道路基层.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,路 面 基 层,基层的种类,柔性基层：沥青稳定碎石、沥青贯入式、级配碎石、级配砂砾等；,半刚性基层：水泥稳定土或粒料、石灰与粉煤灰稳定土或粒料；,刚性基层：碾压式水泥混凝土、贫混凝土；,混合式基层：上部使用柔性基层，下部使用半刚性基层的为混合式基层。,柔性基层的弹性模量：400-500MPa；,半刚性基层的弹性模量：4000-8000MPa；,刚性材料的弹性模量：30000MPa；,第一节 半刚性基层,半刚性基层的类型与强度形成机理,一、半刚性基层的主要形式,基于大吨位汽车运输和交通量的迅速发展，半刚性基层沥青路面被大量应用于道路结构中。,半刚性基层多为无机结合料稳定类，包括的主要类型有石灰稳定类、水泥稳定类和综合稳定类。,在半刚性基层中，二灰稳定碎石基层、水泥稳定碎石基层和水泥粉煤灰碎石基层是使用较为普遍的几种半刚性基层形式。,它们都具有强度高、板体性能好、刚度大、承载能力强等优点。,二、半刚性材料的特点,1、具有一定的抗拉强度；,2、环境温度对材料强度的形成和发展有很大的影响；,3、强度和刚性都随龄期增长；,4、刚性为柔性材料的数倍，但又明显小于水泥混凝土。,1石灰稳定类材料强度形成原理,石灰加入土中发生的物理与化学反应主要有离子交换、()2(氢氧化钙)的结晶、碳酸化和火山灰反应。,其结果使粘土胶粒絮凝，生成晶体(),2,、,3,(碳酸钙)和含水硅、铝酸钙等胶结构，这些胶结构逐渐由胶凝状态向晶体状态转化，致使石灰土的刚度不断增大，强度与水稳定性不断提高。,离子交换,离子交换反应是指石灰加入土中，在水的参与下易离解成 Ca,+,离子和（OH）,离子，Ca,+,可与粘土胶体颗粒反离子层上K,+,和 Na,+,离子发生离子交换，其结果使待胶体吸附层减薄，从而使粘土胶体颗粒发生聚结，土的湿坍性得到改善。,离子交换是石灰土初期强度形成的主要原因。,碳酸化反应,碳酸化反应是指(),2,与空气的,2,反应生产,3,的过程。,当石灰土的表层发生碳酸化反应，形成一层硬壳，从而阻碍,2,的渗入，使碳酸化反应过程较长，所以它是石 灰土后期强度增长的主要原因之一。,影响石灰土强度与稳定性的主要因素,影响石灰土强度与稳定性的主要因素有,土质,石灰的质量与剂量,养生条件与龄期等,（1）,土质,各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土和粘土都可以用石灰来稳定。,一般来说，粘土颗粒的活性强、比表面积大、表面能量也较大，因而掺入石灰等活性材料后，所形成的离子交换、碳酸化作用、结晶作用和火山灰作用都比较活跃，故石灰土强度随土的塑性指数增加而增大。,但土质过粘时，不易粉碎和拌和，反而影响稳定效果，且易形成缩裂。,另外，有机质本身水稳性较差，遇水剧烈膨胀，致使土的强度降低，石灰土的强度有随土的硅铝率增大而减小的趋势，这是由于硅铝率增大，土中扩张性晶体的粘土矿物(如蒙脱石)增多，其水稳性降低。,（2）、石灰的质量与剂量,各种化学组成的石灰均可用于稳定土。但白云石石灰的稳定效果优于方解石石灰。活性+的含量越高，稳定效果越好。,石灰细度愈大，其比表面愈大，在相同剂量下与土粒的作用愈充分，反应愈快，因而效果越好。,生石灰在灰土中消解可放出大量热能，加速灰土的硬化，另外，刚消解的石灰呈胶状()2,其活性和溶解度均较高，能保证石灰与土中胶粒更好地作用，因而，采用生石灰稳定土的效果优于熟石灰稳定土。,但应注意，用磨细生石灰稳定土时，成型时间对其使用效果有着重要影响。成形过早，会因产生的水化热过多使土体胀松；成形过晚，则水化热不能得到充分利用，亦会影响其效果。,一般磨细生石灰与土拌均后闷解约3成形，可取得最佳效果。石灰剂量是按消石灰占干土重的百分率计。石灰剂量较低时(小于3%4%)，石灰主要起稳定作用，使土的塑性、膨胀性、吸水量降低，具有一定的稳定性。,随着石灰剂量的增加，石灰土的强度和稳定性提高，但当剂量超过一定范围时，过多的石灰在空隙中以自由灰存在，将导致石灰土的强度下降。,石灰土的最佳剂量随土质不同而异，土的分散度越高则最佳剂量越大。最佳石灰剂量也与养生龄期有关，在28内，最佳石灰剂量随着龄期的增长而增大，28后基本趋于稳定。,这是因为时间短参与反应的石灰数量少，多余的石灰以“自由”状态存在，对强度不利。,随着龄期的增长，参与反应的石灰逐渐增多，所需的石灰数量也相应增多，而28后，反应逐渐缓慢，最佳石灰剂量也就趋于稳定。,（3）、养生条件与龄期,石灰土的强度形成需要一定的温度和湿度。,高温和适当的湿度对石灰强度的形成是有利的，这是因为温度高可使反应过程加快，适当的湿度为(),2,结晶和火山灰反应提供了必要的结晶水。,但湿度过大(湿砂养生)会影响新生物的胶凝结晶硬化，从而影响石灰土强度的形成。,石灰土的强度随龄期的增长大致符合指数规律。,水泥矿物与土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出(),2,并形成其他水化物。,水泥的各种水化物生成后，有的自行继续硬化形成水泥石骨架，有的则与土相互作用，其作用形成有：,离子交换及团粒化作用,硬凝反应,碳酸化作用。,离子交换,在水泥水化后的胶体中,()2和,2+,，2(),-,共存。而构成粘土的矿物是以,2,为骨架合成的板状或晶状结晶，通常其表面会带有,+,和,+,。,析出的,2+,与土中的,+,、,+,进行适量吸附交换。其结果使大量的土粒形成较大的土团。,由于水泥水化生成物(),2,具有强烈的吸附活性，而使这些较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的键条状结构，并封闭土团之间的孔隙，形成稳定的联结。,硬凝反应,随着水泥水化作用的深入，溶液中析出大量,2+,，当,2+,的数量超过上述离子交换需要量后，则在碱性环境中使组成粘土矿物的,2,和,2,3,的一部分或大部分同,2+,进行化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶矿物(即硬凝反应)。增大了土的强度。,水泥水化物中的游离(),2,不断吸收水中的,3-,和空气中的,2,生成3。这种反应能使土固化，提高土的强度，但比硬凝反应的作用差一些。,影响,水泥稳定土强度与稳定性,的主要因素,影响水泥稳定土强度与稳定性的主要原因有土质,水泥成分与剂量,水等,影响,水泥稳定土强度与稳定性,的主要因素,土的类别和性质是影响水泥稳定土强度的重要因素之一。,土的矿物成分对水泥稳定土的性质有重要影响。除有机质或硫酸盐含量高的土外，各种砂砾土、砂土、粉土和粘土均可用水泥稳定。,有少量蒙脱石类矿物和不含腐殖质的各种积碳酸盐土、覆盖粘土和冰碳粘土用水泥稳定后均可取得良好效果。,由石英颗粒所组成的最佳级配土，由于土体的密实度很大，保证了水泥能充分表现其结合性质,因而适用于水泥稳定。,影响,水泥稳定土强度与稳定性,的主要因素,含水量对水泥稳定土的强度有重大影响。,当混合料中含水量不足时，水泥就要与土争水，若土对水有较大的亲和力时，就不能保证水泥完成水化和水解作用。,影响,水泥稳定土强度与稳定性,的主要因素,水泥稳定土需要湿法养生，以满足水泥水化的需要。,水泥剂量大,养生温度高时，其增长速度大。,水泥稳定土的强度随龄期的增长而增长。二者之间大致呈指数关系。,第二节 水泥稳定碎石,一、明确几个基本概念,1、水泥稳定土,用水泥做结合料所得混合料的一个广义的名称，它既包括用水泥稳定各种细粒土，也包括用水泥稳定各种中粒土和粗粒土。,在经过粉碎的或原来松散的土中，掺入足量的水泥和水，经拌和得到的混合料在压实和养生后，当其抗压强度符合规定的要求时，称为水泥稳定土。,一、明确几个基本概念,2、水泥土：用水泥稳定细粒土得到的强度符合要求的混合料，视所用的土类而顶，可简称为水泥土、水泥砂或水泥石屑。,3、水泥碎石：用水泥稳定中粒土和粗粒土得到的强度符合要求的混合料，视所用的土类而顶，可简称为水泥碎石、水泥砂砾。,二、概述,水泥稳定碎石基层在我国的研究始于70年代，在此后的20多年中得到了迅速发展。,水泥稳定碎石基层具有良好的板体性、较高的强度和抗裂性能,以及较强的抗变形能力，因此已被广泛应用于高等级公路、城市道路和机场工程。,三、问题,然而在实际应用中发现，水泥稳定碎石基层存在两方面的问题:,(1)水泥掺量小，基层的强度和模量太低;水泥掺量大，成本费用过高。,(2)干缩系数较大，容易产生早期的收缩裂缝，从而导致沥青路面反射裂缝的过早出现，降低路面的使用寿命。,1、裂缝产生原因分析,1.1干缩裂缝,水泥稳定碎石在干燥空气中硬化时,随着水分的减少,体积将收缩变形，每隔一段距离产生均匀的干缩裂缝。水泥稳定碎石产生干缩裂缝的原因与其水泥、水和碎石集料都有很大的关系。,一方面混合料在凝结硬化过程中，水泥与水起水化反应，消耗大量的水分。水泥含量越高，则消耗的水分越多。,另一方面，碎石集料表面也要吸附水，集料中的细料成分越多，表面吸附的水分就越多。,再者，基层施工过程中，含水量越大，蒸发散失的水分就越多。因此就越易产生干缩裂缝。,1.2温缩裂缝,水泥稳定碎石同水泥混凝土一样具有热胀冷缩的性质。,在混合料硬化初期，水泥水化放出较多的热量,但散热缓慢，所以内部温度较高，使得内部体积膨胀。而外部如遇气温急剧降低则冷却收缩,内胀外缩相互制约，产生较大的应力。,一旦应力超过其极限抗弯拉强度，将产生温缩裂缝。温缩裂缝也呈横向均匀分布。,1.3 反射裂缝,反射裂缝特指由于半刚性基层在温度梯度和湿度变化下产生收缩开裂，此种基层材料先开裂而后沿开裂基层向上方反射到沥青面层而形成的裂缝，或者在行车荷载作用下，裂缝沿已开裂半刚性基层向上扩展而形成的裂缝。,由于水分的渗透，降低基层与土基的承载力，从而加剧路面破坏，进而严重影响路面的使用性能，缩短使用寿命，这已成为半刚性基层路面结构的主要缺陷，也是造成高速公路沥青路面早期损坏的重要原因之一。,水泥稳定碎石基层反射裂缝产生和扩展的机理分析,反射裂缝的产生,温度型反射裂缝,荷载型反射裂缝,反射裂缝产生机理,温度引起的疲劳,水泥稳定碎石基层,温度引起的膨胀和收缩,裂缝发展,沥青罩面层,底基层,反射裂缝产生机理,交通荷载引起的疲劳,荷载,水泥稳定碎石基层,交通荷载引起的移动,裂缝发展,沥青罩面层,底基层,裂缝增长,温度增减率使路面收缩更大,温度引起的收缩,翘曲,反射裂缝产生机理,表面引起的裂化,沥青罩面层中应力影响线,B,沥青罩面层,裂缝尖端,水泥稳定碎石基层,A,C,弯曲,剪切,反射裂缝影响因素,反射裂缝的扩展,反射裂缝的纵向扩展,反射裂缝的横向扩展,P,P,P,P,P,P,剪切模型,撕开模型,张开模型,裂缝扩展模式,四、水泥稳定碎石施工中的质量控制,施工质量是重要原因，这既与施工水平有关，也与重视程度、施工管理有关。,裂缝的控制往往是施工工艺与施工组织管理水平的综合反映。,四、水泥稳定碎石施工中的质量控制,水泥稳定碎石施工控制的主要内容包括:,加强集料的组织管理,保证集料级配与试验室的相符；,水泥剂量准确；,保持基层材料强度的均匀性；,控制碾压层的厚度和含水量；,提高基层的压实度和整体性；,并注意合理的养生。,质量控制的关键在于:,严格控制混合料级配、水泥剂量及含水量；,确定合适的碾压程序，保证压实效果,达到较高的压实度；,及时养生以防产生早期裂缝。,采用的具体措施应包括以下几个方面:,1.材料的组成设计,（1）材料的选择,在满足规范基本要求的情况下,尽量选择含泥量较小、结构致密、吸水率小、弹性模量较大的集料。,水泥稳定碎石基层的干缩应变与材料的塑性指数有关。含泥量越大，塑性指数越高，基层的干缩应变越大。对于水泥的选用，一般来说，采用细度较粗、强度等级较低的水泥对减小收缩有利。,1.材料的组成设计,（2）配合比设计,集料级配对混合料，特别是水泥混合料的强度有显著影响，应通过级配的合理调整，根据具体情况确定集料级配，尽可能采用骨架密实型结构，减少水泥含量，降低单方用水量，增加粗骨料的相对含量，限制细料含量。,2、拌和厂的组织管理,拌和厂的任务是根据室内确定的各种不同粒级矿料的配合比,特别是规定的级配范围、结合料剂量和最佳含水量拌制均匀的混合料。,（1）是对于集料的组织管理，主要在于2个方面：,对于石料厂的管理，主要是维持石料生产的连续性和稳定性，尽可能与特定的厂矿建立稳定的联系；,对于拌和站集料的管理，建立不同规格集料的进场验收制度，对于不同粒级的集料分别堆放，加强不同规格集料的堆放管理；一般集料堆不要过大，以防集料产生离析；对于细集料必须要覆盖避雨；拌和站场地必须硬化。,2、拌和厂的组织管理,（2）是严格控制水泥剂量和用水量,用水量难以控制是目前绝大多数拌和机难于生产出良好质量半刚性材料的重要原因。,许多拌和机的加水装置往往就是一根橡皮管和一个阀门开关，因此建议派专人负责向拌和室加水，适当调整加水量。,严格控制碾压时的含水量是提高基层抗干燥收缩开裂性能的重要措施之一。,2、拌和厂的组织管理,（3）就是加强设备管理和人员培训。,加强操作工人的质量意识，保证搅拌过程的规范性；,定期对搅拌机的计量装置进行检定，确保其计量精度。,3、施工现场控制,应要求采用摊铺机摊铺混合料，保证基层厚度符合设计，并达到要求的压实度。延迟压实、过度碾压或碾压不足均对水泥稳定基层产生不利影响。,对于水泥稳定混合料，延迟时间越长，其压实度及强度损失越大。,3、施工现场控制,水泥水化反应到达一定时间后，水泥胶结作用使水泥稳定基层强度初步形成，此时若再进行碾压或过度碾压，将使水泥稳定基层表面产生薄面剪切和整体强度下降。,同时，未充分压实的混合料可导致局部区域孔隙率偏高，从而不仅影响基层强度，还影响抗冻性、温缩性能和干缩性能以及抗疲劳性能。,因此在基层施工时，一定要保证有足够的压实度以减少基层裂缝的产生。,4.养护管理,加强养生与养护,也是优化半刚性基层的一项简单却很重要的措施。只有合适的养生,才能使半刚性材料的强度达到应有的水平,因此半刚性基层需要特别注意养生,使其表层与下部完全结成一个整体,表层没有松散颗粒。,4.养护管理,碾压结束后，应立即进行覆盖养生，如采用塑料薄膜、湿麻袋等，确保基层表面在养生期间始终保持湿润状态，避免时干时湿的现象；,养生结束后，应立即喷洒透层沥青或做下封层，并尽快铺筑沥青面层，避免让基层长时间暴晒，这是降低基层早期干缩的重要措施。,养生期内应加强车辆的管理，禁止无关车辆通行，尤其是重型车辆。,对已出现收缩裂缝的路段，可采用适当措施进行局部防治，尽可能延缓收缩裂缝的进一步开裂和发展，防止水分渗入路基，减小水损害。,5.工程质量检测,施工过程中，自检人员和监理应一起对已完成基层随机进行检测。严格工程管理和监理，对工程中常见病及时提出整治措施是质量检测的目的。,工程质量检测项目主要包括:压实度指标、平整度指标以及厚度指标。,5.工程质量检测,最重要的方法是钻芯取样法。由于水泥稳定碎石是水硬性材料结合而成，因此强度高，整体性好，很适合于用钻芯取样法对其进行比较直观的质量检查。,这既可以检查铺筑的实际厚度，也可以检查芯样各层次深度的压实状况，了解中下层深度的密度程度，及时调整压实功率，压路机振幅以及振频等；,同时通过将芯样用切割机加工成标准试件，可以测定无侧限抗压强度，准确确定基层的承载力。,小结,作为性能优异的半刚性基层材料，水泥稳定碎石是近几年应用广泛的一种形式。,但其在混合料配合比设计、施工拌制、压实、养生等方面要求较为严格。,施工质量低劣，就会造成基层强度不足和水稳性不良，以及因温度收缩和干燥收缩引起沥青路面的反射裂缝，导致高等级路面结构破坏。,小结,事实上，针对当前水泥稳定碎石基层存在的不足之处，如性脆、抗变形能力差、在温度和湿度变化及荷载作用下易产生裂缝等，单纯从理论和试验室进行研究是远远不够的，良好的施工是保证水泥稳定碎石质量的一个重要内容，也是水泥稳定碎石结构层成功的关键之一。,因此，加强水泥稳定碎石的施工控制是提高高等级公路路面使用性能的一项重要内容，也有助于减轻目前沥青路面存在的重要问题早期损坏，最大限度的提高经济效益。,五、裂缝的处理,目前对于已经出现的水稳层收缩裂缝，一般都采用乳化沥青碎石封层加贴玻纤格珊的处理方法。,由于玻纤格珊是网格型材料，水稳层表面又有一定的构造深度，其与沥青层间和水稳层间的接触为点线接触，加筋作用难以充分发挥，尽管玻纤格珊强度很高，但仅能部分提供水平向的拉伸而不能承受竖向剪力的作用。,实际上水稳层收缩裂缝形成初期并不影响其整体强度，如使用中雨水自上而下渗入裂缝中就会导致裂缝的唧浆，从而导致路面结构的破坏。,裂缝的处理,因此，对于水稳层的收缩裂缝的处治应重点考虑防止沥青面层的的雨水渗入到水稳层的裂缝内，因此选择施工方便、价格适中、不影响层间联结的贴缝材料是控制水稳层收缩裂缝影响整个路面结构使用的关键，随着新材料的不断出现，诸如聚酯玻纤布一类的土工合成防裂材料已在工程中得到初步应用。,但其长期的使用性能尚待进一步研究。,六、在设计上解决半刚性基层裂缝的方法,目前，国内外解决半刚性基层裂缝有多种方法：,1、是改善沥青面层类型，采用较厚的面层结构以及采用高性能沥青粘结料；,2、路面面层采用改性沥青或在沥青混合料中加入聚合物纤维,3、在半刚性基层和沥青面层间设置应力隔离层，一般采用级配碎石层或沥青碎石；,4、在半刚性基层和面层间设置应力吸收层，一般采用人工合成材料如土工布、土工格栅来减小裂缝尖端的应力；,在设计上解决半刚性基层裂缝的方法,5、从改变半刚性基层自身的特性来减少反射裂缝，常见的方法是降低半刚性基层的水泥用量，减少基层干缩和温缩量，从而降低裂缝的产生率。,6、目前国外还有通过预压使得基层出现微裂缝，使基层成为相对独立又相互关联的小块，这不仅仅消减了水分散失和温度变化引起的应力集中，同时使得基层仍为一个整体确保强度。,7、掺粉煤灰,由于粉煤灰的活性及其与水泥良好的相容性，用适量的粉煤灰替代部分水泥不仅不会降低水泥稳定碎石基层的强度和模量，反而有一定程度的增强。,从抗压强度、压缩模量、劈裂强度、劈裂模量以及干缩系数等方面对粉煤灰-水泥稳定碎石基层的力学特性进行试验研究，并与水泥稳定碎石基层作对比。,表明：对传统水泥稳定碎石混合料中的部分水泥用粉煤灰替代有利于提高基层的强度和模量，增强基层的抗干缩性能。,从图中可以看出,7龄期时混合料、均开始形成了网状结构,但的空隙比较明显,而中的粉煤灰颗粒在集料骨架中起填隙作用,比较密实。中有大量的未被水化3核,呈絮凝状,其他水化产物很少。中粉煤灰表面基本无水化物,粉煤灰颗粒还未被水化,此时粉煤灰对强度基本没有影响。,14龄期时,中出现纤维状水化硅酸钙 晶体、板块状的()2晶体及六角板状的水化铝酸钙413晶体;中部分粉煤灰开始水解,表面变得较为模糊。由于粉煤灰火山灰效应,促进水泥水化,混合料中 、棒状晶体明显比中要多。,28龄期时,图3可以看出,混合料中水泥水化,、棒状晶体大量增多,产生大量网状结构,强度形成;从图7看出混合料中粉煤灰水泥间界面联结状况和 、棒状晶体,由于粉煤灰火山灰效应,进一步促进水泥水化,产生了大量的水化凝胶,提高了强度,但是还存在孔隙,所以强度提高并不十分明显。,60龄期时,混合料中产生大量网状结构,水泥水化的胶结体已形成一个整体,但与28龄期时变化不很明显;而中粉煤灰颗粒三大效应明显,并产生大量凝胶和晶体,使混合料孔隙变小,水泥粉煤灰间的界面联结紧密,这些相互交错嵌挤的水化凝胶及晶体增强了水化水泥粉煤灰界面间的抗剪能力,混合料在这些微结构方面的变化,使其60龄期强度大大提高。,在水泥稳定碎石基层混合料中掺加一定量的粉煤灰,能促进水泥水化,生成 、棒状晶体,改善界面粘结性能,使混合料孔隙变小,结构更加紧密,从而提高了混合料的后期强度,增强混合料抗破坏能力。,所以,水泥稳定碎石基层材料中掺加一定量的粉煤灰,能更好地提高其路用性能。,总 结,水泥稳定碎石基层不仅因其在技术上的优势，如具有强度高、刚度大、整体性强、水稳性和抗冻性好等特点，而且由于原材料来源广泛、价格低廉，仍将是高等级公路路面的基层的主要形式之一。,其存在的问题可以通过优化配合比设计、应用新技术、严格控制施工各环节、加强监理而得到解决。,国外的半刚性结构使用与我国不同,(1)结构上设置有排水层,以减少冲刷;,(2)在国外使用的半刚性基层,其强度一般并不太高,为了减少收缩,水泥剂量和细料量较少,水泥用量有的控制在2%左右,只有在底基层的水泥土强度要求高一些。而我们现在水泥用量一般为4-5%;,(3)水泥稳定碎石基层上面经常设置级配碎石层作为过渡层,以减少反射缝和排水,成为倒装结构,在我国由于它弯沉大而得不到推广。,现在越来越多的国内学者也纷纷转向了国外已经应用了半个世纪的柔性基层路面结构。,第 三 节 柔 性 基 层,随着交通量的迅速增加和重载交通的日益增多，从路面结构形式来看，传统的单一粒料基层已不能适应交通发展的需要，与我国地域广阔、气候各异，以及各地经济水平和交通量差别较大的现状不相适应。,柔性基层的类型,我国公路沥青路面施工技术规范上规定：新建沥青路面的基层按结构组合设计要求，选用沥青稳定碎石、沥青贯入式、级配碎石、级配砂砾等的为柔性基层；,柔性基层的类型,柔性路面基层中用的较多也就是沥青稳定碎石和级配碎石，它们通常会有较多的碎石颗粒（粒径5mm或2.5mm以上），而且对级配要求较松，级配范围宽，因此其空隙率较大，一般在36%之间，沥青稳定碎石具有较高的强度和稳定性，它是高级沥青面层之一，可以在中等交通道路上用作面层或基层。,1.级配碎石,级配碎石是将一定的级配的碎石碾压而成的一种材料,由于不使用胶结料,这种材料不具有抗拉的能力,因此有的将其作为半刚性基层或者水泥路面加铺层上面的应力消散层,作为阻止反射裂缝发展的一种功能层。,对于柔性路面的结构层,由于承载能力不高,级配碎石一般用于铺筑底基层,或者路基上的整平层,用以加强路基。,1.级配碎石,在良好的压实条件下,级配碎石层的强度也能达到良好的水平,国外有将其应用于基层的成功例子。,1.级配碎石的特点,级配碎石作为一种松散材料，可部分吸收和缓解半刚性基层所产生的反射裂缝，同时还具有一定的排水作用，减轻半刚性基层路面的冲刷唧浆现象，这已在国内外很多工程实践中得到验证，如西安试验路中的级配碎石路段。,1.级配碎石的特点,当级配碎石层下铺设有半刚性下卧层时，级配碎石的非线性特性可得到充分发挥，可大大增强抵抗塑性变形的能力。,尤其值得一提的是，当级配碎石层铺筑在软土地基上时，由于其较好的协调性，可部分减小地基不均匀沉降对上层路面结构带来的不利影响。,1.级配碎石的特点,在优良设计（级配和厚度设计）和精心施工（控制压实度）时，在重复荷载作用下级配碎石层产生的塑性变形可控制在较小的范围内，不会导致路面产生过大的车辙。,2、沥青稳定碎石,沥青稳定基层材料是以沥青作为结合料,将松散的碎石、砾石、砂等粒料拌和成混合料,经过摊铺、碾压而成为一种可以承受荷载的路面基层材料。,2、沥青稳定碎石,沥青碎石,可以看作是沥青加筋的级配碎石,这种混合料空隙率较大,在12%左右,沥青用量少,低于4%。,具有一定的抗车辙性能,一般用于基层或者下基层,国外也有用于排水结构层的。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,1路面结构应力分布,由于半刚性材料的板体性强、承载力大,扩散荷载的能力强,柔性基层路面通常比半刚性路面厚许多。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,1路面结构应力分布,从图1的数据中可以看出,压应力在面层顶面,最大,随深度增加,压应力逐渐减小,达到某一深,度时,结构内部压应力恰好为0,深度继续增加,这时结构内部拉应力开始增大,一般最大弯拉应力出现在基层的底面。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,剪应力延路面深度的分布情况,其峰值主要分布在面层010cm的范围内,在重载、超载的条件下这一影响深度会继续扩大,但是剪应力的分布范围主要集中在015cm的范围。,也就是说,剪应力的影响范围主要集中在面层、基层。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,一般认为沥青层越厚越容易产生车辙。,国外研究表明当沥青层厚度小于18cm时,车辙随沥青层增加而增大,但是当沥青层厚度超过18cm时,车辙与厚度的关系就不大了,这再次证明路面剪应力的影响范围主要在面层和基层。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,2两种路面结构破坏模式,（1）材料特点,半刚性基层承载力大、刚度大、模量高、板体性强、弯沉小而且投资经济,缺点在于这种材料变形小,特别是温缩、干缩变形大,易开裂,属于脆性材料。柔性材料如:级配碎石、沥青稳定碎石等等。材料属于粘弹性材料,韧性好,有一定自愈能力,但变形大,弯沉大,因此路面厚度也大,投资成本亦高。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,（2）半刚性基层路面的破坏模式,由于半刚性基层材料温缩和干缩特性,以及材料本身的脆性,裂缝的产生不可避免。裂缝的存在导致三种结果:,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,首先当车轮从裂缝的一侧经过到达裂缝的另一侧时,形成突变,并在裂缝处产生较大应力集中,表现为面层在裂缝处的上下剪切和层底弯拉,这些应力,加之温度应力的综合、反复作用,最终导致面层疲劳破坏而产生反射裂缝;,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,其二,水沿裂缝渗入路面结构内,在行车荷载作用下,对基层、底基层、路基形成水力冲刷,将材料中的细料唧出,材料松散并形成坑槽,半刚性基层失去板体性,弯沉迅速增大,最终导致结构破损;,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,第三,界面上水的存在改变了界面接触条件,于是结构不再连续,界面成为半连续甚至光滑接触模式,这种情况使得路面的受力状态变得十分不利,沥青层底有可能出现超过极限拉应力,导致沥青面层开裂,承载力降低,产生车辙等病害,成为导致路面破坏的又一原因。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,半刚性基层路面的破坏一般从半刚性基层的缩裂开始,然后破坏由基层向面层和路基延伸,最终发展为整个路面结构的破坏,因此这种路面破坏模式属于路面的结构性破坏。,一旦损坏,维修养护是目前面临的一个大难题。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,（3）柔性基层路面的破坏模式,只要路面结构的设计、施工不出现问题,柔性基层路面的破坏一般始于面层,由于面层的车辙、开裂,这些破坏从上到下的顺序发展、延伸,其破坏属于功能性破坏。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,（3）柔性基层路面的破坏模式,面层破坏形式有车辙、top-down裂缝和down-top裂缝,但是最主要的破坏还是车辙。,车辙主要是由于路面结构处于反复剪切应力状况下而产生的塑性蠕变累积,路面最大剪切应力主要产生于5-10cm的范围内;,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,（3）柔性基层路面的破坏模式,top-down裂缝,其产生的原因主要是由于路面的水平荷载造成推拉、由温度梯度引起路表面负弯矩的反复作用。,当沥青层厚度超过36cm时,沥青面层易产生这种裂缝;,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,（3）柔性基层路面的破坏模式,down-top裂缝,这种裂缝主要是由于沥青层,增厚,层底剪应力将有所增加,但增加量相对较,小。沥青路面层底出现较大的拉应力,经反复作用,最终在沥青层底形成反射裂缝。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,（3）柔性基层路面的破坏模式,对于柔性基层路面内部出现的微小裂缝,由于沥青材料的粘弹性,所以这些微小裂缝往往能够自愈,而不致于象半刚性基层材料,出现裂缝后,将迅速进入裂缝扩展阶段。,柔性基层路面与半刚性基层路面的比较,（3）柔性基层路面的破坏模式,因此柔性基层路面的这种破坏属于功能性破坏,可以通过面层的预防性养护得以补救。,为了保持路面的行车舒适性和良好的服务性能,需要定期进行沥青罩面或铣刨加铺,以保证整个路面结构的功能性。,第四节 混合式基层,1、沥青碎石基层与半刚性基层的优化组合,沥青碎石上基层与稳定粒料半刚性下基层的优化组合,较为现实可行。,对于沥青混凝土面层厚15 cm的高等级路面,当沥青混凝土面层减薄为10 cm,把原来属于5 cm沥青混凝土面层的投资用于修建约10 cm的沥青碎石基层。,虽然增加了沥青层总厚度,但由于沥青碎石基层的沥青用量较低,而且增加沥青层总厚度所需的石料,可以通过减薄半刚性基层总厚度弥补,因此材料总用量增加不多。,1、沥青碎石基层与半刚性基层的优化组合,减薄沥青混凝土面层,增设沥青碎石基层的结果是沥青层总厚度的增大。,沥青碎石基层除了有利于缓解半刚性基层反射裂缝之外,还有利于减轻沥青层的低温收缩裂缝。,2、沥青碎石、级配碎石与稳定粒料半刚性基层的优化组合,采用沥青碎石与级配碎石组合成上基层,稳定粒料为下基层,主要用于重冰冻地区或潮湿路段防止路面结构水损害。冰冻地区或潮湿路段(例如低填方、挖方路基)应该考虑到部分自由水还未能排净、出水口先冻结的可能性。,25次冻融循环试验表明,在排水不畅的情况下,初始空隙率15%时,一般石灰岩集料的沥青混合料经受不住25次冻融循环。因此如在沥青碎石基层下设置级配碎石层既有利于防治水损害,又因层位稍低,便于当前的工艺水平实施。,3、级配碎石与稳定粒料半刚性基层的优化组合,非线性计算结果表明,一定条件下(普通HMA的沥青层厚10 cm,级配碎石基层厚1015 cm,半刚性基层厚30 cm)提高级配碎石基层弹性模量、减薄级配碎石基层厚度、提高半刚性基层弹性模量都有助于降低沥青混凝土面层拉应力,从而保证不过厚的沥青混凝土面层仍具有较高的疲劳寿命。,路面工程,软土地区高速公路路面结构组合研究,6cm,改性沥青,Sup20,24cm,沥青稳定碎石,4cm,改性沥青,SMA13S,15cm,级配碎石,20cm,水泥稳定碎石,结构一,12cm,沥青稳定碎石,6cm,改性沥青,Sup20,4cm,改性沥青,SMA13S,19cm,水泥稳定碎石,15cm,级配碎石,结构二,20cm,水泥稳定,碎石,