分析路面设计中对稳定路基土质劣化的思考外文翻译资料

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分析路面设计中对稳定路基土质劣化的思考

Jabar M. Rasul , Michael P.N. Burrow, Gurmel S. Ghataora

摘要：

道路路基土的稳定可能会大大改善其机械性能，然而在累积交通荷载和风化的综合作用下，这些材料会随着时间的推移而恶化并且失去性能。然而，目前的道路设计程序忽略了稳定土壤的这种恶化，因此它们的使用可能导致道路设计不足，并导致无计划的维护和/或过早的道路破坏。为了解决这个问题，这项研究提出了一个研究项目的结果，该项目结合了实验，分析和数值工作，这些工作被用于开发一种方法，该方法可以首次用于精确设计包含稳定路基土的路面。一个广泛的实验程序进行了实验室耐久性测试，以确定稳定路基土壤的机械性能，在回弹模量和永久变形方面，在润湿和干燥周期。耐久性测试的结果用于验证分析预测方程，该方程考虑了在润湿和干燥周期之后发生在材料上的变化。实验结果表明，对于用不同量的石灰 - 水泥稳定的三种细粒状路基土壤，在25次循环的湿润和干燥循环之后，弹性模量降低。为了充分复制稳定化路基在分析路面设计中的应力依赖性，我们开发了两个方程，将稳定土的弹性模量与无侧限抗压强度（UCS）联系起来。所开发的方程与道路路面的数值有限元模型一起使用，以在工程学基础上为各种稳定土壤确定最合适的道路路面设计。

关键词：恶化、稳定、路基土、分析路面设计

绪论：道路铺设是一种结构体系，其在预定的时间内能够承受交通和环境的综合影响，从而使路基得到充分保护，并将车辆运营成本和安全性保持在可接受的限度内（McElvaney和Snaith，2002年）。在使用分析过程进行道路路面结构设计时，会使用路面结构的数字模型来确定路面结构内关键位置的应力，应变和变形。这样的模型需要表征包括道路铺面的材料的适当弹性模量值。将如此确定的临界应力，应变和变形与通过重复加载实验室实验确定的允许值进行比较以制定设计。然而，许多细粒路基土的弹性模量和抗永久变形能力受水分含量变化的影响很大。因此，这些土壤通常需要通过机械或化学手段进行稳定（Little，1987; Bell，1996; Addison和Polma，2007; Solanki等，2010; Rout等，2012; Jameson，2013; Bowers等，2013; Rasul等，2015）。尽管如此，稳定的土壤在负载重复和风化作用下仍然会出现明显的恶化（参见Wu et al。，2011）。因此，当稳定的土壤用于道路路面时，正确描述其性能是非常重要的，这样可以适当地设计道路路面（Wu et al，2011）。 Hicks（2002）确定了稳定路基层成功设计的三个重要考虑因素;结构设计，材料混合设计和稳定层的结构。关于结构设计，要使用的性能标准取决于所使用的稳定化类型。根据其绩效标准，这些分为三类：（i）不受限制的材料;其厚度由路基应变控制，这种类型没有明显的抗拉强度; （ii）修改材料;设计标准为路基应变，并进行改良以增加强度并降低细粒土的湿度和冻结敏感性; （三）绑定材料;添加这种类型的稳定剂会增加层的抗拉强度，并且性能标准是疲劳和侵蚀（Hicks，2002）。适当的稳定混合料设计需要将土壤和稳定剂按正确比例组合以达到所需的强度和耐久性（Paige-green，2008）。

然而，尽管最广泛使用和公认的分析道路路面设计程序允许使用稳定的路基层，但它们没有考虑到这些层的机械性能的恶化。这样的设计程序包括使用：美国（ASHTO MEPDG，德克萨斯州DOT，佛罗里达DOT和伊利诺斯DOT）; （ii）英国设计方法;法国设计方法和澳大利亚设计方法（昆士兰DOT，维多利亚设计方法和道路和海事服务设计方法）。 Jameson（2013）给出了这些设计方法对稳定路基层考虑的有用总结。许多研究人员用弹性模量和永久变形性能评估了稳定路基土的性能（例如参见Chauhan等，2008; Abu-Farsakh等，2014）。然而，考虑到稳定路基土的耐久性受到分析路面设计的润湿和干燥循环（即风化）的影响，文献中很少有研究可以发现。这包括使用适当的弹性模量值来表征材料性能的经验实验室模型的数值模型和永久变形行为。为了解决上述问题，本文描述了一种使用边缘材料设计道路的新颖严谨方法。该方法利用（i）一组实验室实验来确定许多稳定土壤的耐久性，作为累积交通荷载和风化的函数，（ii）确定分析路面设计的合适弹性模量值的方法，以及（iii）一种新颖的耐久性模型，（iv）路面的数字模型。通过一个例子来说明路面设计方法的有用性和重要性。

实验计划：

考虑了三种细粒路基土。根据AASHTO分类系统（AASHTO，M145）的分类以及指数性质和粒度分布如表1所示。土壤用不同的稳定剂比例稳定化如下：2％CC，4％CC，2％CC 1.5％LC和4％CC 1.5％LC（CC：水泥含量和LC：石灰含量）。所有稳定的土壤样品在湿度100％，温度21plusmn;2℃的潮湿箱中固化7天。

使用样品进行实验：（i）根据材料的弹性模量和劣化行为推导耐久性方程，（ii）开发两个与弹性模量和无侧限抗压强度（UCS）有关的方程，和（iii）验证（i）和（ii）中导出的等式。

使用两种程序确定稳定和未稳定土壤的弹性模量值。第一种方法遵循AASHTO T307程序（AASHTO，2006），其中确定了五种偏应力和三种围压的组合的弹性模量值（即15种组合）。使用的五个偏向性压力是;分别为12.4,24.8,37.3,49.7和62.0 kPa，三种围压分别为：分别为41.4,27.6和13.8kPa。在第二种方法中，弹性模量值由单层和多层永久变形试验确定，其中弹性和永久应变分开。弹性和永久应变分别用于确定弹性模量和累积永久变形。多级永久变形试验分为5个阶段，分别在12.4,24.8,37.3,49.7和62.0 kPa的五个偏应力下进行10,000次循环。所有阶段使用相同的27.6千帕的围压。在单级试验中，材料经受50,000次循环，偏差应力为62.0和120.0kPa，围压分别为27.6和12.4kPa。第二个程序中的弹性模量值由每个阶段的最后五个循环的平均值确定;即在多阶段10,000次循环和单阶段测试的50,000次循环之后，这些值用于道路铺设设计目的。

为弹性模量和永久变形测试制备100mmtimes;200mm的样品，而对于无侧限抗压强度测试样品制备成尺寸为50mmtimes;100mm。 使用Proctor测试确定样品的最大干密度和最佳含水量。 对于未稳定和稳定的土壤，BS 1377-4：1990中给出的程序第3节土木工程用土壤测试方法第4部分：压实相关测试和BS 1924-2：1990第2节土木工程用稳定材料 第2部分：水泥稳定和石灰稳定材料的试验方法。 所有样品在95％最大干密度和100％最佳含水量下压实，参见表2。

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