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预裂缝技术防止水泥稳定类基层沥青路面反射裂缝的研究

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 收缩性能研究现状

1.2.2 反射裂缝产生扩展机理研究现状

1.2.3 反射裂缝有限元及力学分析研究现状

1.2.4 反射裂缝试验研究现状

1.2.5 防裂措施研究现状

1.3 本文的主要研究内容与技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 本章小结

第二章 半刚性基层路面使用状况及开裂原因分析

2.1 国内目前半刚性基层沥青路面使用状况

2.1.1 我国高等级公路主要结构形式

2.1.2 国内典型半刚性基层沥青路面使用情况与分析

2.2 广东省半刚性基层沥青路面使用状况

2.2.1 现场调查典型路段选择

2.2.2 广东省高速公路路面结构

2.2.3 沥青路面调查工作的内容和方法

2.2.4 粤北山区典型路段调查概况

2.2.5 粤西地区典型路段调查概况

2.2.6 粤东地区典型路段调查概况

2.2.7 珠江三角洲地区典型路段调查概况

2.2.8 广东省高速公路交通状况

2.2.9 广东省高速公路沥青路面典型病害成因分析

2.3 半刚性基层反射裂缝是最主要的病害

2.4 本章小结

第三章 半刚性基层材料收缩开裂研究

3.1 干燥收缩微观机理

3.2 温度收缩微观机理

3.3 半刚性基层温缩应力和干缩应力计算方法

3.4 半刚性基层收缩开裂模式

3.5 半刚性基层收缩开裂的断裂力学解释

3.5.1 断裂力学基本理论

3.5.2 应力强度因子K

3.5.3 有限元分析

3.6 本章小结

第四章 半刚性基层反射裂缝扩展机理研究

4.1 半刚性基层反射裂缝扩展机理概述

4.2 半刚性基层反射裂缝扩展力学机理

4.2.1 荷载引起的反射裂缝

4.2.2 收缩引起的反射裂缝

4.3 半刚性基层反射裂缝应力强度因子分析

4.3.1 路面结构的有限元模型

4.3.2 交通荷载作用下反射裂缝影响因素分析

4.3.3 温度荷载作用下反射裂缝影响因素分析

4.4 本章小结

第五章 半刚性基层材料收缩变形测定试验方法研究

5.1 现有收缩变形的测量方法

5.2 收缩变形的数字图像测量方法

5.2.1 数字图像相关(DICM)法的基本原理

5.2.2 数字图像相关法(DICM)测试系统

5.3 数字图像法与支架法收缩变形测量对比

5.3.1 支架法收缩试验

5.3.2 数字图像相关法(DICM)测量

5.3.3 两种不同测量方法结果对比

5.3.4 对比研究的主要结论

5.4 本章小结

第六章 半刚性基层预裂缝技术机理与室内试验研究

6.1 预裂缝技术的基本原理

6.1.1 水泥稳定碎石强度形成机理

6.1.2 预裂缝技术机理分析

6.1.3 预裂缝技术的能量解释及基层理想的裂缝分布模式

6.1.4 基于能量观点的裂缝扩展模拟

6.2 抗裂性能指标研究

6.2.1 现有评价方法分析

6.2.2 本文抗裂性能评价方法

6.3 预裂缝技术室内试验研究

6.3.1 研究方案和试验方法

6.3.2 静压法与振动压实法对比研究

6.3.3 影响强度及抗裂性能的主要因素分析

6.3.4 振动预裂缝模拟

6.4 预裂缝技术最突出的优点

6.5 本章小结

第七章 试验路研究及经济性评价

7.1 试验路概况

7.2 原材料及混合料组成设计

7.2.1 施工原材料

7.2.2 抗裂型混合料组成设计

7.3 试验路铺筑

7.3.1 一般要求

7.3.2 混合料的拌和

7.3.3 混合料的运输

7.3.4 混合料的摊铺

7.3.5 混合料的压实

7.3.6 养生

7.4 预裂缝施工

7.4.1 土壤刚度仪

7.4.2 现场水泥稳定碎石刚度增长情况

7.4.3 振动压裂施工

7.4.4 预裂后刚度恢复情况

7.4.5 预裂后强度评价

7.4.6 预裂缝施工后裂缝观测

7.4.7 主要结论

7.5 经济性评价

7.5.1 基本假设

7.5.2 四车道一公里长的预裂缝路面经济性评价

7.6 本章小结

结论与展望

1 主要结论

2 主要创新点

3 有待进一步研究的问题

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢

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摘要

随着经济的高速发展和交通量的日益增加,沥青路面的早期损坏现象不断涌现,路面的实际使用寿命低于设计寿命,这对道路建设提出了越来越高的技术要求,除了要求解决现有道路中存在的早期损害等问题外,也提出了诸如长寿命路面等新的设计方法来提高道路使用的经济效益和社会效益,这就要求基层具有更长的疲劳寿命;同时,我国超载现象严重,要求基层具有较高的强度以满足承载力的要求。较高强度的基层尽管承载力高、疲劳寿命长,但是往往收缩开裂严重,容易引起反射裂缝,降低路面的使用寿命,两者相互矛盾,因此有必要研究如何在基层强度提高的同时,减少收缩开裂,本文尝试采用预裂缝技术来缓解强度和收缩开裂之间的矛盾,来达到延长基层使用寿命目的。
   本文研究的主要目的:在寻求强度和抗裂性能俱佳的混合料级配和设计方法的基础上,对国外已经成功应用于实际工程的预裂缝技术进行系统的分析和研究,以满足我国目前交通要求半刚性基层强度提高,收缩减小的需求。论文的主要工作和创新成果如下:
   1、通过对国内主要高速公路汇总的半刚性基层沥青路面早期损坏形式以及广东省高速公路主要病害的调查分析表明:半刚性基层沥青路面结构的水损坏、车辙和开裂情况是最普遍的破坏形式,而且车辙、水损坏与路面开裂都与半刚性基层的反射裂缝有很大的关系。
   2、对半刚性基层材料干缩和温缩的微观机理进行了分析,推导了计算干缩应力和温缩应力的表达式,并建立了相应的收缩开裂模型,讨论了基层模量对裂缝间距和宽度的影响,然后采用断裂力学理论和有限元对基层的收缩开裂规律及影响因素进行了研究。
   3、采用简单的力学模型对反射裂缝在交通荷载和温度荷载作用下的扩展机理进行了分析,然后采用断裂力学理论分别对在交通荷载和温度荷载作用下,反射裂缝尖端的应力强度因子的扩展规律和影响因素进行了分析,指出面层厚度和基层模量是防治反射裂缝的关键内因。
   4、对目前半刚性基层收缩变形测量方法的优点和存在的问题进行了总结分析,结合半刚性基层材料收缩变形方面的特点,借鉴数字图像相关技术(DICM)在其他小变形领域成功的研究经验,提出了采用数字图像相关技术对水泥稳定碎石的收缩变形进行测量的方法,并根据实际例子阐述了数字图像相关技术测量的原理,最后采用数字图像法和支架法对水泥稳定碎石的早期收缩变形进行了测量,并进行了对比分析;通过采用数字图像相关技术对未采取预裂缝处理的试件和预裂缝处理过的试件收缩变形场的对比研究,解释了预裂缝技术减少了干缩和温缩的原因。
   5、对水泥稳定碎石的强度形成机理进行了分析,接着基于能量的观点对预裂缝技术的机理进行了分析,并采用CZM单元对收缩开裂进行了模拟,基于能量的观点对裂缝的最佳分布模式进行了评价,然后对水泥稳定碎石的抗裂性指标进行了研究,以拉应力为破坏标准,提出了评价水泥稳定碎石相对抗裂能力大小的指标;接着分析了试件成型方法、<0.075mm颗粒含量、水泥剂量和级配类型对水泥稳定碎石强度和抗裂性能的影响;然后对不同水泥剂量的骨架密实型水泥稳定碎石进行室内预裂缝模拟试验,并对经预裂缝处理后试件的强度和抗裂性能进行了评价和分析。
   6、对抗裂性水泥稳定碎石的设计流程进行了介绍,接着对水泥稳定碎石基层铺筑的施工工艺进行了描述,然后对采用土壤刚度仪进行预裂缝施工工艺控制的方法进行了研究,最后对预裂缝技术的经济性做了评价。

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