刚柔复合式基层沥青路面结构特征与荷载响应分析

发布时间：2020-04-30 22:59

【摘要】：反射裂缝是半刚性基层沥青路面的主要病害形式之一,特别是川东丘陵地区,因夏季气温高、降雨量大且持续时间长,致使该区域内与反射裂缝相关联的病害问题更为突出。为降低半刚性基层沥青路面早期破坏的风险,工程中引入了刚柔复合式基层沥青路面结构,通过水泥稳定碎石基层和沥青层之间加设级配碎石过渡层,抑制反射裂缝并增强排水,达到延长沥青路面服务年限的目的。然而,级配碎石属离散材料,其强度、刚度均不及水泥稳定碎石,甚至不及水泥稳定砾石,导致刚柔复合式基层沥青路面的结构性能显著弱于传统的半刚性基层沥青路面。鉴于此,论文结合遂广高速公路的修建,从级配碎石材料路用性能和刚柔复合式基层沥青路面的结构力学性能两方面进行了系统的研究,其主要工作及取得的成果如下:1)根据级配碎石最大粒径对其性能特性影响的研究成果,确定过渡层级配碎石最大粒径采用26.5mm,并基于级配碎石室内试件成型方法对级配衰减特征和性能指标的影响,确定采用振动台法作为评价级配碎石粗集料集成特性的成型方法。在此基础上,将部分沥青混合料级配设计理论优化后用于设计级配碎石材料的级配组成,对通用级配设计方法(泰勒法、变i法、变k法)和沥青混合料级配设计理论(SAC法、VS法和Sperpave法)所确定级配组成以及规范推荐级配组成基于集成体积指标进行了相关参数确定和性能评价。根据多级嵌挤理论和以便获取与料场实际情况相符的依托工程过渡层级配碎石组成目的,进行了粗集料的骨架形成试验、细集料填充试验,并结合室内试验和理论计算确定了粗细集料合成比例,分析了影响级配碎石混合料控制性指标的主要因素。2)运用三轴试验离散单元法,对碎石骨架应力应变关系和围压与偏应力对级配碎石回弹模量影响进行分析的基础上,评价了级配碎石粗集料骨架性能,揭示了级配碎石非线性特性,并依托室内渗水试验探讨了级配碎石渗水系数的主要影响因素,对级配碎石渗水系数预估公式进行了拟合,最后结合虚拟三轴试验、CBR试验和室内渗水试验对级配设计理论所设计级配碎石组成进行了优选,提出了依托工程过渡层级配碎石级配组成设计方法、级配组成范围和评价指标。研究可得:基于多点支撑骨架状态的混合料体积设计方法和多级嵌挤级配设计方法可确定出性能更优的级配碎石组成。3)以现场沥青路面动态响应试验段为载体,采用FWD和贝克曼梁法测试了三种沥青路面(1种半刚性沥青路面,2种刚柔复合式基层沥青路面)分层层面动、静态弯沉,分析了不同结构沥青路面动、静荷载作用下的弯沉值分布规律和沥青路面结构层施工过程变形特征,可得贝克曼梁法和FWD法检测数据不具等同性,FWD数据可靠性和适应性更高。基于动态弯沉盆测试结果,结合提高沥青路面结构层模量反演精度的目的,采用传统反演法和逐层反演法反演三种结构沥青路面各结构层模量值,对比研究了两种方法对不同路面结构类型的适应性,可得路面结构层模量可综合反映路面结构和组成材料特性,逐层反演模量法可在一定程度上提高反演结构层模量值的可靠性。4)考虑到沥青路面结构层当量回弹模量理论计算法与现场实测值相关性不佳,以逐层测试沥青路面结构层弯沉盆实测值和模量反演理论为依据,重点探讨了理论计算法与反演法确定的不同沥青路面结构的垫层、水泥稳定碎石层和过渡层顶面当量回弹模量差异,可得两种方法反演当量回弹模量差异主要源于水泥稳定碎石层顶面当量回弹模量的确定,以此提出了修正当量回弹模量理论计算公式。5)基于对所设计沥青路面结构性能测试系统可靠性进行论证的基础上,以沥青层层底应变、路基土顶面或过渡层底面竖向压应力和过渡层竖向位移为评价参数,开展了基于行车荷载作用的三种沥青路面结构动态响应特征研究,分析了行车速度、车辆类型和轴重对路面结构动态响应特性的影响,可得半刚性基层沥青路面对行车状态的敏感性高于刚柔复合式基层沥青路面。同时,基于路面结构性能测试系统和温度、湿度测试系统,揭示了降雨过程路面结构内部湿度变化特征,探讨了刚柔复合式基层沥青路面在湿度和动荷载耦合作用下级配碎石孔隙水压力的响应特征,分析了过渡层孔隙水压力对行车速度和车辆轴重的敏感性,论述了现场试验中季节变化对不同路面结构响应特性的影响,可得级配碎石具有良好的排水特性,刚柔复合式基层沥青路面在川东丘陵地区具有较佳的适宜性。
【图文】：

图１－１项目实施技术路线逡逑

通过马歇尔击实锤在混合料试件上顶面施加冲资荷载使混合料试件密实，与重型击实逡逑成型原理相似，但接触面积、击实功、落锤高度等存在差异，击实过程碎石破碎严重ｅ逡逑现行规范［ｍ］推荐采用重型成型法成型级配碎石混合料试件（图２－１），即通过具有逡逑一定质量的重锤在固定高度处自由下落，借助冲击力夯实级配碎石混合料，试件成型逡逑采用分层多次击实。该方法成型试件集料的分布和排列与现场铺筑结构仍具有与－定逡逑的差异，，且重现性较差，对同一级配，通过调整落锤的质量、高度及击实次数，可得逡逑到不同的密实度，但成型过程中骨料破碎较为严重＊易改变原有级配骨架结构特性，逡逑因此，用于粗集料骨架结构特性的评价时，可能产生较大的偏差６逡逑图２－１重型击实仪（左）、振动台成型（中）、振动成型仪（右）示意图逡逑振动成型法主要分为两种，第一种为表面振动成型仪或振动台成型，另一种为无逡逑机结合料类材料专用振动成型仪成型。振动成型法指将试件放置在振动仪器上，弁在逡逑试件表面加一重物承压，通过高频振动作用成型试件，，振动“液化”使散粒体达到密逡逑实效果
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.217


本文编号：2646270