p a 。7 天浸 水抗压强度确定的半刚性基层水泥剂量一般只有2 。 国外的高等级公路沥青路面一般是以柔性基层为主【8 1 ，半刚性基层仅用于局部补 强，承重层是沥青面层，而且越是交通量大的地方越用，其中一个重要的指导思想就是 柔性基层具有一定的变形能力，能够适应重载交通的需要。而强基薄面这种硬碰硬的半 刚性路面结构却很容易发生脆裂【9 1 。 3 ) 施工工艺 不同的施工工艺形成不同的层间状态，基层的性能对路面的使用性能有重要的影 响，下面对三种典型的施工工艺进行详细的阐述。 ( 1 ) 分层间断施工 规范中分层施工的规定是因为传统碾压机械激振力达不到设计要求，不能够保证基 层材料压实度，必须分层施工，而分层施工铺筑基层违背了整体性基层结构的设计初衷。 基层由整体受力变成两薄层受力，降低了基层整体强度，也是造成路面早期破损的一个 原因。分层间断施工先摊铺一层，碾压至规定压实度后立即覆盖土工布洒水养生到一定 龄期( 7 天或1 4 天) ，然后再摊铺上一层，碾压至规定压实度。 ( 2 ) 分层连续施工 该工艺先成型下层，压实度检测合格后，马上摊铺成型上层，碾压至规定压实度。 因作业方式连续而紧凑，其层间结合方式要好于分层间断铺筑方式，也可以采用分层摊 铺、一次碾压的方式进行施工，该工艺松铺系数较大( 约为1 2 5 ) ，要求配备大功率的碾 压机械。 上述两种不问断连续施工工艺在充分碾压后，对压实度进行抽检发现压实度均能满 足要求，压实度甚至出现超百现象。钻芯取样表明，所钻的芯样全部成型。除个别芯样 层间上下层芯样脱离外，大部分芯样层间界面不十分明显，芯样没有产生上下层脱节。 水泥碎石基层整体性好，强度均匀性，且承载能力高，具有较高的抗变形能力。按上述 工艺施工，施工周期缩短约4 0 ，成本降低约2 0 【1 0 - 1 4 。 3 第一章概述 ( 3 ) 整体性一次性施工 随着大功率施工机械的普及，一次性连续施工成为可能【1 5 1 7 ，某些尝试性工程己 取得成功。其工艺为大功率的摊铺和碾压机械进行一次性厚层摊铺、碾压。此工艺能很 好的解决分层施工导致的层间问题。施工周期进一步缩短，大幅度度节约成本。 1 3 研究主要内容 本课题通过调研厚层基层的使用现状，确定大功率一次性摊铺碾压为研究对象，通 过室内理论研究和力学模型计算相结合的方法，对整体性基层路用性能影响方面进行深 入、系统的研究，主要研究内容包括： 1 ) 厚层水泥稳定碎石基层使用现状调研； 2 ) 厚层水泥稳定碎石基层病害机理研究； 3 1 厚层水泥稳定碎石基层应力应变特性研究； 4 ) 厚层水泥稳定碎石基层整体性能研究； ( 1 ) 厚层水泥稳定碎石基层上下部分力学性能差异研究； ( 2 ) 厚层水泥稳定碎石基层上下部分抗裂性能差异研究； ( 3 ) 厚层水泥稳定碎石基层上下部分抗冲刷性能差异研究； ( 4 ) 厚层水泥稳定碎石基层上下部分疲劳性能差异研究； 5 ) 实体工程验证。 本章小节 厚层水泥稳定碎石基层在我国应用广泛，但此类基层结构在使用过程中发生破坏从 而导致路面结构发生破坏的现象普遍存在。通过对三条高速公路的厚层水泥稳定碎石基 层使用现状及病害特点进行调研发现：此类基层结构因施工方式不同形成不同的层间状 态对基层路用性能有一定影响，而整体厚层基层施工方式在解决层间影响的同时也会产 生新的问题，因此确定厚层水泥稳定碎石路用性能及受力特性为研究方向，通过室内试 验和软件模拟计算对厚层水泥稳定基层病害和使用特性进行研究。 4 长安人学硕士学位论文 第二章技术路线与研究方案 2 1 技术路线及研究思路 ( 1 ) 调研与分析相结合 对全国的厚层水泥稳定碎石基层使用现状及存在的问题进行了广泛调研，在此基础 上展开厚层水泥稳定碎石基层的试验研究，确定出厚层水泥稳定碎石基层上下部分性能 差异为研究方向。 ( 2 ) 室内试验与理论分析相结合 室内试验通过模拟现场厚层基层上下部分压实度差异，并对此状态下的各项路用性 能进行测试，并分析其原因。 ( 3 ) 室内试验与力学计算相结合 室内试验将研究对象从整个道路结构体系中分离出来进行测试，而软件模拟是将其 作为道路体系的一部分来研究，两者互为补充、缺一不可，本课题将两者有机结合，使 得研究更深入、更系统。 ( 4 ) 试验与实体工程验证相结合 试验结果只有用实体工程进行验证才能得以推广，同时实体工程还能发现试验中隐 含的问题，为进一步研究指明方向。 本研究以使用现状中发现的问题为导向，以厚层基层上下部分性能差异研究主体， 通过对既定研究主体进行深入系统的性能测试，并通过软件模拟计算对室内试验补充与 验证。研究思路见图2 1 。 2 2 试验方案 在调研的基础上，选取了基层顶部两种代表性压实度( 1 0 0 和9 8 ) 作为基准，下 部压实度分别降低1 5 和3 ，室内试验采用静压法成型圆柱体和中梁试件，圆柱体 试件测试抗压、劈裂、回弹模量和干缩、抗冲刷性能，中梁试件测试抗折、温缩和疲劳 性能。 ( 1 ) 力学性能试验研究 各状态7 天、9 0 天抗压强度 各状态9 0 天劈裂强度 各状态9 0 天抗压回弹模量 5 量化各状态力学性能差异 第二章技术路线与研究方案 图2 2 力学性能研究方案 使用现状及病害调研确定研究思路与研究方案 b i s a r 软件模拟计算分析 基层厚 度对基 层性能 影响 力学计算结论 结 论 ( 2 ) 抗裂性能试验研究 层间位 置下移 基层应 力特性 室内模拟现场压实度差异 简单加权整体性能综合评定 图2 1 研究思路流程图 各状态0 7 天平均干缩系数 各状态2 8 天温缩系数 ( 3 ) 抗冲刷性能试验研究 ( 4 ) 疲劳性能 室内试验结论 量化各状态抗裂性能差异 图2 3 抗裂性能研究方案 图2 4 抗冲刷性能研究方案 图2 5 抗疲劳性能研究方案 6 疲劳性能差异工疲劳性能得分冲刷性能差异t土冲刷性能得分温缩性能差异i温缩性能得分干缩性能差异工干缩性能得分力学性能差异_工力学性能得分 同问态效度不层状有厚同问态力律不层状应规 长安火学硕上学位论文 2 3 试验方法 基层参数是在广泛调研的基础上确定的。试验时，级配选用规范中值，水泥剂量比 施工单位低0 5 ，为了和规范有对比，采用重型击实得到最大干密度2 3 5 9 c m 3 和最佳 含水量4 6 5 。采用规范规定的静压法成型1 5 1 5 c m 圆柱体试件和l o * l o * 4 0 c m 的中梁 试件【1 8 】。 1 ) 力学试验方法 依据现行规范公路工程无机结合料稳定材料试验规程中的标准方法对圆柱体进 行抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量试验测试。 2 ) 干缩试验方法 在最大干密度和最佳含水量的条件下成型9 8 压实度圆柱体试件，成型好后立即脱 模放入干缩温变形测量仪中开始试验，用高精度探头测试刚成型试件的高度，并称重测 试含水量。测试方法是将试件放在上下均平整的面上( 如玻璃p c ) ，把高精度探头固定在 其表面，在常温下让水分自由散失，定期称试件重量，同时采集高度变化值，直至水分 散失尽( 即试件重量不再明显减少) 为止，最后确定干缩系数以及干缩率。每组用试件3 个，2 个测试高度变化，1 个称重测试重量变化。 基层材料的干缩性能主要以干缩应变ed 和平均干缩系数ad 两个指标来衡量：计 算干缩系数时，可以下式计算【1 9 】： 口玎= 等 ( 2 - 1 ) 式中： wi 、wj 指前后两次测定计算的试件的含水量( ) ei 、ej 指相应两次含水量条件下测定的应变值( 1 0 6 ) 。 3 ) 温缩试验方法 同干缩一样，在1 0 0 压实度条件下成型中梁试件，在标准养护条件下( 2 0 2 c ，湿 度 9 0 ) 养生2 8 天。试验中采用干温缩变形测量仪测试材料的湿度收缩系数，将箱内 温度降低至最低温( 1 0 c ) ，然后以设定升温速度将温度升高至最高温度( + 5 0 ) ，传感 器将箱内温度传递至程序，探头将高度变化传递至程序，程序以设定方式( 如每2 分钟 采集一个点) 采集数据并绘制成曲线图。 7 第二章拄木龉缝研究方案 图2 6 干温缩仪 评价指标：温缩系数指的是变化单位温度材料的线收缩系数。例如当温度从t 1 变 化到1 2 时( 试验中是以1 0 为温度间隔) ，测试材料的温度收缩应变( e ) ，该温度段的 平均温度收缩系数“n 为l ”l ； 口t = 芦历1 = 告+ 卢川2( 2 2 ) 式中： at _ 一平均温度收缩系数( x 1 0 ) ， 。_ 温度收缩应变“1 0 6 ) ： 8 m 1 测试试件的线收缩系数( x 1 0 ) b m 2 标准试件的线收缩系数( x l 竹为了消除测试过程中的误差，采用标准 试件对测试结果进行修正，该指标为标准件的线收缩系数值1 ； t _ 一试验温差r ) 。 4 ) 抗冲刷试验方法 在降雨量较大地区，水进入基层后在荷载的作用下会形成很强的动水压力对基层造 成严重的冲刷破坏，因此对基层的抗冲刷性能进行评价与研究显得格外重要。本研究中 利用长安大学自行研制的冲刷仪对养护2 8 天的水泥稳定碎石的抗冲刷性能进行评价， 试验配置为频率1 0 h z ，配重为3 块，偏心块夹角为1 2 6 。，冲刷时间为3 0 分钟。 5 ) 抗弯拉强度 抗弯拉强度依据现行规范公路工程水泥与水泥混凝土试验规程中对水泥混凝土 抗弯拉极限强度的方法进行，按三分点处双点加荷方法进行测试，养护至一定龄期后将 试件取出用湿毛巾覆盖并及时进行试验，保持试件干湿状态不变。当断面发生在两个加 荷点之问时，抗弯拉强度，接下式计算1 2 1 1 ： ，；要 ( 23 ) ，5 酽 ( 23 ) 式中： ，抗弯拉强度( m p a ) ： f 一极限荷载f n l ； 卜支座间距离( m m ) ； b _ 一试件宽度( m m ) ： h 试件高度f m m l 。 6 、疲劳试验方法 在测试得出极限抗弯拉强度后，进行中梁的疲劳试验测试，测试时取06 5 f 、o7 5 f 、 0 8 5 f 三个荷载对试件进行疲劳测试，依次记取每个荷载下的极限疲劳寿命( 次1 ，建立 荷载与疲劳寿命的关系曲线。基层材料的疲劳试验一般都在m t s 试验机上进行，三分 点加荷，开动试验机后开始计数( 应力作用次数，1 至试件被破坏。 图27 m t s 本章小节 通过调研分析，确定出广泛调研、理论分析、室内试验相结合的技术路线；确立了 常规试验与非常规试验相结台的试验方法；同时以厚层水泥稳定碎石基层使用过程中暴 露山的问题为导向，以厚层基层的受力特性和上下路用性能差异为研究主体。 第三章半刚性基层病害机理分析 第三章半刚性基层病害机理分析 3 1 半刚性基层使用现状分析 半刚性基层作为我国高等级公路路面结构的主要形式，在全国范围内应用非常广 泛，但各省的具体情况又不尽相同，下面分别以浙江省和陕西省高等级公路为例进行论 述。 1 ) 高等级公路路面典型结构 浙江省交通发达，集装箱等重载车辆较多，因此其路面结构对承重层更加重视，其 中具有代表性的有：杭甬高速公路，沥青面层为三层共1 7 c m ，基层厚度为3 4 c m - - 4 0 c m 的水泥稳定碎石，路面底基层为2 0 c m 级配碎石：衢州至南平高速公路，1 8 c m 沥青面 层+ 2 0 c m 水泥稳定碎石基层+ 3 2 c m 水泥稳定碎石底基层；申嘉湖高速公路，1 8 c m 沥青 面层+ 3 6 c m 水泥稳定碎石基层+ 2 0 m 水泥稳定碎石底基层；甬台温高速公路，4 c m 沥青 抗滑表层( a k l 3 a ) + 6 c m 中粒式沥青混凝土( a c l 5 ) + 5 c m 粗粒式沥青混凝土 ( a c 2 0 i ) + 4 1 c m 二灰碎石基层( 分2 层) + 1 3 c r n 级配碎石。由于缺少粉煤灰，厚层水泥稳定 碎石基层结构在浙江非常普遍，二灰稳定类粒料相对较少【2 2 2 5 1 。 陕西省作为西北发展的龙头，是西北经济区的枢纽，其交通量与日俱增，公路事业 发展迅猛。0 8 年底通车的永咸高速路面结构为4 c m 沥青抗滑表层( s m a l 3 ) + 6 c m 中粒式 沥青混凝土( a c 2 0 ) + 7 c m 粗粒式沥青混凝土( a c 2 5 ) + 3 6 c m 二灰稳定碎石基层+ 1 3 c m 二灰 土；9 3 年底通车的西宝高速路面结构为4 c m 细粒式改性沥青混凝土( a c 1 6 i ) + 5 c m 中粒 式沥青混凝土( a c 2 0 i ) + 7 c m 粗粒式沥青混凝土+ 2 0 c m 水泥稳定碎石，在同阶段建成的 其它高速公路多采用类似结构。对比发现：高等级沥青路面结构，面层厚度相同，而陕 西的基层厚度略薄，此外陕西的材料选择面较广。随着交通量的加大和交通荷载的加重， 厚层的半刚性基层发展迅速且前景广阔【2 6 1 。 2 ) 半刚性基层结构使用特性 半刚性基层沥青路面强度、平整度、抗行车疲劳等综合性能良好，而且施工方便、 还可以大量节省投资等特点，所以半刚性基层沥青路面实际上已经成为当前我们高等级 公路路面结构的主要形式。半刚性基层用于重交通路面结构其优势表现在： ( 1 ) 半刚性基层有较高的强度和承载能力 基层材料的强度包括两个方面：一方面是石料颗粒本身的硬度或强度，用集料压碎 值或集料磨耗值表示，另一方面是材料整体的强度，如回弹模量、承载比、抗压强度、 1 0 长安大学硕士学位论文 抗剪切强度、抗弯拉强度或劈裂强度等。有资料表明，国内大多数高速公路路面结构在 使用期内不同时段的代表弯沉均在2 0 ( 0 o l m m ) 以内【2 7 1 。因此，半刚性沥青路面适宜于 重交通道路。 半刚性基层强度比沥青面层强度大，这就使得半刚性基层的抗变形能力很差，在很 多时候无论是设计人员还是施工人员都强调高的压实度，使得基层的强度非常高，计算 发现这是不正确的。很多工程中发现基层强度越高，早期开裂越严重，计算表明正是基 层的强度高才导致了基层的抗裂性能低。 ( 2 ) 半刚性基层刚度大 基层的刚度( 回弹模量) 必须与面层的刚度相配，半刚性基层沥青路面通常具有较小 的弯沉和较强的荷载传递能力。沥青面层弯拉应力值较小，提高了沥青面层抵抗行车疲 劳破坏的能力，可认为半刚性基层上的沥青面层不易产生行车疲劳破坏。 研究发现：基层的模量越高，其底部的弯拉强度就越高，不利于基层的使用。而基 层与面层的模量相近时，基层的层底拉应力很小，其使用寿命明显增长【勰1 。基层的模量 与压实度有关，在实际工程中基层的压实度满足一定要求即可，不能盲目攀高，以免影 响整体路面结构的性能。 随着半刚性沥青路面的大量使用，一些严重的问题也在短期内凸现出来。半刚性基 层的破坏主要表现在：( 1 ) 沥青路面结构性破坏：( 2 ) 半刚性基层反射裂缝严重；( 3 ) 半 刚性基层内部结构性破坏。 3 2 半刚性基层病害统计分析 选取浙江、陕西两省三条高速公路取芯结果对基层病害进行分析，现场调研中西宝 高速共钻芯取样3 4 个，铜黄高速共钻芯取样1 1 4 个，甬台温高速共取芯2 0 个，以下为 芯样描述与统计。 3 2 1 西宝高速芯样统计 西宝高速公路是全国“两纵两横”公路主骨架连云港霍尔果斯国道主干线 的重要组成部分，该路跨越陕西西安、咸阳、宝鸡三个大城市，1 9 9 5 年1 2 月西宝 全线建成通车。 1 ) 芯样不完整，基层好，面层上中下均坏，在中、下面层断裂，占3 8 2 ： 第= 口半h0 性肇层璃害机理丹* k 安人学碗l 学位论文 芯样分析：因面层与基层结合不好，芯样不能完全取出或仅取出面层达3 8 ：因 行车磨损等导致芯样完整而路表破损的情况为2 0 ：因基层破坏导致整体路面结构破 坏的情况占4 1 ；因基层裂缝引起路面出现反射裂缝或面层裂缝贯通至基层的情况达 4 7 。总的来| 兑，因为基层的病害导致路面整体破坏的情况非常严重。 3 2 2 铜黄高速芯样统计 铜黄高速公路是陕西省“三纵四横五辐射公路主骨架的组成部分，铜黄高速公 路的建成延伸了陕西省“爿t ”字型公路主骨架的南北干线。铜黄高速公路是包头 南宁的重要一段，是西铜高速公路的延伸，是国家和陕西省规划建设的包头至北 海西部开发大通道的重要路段，也是陕西省新世纪第一条开通的高等级公路，2 0 0 1 年4 月3 0 日建成通车。 1 ) 一般路段：无明显道路病害处取出2 8 个芯样：基层发生破碎或留于芯洞中的占 a 2 9 ： 2 1 裂缝类路段：共取芯1 8 个，芯样基层完全破碎4 个，占2 22 3 ) 坑槽类只有一芯样完整驭m 剩余均发生基层破损现象 第= 半h 帷基层璃害机分析 4 ) 龟裂处基层芯样全部发生破碎，只取出面层 芯样分析：坑槽和龟裂虽然表现为表面的破坏，但其下部基层都破碎在芯洞中，表 明因基层破坏失去强度所以面层才破坏；无明显病害的路段，基层无法完整取出的达 4 3 ，表明面层与基层结台不好的情况普遍存在；园基层破坏引起面层裂缝的情况占 2 2 。 3 23 甬台温高速芯样统计 甬台温高速公路是国家规划国道主干线同江至三亚在我省境内的一段，在全 国和全省路网中具有重要地位，不但是我国东部沿海太动脉同三线的组成部分，也是浙 江省“两纵两横十八连三绕三通道”高速公路主骨架中的纵”，贯穿宁波、台州、温州 三地2 0 0 3 年1 2 月通车。 1 ) 基层呈松散状破坏无法取出或仅能部分取出的占7 0 ： 眭壹人 i 学位论女 2 1 基层级配好、结构密实町完整取出的r 5 3 0 ，但基层多呈短柱状并非整体 芯样分析：路面有松散类破坏的占1 0 ，松散路段基层全部呈松散状破坏；面层为 一整体仅有1 个，基层为整体的仅有1 个，其他的多呈短柱状，面层间、面层与基层间、 基层问的结台不佳现象普遍存在。 由现场调研发现：因半刚性基层发生破坏引起整个道路体系发生破坏的现象非常普 遍，基层的结构性破坏如松散和裂缝严重影响了整个路面结构的使用性能，因此针对提 高半刚性基层性能的研究迫在眉睫。 传统的分层施工必将导致层间结合差的现象，而这一现象对路用性能必然产生一定 的影响，为了有效的消除层闻影响，施工工艺的改进非常关键。整体一次性厚层水泥稳 定基层施工能完全消除层问影响，但因上f 压实度差异基层路用性能是否会有很大的差 异，这成为大家关注的焦点，因为针对这一问题的研究势在必行【”i 。 33 半剐性基层病害机理分析 大厚度的半刚性基层作为我国高等级公路的主要基层结构之一，其碾压标准为重型 击实，其受力模式为“强基、薄面”，基层作为承重层而面层则为功能层，当然这就要求 土基能够稳定的支撑整体路面结构同时路面基层的较大的刚度和抗压强度用柬保证其 荷载分却能力。 在基层的温度和湿度状态发生改变时，半刚性基层发生易产生收缩裂缝，这种裂缝 第三章半刚性基层病害机理分析 往往会扩展到面层，形成反射裂缝，尤其是沥青面层较薄时，这种现象更加明显。因半 刚性基层刚度较大这就决定其较脆且抗变形能力差，在对基层芯样进行统计分析后，对 半刚性基层材料的病害机理进行深度分析对提出相应的防治措施是非常必要的【3 0 j 。 近年来，随着我国高等级公路的迅猛发展，厚层基层的病害非常普遍，其原因主要 有以下几方面。 3 2 1 温度影响 半刚性材料具有热胀冷缩的性质，不同材料组成此类对温度应力的响应不同，一般 情况下，石灰稳定材料 石灰粉煤灰稳定材料 水泥稳定材料。 温度影响与原材料的性质有关，粗集料坚固对温度变化不敏感，而细集料在材料结 构中用作空隙的填充物，对温度变化较敏感；而稳定材料的水化物和结晶物对温度变化 也很敏感。材料对温度应力的响应是其内部各组成物对温度变化敏感性的综合反应。为 了减小温度引起的变形，半刚性基层的级配因尽量选用粗级配。 沥青面层对基层有隔温保护作用，在面层下的基层因作用的温差减小所以产生的温 度应力也明显减小。在其它条件一定的情况下，铺筑厚度越厚，温度应力要达到相同的 作用需要更长的的时间，增加铺筑厚度温度应力不易引起温缩变形。 分层施工时，层间处存在薄弱夹层，温度应力的作用面除顶面和底面，在层间界面 处温度应力作用于上下两层，很大程度上增加了温度对变形的影响。 3 2 2 湿度影响 半刚性基层是用水泥、石灰和粉煤灰等无机结合料将一定级配的集料粘结成整体 的，其内部分布着包括毛细孔、凝胶孔等孔隙。液相水以不同方式存在于各种孔隙中， 当材料的含水量大于空气中的含水量时，就按自由水、毛细水、吸附水和结晶水的顺序 依次蒸发。 自由水的散失与收缩与干缩变形基本无关；当毛细水散失时，液面半径变小，表面 张力牵引毛细管壁收缩，即毛细管处于受拉的状态，因此产生收缩。毛细水的不断蒸发， 半刚性基层材料干缩变形增大。 然后，吸附于固体表面的吸附水开始蒸发，随着表面水膜的减薄，颗料间分子力增 大，牵引相邻的颗粒不断紧靠，引起收缩变形，此变形较毛细作用收缩大。 最后，存在于水分胶结物中的结晶水开始散失，结晶物的排布有固定的形状，结晶 水一般情况下不易散失，因为散失过程需要大量的能量，结晶水的散失将牵引结晶体同 时向某一相位移动，引起干缩变形【3 卜3 5 1 。 】6 长安大学硕：t 学位论文 固相颗粒与液相颗粒都有使自己的表面张力减至最小的性质，颗粒越小，比表面积 越大，相同条件下由表面张力引起的收缩应变增大。 对半刚性基层材料的收缩性能有重要影响的还有集料，优良的骨架结构能很大程度 抑制干缩变形的发生，同时粗骨料也可以防止水泥石发生化学变形。减少水泥用量和细 集料的用量可减少混合料的中的水泥浆数量，因此可降低混合料的整体干缩。 随着龄期的增加，材料的后期强度形成，对干缩变形的抑制作用更加明显，而水化 物的形成添补了一定的孔隙，这就是为什么干缩发生在早期的原因。 在基层铺筑完成后，尽快洒布透层油并铺筑沥青面层都能有效防止水分的大量散 失，可大幅度的抑制干燥收缩变形的发生。而增加基层的厚度，使内部的水分不易散失 出来，也可有效抑制干缩。 分层施工时，层间处的薄弱夹层较松散，水分易从层间接合处散失，且水分散失的 面积与整体基层相比又增加了层间上下界面，水分散失很快，所以干缩变形很大。 3 2 3 水冲刷 无论采用何种面层结构，水通过面层透入基层的现象非常普遍，从面层到基层的水 通道一旦形成，即使进行修补也无济于事，路表水会大量进入基层。而半刚性基层在修 筑后具有很好的整体性，其材料结构致密且基本不透水，这就使得外界环境水在到达基 层后不能从基层迅速排出，而只能集中在面层和基层的连接处，界面水使得面层与基层 间连续性更差，路面结构处于极为不利的受力状态。 在重复行车荷载的作用下会形成强烈的动水冲刷作用，导致细集料流失，骨料表面 裹覆的粘结料剥落。当车辆通过时，泥浆受轮胎形成的真空吸力上提，而车辆通过后， 泥浆在重力作用下回落，如此往复，就形成了路面的“唧泥”。 在荷载的作用下受力集中于某个或某几个矿料上，应力集中和长期的浸泡使半刚性 基层的整体结构迅速破坏，在打开基层水通道的同时也造成了基层的局部严重破坏。在 水冲刷与行车的反复作用下，半刚性基层材料的各项路用性能均显著下降，基层、底基 层及路基的稳定性也极度恶化【3 6 1 。 分层施工时，层间存在薄弱夹层，基层中的水引起基层乃至底基层失稳，进而造成 路面的结构性破坏。 3 2 4 疲劳破坏 疲劳是在小于材料极限强度的应力反复作用下所产生的累积破坏。半刚性材料基层 的疲劳破坏是其所受拉应力或拉应变作用的结果，通常位于基层的底面。整个基层在路 1 7 第三章半刚性基层病害机理分析 面结构中都是受拉力的，当路面结构一定时，标准荷载下基层所受的弯拉应力与其疲劳 破坏次数基本为一定值或在某一小范围内变动。疲劳破坏次数指路面结构中开始出现与 荷载有关的裂缝前荷载的反复作用次数。计算路面疲劳寿命时，将计算所得弯拉应力值 s 除以极限状态的弯拉应力值s 即为应力强度比，据此可以计算出路面结构中与荷载有 关的裂缝前荷载的反复作用次数，应力强度比与荷载等因素有关。 计算表明：标准荷载下半刚性基层所受的弯拉应力很小，相对于半刚性基层材料的 弯拉强度，应力强度l l o y d , ，通常不会引起半刚性基层产生弯拉疲劳破坏。通常情况下， 路基的模量与半刚性基层模量相差很大，因此基层底部或底基层底部的将受到较大的弯 拉应力，路基越软基层所受的拉应力越大，反复作用下将引起弯拉疲劳破坏。 半刚性基层材料疲劳测试的变异性很大，将应力水平与破坏次数所绘成的散点图进 行拟合可以得到疲劳方程。试验证明：普通坐标下的应力强度比与对数坐标下的疲劳次 数成线性关系，即 s x = a + bl gn f ( 3 - 1 ) 式中： s l 应力强度比( 作用力s 材料的静弯拉强度r b ) ； n r 材料测试所得的疲劳次数； a ，b 为常数，与所选的应力强度比和材料组成等因此有关，同一应力水平下，a 越 大说明其材料的抗疲劳性能越好，b 为拟合直线的斜率表示材料随着应力强度比变化其 疲劳次数的减小程度，其值越大表示材料的疲劳次数对应力强度比变化越敏感。 随着基层铺筑厚度的增加，应力反复作用次数n f 必然增大，疲劳性能将很大提高。 水泥稳定碎石常用的疲劳方程有： l gn f = 1 9 2 1 1 4 3 4 4l g ( s s )( 3 2 ) 当层间存在薄弱夹层时，薄弱层极限强度小，荷载超过一定值就会薄弱层产生发生 破坏，进而引起整体基层的破坏。 本章小节 本章通过对半刚性基层的使用现状和基层病害芯样进行统计分析，发现基层的病害 在路面结构破坏中占4 0 甚至更高的比例，基于此就半刚性基层各项病害机理进行分析 与研究。 1 8 长安大学硕士学位论文 第四章厚层水泥稳定碎石基层应力应变特性研究 为何设计时性能如此优越的半刚性基层在使用中却暴露出如此严重的问题? 在施 工时以压实度、7 d 抗压强度和级配作为控制指标，因此可以断定材料性能是可以满足 设计需求的；据此推断基层在路面结构中的受力方式发生了改变，基层某些部位应力集 中导致基层的破坏。纠其原因为传统的分层施工作业方式，此工艺在对基层上层进行摊 铺碾压时，势必对已成型好的基层产生扰动和松散，在两层层间界面处可能存在受力薄 弱层；分层施工形成的半连续层间状态在拉应力作用下会产生滑移或分离，基层受力由 整体受力变成多薄层受力，破碎的可能性增大，本章通过b i s a r 软件模拟计算对以上 论述进行论证与分析。 4 1b i s a r 简介 b i s a r 程序由位于荷兰阿姆斯特丹( a m s t e r d a m ) 的壳牌研究工作组( s h e l l ) 于1 9 6 7 年 开发，至今已发展至b i s a r 3 0 。它是基于多层弹性体系理论专为道路设计而编制的程 序。该程序可计算道路结构不同深度的应力和应变。主要设计标准为沥青层的容许拉应 变和路基的容许压应变，前者控制开裂，后者控制路面的永久变形。 s h e l l 设计法属于力学经验法，是国际上公认的比较完善的路面设计方法。s h e l l 设计法的力学假设： ( 1 ) 把路面结构当作一种多层线性弹性体系，其中材料用弹性模量和泊松比表征； ( 2 ) 材料假定为均质的和各向同性的，路面各层在水平方向为无限大： ( 3 ) 荷载：一个圆面或几个圆面上作用着均布的垂直和( 或) 水平荷载( 对于一般的设 计方法采用一种标准的双轮荷载1 。 在路面力学方面，该法以层状弹性体系理论为基础，但考虑了材料的非线性和粘弹 性特性，在研究过程中曾以非线性体系理论和粘弹性体系理论来进行分析