路基路面工程第3章.ppt

路基路面工程,授课教师：韦璐,第三章 道路建材的力学性质,1,2,3,4,8,路基土的基本力学特征,土基承载能力指标,路面材料的基本力学特性,材料的疲劳特性,目 录,一、土的应力应变关系,3.1 路基土的基本力学特征,土基变形包括弹性变形和塑性变形。主要研究方法一般采用圆形刚性承载板法（图a）和三轴试验法（图b）。 应力与回弹变形的关系：非线性 应力-应变特性：非线性、弹塑性,由图c可见，当荷载卸除，应力恢复到零时，曲线由A回到B，0B即为塑性或残余变形。,（一）土的非线性特性,图 土的应力应变关系曲线,3.1 路基土的基本力学特征,用模量值E来评定土基的应力-应变状态，有四种模量值： 初始切线模量：应力值为零时的应力-应变曲线的斜率，如图c中的； 切线模量：某应力级位处应力-应变曲线的斜率，如图c中的，反映该级应力处应力-应变的精确关系。 割线模量：以某一应力值对应的曲线上的点同起始点相连的割线的斜率，如图c所示，反映土基在工作应力范围内的应力-应变的平均状态； 回弹模量：应力卸除阶段，应力-应变曲线的割线斜率，如图c中所示。,3.1 路基土的基本力学特征,（二）土基的模量,二、重复荷载下路基土变形特征,3.1 路基土的基本力学特征,一般呈如下规律：每一次荷载作用之后，回弹变形即行消失，而塑性变形不再消失，并随荷载作用次数的增加而累积逐渐加大，但随着荷载作用次数的增加，每一次产生的塑性变形逐渐减小。 结果：土粒进一步靠拢，土体进一步逐渐密实而稳定； 累积变形逐步发展成剪切破坏。 出现哪一种结果取决于三种因素： 土的类别和所处的状态（含水量、密实度、结构状态）。 应力水平（亦称相对荷载）。相当于一次静载作用对的应力 极 限极重复作用的应力程度。 荷载作用的性质。即重复荷载的施加速度、作用的的持续时间和重复作用频率。,3.2 土基承载能力指标,土基的承载能力是采用一定应力级别下的抗变形能力来表征的，它是保证土基能安全使用并且变形在容许范围内，土基所能承受的最大荷载值。 常用的土基承载能力的参数指标：回弹模量、地基反应模量和加州承载比。,3.2 土基承载能力指标,一、路基回弹模量,回弹模量能较好地反映土基所具有的部分弹性性质，可以用回弹模量表示土基在瞬时荷载作用下的可恢复变形性质。我国公路水泥混凝土路面、沥青路面设计方法都以回弹模量E作为土基的刚度指标。,路基模型：弹性半空间体,测定方法：现场承载板试验和弯沉试验,3.2 土基承载能力指标,承载板实测,由于刚性承载板试验中，压板下等值的扰度易于测量，压力容易控制，因此在实测中用得较多。试验时采用逐级加载卸载法，每级增加0.04MPa，待卸载稳定1min后读取回弹弯沉值，再加下一级荷载，回弹变形超过1mm时停止加载。按规定取=1mm以内的测点用线性归纳法整理。 路基回弹模量计算公式如下：,3.2 土基承载能力指标,路基回弹模量值表示垂直荷载作用下土基抵抗垂直变形的能力。 若荷载为定值，回弹模量大，则产生的垂直变形小； 若垂直变形为定值，回弹模量大，则土基承载能力大。,3.2 土基承载能力指标,二、地基反应模量K,3.2 土基承载能力指标,文克勒地基模型是原捷克斯洛伐克工程师文克勒(Winkler)1876年提出的，其基本假定是地基上任一点的弯沉仅与作用于该点的压力p成正比，而与相邻点处的压力无关。,路基模型：文克勒地基（弹簧地基）,测定方法：承载板试验测定（一次加载到位）,文克勒地基模型,3.2 土基承载能力指标,3.2 土基承载能力指标,三、加州承载比（CBR）,加州承载比CBR是美国加利福尼亚州提出的一种评定基层材料承载能力的试验方法。承载能力以材料抵抗局部荷载压入变形的能力表征，并采用标准碎石的承载能力为标准，以相对值的百分数表示CBR值。,CBR试验装置示意图,3.2 土基承载能力指标,标准压力值,试验时19.35cm2标准压头，以0.127cm/min压入土体，记录每压入0.254cm时的单位压力，直至深度达到1.270cm为止。标准压力值是用高质量标准碎石由试验求得。,3.2 土基承载能力指标,CBR适用于经验路面设计法，或用于对土或其他筑路材料以及土基本身进行强度评价。可以与土基回弹模量建立相关性很好的换算关系。,计算CBR值时，取贯入度为0.254cm。但是当贯入度为0.254cm时的CBR值小于贯入度为0.508cm时的CBR值时，应进行复核性试验。试验有室内试验与室外试验两种。,3.3 路面材料的基本力学特性,一、主要路面材料类型,松散颗粒型材料及块料 水泥混凝土材料 无机结合料类材料 沥青结合类材料 由于材料（整体性材料和非整体性材料）的基本性质和成型方式的不同，各种路面结构具有不同的力学强度特性（即应力-应变关系），也使得路面具有不同的使用品质和使用寿命。,3.3 路面材料的基本力学特性,二、应力-应变特性,1.无结合料的碎石、砾石材料无法通过成型试件测试应力-应变特性，可用三轴压缩试验结果来反映。其表现出明显的非线性特征。 2.水泥混凝土的抗压强度和抗压弹性模量采用棱柱体的单轴加压进行测试。 3.无机结合料宜采用三轴压缩试验测定其应力-应变特性关系。结果也呈现出非线性特征。,3.3 路面材料的基本力学特性,4.沥青混合料的应力-应变特性测试也相同。在低温下，可采用单轴试验或小梁试验，在高温下，可用三轴压缩试验测定。 由于沥青混合料中的结合料-沥青具有依赖于温度和加荷时间的粘弹性性状，所以不能用一个常量弹性模量来表征沥青混合料的引力-应变特性关系。,二、应力-应变特性,三、抗剪强度,3.3 路面材料的基本力学特性,路面结构层因抗剪强度不足而导致的破坏有三种情况： 1.路面结构层厚度较薄，总体刚度不足，车轮荷载通过薄层结构传递给土基的剪应力过大，导致路基路面整体结构发生剪切破坏； 2.无结合料的粒料基层因层位不合理，内部剪应力过大而引起部分结构层产生剪切破坏； 3.面层材料的抗剪强度过低，在受到较大水平力作用时，面层材料产生纵向或横向推移等各种剪切破坏。,3.3 路面材料的基本力学特性,摩尔(MohrCoumbnb)强度理论，材料的抗剪强度包括摩擦阻力和粘结力两部分组成，摩擦阻力同作用在剪切面上的法向正应力成正比；粘结力为材料固有性质，与法向正应力无关，即： 式中 抗剪强度，kPa； c材料的粘结力，kPa； 法向正应力，kPa； 材料的内摩阻角。 c和 是表征路面材料抗剪强度的两项参数，通过直接剪切试验，绘出-曲线后，按上式确定。,四、抗拉强度,3.3 路面材料的基本力学特性,沥青路面、水泥混凝土路面及各种半刚性基层在气温骤降时产生收缩（温缩），水泥混凝土路面和各种半刚性基层在大气湿度发生变化时，产生明显的干缩，这些收缩变形受到约束阻力时，将在结构层内产生拉力，当材料的抗拉强度不足以抵抗上述拉应力时，路面结构会产生拉伸断裂。 抗拉强度可由直接拉伸或间接拉伸试验确定。 间接拉伸试验通常采用劈裂试验。,五、抗弯拉强度,3.3 路面材料的基本力学特性,用水泥混凝土、沥青混合料以及半刚性路面材料修筑的结构层，在车轮荷载作用下，处于受弯曲工作状态。有车轮荷载引起的弯拉应力超过材料的抗弯拉强度时，材料会产生弯曲断裂。 弯拉强度大多采用简支小梁试验进行评定。,.定义：材料承受多次重复应力作用会在低于材料极限强度的应力值出现破坏的现象。 .产生原因：材质不均匀，引起应力集中后出现裂纹，在应力反复作用下逐渐扩展，从而使受力面积减少，应力下降，导致破坏。 .疲劳极限：出现疲劳破坏的反复应力大小（疲劳强度）随应力重复次数的增加而降低。有些材料在应力反复作用一定次数（如一千万次）后，出现破坏时的反复应力值不再下降而趋于稳定，此稳定值叫疲劳极限。,3.4 材料的疲劳特性,3.4 材料的疲劳特性,一、沥青混合料的疲劳特性,(一)试验方法和疲劳方程 控制应力试验或控制应变试验 用下述方程来估计材料的疲劳寿命：,(二)混合料组成对疲劳性状的影响 莫尼史密斯等提出的疲劳方程： 沥青含量多、针入度低、孔隙含量少的密实型沥青混合料，其劲度高，对疲劳的抵抗能力强，使用寿命长；反之疲劳寿命低。,3.4 材料的疲劳特性,二、水硬性材料的疲劳特性,疲劳曲线的规律： 随着应力比的增大，疲劳寿命显著减小； 同一应力比下，疲劳寿命相差较大，表明实验结果离散性较大； 疲劳方程的建立，在半对数坐标上，在一定疲劳寿命范围内，呈现直线形； 在作用次数107次时，应力比0.55，此时未发现疲劳极限。 当应力比0.75，重复荷载的施加频率对疲劳寿命的影响（荷载间歇时间）很微小。,3.4 材料的疲劳特性,三、曼宁（Miner）定律,3.4 材料的疲劳特性,目前，常用曼诺在研究金属疲劳时所作出的假定来处理以上的问题：各级荷载作用下材料所出现的疲劳损坏可以线性叠加。 假设某一