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湿热地区水泥混凝土路面基层性能评价与路面结构协调设计

廉向东  
【摘要】:由于各种原因,我国早期修建的水泥混凝土路面使用状况不佳,使用寿命大大低于设计使用年限。目前我国关于水泥混凝土路面耐久性的研究主要集中在面层,而水泥混凝土路面长期使用性能主要与路基和基层有关,良好的路基和基层是保证水泥混凝土路面正常运营的前提。随着我国经济的快速发展,车速快、重载、超载车辆比例大等交通特点给路面的使用功能提出了更为严格的要求。因此,对于不同基层类型的水泥混凝土路面,选择合理的结构设计指标,进行路面结构组合设计,通过提高基层的长期性能来改善水泥混凝土路面的使用状况,延长其使用寿命,是水泥混凝土路面更快更好发展的关键所在。 针对不同交通等级和不同类型基层的水泥混凝土路面,调查分析了湿热气候条件下水泥稳定碎石与二灰稳定碎石等半刚性基层、贫混凝土等刚性基层水泥混凝土路面的使用状况,分析了基层开裂、基层脱空、层间结合状况及基层刚度等使用状况对混凝土路面性能的影响。在此基础上,基于基层的长期使用性能,并针对湿热地区气候特点,初步推荐了水泥混凝土路面的合理基层类型。 通过室内试验与力学分析,研究了基层与混凝土面板间的层间结合状况、基层开裂对混凝土面板的影响、基层材料的抗冲刷性能以及不同基层类型混凝土板的变形和应变规律。结果表明,基层与混凝土面板间的结合状态极为重要,水泥混凝土面板在基层界面滑动的摩擦系数是研究面板温度应力、面板滑动区与固定区长度、接缝、间距、板端推移量及路面纵向失稳的重要参数;在正常状态下乳化沥青隔离层的摩阻力在0.76~0.87之间,沥青功能层的摩阻力在0.71~1.10之间,土工布隔离层的摩阻力在1.08~2.06之间;粒料基层对混凝土面板的约束最小,混凝土板翘曲变形最大,沥青混凝土基层约束居中,贫混凝土基层对混凝土面板的约束最大,几乎没有翘曲变形产生。 通过分析基层的长期性能评价指标对水泥混凝土路面的影响,采用灰色关联分析理论,建立了水泥混凝土路面基层长期性能评价指标的预测模型,研究了水泥混凝土路面基层长期性能的评价方法,该方法可以用于水泥混凝土路面基层长期性能的预测评价。 分析了板底脱空对混凝土面板应力的影响规律,通过不同工况下计算得到的最大应力及脱空部位的最大弯沉值,回归得到考虑疲劳、不考虑温度应力时水泥混凝土路面最大容许脱空量。在不利加载位置情况下,分析了基层有(无)裂缝、基层裂缝宽度变化、基层裂缝位置变化对混凝土路面结构荷载应力与温度应力的影响。结果表明,裂缝的存在破坏了路面结构整体性和连续性,路面结构的荷载应力显著增大,设置功能层后,显著减小了面板的最大拉应力;而路面结构的温度应力则呈现出减小的趋势。充分考虑各类不同基层类型的力学与物理特性,并结合功能层对于路面使用状况的改善作用,推荐出湿热地区不同交通等级水泥混凝土路面基层的适用类型。基于基层长期性能的要求,提出同时考虑混凝土面层和基层疲劳的水泥混凝土路面结构设计方法。


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