土工合成材料在低造价路面中的应用研究.doc

西部交通建设科技项目 合同号：2001 318 00046 土工合成材料在低造价路面中 的应用研究 研究报告简本 长沙理工大学 2006年7月 研究报告简本 本项目主要针对低造价沥青路面结构类型、应用土工合成材料处治低造价沥青路面的技术经济性分析、应用于低造价沥青路面的土工合成材料技术要求、土工合成材料处治低造价沥青路面基层设计方法和土工合成材料处治低造价沥青路面基层施工技术等五个主要方面展开研究。其中，紧紧围绕应用土工合成材料处治低造价沥青路面的技术经济性分析这一核心问题，结合工程应用和室内外试验，着重研究了应用土工合成材料改善沥青路面结构刚度、强度和承载能力（包括抗疲劳等长期性能）的机理。通过系列的调研、试验和理论分析，总结提出了土工合成材料处治、加固低造价沥青路面底基层、基层及面层的设计方法和设计标准以及相应的施工技术。 研究报告包括七章和一个应用指南。 第一章 低造价沥青路面结构类型及其土工合成材料潜在作用 详细地总结分析了国内外低造价沥青路面的结构类型，认为土工合成材料设置在基层与土基之间影响路基土与粒料基层的水稳定性、粒料基层的土污染、基层的整体性及其承载力；设置在基层与面层之间时影响沥青面层的疲劳开裂、半刚性基层沥青路面的反射裂缝、沥青路面的车辙。土工合成材料在低造价沥青路面中的潜在作用可以概括为三类主要作用：加筋，隔离与防渗。 第二章 试验路铺设方案、施工与测试 介绍了试验路基本情况、沥青路面结构试验方案、现场施工、原材料及各结构层性质试验、现场试验检测。 试验路选在张家界至罗依溪二级公路K45+500～K45+980段，其中填方200米，挖方280米。试验路按照不同的基层材料（级配碎石、水泥稳定碎石）、是否铺设土工合成材料、不同类型土工合成材料（土工格网、防渗土工布、防裂土工布）、土工合成材料不同的铺设位置（基层和底基层之间、基层与面层之间）的有限组合共分11个方案铺设，面层统一采用2.5cm细粒式沥青混凝土＋4cm热拌沥青碎石。 试验路于2003年10月底通车运行，跟踪观测的结果表明，整个试验路段使用状况良好。 第三章 粒料层回弹模量非线性模型及其参数反算 采用确定性优化反算方法，针对承载板多级非线性荷载，模拟承载板测路面弯沉的过程，编制了非线性有限元计算程序，对柔性路面结构层材料特性反算进行了系统的研究，主要成果包括: （1）在增量计算时引入迭代加速技术，改进高斯求解过程，有效地加快了计算速度；引入局部应力磨平技术，以及增量法的多阶自校正技术，极大的提高了非线性计算的精度，取得良好效果。 （2）采用了改进的非线性最小二乘优化方法－Marquardt法，并且针对本问题对该方法进行了相应改进，包括对病态矩阵判定条件以及灵敏度矩阵修正系数的转换，在将该方法引入本问题以后，由于实现了二阶近似，收敛稳定性得到提高，收敛速度显著加快。 （3）经过多种材料非线性本构模型的比选，最后选择了适应性较强的三参数模型来模拟碎石土、碎石基层材料的非线性性质。实际计算证明，该模型对反算材料性质模拟效果较好，反算弯沉与实测弯沉吻合程度高，能够满足工程中的实际需求。 （4）在选定的试验路段上，随着施工的进展，在路基、底基层、基层上分别进行了承载板弯沉检测，并且利用计算机模拟该过程进行了材料非线性特性参数反算。实际应用情况表明，静力线弹性反分析方法得到的结果在某些情况下明显不合理，而考虑应力非线性特性则可以给出合理的解答。 （5）结合反算所得数据进行了分析，校核了参数的准确性。同时，探讨了承载板下的路面结构层模量非线性分布规律： 第四章 土工合成材料加筋沥青路面的作用机理分析 1、进行了土工合成材料加筋沥青砼试件疲劳损伤试验及分析 这一部分主要工作及结论包括： ① 沥青路面分析仪（APA）往返轮载疲劳试验试验结果表明，土工布、玻璃纤维格栅加筋措施能显著地提高沥青混凝土梁式试件的疲劳寿命。 ② 采用有限元方法确定了APA梁式试件跨中应力分布，并结合弯曲试件疲劳损伤损伤演化方程，计算得到沥青材料疲劳损伤模型中的特征参数。 ③ 提出APA梁式试件力学模型，根据所得到的疲劳损伤特征参数,采用损伤力学有限元方法,模拟计算APA梁式试件的疲劳损伤断裂过程,分析试件疲劳损伤过程中的弯拉应力、跨中位移、损伤变量、裂纹扩展速率等的变化规律，预测沥青混合料试件失稳断裂时的裂纹长度，并比较加筋材料的加筋效果。疲劳寿命的数值模拟结果与试验结果吻合较好。证明了在APA试件弯曲疲劳试验情况下所提出的沥青混合料疲劳损伤模型的有效性。 ④ 关于疲劳裂纹形成阶段和扩展阶段的疲劳寿命分析指出，对于APA弯曲梁试件，其疲劳裂纹扩展阶段的疲劳寿命约为裂纹形成阶段的疲劳寿命的两倍。 2、进行了土工合成材料加筋沥青路面疲劳损伤寿命分析 得到如下结论： （1）对于级配碎石柔