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        基于振動(dòng)法的抗疲勞斷裂水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

        2013-07-15 15:00:40蔣應(yīng)軍任皎龍
        建筑材料學(xué)報(bào) 2013年2期
        關(guān)鍵詞:施工期齡期碎石

        李,蔣應(yīng)軍,任皎龍

        (1.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710064;2.交通鋪面材料教育部工程研究中心,陜西西安 710064;3.東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇南京 210096)

        水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn))直接影響水泥穩(wěn)定碎石基層的承載力與抗裂性.若標(biāo)準(zhǔn)過高,則在集料類型、級(jí)配和成型方式一定的前提下,為使混合料強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,必然導(dǎo)致水泥劑量偏大,從而影響水泥穩(wěn)定碎石基層的抗裂性和經(jīng)濟(jì)性;若標(biāo)準(zhǔn)過低,則會(huì)直接影響水泥穩(wěn)定碎石基層的承載力.

        現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是基于重型擊實(shí)法與靜壓法提出的,但相關(guān)研究[1-7]表明:重型擊實(shí)法和靜壓法成型試件與現(xiàn)場(chǎng)鉆芯試件的工程性質(zhì)相關(guān)性平均不足40%,而振動(dòng)法(VTM)成型試件的力學(xué)強(qiáng)度準(zhǔn)確度可達(dá)93%.因此,將現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)直接應(yīng)用于VTM水泥穩(wěn)定碎石的設(shè)計(jì)與施工并不科學(xué).

        鑒于此,本文基于VTM 和彈性力學(xué)理論,研究了水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)特性和施工車輛作用下(底)基層應(yīng)力水平,結(jié)合Miner疲勞累積理論,以防止水泥穩(wěn)定碎石(底)基層施工期一次性荷載作用下的極限破壞和施工期與運(yùn)營期荷載反復(fù)作用下的疲勞破壞為依據(jù),提出了基于VTM 的抗疲勞斷裂水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn).所得的研究成果對(duì)指導(dǎo)水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)與施工,提高水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性、承載力和經(jīng)濟(jì)性具有重要現(xiàn)實(shí)意義.

        1 水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)特性

        1.1 VTM 與靜壓法(SPM)成型試件比較

        VTM 和SPM 成型試件的抗壓強(qiáng)度代表值見表1,兩者比值見表2.其中:XM 指懸浮密實(shí)型級(jí)配;GM 指骨架密實(shí)型級(jí)配[8-9].

        表1 水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度代表值Table 1 Compressive strength representative values of cement stabilized macadam

        表2 VTM 和SPM 成型試件抗壓強(qiáng)度之比Table 2 Strength ratio of specimens molding by VTM and SPM

        由表1,2可知,VTM 成型試件的抗壓強(qiáng)度高于SPM,兩者比值在28d前隨齡期增長而不斷增大,當(dāng)齡期大于28d后已基本不變,約為2.60.

        1.2 基于VTM 的水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)特性

        1.2.1 力學(xué)強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型及力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系

        本課題組經(jīng)前期研究[1-7]發(fā)現(xiàn),隨著齡期的增長,水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度增長曲線規(guī)律極其相似:14d前其早期強(qiáng)度增長速率較快,90d后則強(qiáng)度增長非常緩慢,且趨向某一極值,即水泥穩(wěn)定碎石極限強(qiáng)度R∞,由此可建立水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)強(qiáng)度(以劈裂強(qiáng)度為例)預(yù)測(cè)模型:

        式中:Ri,t和Ri,∞分別為t齡期和∞齡期的水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度,其中,石灰?guī)rRi,∞=1.43MPa,花崗巖Ri,∞=1.15 MPa,砂巖Ri,∞=0.57 MPa;Ai,Bi為回歸系數(shù),與巖性有關(guān):石灰?guī)rAi=0.291,Bi=0.735;花崗巖Ai=0.247,Bi=0.887;砂巖Ai=0.290,Bi=0.769.

        另外,水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度Ri,抗壓強(qiáng)度Rc和彎拉強(qiáng)度Rw間的關(guān)系模型為:

        式中:λ為回歸系數(shù),與巖性有關(guān):石灰?guī)rλ=9.510.7;花崗巖λ=9.511.5;砂巖λ=9.813.2.齡期較低時(shí)λ取大值,齡期較高時(shí)λ取小值.

        1.2.2 彈性模量

        本課題組前期研究[1-7]所建立的水泥穩(wěn)定碎石彈性模量預(yù)測(cè)模型為:

        式中:Et和E∞分別為t齡期和∞齡期的水泥穩(wěn)定碎石彈性模量,假設(shè)E∞=E360d,則石灰?guī)rE∞=4500MPa;花崗巖E∞=3500 MPa;砂巖E∞=1900MPa;AE,BE為回歸系數(shù),與巖性有關(guān):石灰?guī)rAE=0.247,BE=0.790;花崗巖AE=0.258,BE=0.808;砂巖AE=0.363,BE=0.589.

        1.2.3 疲勞特性

        本課題組前期研究[1-7]所建立的水泥穩(wěn)定碎石疲勞方程為:

        式中:S 為應(yīng)力水平,Ne為實(shí)際路面疲勞壽命.

        考慮室內(nèi)試驗(yàn)疲勞壽命N 與Ne的差異,結(jié)合水泥穩(wěn)定碎石室內(nèi)疲勞試驗(yàn)[1-7],得到水泥穩(wěn)定碎石抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)Ks:

        式中:Ne為累計(jì)當(dāng)量軸次;Ac為公路等級(jí)系數(shù),高速公路、一至四級(jí)公路分別取0.85,1.0,1.1,1.2.

        2 基于VTM 的抗疲勞斷裂水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

        若水泥穩(wěn)定碎石(底)基層開放交通過早,在施工車輛作用下極可能造成其早期疲勞斷裂,甚至是一次性荷載作用下的極限斷裂.另外,水泥穩(wěn)定碎石基層在施工車輛反復(fù)作用下,由于材料微結(jié)構(gòu)的局部不均勻,誘發(fā)應(yīng)力集中而出現(xiàn)微損傷;當(dāng)路面工程竣工投入運(yùn)營后,水泥穩(wěn)定碎石基層在車輛荷載反復(fù)作用下微損傷會(huì)逐步累積擴(kuò)大,當(dāng)疲勞損傷累積到一定程度時(shí),就會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)性破壞,稱為疲勞破壞.因此,水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以防止施工期一次性荷載作用下的極限破壞和施工期與運(yùn)營期荷載反復(fù)作用下水泥穩(wěn)定碎石的疲勞破壞為依據(jù).

        2.1 抗極限破壞的水泥穩(wěn)定碎石施工期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

        2.1.1 計(jì)算模型與參數(shù)

        水泥穩(wěn)定碎石底基層碾壓成型并養(yǎng)生一定齡期、強(qiáng)度達(dá)到要求后,下基層施工時(shí)混合料運(yùn)輸車輛必須在其上通行.如果底基層養(yǎng)生齡期不足,未能形成足夠的強(qiáng)度,那么在施工車輛作用下底基層可能造成極限破壞或疲勞損傷.為了分析施工車輛作用下底基層層底拉應(yīng)力及疲勞損傷,作出力學(xué)計(jì)算簡化模型見圖1,計(jì)算軸載取BZZ-100kN,層間完全連續(xù),其中的h1為結(jié)構(gòu)層厚度;δ為輪胎半徑;μ為泊松比.各齡期水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度Ri,抗壓強(qiáng)度Rc,彎拉強(qiáng)度Rw,彈性模量E 分別按式(1)(4)計(jì)算.

        圖1 力學(xué)計(jì)算簡化模型Fig.1 Mechanics calculation simplified model

        2.1.2 施工車輛作用下底基層層底拉應(yīng)力

        施工車輛作用下水泥穩(wěn)定碎石底基層層底拉應(yīng)力等參數(shù)見表3.

        表3 各齡期底基層模量、強(qiáng)度及車輛荷載作用下的拉應(yīng)力Table 3 Subbase modulus,strength and stress under vehicle loads at different ages

        由表3可知:(1)隨著底基層厚度增大,施工車輛作用下底基層產(chǎn)生的拉應(yīng)力顯著減小.考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壓實(shí)能力,建議底基層設(shè)計(jì)厚度為20 cm.(2)齡期越長,水泥穩(wěn)定碎石底基層模量和彎拉強(qiáng)度越大,而底基層模量越大,施工車輛荷載作用下底基層產(chǎn)生的拉應(yīng)力也越大.考慮工程進(jìn)度要求,水泥穩(wěn)定石灰?guī)r、花崗巖碎石底基層允許開放交通的最低養(yǎng)生齡期分別為7,10d.(3)當(dāng)水泥穩(wěn)定砂巖碎石底基層厚度不足28cm 時(shí),施工車輛作用下底基層層底拉應(yīng)力總大于其彎拉強(qiáng)度,但若厚度超過28 cm,底基層將難以一次碾壓成型.因此,水泥穩(wěn)定砂巖碎石不宜用作底基層.

        2.1.3 抗極限破壞的水泥穩(wěn)定碎石施工期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

        為防止20cm 厚水泥穩(wěn)定碎石底基層在施工車輛荷載作用下產(chǎn)生極限破壞,結(jié)合表3,提出如下強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn):水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石7d彎拉強(qiáng)度≥施工車輛作用下水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石底基層層底拉應(yīng)力0.81MPa;水泥穩(wěn)定花崗巖碎石10d彎拉強(qiáng)度≥施工車輛作用下水泥穩(wěn)定花崗巖碎石底基層層底拉應(yīng)力0.79MPa;假設(shè)7d水泥穩(wěn)定砂巖碎石彎拉強(qiáng)度≥施工車輛作用下水泥穩(wěn)定砂巖碎石底基層層底拉應(yīng)力0.63MPa.考慮VTM 成型圓柱體試件較梁式試件更易操作,且抗壓強(qiáng)度測(cè)試較彎拉強(qiáng)度更為簡便,易被工程界接受,故將7d彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)按式(1)(3)轉(zhuǎn)化成7d劈裂強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),見表4.

        表4 抗極限破壞的水泥穩(wěn)定碎石施工期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Anti ultimate damage strength standard of cement stabilized macadam in construction period

        2.2 抗疲勞斷裂的水泥穩(wěn)定碎石運(yùn)營期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

        2.2.1 Miner疲勞累積損傷理論及基本假設(shè)

        Miner疲勞損傷累積理論認(rèn)為:在恒定應(yīng)力水平S 作用下,零件循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)N 次時(shí),將產(chǎn)生完全損傷(即失效),則零件在S 作用下運(yùn)轉(zhuǎn)1個(gè)小于N 的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n 時(shí),將產(chǎn)生部分損傷,同時(shí),該過程中每一次損傷相同,在S 作用下?lián)p傷率為n/N.如果1個(gè)零件包含不同應(yīng)力水平Si,在此狀態(tài)下工作,都將產(chǎn)生一個(gè)損傷率ni/Ni,當(dāng)損傷率累積達(dá)到1時(shí),便可預(yù)測(cè)失效,即滿足式(7)時(shí)預(yù)測(cè)失效:

        故本文作如下假設(shè)[10-12]:水泥穩(wěn)定碎石符合Miner疲勞累積損傷理論,且各齡期疲勞方程符合式(5).

        2.2.2 計(jì)算模型與參數(shù)

        各階段結(jié)構(gòu)層計(jì)算模型見圖2,并假設(shè)兩結(jié)構(gòu)層施工間隔為15d.其中,工況1~5為高速、一級(jí)公路施工期不同階段計(jì)算模型;工況6為高速、一級(jí)公路運(yùn)營期計(jì)算模型;工況1,2,7為二級(jí)公路施工期不同階段計(jì)算模型;工況8為二級(jí)公路運(yùn)營期計(jì)算模型;Ex,t指x 結(jié)構(gòu)層t齡期模量,按式(4)計(jì)算.

        表5為各結(jié)構(gòu)層施工車輛標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù).結(jié)構(gòu)層各齡期模量按式(4)計(jì)算,結(jié)果見表6.需要說明的是,因齡期超過360d后,水泥穩(wěn)定碎石模量基本不再增長,故運(yùn)營階段模量取360d 時(shí)的模量.

        2.2.3 水泥穩(wěn)定碎石基層荷載應(yīng)力

        各工況下水泥穩(wěn)定碎石基層荷載應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表7.由表7可知,隨齡期增長和結(jié)構(gòu)層厚度增加,水泥穩(wěn)定碎石基層層底拉應(yīng)力急劇下降,而水泥穩(wěn)定碎石彎拉強(qiáng)度則隨齡期的增加而增長.這說明,在早期(施工期)更易出現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石彎拉強(qiáng)度低于水泥穩(wěn)定基層層底拉應(yīng)力的情況,即基層更易發(fā)生破壞,因此,應(yīng)加強(qiáng)施工期施工運(yùn)輸車輛的超載控制.

        表5 施工車輛標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)Table 5 Cumulative action numbers of equivalent standard axle loads of construction vehicles times

        表6 水泥穩(wěn)定碎石模量取值Table 6 Modulus of cement stabilized macadam MPa

        圖2 不同工況下各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)計(jì)算簡化模型Fig.2 Mechanics calculation simplified model of structure layers at different conditions

        表7 各工況下水泥穩(wěn)定碎石基層荷載應(yīng)力Table 7 Load stress of cement stabilized macadam of different construction conditions

        2.2.4 抗疲勞破壞的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

        通過試算發(fā)現(xiàn),當(dāng)7d劈裂強(qiáng)度達(dá)到表8中數(shù)值時(shí),可防止水泥穩(wěn)定碎石基層在設(shè)計(jì)年限內(nèi)發(fā)生疲勞破壞,此時(shí),水泥穩(wěn)定碎石累積疲勞損傷為0.95<Σ(ni/Ni)≤1.0,具體數(shù)值見表9.各齡期劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度和疲勞次數(shù)分別按式(1),(3),(5)計(jì)算.

        考慮到水泥穩(wěn)定碎石真實(shí)劈裂強(qiáng)度約等于室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生振動(dòng)成型試件劈裂強(qiáng)度的0.93倍,得到水泥穩(wěn)定碎石7d劈裂強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)[2-5],并按式(2)轉(zhuǎn)化成7d抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),見表10.

        2.3 抗疲勞斷裂的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)比較

        綜上,提出基于VTM 的抗疲勞斷裂水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),見表11;JTG D50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)見表12.

        表8 7d劈裂強(qiáng)度Table 8 7dsplitting strength

        表9 水泥穩(wěn)定碎石疲勞損傷Table 9 Fatigue damage of cement stabilized macadam

        表10 抗疲勞破壞的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Table 10 Antifatigue damage strength standard of cement stabilized macadam

        表11 基于振動(dòng)法的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Table 11 Strength standard of cement stabilized macadam based on VTM

        表12 規(guī)范中的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Table 12 Strength standard of cement stabilized macadam in specification

        比較表11,12可知,規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是按層位提出了不同抗壓強(qiáng)度指標(biāo),而本文標(biāo)準(zhǔn)則是按集料巖性提出了不同抗壓強(qiáng)度指標(biāo),并增加了劈裂強(qiáng)度指標(biāo).此外,規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是建立在重型擊實(shí)試驗(yàn)方法和靜壓成型試件基礎(chǔ)上,由表2可知,95%保證率下VTM 成型試件7d抗壓強(qiáng)度約為SPM 的2.3倍,相當(dāng)于振動(dòng)法成型的試件強(qiáng)度要達(dá)到6.9010.35MPa才能滿足規(guī)范的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),而本文提出的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)7.0MPa僅為6.9010.35 MPa的下限.故本文的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不僅可保證水泥穩(wěn)定碎石(底)基層具有足夠承載力,防止(底)基層發(fā)生疲勞斷裂,同時(shí)也避免了因標(biāo)準(zhǔn)過高而導(dǎo)致水泥劑量偏高的現(xiàn)象,從而緩解了水泥穩(wěn)定碎石(底)基層的收縮裂縫問題.

        3 實(shí)體工程應(yīng)用

        本文成果于2009年5月2010年9月在國家高速公路長(春)至深(圳)線承唐高速公路承德段全線82.3km 推廣應(yīng)用.該實(shí)體工程于2009年5月開始水泥穩(wěn)定碎石基層施工,至下面層鋪筑前,基層未發(fā)現(xiàn)任何裂縫;2010年10月通車,基層經(jīng)過2個(gè)冬天及1個(gè)夏天,路面結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了最不利情況下的干縮作用和最不利季節(jié)的溫縮作用以及春融和行車荷載的共同作用.于2011年8月對(duì)瀝青面層表面進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查后發(fā)現(xiàn),全路段僅出現(xiàn)3條裂縫,經(jīng)鉆孔取樣觀測(cè)確定這些裂縫皆為路基沉降所致.由此可初步判定,采用本文提出的基于振動(dòng)法的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計(jì)與施工,不僅可保證水泥穩(wěn)定碎石(底)基層具有足夠承載力,防止(底)基層發(fā)生疲勞斷裂,而且能有效緩解水泥穩(wěn)定碎石(底)基層的收縮裂縫問題,基本達(dá)到了研究目的.

        4 結(jié)論

        (1)在施工車輛作用下的底基層層底拉應(yīng)力隨著底基層厚度的增大而減小,隨著底基層模量的增大而增大,結(jié)合碾壓機(jī)械工作能力,建議底基層設(shè)計(jì)厚度為20cm.在此基礎(chǔ)上,以水泥穩(wěn)定碎石彎拉強(qiáng)度不低于施工車輛作用下底基層層底拉應(yīng)力為依據(jù),確定水泥穩(wěn)定石灰?guī)r、花崗巖碎石底基層允許開放交通的最低養(yǎng)生齡期分別為7,10d,且砂巖碎石不宜用作水泥穩(wěn)定底基層,進(jìn)而提出了抗極限破壞的施工期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn).

        (2)水泥穩(wěn)定碎石基層更容易在施工期發(fā)生破壞,應(yīng)加強(qiáng)施工期施工運(yùn)輸車輛超載控制.結(jié)合室內(nèi)疲勞試驗(yàn)和Miner疲勞累積理論,以施工期與運(yùn)營期水泥穩(wěn)定碎石累計(jì)疲勞損傷達(dá)到0.95<Σ(ni/Ni)≤1.0為依據(jù),提出了抗疲勞破壞的運(yùn)營期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn).

        (3)結(jié)合施工期和運(yùn)營期強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),提出基于振動(dòng)法的抗疲勞斷裂水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為:水泥穩(wěn)定砂巖、花崗巖、石灰?guī)r碎石的7d劈裂強(qiáng)度分別大于0.50,0.60,0.65 MPa,7d抗壓強(qiáng)度分別大于6.6,6.6,7.0MPa.與規(guī)范對(duì)比,該標(biāo)準(zhǔn)按集料巖性提出抗壓強(qiáng)度指標(biāo),并增加劈裂強(qiáng)度指標(biāo),實(shí)現(xiàn)了路面結(jié)構(gòu)與材料的一體化設(shè)計(jì),較好解決了交通荷載反復(fù)作用下的水泥穩(wěn)定碎石基層疲勞斷裂問題.

        [1]李明杰.水泥穩(wěn)定碎石振動(dòng)試驗(yàn)方法研究及應(yīng)用[D].西安:長安大學(xué),2010.LI Ming-jie.Study on vibrating test methods for cement stabilization of crushed aggregate[D].Xi'an:Chang'an University,2010.(in Chinese)

        [2]張丙炎.基于VTM 水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)參數(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2011.ZHANG Bing-yan.Research on designing parameters of cement stabilization of crushed aggregate based on vibrating test methods[D].Xi'an:Chang'an University,2011.(in Chinese)

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