公路半刚性基层材料结构理论、多指标控制设计方法及工程应用

公路半刚性基层材料结构理论、多指标控制设计方法及工程应用

长安大学沙爱民

2010年04月09日基层路基面层基层是公路路面的主要承重层,基层的使用寿命决定着整个公路路面的使用寿命。大背景:公路建设快速发展。

减少路面早期损坏，延长路面使用寿命。供车辆安全、平稳行驶主要起承重作用+拌合、摊铺水泥或石灰砂石材料或工业废渣

半刚性基层压实、养生半刚性基层在我国应用极广，占到基层用量的85%（各级公路基层）至95%（高速公路基层）以上。图1各级公路基层类型图2高速公路基层类型沥青路面早期损坏成因的“内忧外患”超载问题?施工质量问题?路面结构设计方法问题?路面结构类型（半刚性基层沥青路面）

设计理论体系（指标与方法）抗裂性不足导致面层反射裂缝冲刷能力不足导致面层唧浆、松散强度不足导致面层疲劳破坏半刚性基层在具有显著技术、经济优势的同时，存在下列突出问题。半刚性基层的“问题”强度高且容易开裂半刚性基层容易发生水损坏半刚性基层的耐久性需要考证半刚性基层何去何从?半刚性基层强度高抗裂性好抗冲刷性能强

国外对半刚性基层的开裂与冲刷损坏主要是通过增加面层厚度和控制面层的渗水来避免和减少，效果有限，成本较高。

国内曾采取过在基层中通过设置应力吸收层、铺设土工布、预锯缝以及封层等方式减少基层自身收缩开裂和冲刷现象以及对面层的影响，效果不明显，且易引起新的破坏现象。长安大学自“八五”开始至今，近二十年长期对半刚性基层的抗裂性、强度形成机理以及综合性能改善等方面开展了大量研究和实践，发现：半刚性基层性能改善的经济、有效途径在于改进材料的组成设计。研究内容理论依据试验手段设计方法工程应用理论依据强度问题题半刚性基基层的可可设计强强度值域域很宽:0.5~12MPa半刚性基基层材料料的强度度不仅靠靠结合料料的剂量量,更应应要靠良良好的集集料级配配.在一定条条件下可可以做到到高强又又不开裂裂.高强度半半刚性材材料应该该是结构构设计的的要求的的结果,而且应应该是有有界限的的.土类级配良好的砾石-砂-粘土，砂或砾石粉质砂，砂质粘土粉质-砂质粘土，级配差的砂粉土，粉质粘土，级配很差的砂重粘土7d无侧限抗压强度（MPa）＞2.8～10.51.7～3.50.7～1.70.35～1.05≤0.7弯拉模量（×103MPa）7～2173.5～7＜3.51.4水泥剂量（干土重%）≤57910≥13水泥稳定定土的无无侧限抗抗压强度度和弯拉拉模量收缩开裂裂问题温度或干干燥收缩缩是材料料的“天天性”。。及时的保保湿养生生可以避避免干燥燥收缩裂裂缝。控制细料料含量可可以显著著减小温温度收缩缩开裂可可能。干缩系数数温缩系数数成分收缩系数（×10-6）水泥石10～20集料花岗岩7～9玄武岩6～8石灰石6白云石7～10砂岩11～12水泥石和和集料的的收缩系系数冲刷问题题半刚性基基层表面面的非紧紧密联结结的细料料在动水水压力泵泵吸作用用下的脱脱离是形形成冲刷刷的主要要原因。。不产生或减小小冲刷途径：：减少细料含量量增加结合强度度消减动水压力力冲刷试验结果果图4-18水泥砂砾（6%）、水泥土（（6%）在相同作用用力相同时间间不同频率下下冲刷曲线图4-20水泥砂砾（6%）、水泥土（（6%）在相同作用用频率、相同同作用时间不不同作用力下下冲刷曲线冲刷试验疲劳问题半刚性基层材材料是一应力力敏感性材料料：疲疲劳曲曲线较为平缓缓超载对半刚性性基层的寿命命影响要更大大于沥青面层层同样应力比条条件下，半刚刚性基层比普普通沥青面层层具有更长的的疲劳寿命。。半刚性基层层的长寿命路面基层一般般要求应具有足够的的强度和稳定定性；在冰冻地区应应具有一定的的抗冻性；应具有较小的的收缩（温缩缩及干缩）变变形；较强的抗冲刷刷能力。材料组成设计计目标材料组成设计计新方法———多指标：适宜强度较小收缩较小冲刷材料组成设计计新理念———考虑结构：：结构决定性能能试验手段振动压实倡导室内振动动压实成型目目的-适应多粒料材材料的压实保持设计级配配符合现场压实实状态减小试验结果果偏差振动压路机结结构振动压路机结结构示意图1—手动葫芦2—机架3—导向柱4—上车系统5—偏心块6—减振块7—下车系统8—压头9—钢模套环10—钢模11—钢模底盘12—传动轴13—电动机14—变频器室内振动压实实成型设备示示意图室内振动压实实机结构振动法、静压压法含水量变变化情况对比比——反映了振动压压实功与静力力压实功的一一致性振动法、静压压法集料破碎碎情况对比静压法振动法振动法确定压压实标准试验验方法一、目的和和适用范围围本试验方法法适用于在在室内对水水泥、石灰灰、石灰粉粉煤灰稳定定粒料土基基层材料进进行振动压压实试验，，以确定这这些材料的的含水量—干密度关系系曲线，确确定其最佳佳含水量和和最大干密密度。试验验集料的最最大粒径应应控制在31.5mm以内，最大大不得超过过37.5mm。二、仪器设设备三、试料准准备四、试验步步骤五、计算及及制图振动法成型型试件试验验方法一、目的和和适用范围围本试验方法法适用于采采用振动压压实方法成成型无机结结合料稳定定粒料的各各种试件，，其中包括括用于测试试无侧限抗抗压强度、、间接抗拉拉强度和抗抗压回弹模模量的圆柱柱体试件和和用于温缩缩系数、干干缩系数、、抗折强度度以及抗折折回弹模量量测试的梁梁式试件。。二、仪器设设备三、试料准准备四、试件制制作步骤五、注意事事项及相关关说明1—温度补偿片片2—温度补偿应应变片3—屏蔽线4—接线柱5—应变仪6—测试应变片片7—试件收缩系数测测试接线示示意半刚性基层层材料收缩缩方法1—计算机2—接口线3—接线柱4—应变仪5—屏蔽线6—环境箱7—试件8—应变片收缩系数测测试系统温缩系数测测定试验温缩系数测测定方法一、目的和和适用范围围水泥、石灰灰等无机结结合料稳定定细粒土或或粒料所形形成的半刚刚性基层材材料的温度度收缩性能能通常用温温度收缩系系数表征。。材料的温温度收缩系系数是指下下降单位温温度条件下下，材料产产生的收缩缩应变量。。本试验方方法适用于于在室内测测定半刚性性基层材料料的温度收收缩系数。。二、仪器设设备三、试料准准备四、成型标标准确定五、试件制制备六、试件养养生七、试验步步骤八、计算各各具体温度度区间的温温度收缩系系数一、目的和和适用范围围水泥、石灰灰等无机结结合料稳定定细粒土或或粒料所形形成的半刚刚性基层材材料的干燥燥收缩性能能通常用干干燥收缩系系数表征。。材料的干干燥收缩系系数是指减减少单位含含水量条件件下，材料料产生的干干燥应变量量。本试验验方法适用用于在室内内测定半刚刚性基层材材料的干燥燥收缩系数数。二、、仪仪器器设设备备三、、试试料料准准备备四、、成成型型标标准准确确定定五、、试试件件制制备备六、、试试件件养养生生七、、试试验验步步骤骤八、、计计算算某某一一具具体体含含水水量量区区间间的的干干燥燥收收缩缩系系数数：：干缩缩系系数数测测定定方方法法基层层冲冲刷刷试试验验现现有有设设备备状状况况1——钢桶桶2——试件件3——水4——配重重5——振动动台台顶顶面面6——振动动台台法国国振振动动台台试试验验装装置置澳大大利利亚亚振振动动台台试试验验装装置置1—旋转转刷刷2—试件件法国国旋旋转转刷刷试试验验装装置置1——钢桶桶2——水3——混凝凝土土垫垫块块4——试件件5——振动动台台顶顶面面6——振动动台台利用用MTS进行行冲冲刷刷试试验验压头头向向下下运运动动压头头向向上上运运动动室内内冲冲刷刷试试验验机机1—机架架2—皮带带3—固定定偏偏心心块块4—活动动偏偏心心块块5—配重重箱箱6—冲刷刷头头7—冲刷刷桶桶8—导向向柱柱9—电机机10—框架架11—分动动齿齿轮轮12—配重重块块13—水14—试件件15—钢夹夹道路路冲冲刷刷试试验验机机示示意意图图激振振力力调调节节原原理理示示意意图图1—活动动偏偏心心块块2—销孔孔3—固定定偏偏心心块块抗冲冲刷刷性性能能试试验验方方法法一、、目目的的和和使使用用范范围围本试试验验方方法法适适用用于于水水泥泥稳稳定定类类、、石石灰灰稳稳定定类类、、二二灰灰稳稳定定类类等等基基层层材材料料进进行行抗抗冲冲刷刷试试验验。。本本试试验验方方法法包包括括：：按按照照室室内内击击实实试试验验所所确确定定的的最最大大干干密密度度和和最最佳佳含含水水量量，，采采用用静静力力压压实实或或振振动动成成型型法法制制备备试试件件，，试试件件为为圆圆柱柱体体，，高高度度与与直直径径之之比比为为1∶1。二、、仪仪器器设设备备三、、试试件件形形状状、、尺尺寸寸四、、试试料料准准备备五、、压压实实标标准准的的确确定定六、、试试件件制制备备七、、试试件件养养生生八、、试试验验步步骤骤九、、试试验验结结果果处处理理材料种类养生龄期水泥稳定类28天二灰稳定类90天设计计方方法法设计计方方法法结构构类类型型选选择择控制制指指标标、、标标准准选择择法法试验验法法路面面基基层层类类型型材料料组组成成—水泥泥稳稳定定类类、、石石灰灰粉粉煤煤灰灰稳稳定定类类、、水泥泥混混凝凝土土类类、、沥沥青青稳稳定定类类、、无结结合合料料粒粒料料类类；；力学学行行为为—半刚刚性性、、柔柔性性、、刚刚性性；；结构构组组成成—骨架架密密实实结结构构、、骨骨架架孔孔隙隙结结构构、、悬浮密实结构构、均匀密实实结构。V1＜V2V1＝V2V1＞V2提出了结构类类型划分的物物理概念和检检验标准。提出半刚性基基层材料四种种结构类型：：均匀密实结构构悬浮浮密实结构骨架密实结构构骨架架孔隙结构均匀密实结构构悬浮密密实结构骨骨架密实实结构骨骨架孔隙结结构不同结构类型型半刚性基层层材料粗集料压密后后的孔隙体积积细集料和结合合料压密后的的总体积各结构类型基基层的特点悬浮密实型混混合料中的粗粗集料用量一一般在50％％左右，细集集料含量较多多，抗弯拉性性能较好，适适用于各等级级公路的基层层和底基层。。骨架密实型混混合料中的粗粗集料用量一一般在75％％以上，细集集料含量较少少，压实混合合料的嵌挤强强度较高，抗抗裂性、抗冲冲刷性较好，，宜用于高速速公路和一级级公路的基层层。骨架孔隙结构构型混合料与与骨架密实型型混合料相比比具有较高的的孔隙率，适适用于有较高高路面内部排排水要求的基基层。均匀密实型混混合料建筑费费用较低，可可用作二级及及二级以下公公路路面的基基层或底基层层，不能用作作高速公路和和一级公路的的基层。水泥稳定碎石石基层材料体体积参数测定定结果试验项目单位以9.5mm划分以4.75划分以2.36划分粗集料空隙体积cm3409.05724.31760.36细集料部分(含水泥、水)体积cm31981.851345.68990.00混合料结构类型悬浮悬浮悬浮粗集料骨架试试验——级配配粗集料试验级级配表筛孔孔径（mm）31.526.519.016.013.29.54.75连续级配a10088675847300b10087645243260c10085594837220多级嵌挤d10085352015100e1009578271370f1008872645550单级级配g1000h1000i1000x——混合料中水泥泥的用量（g）y——混合料中细料料的用量（g）W粗料——装满标准容器器后粗料的质质量（g）ρ水泥、细集料料——水泥、细集料料的最大干密密度（g/cm3）A——混合料中预定定水泥计量（（%）B——通过试验确定定出的粗集料料空隙体积（（cm3）骨架密实水泥泥稳定碎石组组成计算结构类型的选选择选择结构类型骨架孔隙结构骨架密实结构悬浮密实结构车辆组成道路等级、面层类型气候条件路用性能检验确定混合料配比是否满足要求推荐使用否是交通量混合料设计方方法半刚性基层材材料混合料组组成设计方法法分两种，即即选择法和试试验法。选择法选择法适用于于常见的水泥泥稳定碎石、、二灰稳定碎碎石材料。对对于这些材料料，当其集料料级配得到改改善，或混合合料结构类型型由悬浮密实实型向骨架密密实型改变后后，其路用性性能也会随之之改善，当其其强度满足规规范要求后其其他性能也能能满足相应要要求。试验法实践中会因材材料和施工设设备等条件的的变化提出超超出常规的新新的材料级配配组成；并且且，随着半刚刚性基层材料料的发展，在在各地的实践践中采用了许许多外加成分分和新材料，，如在混合料料中加入各种种填加剂、纤纤维、早强剂剂以及当地的的工业废渣等等。这些材料料使用经验很很少，仅从7天的抗压强度度指标难以评评判这些新材材料的其他路路用性能，对对于它们需要要进行充分的的室内试验论论证其可用性性。选择法——水水泥稳定碎石石悬浮密实结构构水泥稳定碎碎石级配范围围筛孔尺寸(mm)31.526.519.016.09.54.752.361.180.60.30.150.075上限100100998877493527181372下限100948873572917126420骨架密实结构构水泥稳定碎碎石级配范围围筛孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150333下限10082564534190细集料上限10010010090592552下限10090755030800骨架孔隙结构构水泥稳定碎碎石级配范围围筛孔尺寸(mm)31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075粗集料上限10091706150335下限10082564534190细集料上限100100100100844052下限100908575601500骨架密实型水水泥稳定类集集料级配（JTGD50-2006）层位通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%）31.519.09.504.752.360.60.075基层10068～8638～5822～3216～288～150～3悬浮密实型水水泥稳定类集集料级配（JTGD50-2006）层位通过下列方筛孔（mm）的质量百分率（%）37.531.519.09.504.752.360.60.075基层10090～10060～8029～4915～326～200～5底基层10093～10