水泥混凝土路面碎石化综合技术研究

论文摘要

碎石化是一种旧水泥混凝土路面破碎处治技术。在国外（如美国）,破碎处治技术已有二十多年的发展历史,并形成了一整套适用于不同情况的设备及其相关工艺,包括打裂压稳（Crack and Seat）、打碎压稳（Break and Seat）和碎石化（Rubblization）。MHB（Multiple-Head Breaker）是其中一种常用碎石化设备,我国从2002年开始引进该设备,为进一步了解其工艺特点,进而分析碎石化工作机理,保证碎石化改造工程的质量,本论文就碎石化的相关决策、强度机理、加铺设计方法、施工管理与质量控制等开展了专项研究。论文首先从碎石化决策入手,在分析国外工程实践及研究成果的基础上,结合工程试验段的研究,得出了土基状况是判断该工艺是否可行的关键因素,而断板率（DBL）不是影响碎石化决策的决定性因素。通过现场勘察,分析了碎石化后混凝土板块的分层情况及各层的受力特点,提出了咬合嵌挤理论,解释了板块破碎后强度形成机理。以断裂力学和有限元为主要分析手段,通过计算,就碎石化后加铺沥青面层与直接加铺和级配碎石层上加铺沥青面层进行了对比,得出了碎石化后可以直接加铺沥青面层,且受力状态优于其它两种方案。参考国内外设计方法,提出了基于我国设计规范的改进设计方法。最后,对碎石化的施工工艺和质量控制提出了具体要求。旧水泥混凝土路面碎石化后分为三个子层次,它们在颗粒粒径上区别明显,并具有不同的性质。本文提出的咬合嵌挤理论对各层次的强度形成机理作出了解释。通过试验段数据分析,确定了正常施工情况下碎石化层顶面的当量回弹模量范围,并与旧沥青路面补强设计中的当量回弹模量进行比较分析,证明碎石化层作为基层（或底基层）其强度是合适的。为认识碎石化对加铺层应力的改善作用及其程度,本文进行了力学分析与计算。以实例结构为计算对象,通过有限元分析,将碎石化后加铺和直接加铺两种情况下的沥青加铺层的强度因子进行计算对比,得出了在受力状态方面碎石化后加铺优于直接加铺的结论,证明了碎石化对消散加铺层应力集中具有良好的效果。为了进一步认识碎石化层,本文又将碎石化后加铺与同厚度级配碎石层上加铺的应力状态进行对比分析,得出了碎石化层上沥青加铺层最大拉应力、拉应变要小于级配碎石上加铺的结论,证明碎石化层在结构强度上优于级配碎石。同时,鉴于碎石化程度与碎石化层上部的颗粒粒径以及相关厚度、模量有直接联系,分析中还按不同的上层模量和厚度计算了相应的加铺层应力状态,提出了碎石化上层厚度存在的合理范围。本文还将MHB碎石化工艺,与目前国内较为常用的旧水泥混凝土路面破碎、原位利用的冲击压实工艺,结合工程实际应用进行了对比,从破碎后顶面回弹模量的平均值和方差两方面对两者的破碎效果进行了比较分析,结论认为,MHB设备碎石化后,碎石化层顶面具有更高的平均强度和更小的强度偏差,其破碎效果要好于冲压设备。由于影响碎石化效果的因素很多,导致了施工前对碎石化后粒径无法准确估计的实际情况,设计过程中很难对破碎后颗粒粒径做出准确预测,但在设计方法中需要考虑这种情况。本文按偏差控制原理,建立了适应施工后状况多变特点的设计步骤,提出了两阶段设计的新方法,在初步设计中推荐了初试参数,通过施工后检测的实际数据,验证初步设计的合理性。当回弹模量与初步设计取值相差不大时,按照初步设计进行施工;当回弹模量与初步设计取值相差较大时,通过第二阶段修正设计方案,最终获得合理的结构设计,保证了最后设计方案能够适应破碎后的实际状况,确保了碎石化沥青加铺层结构的安全性。为便于指导生产,本文根据国内工程实际,研究提出了碎石化后粒径符合要求时的结构组合;对碎石化后粒径不符合要求时,为有效防止加铺结构出现疲劳破坏或反射裂缝等病害的发生,分别针对破碎后粒径过细、过粗两种情况,研究引进了FDAC抗疲劳层及LSPM

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 水泥混凝土路面碎石化
• 1.1.1 水泥混凝土路面碎石化的概念
• 1.1.2 水泥混凝土路面病害与维修技术概述
• 1.1.3 水泥混凝土路面破碎技术综述
• 1.2 MHB 碎石化技术简介及国内外概况
• 1.2.1 水泥混凝土碎石化技术优势和特点
• 1.2.2 碎石化技术在国外的应用情况
• 1.2.3 国内旧水泥混凝土路面改造技术状况
• 1.2.4 碎石化技术研究的迫切性
• 1.3 国内外研究存在的问题
• 1.3.1 国内外研究现状综述
• 1.3.2 MHB 碎石化技术应用面临的主要问题
• 1.4 研究的主要内容、技术路线
• 1.4.1 研究的主要内容
• 1.4.2 本论文研究的技术路线
• 第2章 旧水泥混凝土路面性能评价与碎石化决策
• 2.1 旧水泥混凝土路面性能评价方法
• 2.2 MHB 碎石化工艺应用前的调查与分析
• 2.2.1 原水泥混凝土路面状况调查
• 2.2.2 破坏的主要类型及可能的成因判断
• 2.2.3 路面结构强度评价
• 2.3 MHB 碎石化经济性分析
• 2.3.1 国外碎石化经济性分析
• 2.3.2 国内试验路碎石化经济性分析
• 2.3.3 碎石化经济性分析结论
• 2.4 MHB 碎石化决策标准
• 2.4.1 碎石化对旧路的基本要求
• 2.4.2 MHB 碎石化应用的原则要求
• 2.5 本章小结
• 第3章 水泥混凝土路面碎石化的机理分析
• 3.1 基于波动理论的MHB 碎石化机理分析
• 3.1.1 波动理论的基本原理
• 3.1.2 冲击波的性质
• 3.1.3 夯能在路面结构中的传播
• 3.2 碎石化层的形成
• 3.3 碎石化层的自适应调整
• 3.4 碎石化层的强度
• 3.4.1 松散层
• 3.4.2 碎石化层上部
• 3.4.3 碎石化层下部
• 3.4.4 碎石化后混凝土层的功能定位
• 3.5 本章小结
• 第4章 碎石化过程及加铺结构的有限元分析
• 4.1 MHB 落锤冲击作用下的板块内应力
• 4.1.1 计算模型与参数
• 4.1.2 冲击荷载的拟动力与荷位的选择
• 4.1.3 计算结果
• 4.2 基于断裂力学的碎石化层防反射裂缝的有限元分析
• 4.2.1 裂缝扩展的三种基本形式
• 4.2.2 线弹性裂纹尖端奇异场
• 4.2.3 应力强度因子
• 4.2.4 碎石化层上加铺沥青层的应力强度因子
• 4.2.5 原水泥混凝土板上直接加铺沥青混凝土面层的强度因子
• 4.2.6 碎石化后加铺与直接加铺的强度因子分析对比结论
• 4.3 碎石化层与级配碎石层上沥青面层受力的对比分析
• 4.3.1 碎石化层上加铺沥青混凝土面层的有限元计算
• 4.3.2 级配碎石上加铺沥青混凝土面层的有限元计算
• 4.3.3 碎石化与级配碎石上加铺沥青面层的有限元计算对比结论
• 4.4 不同破碎效果下沥青加铺层受力特性分析
• 4.4.1 碎石化上、下层厚度变化时加铺沥青层的受力状况
• 4.4.2 碎石化下层模量变化时加铺沥青层的受力状况
• 4.5 本章小结
• 第5章 不同破碎设备效果对比分析
• 5.1 MHB 碎石化与冲击压实试验段工程概况
• 5.2 MHB 碎石化试验段与冲击压实试验段的检测内容和方法
• 5.2.1 MHB 试验段主要检测内容和方法
• 5.2.2 冲击压实设备破碎路段试验内容
• 5.3 MHB 碎石化试验段与冲击压实试验段的测试数据分析
• 5.3.1 试验段路面破损状况调查与病害分析
• 5.3.2 试验段路面结构状况调查与分析
• 5.3.3 破碎层的测试
• 5.3.4 加铺层弯沉检测
• 5.4 碎石化与原路面基层和面层状况的关系
• 5.4.1 原路面状况与碎石化层顶面强度及其均匀性的关系
• 5.4.2 原路面状况与碎石化对原基层强度的影响
• 5.5 与冲击压实试验段的对比分析
• 5.5.1 回弹模量
• 5.5.2 回弹弯沉
• 5.6 本章小结
• 第6章 水泥混凝土路面碎石化沥青加铺设计方法
• 6.1 现行混凝土路面加铺层结构设计方法
• 6.1.1 设计方法综述
• 6.1.2 AI 设计方法
• 6.1.3 COE 法
• 6.1.4 AASHTO 法
• 6.2 利用现行设计方法的计算示例
• 6.2.1 AI 法
• 6.2.2 COE 法
• 6.2.3 AASHTO 法
• 6.2.4 国内规范法
• 6.3 现行设计方法计算结果对比与评价
• 6.4 MHB 碎石化结构设计新方法
• 6.4.1 结构设计方法的基础参数
• 6.4.2 路面结构设计新方法中对温度及降雨量影响的考虑
• 6.4.3 碎石化后沥青加铺层设计新方法
• 6.5 本章小结
• 第7章 水泥混凝土路面碎石化后沥青加铺层结构设计
• 7.1 碎石化后沥青加铺层结构组合类型综述
• 7.1.1 碎石化后粒径的波动可能及其主要原因
• 7.1.2 对碎石化后沥青加铺层的一般要求
• 7.1.3 进一步防止反射裂缝的结构组合措施
• 7.1.4 进一步防止疲劳开裂的结构组合措施
• 7.2 应用LSPM 防止碎石化加铺层反射裂缝的关键技术
• 7.2.1 LSPM 的主要性能
• 7.2.2 配合比的确定
• 7.2.3 LSPM 的施工工艺和质量控制
• 7.3 应用FDAC 防止碎石化加铺层疲劳破坏的关键技术
• 7.3.1 FDAC 的抗疲劳性能和主要影响因素
• 7.3.2 FDAC 的配合比的确定
• 7.3.3 FDAC 的施工工艺与质量控制
• 7.4 合理加铺结构组合方式的确定
• 7.5 加铺层推荐结构
• 7.5.1 交通量分级
• 7.5.2 碎石化后顶面回弹模量分级
• 7.5.3 推荐结构
• 7.6 本章小结
• 第8章 碎石化的施工工艺和质量控制方法
• 8.1 MHB 设备应用后的指标要求
• 8.1.1 碎石化后的粒径范围
• 8.1.2 碎石化后顶面的当量回弹模量
• 8.1.3 碎石化后的回弹弯沉
• 8.2 MHB 设备的施工控制参数
• 8.2.1 不同破碎施工参数对碎石化层粒径分布的影响
• 8.2.2 不同破碎施工参数对碎石化层顶面承载能力的影响
• 8.3 MHB 设备的一般施工工艺
• 8.3.1 破碎设备
• 8.3.2 碎石化前准备工作
• 8.3.3 碎石化施工
• 8.4 MHB 设备施工的质量控制指标体系与方法
• 8.4.1 碎石化工艺试验段设备参数推荐
• 8.4.2 施工质量控制的一般过程
• 8.5 碎石化施工中需特别关注的问题
• 8.6 本章小结
• 第9章 总 结
• 9.1 本论文主要研究结论
• 9.2 本文的创新点
• 9.3 需进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 附件一:攻读博士学位期间发表的文章
• 附件二:攻读博士学位期间出版的书籍
• 附件三:攻读博士学位期间获奖的科研项目