级配碎石基层填料回弹模量特性及预估模型研究

采用基于颗粒堆积理论提出的石砂比设计不同的透水性级配以及用于对比的常规骨架密实型级配,通过控制剪应力比设计不同水平的围压和循环偏应力组合,开展不同应力路径下的重复加载三轴试验,研究级配和应力状态共同影响下级配碎石基层填料回弹模量的变化规律;针对60组室内重复加载三轴试验数据,对比分析14种回弹模量预估模型的预测效果,进而提出可同时考虑级配和应力状态影响的回弹模量预估模型,并验证模型的准确性。研究结果表明：同时考虑级配和应力状态影响的回弹模量预估模型的准确性较高,对级配碎石基层填料回弹模量的预测精度更高,可为透水性基床级配碎石填料的高效利用和可持续推广提供理论依据和技术参考。     

级配碎石动三轴试验的数值模拟方法

为了高效、深入地研究级配碎石材料动态特性,开发了级配碎石动三轴试验的数值模拟方法.基于PFC2D构建了级配碎石动三轴试验的数值模型,通过数值模拟分析了试验条件和微力学参数对模拟结果的影响规律,提出了模拟方法的试验条件及其微力学参数标定方法.结果表明:当试件高度大于40 cm、直径大于20 cm时,试件尺寸对其轴向应变模拟值影响甚微,建议模拟试件尺寸为20 cm×40 cm;结合汽车荷载对路面作用规律,确定动载作用和作用间隔时间分别为0.2和1.8 s;失稳偏应力随围压增大而增大,轴向应变随法向刚度、切向刚度和摩擦系数的增大而减小;轴向应变与动载作用次数曲线的模拟结果与室内实测结果基本吻合,证明模拟方法是可靠的.     

级配碎石动态力学性能对隧道路面受力的影响

具有良好温湿稳定性的级配碎石常被设置在隧道路面下以排出基岩渗水.文中利用动三轴试验模拟了基岩渗水对级配碎石层动态力学性能的影响,建立了动态回弹模型以表征其力学特性,并采用非线性有限元法分析了路面受力.结果表明:动三轴试验可较好地模拟级配碎石层的实际受力状态;Uzan模型考虑了材料的剪切性能,更能反映级配碎石在隧道路面中的应力状态;随含水量的变化,Uzan模型中回归系数的变化呈明显的非线性特征,进而显著影响级配碎石动态回弹模量的变化;级配碎石模量越大,路面底的最大拉应力变化率越小;为了兼顾级配碎石层的排水渗透功能和改善路面受力状态,应严格控制级配,特别是粒径0.075mm以下的含量宜控制在5%～7%,级配碎石的回弹模量宜控制在200～300MPa之间.     

影响级配碎石模量的结构因素敏感性分析

基于KENLAYER计算模型对不同结构层厚度的级配碎石进行计算分析得到的数据,利用灰关联分析法分析了沥青面层厚度、沥青面层模量、级配碎石层厚度、半刚性基层厚度、半刚性基层模量及土基模量指标对级配碎石模量的影响程度.并得出各相关因素影响程度的排序结果.研究结果表明,灰关联分析法用于分析诸因素对级配碎石模量的影响能获得较好的结果;基于灰关联理论的排序结果表明,沥青面层模量是影响级配碎石模量大小的最主要的因素,级配碎石基层下的结构层位对其模量影响程度较小.     

级配碎石弹性模量的动三轴试验研究

通过室内动三轴试验，提出了级配碎石弹性模量随应力状态而变化的非线性模型，分析了含水量和密实度对弹性模量的影响，最后提出常应力状态下级配碎石弹性模量建议值。     

级配碎石变形特性的试验

针对级配组成、水的质量分数及密实度等3个因素对级配碎石的影响,采用精密非粘结材料分析仪(precision unbound materials analyzer, PUMA)试验和重复荷载加州承载比(California bearing ratio, CBR)试验方法,研究了级配碎石的抗变形能力.借助累积塑性变形和弹性形变指标,对比分析2种试验异同点.试验结果表明:在荷载作用前期,级配碎石材料抗变形能力受荷载作用的影响显著,随着荷载作用次数不断增大,其影响逐渐减小;PUMA试验与重复荷载CBR试验累积塑性变形结果基本一致,而弹性应变指标存在差异;PUMA试验中弹性应变受级配碎石材料上述3个因素共同影响,重复荷载CBR试验中弹性应变受级配碎石密实度的影响;对级配碎石变形特性精度要求较低时,可选择重复荷载CBR试验研究级配碎石材料变形特性;由于PUMA设备和加载均接近实际工况,因此对级配碎石变形特性精度要求较高时,推荐选用PUMA试验测试方法.     

级配铁尾矿石的动三轴试验研究

为研究级配铁尾矿石的动态性能,根据级配碎石设计推荐的级配范围,选择两种级配类型(连续密实型和骨架密实型)进行了铁尾矿石的级配组残设计,并采用动三轴试验得到其动态回弹模量.试验结果表明,与级配碎石相同,级配铁尾矿石的动态回弹模量与应力状态呈非线性关系,可采用模型表征.由级配尾矿石所在结构层的受力状态,并应用该模型确定的动态模量值表明,骨架密实型优于连续密实型,但两者的动态回弹模量值均能够满足设计使用要求.     

长期动载下级配碎石的塑性变形与临界应力

采用中型动三轴仪,在不同围压、不同动应力条件下,研究了级配碎石基层在长期车辆荷载作用下塑性变形的发展规律和分布状态.结果表明,在围压一定时,随着动应力的增加,级配碎石的塑性变形曲线可分为稳定型、衰减型和破坏型,3类塑性变形的分布确定了2个临界状态;临界动应力随围压线性增加,临界动应力比随围压呈对数递减,且两临界应力比在高围压下有趋同态势;级配碎石的塑性变形与动应力水平为指数关系,稳定临界和破坏临界的动应力水平分别为0.79和1.00;典型路面结构应力分析表明,标准荷载下级配碎石过渡层的应力水平为0.72~0.92,小于破坏临界应力水平,级配碎石在长期荷载作用下的塑性变形处于较稳定状态.     

级配碎石本构模型弹性变形适用性及验证

针对级配碎石本构模型对沥青路面变形适用性,推导应变张量更新算法并对碎石本构模型进行有限元二次开发,将其用于ABAQUS有限元软件分析路面变形,并将分析结果与现场实测结果对比.结果表明:级配碎石计算收敛模量分布极不均匀;级配碎石采用Uzan模型计算得沥青层层底应力、应变与沥青层内部最大剪应力均较其采用线弹性模型和k-θ模型的情况大;通过与现场实测应变比较可知,采用Uzan模型计算所得沥青层层底应变与实测应变最接近.     

级配碎石动态力学性能对隧道路面受力影响

具有良好温湿稳定性的级配碎石常设置在隧道路面下排出基岩上渗水。利用动三轴实验模拟基岩渗水对级配碎石层动态力学性能的影响,建立了动态回弹模型表征其力学特性,并采用非线性有限元分析了路面受力。结果表明,动三轴试验较好地模拟了级配碎石层的实际受力状态;Uzan模型考虑了材料的剪切性能,更能反映了级配碎石在隧道路面中应力状态;随含水量的变化,Uzan模型中回归系数变化呈明显的非线性特征,进而显著影响级配碎石的动态回弹模量的变化;级配碎石模量越大,路面层底的最大拉应力减小率越小;为了兼顾到级配碎石层的排水渗透功能和强度,应严格控制级配,特别是0.075mm以下的含量宜控制在5％～7％,级配碎石的回弹模量宜控制在200～300MPa之间。     

重载铁路路基动回弹模量影响因素及预估模型

为准确预测重载铁路路基不同工作区域的动回弹模量,对动三轴加载序列进行重新设计,之后进行不同含水程度和不同压实程度状态下的动三轴序列加载试验。分析动回弹模量影响因素,并采用预估模型对动回弹模量进行回归分析。研究结果表明：动回弹模量随动应力幅值增大而减小,平均减小率为9.77%;动回弹模量随围压的增大而增大,平均增长率为16.16%。土体含水率与干密度的变化会导致动回弹模量发生变化,当动应力幅值较大时,动回弹模量变化趋近于线性变化。此外,综合考虑动应力和围压影响的Ni模型与试验结果具有良好的相关性,可以为重载铁路路基设计提供理论基础和经验参数。     

路基土回弹模量湿度调整系数预估研究

选取了几种代表性的路基土样,采用UTM(万能材料试验机)动力三轴试验系统,测试不同湿度下的回弹模量,分析湿度对路基土回弹模量的影响规律,利用测试结果,对Witczak回弹模量湿度调整系数模型中的参数进行校正,建立适用于我国粗细粒土组的湿度调整系数预估模型.结果表明,路基土湿度在最佳含水率饱和度±20%区间内,模量调整系数与饱和度差值近似呈线性关系,而当湿度低于最佳含水率饱和度20%以上时,模量调整系数受饱和度变化的影响很小.针对不同类型土组,应用建立的模型,推荐了回弹模量的湿度调整系数,可结合室内回弹模量测试,反算路基在实际湿度状况下的回弹模量值.     

高模量沥青混合料模量的试验研究

沥青混合料模量是沥青路面结构分析的重要计算参数.对3种高模量沥青混合料及SBS改性沥青混合料和A-70沥青混合料进行动态模量和静态回弹模量试验,分析沥青混合料模量分布规律、影响因素以及动态模量与静态回弹模量的相关性.结果表明:相同试验条件下高模量沥青混合料的模量明显大于对比沥青混合料,且随着频率的降低,高模量沥青混合料的动态模量增大倍数增大;沥青混合料的静态回弹模量与低频下的动态模量呈指数关系,因此当试验条件受限时可采用沥青混合料静态回弹模量值对动态模量值进行预估.     

铁路路基粗粒土填料累积变形试验研究

为了研究粗粒土路基在长期循环荷载作用下的累积变形规律,开展了一系列动三轴试验,分析了不同动应力比、围压及压实度对粗粒土累积变形的影响。研究结果表明:循环次数为1 000次时的累积应变大约为总累积应变的75%,累积应变随着动应力比的增大而增大;当动应力比相同时,围压越大,累积应变越大;粗粒土累积应变随压实度的增大而减小,说明提高压实度能够有效抑制累积应变发展。基于试验结果,提出了能够反映动应力比、围压及压实度影响的粗粒土累积应变预测模型,与试验结果对比有较好的一致性,研究结果可铁路路基变形的预测提供参考依据。     

二灰碎石抗裂级配与应用

在室内运用间断级配、折断级配、连续级配以及限制最小粒径的k法做试验,设计了10种二灰碎石,并研究了其抗裂性能。提出了二灰碎石抗裂性能评价参数S。在2个省铺筑了3条试验路,并进行了跟踪调查。调查结果表明,采用限制最小粒径方法确定的二灰碎石具有后期强度增长快、抗裂性能优良的优点。说明限制最小粒径方法确定的二灰碎石级配具有良好的抗裂性能。     

基于抗变形能力的级配碎石组成设计方法

级配碎石的主要缺陷是易产生较大的塑性变形。在分析现行级配组成设计方法的基础上,根据连续密级配碎石的加州承载比(CBR)试验和利用研制的柔性材料剪切性能测试仪进行的剪切性能试验结果,对基于抗变形能力的级配碎石组成设计方法进行了研究。结果表明:以CBR值和剪切强度为组成设计的性能控制参数,CBR值应不小于180%,剪切强度应大于0.52 MPa;以最大粒径、泰波(Taibol)级配指数n值和基于双指标控制的关键筛孔及其通过率合理变化范围作为级配控制参数,最大粒径宜为31.5 mm,要求不高时可以放宽到37.5 mm;n值控制在0.45~0.50之间,以0.50为宜;4.75、2.36、0.60、0.075 mm筛孔应作为关键筛孔予以控制;通过率应在基于双指标控制的合理变化范围内。由此提出了基于抗变形能力的级配碎石组成设计方法,通过试验路应用表明,该设计方法可以有效控制级配碎石的塑性变形。     

高模量沥青混凝土抗变形性能研究

对高模量沥青混凝土及SBS改性沥青和70#普通沥青混凝土在15℃、20℃、40℃及60℃条件下进行单轴贯入和抗压回弹模量试验,结果表明高模量沥青混凝土在各温度下具有相对较高的抗剪强度和抗压回弹模量值,尤其在高温时优势明显.分别得到了以标准温度15℃及20℃抗压回弹模量为基准的回归方程,可以对各种混合料在不同温度下抗压回弹模量进行较高精度的推算,当对结果精度要求不高时也可以采用抗剪强度对抗压回弹模量进行换算.通过对路面结构永久变形的计算,验证了国外将高模量沥青混凝土用于路面结构中间层的正确性,同时也表明了采用抗剪强度及抗压回弹模量指标进行路面变形分析的合理性.     

单幅值动载下加筋红黏土路基动三轴试验分析

为探究红黏土路基在循环荷载作用下的动力特性,以柳州红黏土为试验研究对象,在不同加筋层数下对加筋红黏土进行固结不排水动三轴试验,研究加筋层数对加筋红黏土动力特性的影响。试验结果表明: 加筋红黏土的轴向累积应变随着加筋层数的增加而减小,但加筋的增幅作用呈现递减趋势,从无筋试样开始,相邻加筋层数轴向累积应变降低的幅度分别为14.5%、10.6%和6.4%;随着加筋层数和振次的增加,加筋红黏土的回弹模量逐渐增大,但是加筋对土体回弹模量的增强效果并不显著;加筋能有效减小加筋红黏土的体应变,且随着加筋层数的增加,加筋效果越显著,3层加筋相比于2层加筋,体应变降低的幅度达75.04%;利用滞回圈斜率k描述土体刚度和弹性性能,随着加筋层数和振次的增加,k值先平缓上升,随后迅速增大,说明土体的刚度和弹性得到提高,但加筋效果与加筋层数并不成正比。     

超大粒径沥青混合料的成型方法

针对超大粒径沥青混合料（SLSM）的特征,利用旋转压实（SGC）法、大马歇尔击实法和振动击实法3种不同的成型方法制备试件并计算相关参数。研究结果表明：3种成型方法中,旋转压实法成型试件时所需的油石比最小;成型时间形成的空隙率特征为,振动击实法的空隙率大于大马歇尔击实法的空隙率和旋转压实法的空隙率;对于超大粒径沥青混合料,振动成型法容易造成集料离析、空隙率偏大,不能形成骨架密实结构。3种不同的成型方法击实功的对比分析表明：在控制相同空隙率的条件下,选择旋转压实法进行超大粒径沥青混合料的成型,可以减少击实次数,降低能耗。