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基于抗冲刷性能的水泥混凝土路面半刚性基层材料组成设计研究

盛燕萍  
【摘要】: 半刚性基层材料抗冲刷性能差是造成水泥混凝土路面板底脱空的主要原因。现行水泥混凝土路面设计规范虽然对其抗冲刷能力及刚度提出了定性建议,但在材料组成与结构设计中并未提出定量的指标与标准。工程应用中水泥混凝土路面基层的受力状况不同于沥青路面基层,但目前水泥混凝土路面基层设计中的取值方法却完全等同于沥青路面。因此,有必要针对水泥混凝土路面对基层材料的性能要求,研究其材料设计指标,并提出适宜的半刚性基层材料组成设计方法,这对进一步提高水泥混凝土路面的耐久性具有重要的意义。 论文根据水泥混凝土路面基层使用状况的调查结果,分析了半刚性基层的典型损坏模式及其破坏过程。在分析影响基层抗冲刷性能主要因素的基础上,研究了半刚性基层冲刷破坏过程及机理,提出了自由水的浸泡软化、静水压力下的溶蚀和动水压力下的冲刷等三阶段基层材料冲刷破坏过程,分析了各阶段水对基层材料的破坏机理。基于多孔介质理论,运用ABAQUS有限元分析软件对水泥路面基层内的孔隙水压力进行数值模拟,计算不同外部荷载和路面结构条件下的基层孔隙水压力分布,提出标准轴载作用下产生的孔隙水压力峰值范围,确定出评价半刚性基层材料抗冲刷性能试验中的动水压力值。 从半刚性基层材料的组成设计角度出发,总结影响基层抗冲刷性能的因素,并对各影响因素进行单因素试验分析,研究了影响半刚性基层材料抗冲刷性能与其各影响因素之间的相关性。同时,进一步对基层抗冲刷性能各影响因素进行灰色关联分析,分别得出了冲刷量和强度的影响因素灰关联排序结果。利用灰色系统理论分别建立半刚性基层材料的冲刷量和强度预测模型,并提出其相应的预测简化式。提出在半刚性基层水泥混凝土路面结构设计时应根据不同交通等级选择不同的半刚性基层结构类型。针对水泥混凝土路面对基层的技术要求,确定出半刚性基层材料组成设计指标,并推荐了技术标准建议值。最后,基于冲刷量和强度的灰色预测简化式,提出了基于抗冲刷性能的水泥混凝土路面半刚性基层材料组成设计方法。


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