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        骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)分析

        2022-11-19 03:28:04黃新生
        西部交通科技 2022年8期
        關(guān)鍵詞:高速公路

        黃新生

        (廣西交通投資集團(tuán)柳州高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司,廣西 柳州 545005)

        0 引言

        桂林至柳州高速公路(僚田至鹿寨北互通)于2015年開(kāi)始實(shí)施舊水泥路面加鋪瀝青面層的“白加黑”改造工程,項(xiàng)目于2018年1月通過(guò)交工驗(yàn)收,2022年1月通過(guò)竣工驗(yàn)收。由于桂柳高速公路原有路面為水泥混凝土路面,為了避免舊路反射裂縫的大規(guī)模出現(xiàn)、保證路面耐久性,將瀝青路面加鋪層的最下層設(shè)計(jì)為厚度2 cm的改性瀝青應(yīng)力吸收層。在混合料設(shè)計(jì)時(shí),參考廣西區(qū)內(nèi)已完成全線改造的柳南高速公路的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn),將這層瀝青混合料設(shè)計(jì)為骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10,并根據(jù)性能均衡的設(shè)計(jì)思想,采用“四控制點(diǎn)”法進(jìn)行最佳油石比的確定[1],之后結(jié)合工程所在地的地方性材料,通過(guò)系統(tǒng)的路用性能分析和對(duì)比驗(yàn)證,最終設(shè)計(jì)出適用于桂柳高速公路的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10混合料。

        雖然應(yīng)力吸收層是一種功能性材料,但由于本工程中的結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)為2 cm,在路面結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析中影響不可忽略,需要參與受力分析和計(jì)算。此時(shí),需要考慮該層材料的動(dòng)態(tài)復(fù)模量取值問(wèn)題。由于此前對(duì)于骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層的研究主要集中在高溫、低溫、水穩(wěn)定性、施工和易性等常規(guī)的路用性能評(píng)價(jià)上[2-3],而對(duì)于其動(dòng)態(tài)復(fù)模量等動(dòng)態(tài)特性的研究尚未開(kāi)展,在路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),相關(guān)材料的參數(shù)取值只能參考其他材料,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果不合理。因此,為了獲得骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10混合料的動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果,并分析其影響因素,本文以桂柳高速公路實(shí)體工程為依托,針對(duì)該項(xiàng)目所使用的應(yīng)力吸收層材料開(kāi)展動(dòng)態(tài)復(fù)模量等相關(guān)試驗(yàn),為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的材料參數(shù)。

        1 桂柳高速公路骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層的材料組成設(shè)計(jì)

        1.1 骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)原理

        桂柳高速公路路面改造工程中使用的應(yīng)力吸收層SAC10,借鑒柳南高速公路路面改造工程應(yīng)力吸收層材料設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)并做進(jìn)一步優(yōu)化,采用基于路用性能均衡的應(yīng)力吸收層材料“四控制點(diǎn)”設(shè)計(jì)方法開(kāi)展應(yīng)力吸收層AC-10的目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)工作[4]。該方法的主要原理是:(1)選擇最緊密嵌擠狀態(tài)下的油石比作為確定最佳油石比的第一控制點(diǎn),以協(xié)調(diào)抗變形能力和抗車轍能力;(2)選擇析漏試驗(yàn)損失率拐點(diǎn)處的油石比作為確定最佳油石比的第二控制點(diǎn),控制應(yīng)力吸收層瀝青混合料的最大瀝青用量以保證施工和易性;(3)在第一、第二控制點(diǎn)之間,開(kāi)展0 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)、60 ℃車轍試驗(yàn),分別獲得滿足彎曲應(yīng)變要求的第三控制點(diǎn)和滿足高溫穩(wěn)定性要求的第四控制點(diǎn);(4)綜合混合料的體積指標(biāo)、緊密狀態(tài)、變形適應(yīng)性、高溫穩(wěn)定性以及施工和易性,最終確定應(yīng)力吸收層適用的最佳油石比,并據(jù)此開(kāi)展路用性能驗(yàn)證。

        1.2 桂柳高速公路應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

        根據(jù)上述原理,針對(duì)桂柳高速公路路面2標(biāo)所使用的原材料開(kāi)展目標(biāo)配合比的相關(guān)設(shè)計(jì)工作,設(shè)計(jì)級(jí)配曲線如表1所示[5-6]。所確定的各檔冷料倉(cāng)比例為5~10 mm碎石∶0~3 mm機(jī)制砂∶礦粉=65∶28.5∶6.5,最佳油石比為6.2%。體積指標(biāo)和路用性能驗(yàn)證結(jié)果如下頁(yè)表2和表3所示。從設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)看,桂柳高速公路路面2標(biāo)的應(yīng)力吸收層SAC10能夠滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。

        表1 桂柳高速公路路面2標(biāo)應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)級(jí)配表

        表2 桂柳高速公路路面2標(biāo)應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比體積指標(biāo)設(shè)計(jì)成果表

        表3 桂柳高速公路路面2標(biāo)應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比路用性能試驗(yàn)結(jié)果表

        2 動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)方法

        為了全面評(píng)價(jià)骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10的動(dòng)態(tài)復(fù)模量特性及其影響因素,本文選擇桂柳高速公路路面2標(biāo)中使用的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10,采用SPT試驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn),研究不同試驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)力吸收層混合料動(dòng)態(tài)復(fù)模量的影響規(guī)律[7]。

        SPT試件制備時(shí),使用桂柳高速公路2標(biāo)的設(shè)計(jì)成果,采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型圓柱體試件,再通過(guò)鉆芯取樣切割的方式制備得到。為了對(duì)比分析不同試驗(yàn)條件下的動(dòng)態(tài)復(fù)模量結(jié)果,本文研究不同應(yīng)變水平、圍壓荷載、試驗(yàn)頻率、試驗(yàn)溫度下的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。其中應(yīng)變水平為20~100με,圍壓荷載為0~0.2 MPa,試驗(yàn)頻率為0.01~25 Hz,試驗(yàn)溫度為0 ℃~55 ℃。

        3 不同影響因素下應(yīng)力吸收層SAC10的動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果分析

        已有研究中,常常是固定一種應(yīng)變水平,開(kāi)展不同溫度和不同頻率下瀝青混合料的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn),據(jù)此構(gòu)造動(dòng)態(tài)復(fù)模量主曲線。而實(shí)際上,應(yīng)變水平、圍壓荷載水平的大小對(duì)于瀝青混合料的動(dòng)態(tài)特性也存在著較大影響。因此,本研究主要針對(duì)這兩種試驗(yàn)條件下應(yīng)力吸收層SAC10的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)展研究,以分析不同應(yīng)變水平對(duì)動(dòng)態(tài)復(fù)模量的影響規(guī)律。由于試驗(yàn)溫度、荷載、頻率等試驗(yàn)條件對(duì)瀝青混合料的動(dòng)態(tài)特性影響研究較多,本文雖然開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)工作,但不再將其作為研究和討論的重點(diǎn)。

        3.1 不同應(yīng)變水平下的動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果分析

        表4為不同應(yīng)變水平下的動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)頻率為10 Hz、圍壓荷載為0 MPa。由表4可以看出,應(yīng)力吸收層SAC10的動(dòng)態(tài)復(fù)模量數(shù)值隨著試驗(yàn)的應(yīng)變水平增加而逐漸增大,不同試驗(yàn)溫度下均存在這種相同的單調(diào)遞增變化趨勢(shì)。只是在溫度較低時(shí),隨著應(yīng)變水平的增加,動(dòng)態(tài)復(fù)模量數(shù)值的增量較小,如在0 ℃時(shí),最大應(yīng)變下的模量數(shù)值與最小應(yīng)變下的模量數(shù)值相比,增幅僅為1.7%;而在溫度較高時(shí),隨著應(yīng)變水平的增加,動(dòng)態(tài)復(fù)模量的增量變大,如在55 ℃時(shí),最大應(yīng)變下的模量數(shù)值與最小應(yīng)變下的模量數(shù)值相比,增幅已達(dá)23%,變化十分明顯。

        表4 不同溫度和應(yīng)變水平下的動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果表

        這種現(xiàn)象表明,應(yīng)力吸收層SAC10的動(dòng)態(tài)復(fù)模量數(shù)值受試驗(yàn)的應(yīng)變水平影響較大,瀝青混合料存在顯著的荷載依賴特性,這與傳統(tǒng)意義上認(rèn)為的瀝青混合料為線性粘彈性材料,動(dòng)態(tài)復(fù)模量不受應(yīng)變水平影響的認(rèn)識(shí)有一定差別,應(yīng)將應(yīng)力吸收層SAC10視作一種非線性粘彈性材料來(lái)看待。這主要是由于本文所研究的桂柳高速公路骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10是一種富瀝青含量的瀝青混合料,因?yàn)r青含量較高使得瀝青混合料具有更顯著的粘彈性材料性質(zhì),其動(dòng)態(tài)特性受外力荷載的影響更加顯著,從而表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)復(fù)模量隨著荷載(應(yīng)變水平)的增大而逐漸增大的試驗(yàn)規(guī)律。當(dāng)溫度較低時(shí),這種非線性粘彈性特征不太顯著,即最大應(yīng)變下的模量數(shù)值與最小應(yīng)變下的模量數(shù)值相比增幅較小;而當(dāng)溫度較高時(shí),這種非線性粘彈性特征就變得十分顯著,即表現(xiàn)為最大應(yīng)變下的模量數(shù)值與最小應(yīng)變下的模量數(shù)值相比增幅較大的試驗(yàn)現(xiàn)象。由于這種動(dòng)態(tài)復(fù)模量的非線性荷載依賴性現(xiàn)象的存在,因此在開(kāi)展應(yīng)力吸收層混合料的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)時(shí),應(yīng)保證試件處在合理的受力狀態(tài)范圍內(nèi),使用合理的荷載水平開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn),以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可對(duì)比性。綜合本文的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)的應(yīng)變水平建議為60~80με。

        3.2 不同圍壓荷載下的動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果分析

        應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部實(shí)際上處于一種三向受壓的受力狀態(tài),上述研究是在無(wú)圍壓條件下開(kāi)展的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn),而為了與應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)中的實(shí)際服役狀態(tài)相匹配,研究含有圍壓荷載條件的動(dòng)態(tài)復(fù)模量才更具有工程意義。為此,本文開(kāi)展了不同圍壓荷載下的應(yīng)力吸收層混合料動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn),分析圍壓荷載對(duì)SAC10瀝青混合動(dòng)態(tài)復(fù)模量的影響規(guī)律。詳見(jiàn)表5。

        表5 不同溫度和圍壓荷載下的動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果表

        表5為不同溫度圍壓荷載下的動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)結(jié)果,荷載頻率為10 Hz、應(yīng)變水平為60με。由表5可以看出,當(dāng)溫度較低時(shí),應(yīng)力吸收層SAC10的動(dòng)態(tài)復(fù)模量數(shù)值基本不受圍壓的影響,數(shù)值相差不大;而隨著溫度的升高,動(dòng)態(tài)復(fù)模量數(shù)值隨著圍壓荷載的增加而逐漸變大。如在0 ℃~20 ℃時(shí),圍壓荷載為0.2 MPa下的動(dòng)態(tài)復(fù)模量數(shù)值與0 MPa圍壓荷載下的數(shù)值基本相同;而在55 ℃時(shí),圍壓荷載為0.2 MPa下的動(dòng)態(tài)復(fù)模量數(shù)值與0 MPa圍壓荷載下的數(shù)值相比增大許多,增幅達(dá)到100%以上。這種現(xiàn)象表明,當(dāng)溫度較高時(shí),試驗(yàn)的圍壓荷載對(duì)應(yīng)力吸收層SAC10的動(dòng)態(tài)復(fù)模量數(shù)值存在較大影響,當(dāng)溫度較低時(shí)影響不大??紤]到應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)中服役時(shí),要經(jīng)歷一年四季的溫度變化,當(dāng)夏季溫度較高時(shí),如果不考慮圍壓荷載,則應(yīng)力吸收層的模量數(shù)值較低,這時(shí)按此開(kāi)展路面結(jié)構(gòu)計(jì)算和力學(xué)分析,受力結(jié)果會(huì)十分不利。但實(shí)際上,由于實(shí)體路面結(jié)構(gòu)處于一種三向受力狀態(tài),為了保證路面結(jié)構(gòu)計(jì)算更加符合實(shí)際情況,應(yīng)按照應(yīng)力吸收層所處的真實(shí)受力環(huán)境,考慮其所承受的圍壓荷載條件進(jìn)行材料動(dòng)態(tài)復(fù)模量的參數(shù)取值,之后再進(jìn)行路面力學(xué)計(jì)算才更加合理。綜合本文的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)溫度>20 ℃時(shí),試驗(yàn)的圍壓荷載水平建議為0.1~0.15 MPa。

        3.3 現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范條件下的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層復(fù)模量推薦數(shù)值

        2017年我國(guó)頒布了新版的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017),其中對(duì)路面結(jié)構(gòu)計(jì)算中瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量取值條件進(jìn)行了規(guī)定。按照規(guī)范中的要求,對(duì)于本文所使用的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10混合料而言,其動(dòng)態(tài)復(fù)模量應(yīng)取試驗(yàn)溫度為20 ℃、加載頻率為10 Hz下的試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合前文的分析結(jié)論,動(dòng)態(tài)復(fù)模量試驗(yàn)的應(yīng)變水平取60με,由于溫度為20 ℃,圍壓荷載取0.1 MPa。按此條件,結(jié)合本文的試驗(yàn)結(jié)果,桂柳高速公路使用的骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí),動(dòng)態(tài)復(fù)模量數(shù)值為8 642 MPa。考慮到試驗(yàn)的可靠性和復(fù)現(xiàn)性,對(duì)于國(guó)內(nèi)采用同類型骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層混合料時(shí),動(dòng)態(tài)復(fù)模量取值范圍建議為8 000~9 000 MPa。

        4 結(jié)語(yǔ)

        為了獲得骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層SAC10混合料的動(dòng)態(tài)復(fù)模量,本文以桂柳高速公路路面2標(biāo)使用的應(yīng)力吸收層為研究對(duì)象,通過(guò)不同試驗(yàn)條件下的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn),研究了應(yīng)變水平和圍壓對(duì)應(yīng)力吸收層動(dòng)態(tài)復(fù)模量的影響,結(jié)合現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范給出了適用于骨架密實(shí)型應(yīng)力吸收層材料的動(dòng)態(tài)模量取值范圍,為路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)。

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