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骨架—密实型水泥稳定级配碎石抗裂特性的研究

作　者: 田林
导　师: 冯德成
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 道路与铁道工程
关键词: 半刚性基层沥青路面骨架—密实型弹塑性损伤级配碎石干缩温缩
分类号: U416.214
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在我国公路建设过程中,半刚性基层沥青路面作为主流结构形式,发挥了积极的重要作用。然而,其强度、刚度的衰减与开裂问题,成为制约半刚性基层沥青路面结构长期耐久性的重要因素。因此,以莫尔—库伦强度理论为基础,充分重视半刚性材料中碎石的结构组成及其结构特性,采用骨架—密实型水泥稳定级配碎石的设计理念,综合协调半刚性基层力学特性与抗裂特性,以系统的试验研究为主要手段,以针对具体问题的理论分析为辅,全面研究这种半刚性基层材料设计方法、指标体系与路用特性,从而为完善半刚性基层沥青路面技术体系、延长路面结构使用寿命、提高路面使用品质,奠定坚实的基础。对于提高交通运输的综合效益,具有重要的现实意义。首先开展高等级公路沥青路面的横向开裂调查,分析产生开裂的主要原因与技术对策。具体针对性能差异最显著的柔性基层与半刚性基层进行对比,结合哈尔滨西环绕城高速公路逐年调查资料,分析低温开裂的演化规律,从而明确当前沥青路面开裂研究的重点之一在于基层的抗裂特性及基于抗裂性能要求的半刚性材料设计。进而,提出碎石级配体积设计方法框架、流程与基本原则,比选级配碎石成型方法,确定适宜的参数组合,实现材料—工艺一体化设计。通过设计典型骨架、比选细集料组成,以填充系数为技术指标,深入分析该指标对级配碎石结构组成特征的影响,从而提炼基于力学特性的设计原则。以静三轴试验、动三轴试验和循环加载试验为方法,分别评价级配碎石的结构性,并以结构可变性、结构可稳性、综合结构性指标反馈指导级配碎石设计,明确设计指标及其技术标准。在此基础上,采用振动成型方法,通过大量的试验,系统研究—骨架密实型水泥稳定级配碎石的干缩与温缩特性,在分析主要影响因素的基础上,明确填充系数与干缩的关系,指导材料设计与施工工艺组织。以弹塑性损伤理论为基础,应用ABAQUS有限元软件,进行路面结构温度场与干缩场的耦合分析,明确养生期出现开裂破坏的具体条件,以指导现场施工组织。在上述研究基础上,整合水泥稳定级配碎石结构性、强度衰减、干缩特性及温缩特性研究成果,提出填充系数的合适范围,提炼设计原则,构建完善的体积设计方法,以指导工程应用。最终将主要成果应用于“齐泰”高速公路,以检验此套技术的适用性及其实际效果,作为后续完善技术体系的基础。通过理论与工程实践的相互结合,初步实现半刚性基层的性能设计与优化,构建水泥稳定级配碎石成套技术。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
目录  9-13
Contents  13-18
第1章绪论  18-37
  1.1 研究的目的与意义  18-19
  1.2 国内外研究现状与分析  19-35
    1.2.1 沥青路面早期开裂研究  20-25
    1.2.2 半刚性基层结构与材料研究  25-28
    1.2.3 半刚性基层材料收缩特性研究  28-31
    1.2.4 碎石级配设计理论与方法研究  31-34
    1.2.5 国内外研究现状的评述  34-35
  1.3 主要研究内容  35-37
第2章沥青路面开裂现状调查  37-54
  2.1 基层类型对沥青路面开裂影响的调查分析  37-40
    2.1.1 辽源椅山试验路  37-38
    2.1.2 辽源外环试验路  38-40
  2.2 西环高速横向裂缝历年整体状况  40-41
  2.3 西环高速横向裂缝逐年演化规律  41-46
  2.4 横向裂缝在路面结构中的扩展规律  46-53
  2.5 本章小结  53-54
第3章碎石级配设计方法与结构性评价  54-80
  3.1 碎石级配的体积设计方法  54-58
  3.2 碎石级配成型方法与工艺参数  58-59
    3.2.1 标准振动压实参数的选取  58
    3.2.2 振动成型与重型击实法的对比  58-59
  3.3 碎石级配体积设计法的技术指标  59-66
    3.3.1 典型骨架的空间分布特征  60-61
    3.3.2 细集料对混合料空间分布特征的影响  61-63
    3.3.3 以填充系数为指标的设计方法  63-64
    3.3.4 填充系数对混合料空间分布特征的影响  64-66
  3.4 基于静三轴试验的碎石级配结构性评价  66-71
    3.4.1 试验设备与条件  66-67
    3.4.2 试验材料与级配  67
    3.4.3 试验结果分析  67-69
    3.4.4 碎石级配结构性评价  69-71
  3.5 基于动三轴试验的碎石级配结构性评价  71-76
    3.5.1 土体结构性评价方法与指标  71-72
    3.5.2 动载结构可稳性  72-74
    3.5.3 动载结构可变性  74-75
    3.5.4 动载综合结构性  75-76
  3.6 基于循环加载试验的碎石级配结构性能评价  76-78
  3.7 碎石级配结构设计指标  78-79
  3.8 本章小结  79-80
第4章骨架—密实型水泥稳定级配碎石的干缩特性  80-105
  4.1 水泥稳定级配碎石干燥收缩试验方法  80-82
  4.2 材料特性对水泥稳定级配碎石干缩特性的影响  82-87
    4.2.1 单档材料对干缩性能的影响  82-84
    4.2.2 水泥剂量对干缩性能的影响  84-87
  4.3 工艺参数对水泥稳定级配碎石干缩特性的影响  87-90
    4.3.1 压实度对干缩性能的影响  87-88
    4.3.2 含水量对干缩性能的影响  88-90
  4.4 环境特征对水泥稳定级配碎石干缩特性的影响  90-94
    4.4.1 干湿循环试验  92
    4.4.2 干湿循环试验结果  92-94
  4.5 基于抗干缩的水泥稳定级配碎石设计  94-104
    4.5.1 基本原则  94
    4.5.2 典型级配的选择  94-96
    4.5.3 不同填充系数的干缩性能试验  96-99
    4.5.4 基于抗干缩的水泥稳定级配碎石填充系数范围  99-100
    4.5.5 强度与填充系数的关系  100-101
    4.5.6 空隙率对干缩性能的影响  101-104
  4.6 本章小结  104-105
第5章骨架—密实型水泥稳定级配碎石的温缩特性  105-123
  5.1 水泥稳定级配碎石温度收缩试验方法  105-107
  5.2 材料特性对水泥稳定级配碎石温缩特性的影响  107-115
    5.2.1 单档材料对温缩性能的影响  107-111
    5.2.2 水泥剂量对温缩性能的影响  111-115
  5.3 工艺参数对水泥稳定级配碎石温缩特性的影响  115-118
    5.3.1 含水量对温缩性能的影响  115-116
    5.3.2 压实度对温缩性能的影响  116-118
  5.4 基于抗温缩的水泥稳定级配碎石填充系数设计  118-122
    5.4.1 基本原则  118
    5.4.2 典型级配的选择  118-120
    5.4.3 不同填充系数的温缩性能试验  120-121
    5.4.4 基于抗温缩的水泥稳定级配碎石填充系数范围  121-122
  5.5 本章小结  122-123
第6章基于弹塑性损伤理论的水泥稳定碎石基层开裂的数值模拟  123-150
  6.1 水泥稳定级配碎石基层施工期开裂  123-124
  6.2 温度场计算的基本理论  124-126
    6.2.1 热传导控制方程  124
    6.2.2 热传导问题的边界条件  124-126
  6.3 水泥稳定级配碎石材料的弹塑性损伤机理  126-130
    6.3.1 损伤理论以及损伤的定义和分类  126-127
    6.3.2 弹塑性损伤力学  127-128
    6.3.3 弹塑性增量表达式  128
    6.3.4 损伤变量定义  128-129
    6.3.5 弹塑性损伤的强化参数  129
    6.3.6 屈服条件  129-130
    6.3.7 流动法则  130
  6.4 干缩应力的计算方法  130-131
  6.5 水泥稳定级配碎石基层成型期损伤的数值模拟  131-134
    6.5.1 ABAQUS 有限元软件基本功能简介  132-133
    6.5.2 ABAQUS 模块和分析步骤  133-134
  6.6 数值模拟模型  134-149
    6.6.1 有限元模型  134-138
    6.6.2 水泥稳定级配碎石基层养生期开裂预测  138-149
  6.7 本章小结  149-150
第7章骨架—密实型水泥稳定级配碎石的工程应用  150-164
  7.1 基于抗干缩与温缩的适宜级配范围  150-151
  7.2 干缩与温缩特性的对比  151-152
  7.3 齐泰高速公路基层设计与施工控制  152-159
    7.3.1 确定工程级配  153-155
    7.3.2 目标配合比级配调试  155-157
    7.3.3 水泥稳定级配碎石强度试验  157-159
    7.3.4 配合比确定  159
  7.4 裂缝调查  159-163
  7.5 本章小结  163-164
结论  164-166
参考文献  166-177
附录  177-182
攻读学位期间发表的学术论文及科研成果  182-185
致谢  185-186
个人简历  186

骨架—密实型水泥稳定级配碎石抗裂特性的研究

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