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级配碎石排水与力学性能平衡设计研究
| 论文题名： | 级配碎石排水与力学性能平衡设计研究 |
| 关键词： | 沥青路面;级配碎石;CBR值;回弹模量;渗水系数;离散元 |
| 摘要： | 级配碎石是一种不添加粘结剂的粒料类材料，其作为散体颗粒体系具有良好的应力消散作用，应用于全柔性沥青路面或倒装路面结构中的基层可以消除或减少反射裂缝。由于空隙率较大，级配碎石基层同时具备良好的路面结构排水功能，可以降低路面结构的水损害，延长路面使用寿命。然而我国现行规范仅给出了级配碎石的范围区间，而该范围内级配碎石的性能存在较大差异，给设计人员的选取造成了较大的困扰。因此，针对高等级公路的使用区域及性能需求，本文研究不同级配条件下，级配碎石的力学性能与排水性能，提出兼顾力学性能与排水性能的级配碎石级配。 首先，基于离散元PFC5.0软件建立级配碎石试件模型，开发包括终止条件、指标计算的虚拟CBR试验自动化程序，实现不同级配条件下级配碎石CBR值的快速、自动化计算。在室内分别开展4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm和19mm五档料的CBR测试，并利用室内测得的CBR值进行模型微观参数的标定，验证优化离散元微观参数的可靠性，为后续章节的准确分析提供基础。 其次，设计9组满足高速公路和一级公路基层使用要求的级配碎石级配，进行虚拟CBR试验，研究4.75mm以上筛孔通过率对CBR值的影响。开发基于接触点数量、平均接触力与颗粒位移的微观尺度评价指标，研究上述参数在CBR试验过程中的变化特征，并分析筛孔通过率与最大粒径颗粒含量对微观参数的影响。结果表明，最大粒径颗粒含量的增加有助于CBR值增加，因此可以通过适当增加级配碎石的最大粒径含量以提高CBR值。 再次，建立含有级配碎石基层的倒装式路面结构和柔性基层路面两种沥青路面结构的有限元模型，研究级配碎石模量对路面结构力学响应的影响。结果表明级配碎石基层模量的增加有助于增加沥青面层的疲劳寿命，因此在路面结构设计时建议回弹模量取高值。结合离散元方法进行虚拟动三轴试验，得到不同围压、偏应力、级配下的回弹模量值，并获得本构模型拟合方程。结果表明，回弹模量随围压、偏应力的增加而增加，因此在实际施工时建议对级配碎石基层充分压实，以保证较大的围压。 最后，基于离散元三维颗粒库成型级配碎石，实现级配碎石空隙结构的分类、提取与可视化。结合FLOW3D仿真试验，发现级配碎石渗水系数与有效空隙体积与有良好的线性关系。进行室内渗水试验，试验结果表明级配碎石的渗水系数随细集料占比、0.6mm筛孔通过率和0.075mm筛孔通过率的增加而减小，因此对于小于4.75mm的筛孔通过率，建议在规范范围内取低值。综合力学性能与排水性能，建议选取文本的级配8作为级配碎石基层级配。 |
| 作者： | 乐琪琦 |
| 专业： | 道路与铁道工程 |
| 导师： | 张伟光 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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