交通循环荷载作用下沥青路面非饱和柔性基层填料的变形及预测模型研究

In recent years, the flexible pavements have been applied widely in China. In flexible pavements, the unbound granular material(UGM) base course has increasingly been paid more attention as some advantages compared with semi-rigid base course. The materials--UGM, usually used as base layer, sub-base layer or subgrade layer, play an important role in the overall performance of the structure, especially in deformation behaviors, which are characterized by a long-term mechanical process and a short-term mechanical process. Especially, the deformation performance of UGM in pavements subjected repeated traffic loads is influenced by environment and degradation effects, such as changes in water content, fine content and the like. However, in the flexible pavement design method based on the elastic theory, the deformation of the UGM layers is calculated and designed without the consideration of changes in water content and fine content..As a result, in this study，the unsaturated elastoplastic deformation behavior of base layer UGM will be studied based on the laboratory experiments (repeated load triaxial test and soil water retention curve measurement) to make clear the development of the deformation and the coupled effects of water content, fine content and loading stress. Based on the results, the analysis of shakedown, effective stress and anisotropy will also be performed. Moreover, the effective deformation prediction models will be proposed and validated with finite element method. This work will be very helpful to the flexible pavement design and deformation control. Finally, the rutting problem, etc., can be reduced effectively.

近年来，我国沥青路面的比例呈逐年上升的趋势，其基层形式多采用半刚性基层，而半刚性基层在实际中可能出现反射裂缝等问题。因此，对于柔性基层的研究也逐渐开始受到重视。粒料填料（UGM）在构成柔性基层时，除了承受往复的交通荷载作用外，还受含水量和细粒含量改变等因素的影响。然而，目前基于弹性理论的路面设计方法并不考虑以上环境作用对粒料结构层的影响，进而对于路面结构的变形控制和预测来讲，发展已相对滞后。.本课题立足于国内外道路粒料的研究基础之上，以非饱和粒料的室内实验为手段（主要包括大型循环三轴实验以及水土特征曲线测定等），以柔性基层粒料的水力变形特性的分析和模型预测为最终目的，开展基于柔性基层粒料的含水率、细粒含量和加载应力水平等耦合作用影响下的弹塑性变形和预测模型研究，为提升我国柔性基层沥青路面结构在复杂水力耦合条件下的填料设计和变形控制等，提供基础理论依据和方法，最终有效地减少车辙等病害问题。

本项目针对复杂环境条件作用下路面结构中粒料填料/低粘结性填料的强度和变形问题，通过室内三轴实验，土柱实验，微观实验，理论建模，以及数值模拟，以水力耦合作用为核心，对该类材料的强度和变形发展机理进行了系统的研究。.在研究中首先考虑不同含水率，不同细粒含量以及不同加载条件下，对路基砂性土和基层粒料进行了室内三轴实验，以研究其强度和弹塑性变形规律。同时，考虑水力耦合作用对材料的安定状态和各向异性的发展进行了分析，建立了稳定状态的判断标准，优化了既有的弹性变形模型。进而将吸力作为影响其弹塑性变形发展的关键因素，并通过理论分析和数值计算，构建并优化出更加简便的吸力均一化理论模型。此外，借助建立的均一化模型还对极端气候作用下的风积沙路基进行了入渗规律及最大入渗深度的研究和建模。.此后，基于无粘结性填料的研究基础，进一步耦合胶凝材料的作用，针对低强度的水泥胶结再生填料进行了室内三轴实验，土柱实验，微观实验，理论分析等工作，重点考虑胶凝材料的水化龄期和胶凝材料用量等，对该类材料的强度和弹塑性变形机理问题进行了着重研究。并尝试分析了水力耦合作用随着胶凝材料的添加（即填料从无粘结性到低粘结性），以及龄期发展，对其强度变形发展规律的影响，建立了相应的分析体系和强度预测模型。.该项目研究成果为提升我国柔性基层沥青路面结构在复杂水力耦合条件下的填料设计和变形控制等，提供了基础理论依据和方法，最终能够有效地帮助减少车辙等病害问题。