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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學 號

專 業

性 別

入 學 年 份

黃志軒

201608020114

道路工程

男

2016

楊蘊韜

201638090229

道路工程

男

2016

劉彪

201608020832

道路工程

男

2016

周垚

201610010436

道路工程

男

2016

匡鵬程

201608021024

道路工程

男

2016

指導教師

謝軍

職稱

副教授

項目所屬

一級學科

道路與鐵道工程

項目科類(理科/文科)

理科

一、學生曾經參與科研的情況

1. 為確保項目的順利進行，進行了大量的材料性能試驗，掌握了相關的試驗方法及步驟，保證了自身的實踐能力；

2. 部分人員曾于2016年參與大學生創新項目立項，課題為基于裂隙度表征的膨脹土邊坡穩定性分析方法，對于項目的進行和完成擁有足夠的經驗；

3. 項目采用的剪切破壞試驗方法以指導老師研究方向為主，可以得到充分的指導以提高實驗可信度和精準度。

二、指導教師承擔科研課題情況

指導教師謝軍，一直從事路面結構設計理論與方法、路面材料、路面檢測與評價技術和路面養護管理等方面的工作。

1. 主持完成了包括國家自然科學青年基金、湖南省自科基金、交通運輸部應用基礎研究項目在內的縱橫向科研課題十余項。

2. 有大量的學術研究成果，曾在國內外期刊發表論文十余篇。

3. 曾獲中國公路學會科技進步獎三等獎1項(主持)、一等獎1項，湖南省科技進步獎三等獎1項，并榮獲長沙市首屆“青年科技獎”。

其中主持的“基于分形理論的瀝青路面剪切疲勞及破壞機理研究”(國家自然科學青年基金)、“瀝青混合料疲勞剪切破壞機理及剪切疲勞試驗研究”(交通運輸部應用基礎研究項目)在瀝青混合料剪切性能研究、剪切試驗方法開發等方面做了大量的工作，可為本項目實施提供較好的指導。

三、項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

3.1 目的

近年來，隨著我國道路交通運輸結構的變化以及交通量、軸載、渠化交通的增加，公路瀝青路面出現了車轍、推移、擁包、縱向開裂等病害，國內外研究資料表明：隨著軸載、胎壓、渠化交通等荷載條件的變化，瀝青路面面層受到較大的剪應力和剪應變作用，瀝青混合料的抗剪性能不足是引起這些病害的主要原因。

基于此問題，本研究項目通過分析瀝青路面剪切破壞的特征，提出高抗剪性能瀝青混合料的設計方案，旨在提高瀝青路面的抗剪切能力，減小剪切破壞危害。

3.2 內容

基于以上原因，本項目將通過以下幾個方面進行研究：

（1）進行廣泛而全面的室外現場調研，選取高速公路、城市道路、公交車站等不同地點進行實地考察，并采集瀝青路面剪切破壞的樣本。通過對多個不同種類的路段的剪切破壞情況的檢測，對瀝青路面發生剪切破壞的原因進行分析，根據道路情況的不同，對瀝青路面產生剪切破壞的影響因素進行歸納分析。

（2）對已有的有關瀝青路面剪切破壞的實驗方法進行深入研究和逐一嘗試，與此同時，學習此類實驗方法的設計思路，并通過對比得出各種方法之間的利弊。在充分理解各種方法原理的同時，借此獲得盡可能多的剪切破壞的實驗數據。實驗完成后，對數據進行處理，初步得出瀝青混合料配比與抗剪切強度之間的關系曲線。

（3）在前人相關研究成果的基礎上，對剪切破環的過程和影響因素進行嚴謹的理論推導，分析瀝青路面剪切破壞的形成機理及影響剪切破壞形成的因素。結合室外調研獲取的樣本數據，以及室內實驗得出的實驗結果，分析得到瀝青混合料的成分及配比與瀝青路面抗剪切強度之間的關系，從而總結出設計高抗剪切性能的瀝青混合料的基本思路。

（4）根據所得出的基本思路，嘗試修改瀝青混合料的配比以提高其抗剪切破壞性能，并付諸于實踐，通過實驗進行測定，在驗證方案可行性的同時，也對之前所得出各種理論分析的結果進行檢驗，確保其正確性。驗證無誤后則著重拓展思路，采用添加外摻材料的方法來改變瀝青混合料的配比，以期以此提高瀝青路面的抗剪切強度。

（5）對提出的多種理論方案進行實際嘗試，并進行實驗驗證其實際抗剪切能力，淘汰未提升瀝青混合料抗剪切強度的方案和成品有明顯的缺陷的方案，并在此過程中對已得出理論和設計思路進行進一步的完善。

在最后所得的方案中，則應綜合考慮成本，工藝，抗剪切強度提升幅度等多個指標進行綜合考量，逐一對比，并最終得出最佳的方案。

3.3 解決的主要問題

（1）通過室外現場調研，獲得剪切破壞的實地數據。

（2）研究和嘗試已有的實驗方法，初步得出影響抗剪切強度的因素。

（3）進行嚴謹的理論推導，完善自身的理論基礎。

（4）嘗試修改瀝青混合料的配比，提高其抗剪切破壞的性能。

（5）測定所提出方案的實際效果，得出最終結論。

就現實而言，近年來，公路瀝青路面出現了車轍、推移、擁包等新的病害，而瀝青混合料的抗剪性能不足則正是引起這些病害的主要原因。但另一方面，我國尚未對瀝青路面的抗剪切性能有明確的規定，這也間接導致了目前我國的瀝青路面在抗剪切性能方面往往存在不足。由此可見，提高瀝青路面的抗剪切性能顯然有著深遠的意義和極高的價值。

就理論而言，路面的剪切破壞雖然早已有之，但直到近年，剪切破壞對路面壽命的影響日益凸顯，學界對此的重視才開始逐步提高。甚至于缺少一個公認的實驗方法確認瀝青混合料的抗剪切強度，即使是國內廣受認可的單軸貫入法，其理論基礎也尚不完全明晰。著手對此進行研究，自然更易有所收獲，成果也將更有價值。

四、國內外研究現狀和發展動態

4.1 國外研究現狀

從二十世紀開始，國內外從瀝青路面抗剪強度、抗剪指標以及在路面荷載下所受剪切力分布等方面著手，進行了大量有關于瀝青路面剪切破壞的研究。

早在1928年，美國加州公路局O.J.波特等在對破損路面進行大量調查后，認為路面病害的產生與道路基層及面層材料的剪切強度與壓實度不足密不可分^[1]，但當時認為的主要原因還是土基材料的剪切強度不足引起的，并建立了以單位壓力p下產生貫入度來測試土基的強度，即CBR法。在這一理論基礎上，還得到了不同路面厚度下土基的抗剪強度與CBR值得關系?？梢?/span>CBR法也是早期道路研究人員對土基剪切應力的一種檢測方法，雖然尚未上升到路面的剪切強度，但也建立了道路一個新的研究方向。

V.R.Smith在三軸試驗下通過改變瀝青混合料類型、試驗的溫度以及加載頻率等分析不同試驗因素對瀝青混合料抗剪強度的影響^[2]。利用彈性理論方法系統全面的闡述了道路的剪切受力狀態，提出了瀝青混合料的破壞標準與混合料應該滿足的物理特性，還給出了混合料在不同路面荷載情況下應達到的剪切強度要求和諾模圖。

Zhang， Kun和 Muftah， Ahmed^[3]等人對十組不同 RAP 含量的瀝青混合料對比分析，驗證其體積指標、抗車轍性能、抗疲勞開裂性能和抗低溫開裂性能，提出含 RAP 瀝青混合料性能關聯設計方法。Soohyok Im^[4]等人也提出基于摻加 RAP 的新型瀝青混合料設計方法，該法又被稱為瀝青混合料均衡設計方法，并以此來確定最佳瀝青用量，室內及現場試驗研究顯示，該法能夠較好地均衡瀝青混合料路面的開裂和車轍問題。

4.2 國內研究現狀

對于瀝青路面的抗剪切性能方面，我國的研究起步比較晚，但幾十年來，關于這方面的研究成果也是蔚然可觀。

20世紀80年代，我國為了解決路面出現的車轍問題，進行了針對柔性路面結構設計的專項研究。但瀝青面層的抗剪指標一直沒有得到重視。

1991年，徐世法通過研究認為瀝青路面的擁包與推移變形是由于剪切應力的作用下形成的^[5]。并說明瀝青混合料的剪切變形不僅與剪切應力τ有關，還跟平均法向應力σm有關。當平均法向應力σm為正時會使混合料更密實，稱為負剪脹，反之會使混合料松散，稱為正剪脹，路面正是在不斷的正負剪脹作用下形成擁包與推移。

馬新、郭忠印等人通過建立三維有限元分析模型，研究移動荷載作用下瀝青路面結構中剪應力場的分布規律與半剛性基層瀝青路面動態響應，并分別計算了汽車在勻速行駛階段、制動階段時瀝青路面結構層的應力應變變化規律^[6]。結果表明：在汽車在制動階段相比勻速行駛階段時路面結構層中的最大豎向位移與豎向最大剪應力基本保持同一水平，但水平最大剪切應力大大增加。

王旭東，張蕾^[7]等提出了基于骨架嵌擠原理的瀝青混合料均衡設計法。該法認為在某一特定的壓實功作用下，無論何種礦料級配，起潤滑和填充作用的瀝青會將混合料的框架結構逐漸撐開，則定義混合料框架結構在被撐開前的狀態為其最緊密狀態，它是混合料壓實過程中的一個狀態節點。盡管很多國家瀝青混合料的抗剪因素都沒有納入設計控制指標中，但是各國的道路工作研究者都深知抗剪因素的重要性。相關研究者對瀝青混合料的抗剪切性能做了大量的研究，并取得了很多成果。而瀝青混合料的設計是一個集材料設計和性能設計于一體的過程，涵蓋范圍廣，諸多研究也大都是基于既有的系統設計方法從不同角度做了進一步優化，應用局限性較大，存在進一步完善的空間。

參考文獻

[1] 沙慶林. 柔性路面結構設計方法[M]. 北京: 人民交通出版社， 1988

[2] V.R.Smith. stability method for flexible pavements design. proceedings of association of asphalt paving technologists， Triaxial 1949 February 14 and 15

[3] Zhang K. Muftah., Ahmed W.， et al. Performance-Related Design Method for Asphalt Mixes That Contain Reclaimed Asphalt Pavement (RAP) [A]. TRB 95th Annual Meeting Compendium of Papers Transportation Research Board Annual Meeting[C]，2016:16-26.

[4] Soohyok I., Pravat K.， Fujie Z., Development of new mix design method for asphalt mixtures containing RAP and rejuvenators[J]. Construction and Building Materials， Volume 115:727-734.

[5] 徐世法. 高等級公路道路瀝青路面車轍的預估與防治[同濟大學博士學位論文][D].上海: 同濟大學，1991

[6] 馬新，郭忠印. 動載作用下瀝青路面的剪切破壞機理[J]. 中路公路學報， 2009， 22(6):34-39

[7] 王旭東，張蕾. 基于骨架嵌擠型原理的瀝青混合料均衡設計方法[M].北京，人民交通出版社，2014.5

五、本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

5.1 查閱與本項目相關的文獻

利用搜索引擎和知網等方式，我們詳細了解了與本項目相關的國內外發展現狀及概況，并進行了總結和分析。雖然瀝青路面的剪切破壞已經日益得到重視，但相關研究情況依然遠不如路面其他方面，而對于瀝青路面的抗剪性能的考慮也依舊十分不足?？辜粜陨形醋鳛闃藴手械囊徊糠?，成為對瀝青混合料的硬性要求，由此可見，我們的研究是有著深遠意義和有所創新的，而非無用的重復前人的事業。

5.2 進行與本項目相關的實驗

利用學校已有的設備，我們進行了大量材料性能方面的實驗。從而掌握了相關的試驗方法及步驟，積累了使用儀器設備的經驗，為項目中實驗的進行打下了基礎。同時，指導老師也帶我們查看并使用了扭轉剪切破壞的實驗儀器，詳細闡述了其實驗過程，作用機理，和結果分析方法，為我們之后的剪切破壞實驗做好了準備。

5.3 部分成員參與過大學生創新項目立項

部分成員于2016年參與了大學生創新項目立項，課題為基于裂隙度表征的膨脹土邊坡穩定性分析方法。雖然此課題與我們的項目相關性有限，但他們擁有了進行實驗和完成一個課題的經驗，這對我們十分有幫助，可以在很大程度上保證我們項目流程的順利進行。

六、項目的創新點和特色

6.1創新點

（1）通過設計新的瀝青混合料的配比以及外摻材料，來提高瀝青混合料的抗剪性能，從而延長瀝青路面的使用年限；

（2）在試驗中創新性的運用更易操作的正應力條件下的扭轉剪切試驗方法，簡化試驗方法，提高試驗效率，增加試驗次數，使試驗所得數據更具有可靠性；

（3）尤其針對于中南地區的路段進行研究分析，使得本項目的研究成果更加適應于中南地區路段；

6.2 特色

（1）由于瀝青混合料的抗剪切性能影響因素復雜多變，通過現場調研和室內試驗，綜合評價瀝青混合料的路用性能；

（2）所用的試驗材料簡單易得且經濟性好；

（3）設計了多組對照試驗，提高了試驗數據的精確度，使試驗結果更具說服力和可靠性；

（4）正應力條件下的扭轉剪切試驗方法操作流程簡便，便于現場試驗施工的展開。

七、項目的技術路線及預期成果

7.1 技術路線

（1）收集相關的資料與論文，并對這些資料的理論進行學習，為后面的實驗研究打下理論基礎。

（2）對各路段進行實地調查，對受到剪切破壞的瀝青路面進行觀測和取樣，匯總后進行實驗測定和理論分析。

（3）利用分析結果，大膽設計出多種瀝青混合料試件的配比，并以此配比進行配制，之后對其進行正應力條件下的扭轉剪切試驗。

（4）對正應力條件下的扭轉剪切試驗所得數據進行分析處理，得到抗剪能力好的配比，再將該配比細分，重復實驗，最終確定最優配比。

7.2 預期成果

（1）借助整理掌握的資料，在導師指導下，分析不同地段瀝青路面發生剪切破壞的原因及影響剪切破壞的相關因素，對此撰寫小論文；

（2）對相關實驗方法進行深入研究和逐一嘗試，通過對比得出各種方法之間的利弊，并對實驗數據進行處理，初步得出瀝青混合料配比與抗剪切強度之間的關系，并記錄分析報告。

（3）提出新的瀝青混合料配比，配制后進行正應力條件下的扭轉剪切試驗。反復試驗，分析試驗數據，進行總結后，最終得到最優抗剪瀝青混合料配比，申請專利；

（4）整理形成系統性瀝青路面剪切破壞特征的研究報告，撰寫高抗剪性能的瀝青混合料的研究論文以及創新實驗項目的總結報告。

八、年度目標和工作內容（分年度寫）

近些年來隨著我國交通量的快速增長，瀝青面層失穩流動產生的車轍變形，交叉口及大縱坡路段瀝青層間推移，擁包變形等破壞已成為我國高等級公路主要的破壞類型之一。而導致上述病害的主要原因就是瀝青混合料抵抗剪切流動變形的能力不足。本項目試圖從剪切方面入手，提出抗剪性能更好的瀝青混合料的設計方法。通過對現場的調查檢測，了解瀝青路面發生剪切破壞的表現，分析主要原因。針對瀝青路面的剪切破壞，從材料配合比設計的角度進行研究，運用正應力條件下的扭轉剪切試驗不斷嘗試設計出更好的瀝青混合料，提出抗剪性能更好的瀝青混合料的設計方法。

2018上半年：根據所做項目，學習必須的基礎理論知識，掌握必要實驗技能，查閱相關資料，制定研究方案、確定研究技術路線。

2018下半年：選定具有代表性的路段，進行現場勘測，收集檢測數據，總結路面剪切破壞的表現及成因，并提出抗剪性能更好的瀝青混合料的設計方法。

2019上半年：根據現場結果和理論知識，試配瀝青混合料試件，進行正應力條件下的扭轉剪切試驗對比，不斷進行改良，篩選出抗剪切性能最好的試件，其代表的瀝青混合料設計方法即項目所求設計方法。

2019下半年：總結項目以上進程，撰寫小論文，完成項目結題報告。

指導教師意見

項目針對我國瀝青路面剪切破壞發生現狀，從破壞原因，破壞機理入手，分析瀝青路面剪切破壞影響因素，采用正應力條件下的扭轉剪切試驗方法，對不同配比的瀝青混合料進行剪切實驗。從材料設計角度對比不同配合比優劣，提出抗剪性能更好的瀝青混合料設計方法。

項目研究目標明確，技術路線合理，研究方案可行，有較好的創新性。同意并支持項目立項申請，并及時指導督促，保證項目順利實施及完成研究任務。

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