岩土工程中的测算和高性能沥青路面应用状况浅谈

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  岩土材料是天然的地质历史的产物,它一般是碎散的、不连续或部分连续的介质。材料性质十分复杂;具有极大的时空变异性。在岩土工程中,其地基或者岩土环境几乎不可能完全探知;边界条件和操作过程也有很大的影响。因而岩土工程问题具有很强的不确定性。这种不确定性包括互补率的破缺,即非此非彼的情况,是属于模糊判断的课题。我国在建高速公路已开始推广美国高性能(SUPERPAVE)沥青路面,苏嘉杭高速公路率先在全线沥青路面三层结构上使用这一技术。这种路面结构形式出现时间相对较短,国外、国内经验相对乏。
  岩土材料 测算 高性能沥青路面 SUPERPAVE施工 路用性能
  岩土材料是天然的地质历史的产物,它一般是碎散的、不连续或部分连续的介质。材料性质十分复杂;具有极大的时空变异性。在岩土工程中,其地基或者岩土环境几乎不可能完全探知;边界条件和操作过程也有很大的影响。因而岩土工程问题具有很强的不确定性。这种不确定性包括互补率的破缺,即非此非彼的情况,是属于模糊判断的课题。另一方面是因果率的破缺,亦即因果关系的不确定性,一因多果。土以碎散的颗粒为骨架,由固、液、气三相物质组成;在其由岩石风化的生成、搬运和沉积过程中几经沧桑,形成了不同于其他材料的复杂的力学性质,而不同时空条件下土的性状也各不相同。所以尽管已提出的土的本构关系理论数学模型不下百种,动用了传统力学和现代力学的各种理论和手段,但是到目前为止,还没有一种为人们所公认的,能够准确、全面反映各种土的应力应变关系的数学模型。是否存在这样的模型也是值得怀疑的。
  在计算机和计算技术基础上发展起来的,以有限元为代表的数值计算是解决边值问题的强有力的手段。当用来计算弹性体时其精确程度令人叹为观止。其计算结果与光弹试验结果毫厘不差,结果光弹试验很快被废止。土是碎散材料,而在一般数值计算中首先被假设为连续体,然后被离散化,假设各单元间的结点位移协调,计算土体的应力变形关系。这常常不能反映土的变形的微观机理。以DDA(Discontinuous Deformation Analysis)为代表的离散单元计算方法在计算某些农产品(如谷类)和工业零件(如滚珠)时是相当成功的。数学模型和数值计算预测的另一个难点是土的参数的选取,它受到取样(制样)和试验手段的限制。原状土在取样过程中不可避免地受到扰动和发生应力释放,会破坏其结构性。即使是重塑土试样,制样的方式、器具和操作程序的差别也严重影响试验的结果。另一方面,目前使用的土工试验仪器也存在局限性。以真三轴仪为例,由于边界之间的干扰,试样的应力和应变的均匀是很难保证的。在我国每年发表和撰写了大量的论文和报告,提出了各种理论、模型、计算方法、计算程序和技术手段,常常伴以试验或者实测数据的验证,其结果也常常是“符合得很好”。自己的试验或观测证实了理论或者方法的完美,正是:“各夸自家颜色好,百花园中各称王。” 这种结果的可信性很值得怀疑。笔者在评阅一些论文和成果时,对于那些二者符合得完美到天衣无缝的图与曲线,常常怀有很大的不信任感;而对于存在相当差别,甚至坦率地承认预测的不成功的情况,则是完全理解的。可惜后者较少。 近年来,主要在国外进行了多次的“考试”或者“竞赛”活动:首先委托一个(或几个)单位进行所谓的“目标试验”,亦即需要预测或者预算的试验或实例。其结果是保密的,或者预测前不做试验,预测以后在试验。事先公布有关的土的一般资料、基本试验的数据(为确定有关参数)和目标试验的应力(应变)路径。在全世界或者一定范围征求参赛者(参加目标试验的人不参赛)。全部预测结果上交以后,公布试验结果。一般是召开研讨会,评估或者评分。参赛者也常常进行申辩和总结。这是一种客观、公正和有权威性的检查比较方式。也是推动岩土工程发展的十分有益的活动和手段。它使我们认识到在岩土工程领域,我们的认识能力和预测能力到底有多高。
  SUPERPAVE是美国耗资1.5亿美元的战略公路研究计划(SHRP)的重大组成部分之一,耗资约5000万美元。1992年SHRP计划结束后,在美国联邦公路局(FHWA)的大力推广下,美国大部分州已开始修建SUPERPAVE路面,1996年新建SUPERPAVE工程项目93个,1997年316个,2000年达3900个。2000年一年生产沥青混合料13400万吨,占沥青混合料总量的62%;2001年采用SUPERPAVE方法施工的沥青混合料占总量的82%。在SUPERPAVE的推广过程中,相关的争论一直很多。为此美国联邦公路局(FHWA)联合美国国家沥青路面协会(NAPA),组织专家组编写了SUPERPAVE施工技术指南,在NAPASR-180报告中发表。随后NAPA联合SAPA(美国各州沥青路面协会)针对原材料、混合料设计、拌和、摊铺、碾压、质量控制六个方面组织了一次全国调查,而这也正是我们国内推广SUPERPAVE常常遇到的、争议较多的问题,
  在美国,95%的承包商反映传统的石料可以满足SUPERPAVE要求,但要求水洗、保持潔净,还要使用较多的机制砂。而且用传统轧石设备完全可以生产出合格的SUPERPAVE的集料。但80%的承包商认为SUPERPAVE配合比级配比马歇尔配合比级配粗,且有80%的设计级配曲线位于限制区下方;60%的承包商感觉SUPERPAVE混合料级配曲线很容易满足限制区的要求,这就表明还有40%存在着一些问题,主要是不能满足VMA的要求。试验发现,混合料设计沿限制区上侧通过时更易满足VMA的要求,这种混合料和易性较好,容易施工;70%的SUPERPAVE级配曲线不允许穿过限制区,而另外30%允许穿过限制区,但要求混合料必须满足一些附加性能试验要求,如车辙试验等;80%的SUPERPAVE混合料没有使用回收沥青混合料(RAP),但一般的观点是随着SUPERPAVE混合料设计、施工水平的提高,混合料生产可以逐渐使用RAP。
  在美国已建的SUPERPAVE项目中,有70%的SU-PERPAVE混合料是由承包商自己设计的。几乎所有的承包商均反映SUPERPAVE旋转压实仪(SGC)性能良好,80%的沥青路面工程公司至少拥有一台SGC。
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