（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料强度理论与应用研究.pdf

摘要 沥青路面是我国高等级公路的主要路面型式，沥青路面强度的高低直接影响 公路的运营能力和安全舒适性，因此，如何保证或提高沥青混合料的强度至关重 要。实践中，沥青路面结构中沥青混合料的真实受力状况为三向应力状态，而 m o h r - c o u l o m b 强度理论及其相应的闭式三轴试验都未考虑中问主应力对强度的 影响，其表现的应力状态与路面结构中沥青混合料的真实受力状态不符。以往沥 青混合料研究对中间主应力分析较少，尤其未提及对沥青混合料强度的贡献。因 此，有必要研究中间主应力对沥青混合料强度的影响。 在国内外研究成果基础上，对沥青混合料的中间主应力效应进行试验研究。 研究表明，沥青混合料强度随中间主应力的增大而增大。在考虑各因素交互作用 的条件下，正温、零和负温的正交试验显著性分析得出：中间主应力对沥青混合 料的强度有显著影响。因此，对沥青混合料强度研究而言，沥青混合料的中间主 应力效应不可忽视。双剪强度理论能考虑中间主应力对材料强度的影响，因此， 可选择双剪强度理论分析沥青混合料的强度。 针对沥青混合料中间主应力效应试验研究的特点，自行设计制作了平面应变 试验装置，确定了沥青混合料试件的形状和尺寸、试件的成型方法、试验温度及 加载速率。对不同试验条件下的沥青混合料破坏试件进行对比分析。通过回归分 析得到中间主应力方向有侧限，加载速率2 m m m i n 时，温度与强度的关系；通过 回归分析得到中间主应力方向有侧限时，- 1 0 变化到2 5 。c 时一组温度下的加载 速率与强度的关系。对不同温度、不同加载速率下应力应变曲线进行回归分析， 得到中间主应力方向有侧限，加载速率2 m m m i n 时，不同温度下应力应变曲线的 表达式。确定了应力应变曲线的两种典型型式。提出了确定沥青混合料弹性极限 的具体方法。 双剪强度理论的屈服准则可以对应于刚性基层沥青路面面层的剪切破坏模 式，可将其应用于沥青路面面层厚度计算中。基于数值计算，建立刚性基层缩缝 处沥青路面结构的三维有限元模型，分析刚性基层缩缝处沥青面层的中间主应力 以及与之有关的正应力o1 2 、o2 3 与主剪应力11 2 、c2 3 ，并对不同因素下的三个 主剪应力l 【1 2 、t2 3 和t1 3 以及与其对应地正应力01 2 、o2 3 和01 3 进行了排序， 为正确使用双剪强度理论公式奠定基础。荷载应力分析表明：因素变化不影响剪 应力与正应力的排序；温度应力分析表明：剪应力与正应力的排序具有区间性。 依据双剪强度理论，以试验研究结论、力学分析结果为基础，综合考虑以往的研 究成果，初步提出基于双剪强度理论的沥青面层厚度分析方法。 关键词：沥青路面，沥青混合料强度，双剪强度理论，中间主应力，应力应 变曲线，荷载应力，温度应力，剪切破坏，厚度计算 a b s t r a c t s of a ra se x p r e s s w a yi sc o n c e m e d ，a s p h a l tp a v e m e n ti so n eo fm o s tt y p i c a l p a v e m e n t si nc h i n a , a n dh i g h w a y st r a n s p o r tc a p a c i t y 、s a f e t ya n ds t a b i l i t yd e p e n do n a s p h a l tp a v e m e n t sq u a l i t y , w h i c hh a sr e l e v a n c ew i t hs t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r e b e c a u s eo fi t ，h o wt oi m p r o v es t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r ei sb e c o m i n ga ni m p o r t a n t p r o b l e m i nf a c t ，a s p h a l tm i x t u r ei na s p h a l tp a v e m e n ti ss a i dt ob ei nas t a t eo ft r i a x i a l s t r e s s ，h o w e v e r , b o t hs t r e n g t ht h e o r yo fm o l a r - c o u l o m ba n da x i s y m m e t r i ct r i a x i a l t e s t i n gm e t h o dd on o t i n c l u d ei n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s ，a c t u a l l y , i ti sn o t a c c o r d a n c ew i t ht h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c ei na s p h a l tp a v e m e n t e s p e c i a l l y , t h e r ei sn o r e p o r t o nb o t hi n t e r m e d i a t e p r i n c i p a ls t r e s s a n di n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s s i n f l u e n c eo ns t r e n g t hi nt h ep a s tr e s e a r c ho fa s p h a l tm i x t u r e a l li na l l ，i ti sn e c e s s a r y t os t u d yi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s si n f l u e n c eo ns t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r e b a s e do nt h ew o r l d w i d er e s e a r c h ，i n f l u e n c eo fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s so n s t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r ei s s t u d i e db yt e s t i n gm e t h o d t e s ts t u d ys h o w st h a t s t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s w h e nb o t hi n t e r a c t i o no fd i f f e r e n tf a c t o r sa n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea r ec o n s i d e r e d ， o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g ns i g n i f i c a n c ea n a l y s i s s h o w st h a ti n t e r m e d i a t e p r i n c i p a ls t r e s sh a sa no b v i o u si n f l u e n c eo ns t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r e t h e r e f o r e ，s o f a ra st h er e s e a r c ho fs t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r ei sc o n c e r n e d ，e f f e c to fi n t e r m e d i a t e p r i n c i p a ls t r e s ss h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t a c t u a l l y , e f f e c to f i n t e r m e d i a t ep r i n c i p a l s t r e s sc a nb ec o n s i d e r e di n 铆i ns h e a rs t r e n g t ht h e o r y ，h e n c e ，t w i ns h e a rs t r e n g t h t h e o r ys h o u l db et h o u g h to fa ss t r e n g t ht h e o r yo fa s p h a l tm i x t u r e c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft e s t i n gm e t h o df o ri n t e r m e d i a t ep r i n c i p a l s t r e s s si n f l u e n c eo ns t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r e ，t e s t i n gd e v i c ef o rp l a i ns t r a i ni s d e s i g n e d ，m e a n w h i l e ，t h es i z e 、s h a p ea n dm a k i n gm e t h o do fs p e c i m e no fa s p h a l t m i x t u r ea sw e l la st e s t i n gc o n d i t i o na r ed e c i d e d f a i l u r es p e c i m e n so fa s p h a l tm i x t u r e f r o md i f f e r e n tt e s t i n gc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d w h e nl o a d i n gv e l o c i t yi s2 m m m i na n d i n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s si st a k e ni n t oa c c o u n t ，f u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t e m p e r a t u r ea n ds t r e n g t hc a l lb eo b t a i n e d f u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o a d i n g 1 1 1 v e l o c i t ya n ds t r e n g t hi se s t a b l i s h e dt h r o u g hr e g r e s s i o nm e t h o dw h e ni n t e r m e d i a t e p r i n c i p a ls t r e s si sc o n s i d e r e da n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei sf r o m i o 。ct o2 5 c w h e n b o t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tl o a d i n gv e l o c i t ya r ec o n s i d e r e d ，r e g r e s s i o n r e l a t i o n s h i po fs t r e s s s t r a i ni ss t u d i e d b a s e do nt h a t ，c o n s i d e r i n gs u c hc o n d i t i o na s i n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s 、2 m m m i no fl o a d i n gv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ， f u n c t i o no fc u r v eo fs t r e s s - s t r a i ni so b t a i n e d t w ot y p i c a lc u r v e so fs t r e s s s t r a i na r e p u tf o r w a r d m e a n w h i l e ，c o n c r e t em e t h o di sp r o p o s e dt od e t e r m i n ee l a s t i cl i m i to f a s p h a l tm i x t u r e a sam a t t e ro ff a c t ，f a i l u r ec r i t e r i o no ft w i ns h e a rs t r e n g t ht h e o r yc a nb e e m p l o y e dt oe x p l a i ns u r f a c e ss h e a r i n gf a i l u r eo fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hr i g i db a s e c o n s e q u e n t l y , t w i ns h e a rs t r e n g t ht h e o r ys h o u l db ea p p l i e dt o s u r f a c et h i c k n e s s c a l c u l a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hr i g i db a s e b a s e do nn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ， i n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s 、i n t e r m e d i a t es h e a rs t r e s sa n dn o r m a ls t r e s so fa s p h a l t p a v e m e n t a tt h el o c a t i o no fj o i n to f b a s ea r e c a l c u l a t e da n d a n a l y z e db y t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o di nt h i sp a p e r s t u d yo fl o a ds t r e s ss h o w st h a t d i f f e r e n tf a c t o rh a st h es a m eo r d e ro fs h e a rs t r e s sa n dn o r m a ls t r e s s ；a tt h es a m et i m e ， s t u d yo ft h e r m a ls t r e s ss h o w st h a td i f f e r e n tf a c t o rh a s d i f f e r e n to r d e ro fs h e a rs t r e s s a n dn o r m a ls t r e s s ，m e a n w h i l e ，o r d e ro fs h e a rs t r e s sa n dn o r m a ls t r e s si sc h a n g e dw h e n t h ef i x e df a c t o rh a sd i f f e r e n tn u m e r i c a lv a l u e b a s e do nc o n c l u s i o no fb o t ht e s t i n g s t u d ya n ds t r e s sa n a l y s i s ，r e v i e w i n gt h ep a s tr e s e a r c hr e s u l t s ，a n dc o m b i n i n gw i t ht w i n s h e a rs t r e n g t ht h e o r y , m e t h o do ft h i c k n e s sa n a l y s i sf o ra s p h a l tp a v e m e n tw i t hr i g i d b a s ei sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ，s t r e n g t ho fa s p h a l tm i x t u r e ，t w i ns h e a rs t r e n g t h t h e o r y ，i n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s ，c u r v eo fs t r e s s - s t r a i n ，l o a ds t r e s s ，t h e r m a ls t r e s s ， s h e a r i n gf a i l u r e ，t h i c k n e s sa n a l y s i s l v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何末加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 杰l 事 论文知识产权权属声明 年l 2 月i 多日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 1 2 月l 弓e l 久月当日 长安人学博上学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 沥青路面是我国高等级公路的主要路面型式，其质量好坏直接影响公路的运 营能力和安全舒适性。调查表明，在车辆荷载作用和环境因素影响下，我国高等 级公路沥青路面产生不同类型、不同程度的病害，主要病害类型有两种：一是车 辙，二是裂缝，前者是沥青混合料剪切强度不足而发生过大剪切变形的结果，与 沥青混合料的高温强度有关；后者与沥青混合料的低温断裂强度有关。如何减少 沥青路面车辙、裂缝，怎样提高沥青混合料的剪切强度和断裂强度成为重要问题。 特别是近些年来，重载车辆的大幅增加对沥青路面的结构强度提出更高的要求， 刚性基层沥青路面结构型式越来越多地被应用到生产实践中。对于这种沥青路面 结构而言，普遍认为基层起结构性作用，而沥青面层发挥功能性作用，但沥青面 层功能实现的前提是沥青混合料强度满足要求。可以看出，沥青混合料强度的高 低直接影响沥青路面质量的好坏。因此，如何提高沥青混合料强度是个关键问题。 沥青混合料剪切强度一直是道路研究工作者们研究的热点问题，因为 m o h r - c o u l o m b 强度理论认为沥青混合料的强度是由粘聚力c 和表征内摩阻力的 内摩阻角q 构成，所以提高沥青混合料强度的两条途径是：一是提高沥青与集料 的粘聚力c ，二是增大集料的内摩阻角q 。前者的改变可通过增加矿粉调整结构 沥青含量、改善沥青与集料的物理、化学性质等方式实现；后者可通过调整混合 料级配、选择粗糙有棱角集料等方式实现。c 、q 是沥青混合料的力学参数，其 反映材料的性质。实际上，通过各种方式调整参数来改善材料强度是材料自身的 完善。 公路上采用闭式三轴试验方法评价沥青混合料的剪切强度，从受力角度看， 该试验是假三轴试验，也就是说圆柱体试件的围压只能表现第三主应力。对沥青 混合料抗压强度试验而言，圆柱形马歇尔试件抗压试验、棱柱体试件单轴压缩试 验都为无侧限强度测试。实践中，沥青路面结构中沥青混合料的真实受力状态应 为三向应力状态，也就是说，闭式三轴试验、圆柱形马歇尔试件抗压试验、棱柱 体试件单轴压缩试验都未考虑中间主应力对强度的影响，因此，m o h r - c o u l o m b 强度理论及其对应的闭式三轴试验所表现的应力状态与路面结构中沥青混合料 的真实受力状态不符。 第一章绪论 诚然，m o h r - c o u l o m b 强度理论已有百余年历史，早已被视为沥青混合料的 强度理论，并广泛应用于工程实践中。其应力摩尔圆的直径是第一主应力与第三 主应力的差值，其明显缺憾是未考虑中间主应力对沥青混合料强度的影响。实际 上，沥青混合料是沥青路面结构的一部分，从结构中看材料的受力状态，是否应 该考虑中间主应力对沥青混合料强度的影响? 这是个值得深思的问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 强度理论 强度理论是材料强度和结构强度研究的重要基础。强度理论在工程应用和材 料的有效利用等方面意义重大。c o u l o m b 是最大剪应力强度理论的第一个研究 者，1 9 世纪出现的第一强度理论只考虑o ，、t r e s c a 屈服准则考虑o 。与仍，它们 都未考虑中间主应力对强度的影响。1 9 0 0 年诞生的m o h r - c o u l o m b 强度理论可以 认为是t r e s c a 屈服准则的推广形式，前者认为某平面上极限剪应力是该平面上正 应力的函数，后者则假设剪应力的临界值是一个常数。m o h r - c o u l o m b 强度理论 形成以后，又出现其他强度理论和各种表达式，但要对其归纳分类有相当难度。 d r u c k e r 、b i s h o p 与h i l l 证明屈服面的外凸性为俞茂宏对强度理论的分类奠定基 础。俞茂宏引入双剪单元体和单元体的主剪应力q ，、f 。：、1 7 2 ，和相应平面上对应 的正应力o mo m0 2 3 。1 9 8 8 年俞茂宏【1 2 3 ，4 ，5 ，6 1 将各种强度理论归类划分为三大 系列强度理论： 1 单剪强度理论 单剪强度理论公式如下： f = 仃1 一口盯3 = 盯f ( 1 1 ) 式中：仉第一主应力； 盯，第三主应力； 口材料拉压强度比： 盯，材料抗拉强度。 2 双剪强度理论 2 长安大学博： ：学位论文 f = 仃。一詈( o 2 - - 0 3 ) = q当盯：! 专芋 ( 1 2 ) f = 三b ) 一阳，= q当啦罟 ( 1 3 ) 式中：盯：第二主应力( 中间主应力) ； 其余符号意义同式( 1 1 ) 。 3 八面体强度理论 式中：f 。等倾八面体剪应力； 仃。等倾八面体正应力； 材料参数； c 材料参数； 口、q 的意义同前。 f = 气七b 0 尹c = 篙 c = 击盯， 表1 1 三大系列强度理论对比 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 对比项目单剪强度理论八面体强度理论双剪强度理论 理论提出1 8 6 4 年1 9 0 0 年1 9 2 6 年一- 1 9 3 7 年 1 9 6 1 年 1 9 9 0 年 时间及理只考虑最大剪应力作考虑八面体剪应力 考虑两个剪应力及其对应的正 论前提条用面上剪应力及与其和同一截面上八面 应力，反映全部应力作用 件对应正应力体正应力 t r e s c a 准则v o n m i s e s 准则 理论基本双剪应力屈服准则 m o l a r - c o u l o m b 强度理 八面体剪应力强度 组成双剪应力强度理论 论 理论 力学模型双剪应力正交八面体单元( q ， 最大剪应力单元六面等倾八面体剪应力 及单元体f 1 2 o 0 1 2 ) 或( t t 2 3 ，0 1 3 1 本( t 1 3 ，0 1 3 ，0 2 )单元体( 龟，o 。) 应力0 2 3 ) 第一章绪论 理论表达 一个方程，分段线性，两个方程，需要判别选择，分段 一个方程，非线性 式特点 简单线性 0 2 效应不能反映能反映能反映 极限面特 介于单、双剪强度 外凸最小外凸最大 占 理论之问 目前通用的沥青混合料强度理论为单剪强度理论，虽然其形式简单且公式线 性，但没有考虑中间主应力对材料强度的影响，单剪强度理论的屈服面为外凸最 小，也就是说单剪强度理论会低估材料的强度。双剪强度理论公式稍显复杂但仍 为线性，重要的是双剪强度理论能反映中间主应力对材料强度的影响，且其屈服 面外凸最大能充分发挥材料的强度。八面体强度理论虽然也考虑中间主应力对强 度的影响，但其公式为非线性，屈服面介于单剪强度理论与双剪强度理论之间。 以双剪理论为基础，俞茂宏于1 9 9 0 年提出双剪统一强度理谢，该理论的 核心是当作用于双剪单元体上的两个较大剪应力及其面上的正应力影响函数达 到某一极限值时，材料开始发生破坏。双剪统一强度理论公式的主应力形式如下： f = 0 1 一而2 ( 6 盯z + 口，) = 0 t 当0 2 0 1 + t z 0 3 ( 1 7 ) 1 + 口 f - l + 1 。( 0 。+ 6 盯：) 一婀，= q0 2 百o i + g t 0 3 ( 1 8 ) 式中：b 反映中间主剪应力以及相应面上的正应力对材料破坏影响系数； 其余符号意义同前。 当b 为0 、1 时，统一强度理论可蜕化为单剪强度理论、双剪强度理论，它 们屈服面为六边形；当b 为o 5 时，统一强度理论可蜕化为加权双剪强度理论， 其屈服面介于单剪与双剪强度理论之间，当b 为o 5 、0 【等于1 时，加权双剪强 度理论蜕化为加权双剪屈服准则，其屈服面为十二边形，是m i s e s 屈服圆的线性 逼近，因为加权双剪屈服准则表现为线性形式，数学表达式简单，所以在工程中 应用方便。 1 2 2 沥青混合料强度特性 沥青混合料的基本力学特性表现为弹粘性，其强度随条件的变化而改变。具 体表现为以下两点：一是沥青混合料强度受加载速率、温度变化的影响，其强度 4 长安大学博上学位论文 值与材料级配、沥青用量、试验设备、试验方法、试验条件的关系密切；二是对 于同一种沥青混合料而言，在不同的试验中试件的受力状态不同，由于存在应力 梯度的影响，很难得出一个材料强度的性质，而是一种结构强度的试验结果。 沥青混合料在复杂应力下的最基本强度特性表现为以下几点： 1 拉压强度差( s d s t r e n g t hd i f f e r e n c e ) 效应 合理沥青路面结构面层常处于受压的应力状态，即便出现拉应力其值也很 小，因此以往试验研究多以测试沥青混合料的抗压强度为主。现行沥青混合料试 验规程测试沥青混合料抗压强度，包括圆柱体单轴压缩强度和棱柱体单轴压缩强 度，它们是沥青混合料轴向抗压强度。沥青混合料抗拉强度有两种：一是沥青混 合料弯曲抗拉强度，二是沥青混合料劈裂强度。前者小梁试件梁跨单点或双点加 载测试结果，是沥青混合料抗拉强度的间接测试，由于试件弯曲时会导致截面上 应力的不均匀分布，应力较小处的材料对应力较大处的材料起到一定的加强作 用，因此，沥青混合料的弯拉强度是结构强度，而非材料的性能标准。后者沥青 混合料劈裂试验测试结果，也是非直接测定沥青混合料抗拉强度的一种方法，其 受力特点为试件截面在中间段有较为均匀拉应力，但截面上各点既承受垂直方向 的压应力作用，又承受水平方向的拉应力作用，实际上其受力状态为两向应力状 态，而非单轴应力状态。劈裂试验的测试强度也是二种结构强度，因此，将它作 为单轴拉伸的材料性质试验是不合理的。直接拉伸试验是测试单向拉伸材料强度 的合理手段，但其测试难度在于试验容易产生偏心加载，导致拉伸强度的结果产 生较大的误差。文献【7 l h a a s 曾对一定温度和恒定拉伸速率条件下沥青混合料矩形 梁施加拉伸荷载，来测定沥青混合料的抗拉强度。我国在“七五”、“八五”国家科 技攻关项目的沥青混合料低温性能研究中曾对沥青混合料直接拉伸强度进行测 试。 文献【8 ，9 1 对沥青混合料的无侧限抗压强度和无侧限抗拉强度进行研究。从研 究结果看，在压缩和拉伸时，沥青混合料的两个极限应力值不同，对于所实施的 4 2 个试验，抗压强度和抗拉强度的比值( r r ) 在3 9 和7 8 之间，且二者是各自独立 的力学指标值。抗拉与抗压强度试验结果见表1 2 。 第一章绪论 表1 2 抗拉与抗压强度 沥青用量抗拉强度r抗压强度 试件种类孔隙比e试验温度 r r w ( m p a ) r ( m p a ) 10 1 95 5 3 0 0 2 6 52 0 6 77 8 i io 2 25 5 3 0 o 2 1 61 4 1 76 6 i i io 2 55 5 1 0 0 8 6 7 3 4 1 03 9 i i i o 2 5 5 5 1 5 0 6 9 9 2 7 4 1 3 9 io 2 55 5 2 0 0 4 8 52 2 5 64 7 1 0 2 5 5 5 2 5 0 2 8 5 1 3 5 94 8 io 2 55 5 3 0 0 2 0 71 1 8 85 7 i i i o 2 5 5 5 3 5 o 1 1 8 0 8 6 27 3 io 2 55 5 4 0 0 0 8 50 6 3 57 5 o 2 85 5 3 0 0 2 0 1o 8 9 44 4 v o 3 05 5 3 0 0 1 1 40 8 0 6 7 1 0 2 54 5 3 0 0 2 2 61 4 1 86 3 0 2 5 5 3 0 0 2 0 61 2 0 75 9 0 2 56 3 0 o 1 7 6o 9 2 15 2 o 2 56 5 3 0 0 1 4 20 8 9 76 3 两种力学强度随温度、沥青用量、孔隙比的变化规律如图1 1 图1 5 ，从图 1 1 和图1 2 可以看出，同一温度下拉伸曲线与压缩曲线区别较大，对应相同应 变时，压缩强度值明显高于拉伸强度，且随着温度的降低，拉压强度差效应越明 显。图1 3 ，图1 4 和图1 5 表明，随着沥青用量、孔隙比和试验温度的变化，沥 青混合料的抗压强度明显高于抗拉强度。并且随着以上三个物理量的增加，拉压 强度差效应减弱。 0ts2i 如h l ； 图1 1 不同温度下的压缩实验曲线 i u _ 一l ? l l - m ： 1 、h “一 一岔7 一“i f 一：。 b t 必) 图1 2 不同温度下的拉伸实验曲线 图1 3 拉压强度与沥青用量的关系图1 4 拉压强度与孔隙比关系 6 1l|l|；l，_l， 一 一 长安大学博士学位论文 图1 5 拉压强度与试验温度的关系 2 静水应力效应 静水应力是三个主应力的平均值，沥青混合料的力学特性与三轴试验的围压 0 3 有关，其强度随围压的增大而增大。文献【7 】表明，三轴应力状态下，随围压的 增大，材料由脆性破坏过渡到塑性破坏呈现出不同的力学特性。 e 1 v i r a 和f e m a n e d z i2 0 1 通过三轴试验对温度对沥青混合料的力学特性的影响 进行了广泛的研究。从图1 6 中可以看出，加载速率为1 2 7 m m m i n ，在不同温 度下，随着围压的增大，沥青混合料的强度呈现线性增大趋势。在不同的加载速 度下，c h a r i f 1 0 】也做了大量的三轴试验，试验温度为1 0 。c 。试验结果见图1 7 。 从图中可以看出，在不同加载速度下，随着围压的增大，沥青混合料的强度呈现 线性增大趋势。 图1 6 不同温度下三轴试验结果 图1 7 不同加载速度下三轴试验结果 文献【1 1 1 对a c 一1 3 ，a c 一2 0 ，a c 一2 5 三组沥青混合料进行了三轴剪切试验研究， 试验温度6 0 ，加载速率1 2 7 m m m i n ，三轴剪切试验结果表明，随着围压的增 加，沥青混合料的剪切强度增大。 3 剪应力和正应力效应 一般根据沥青结构层的三向应力状态，采用三轴试验，认为采用摩尔库仑理 论可以解释沥青混合料的抗剪强度特性。对圆柱体试件进行三轴剪切试验，按 m o h r 圆得沥青混合料中的应力分布情况，外力作用下材料不发生剪切滑动的条 第一章绪论 件： r c + o - m n 9 ( 1 8 ) f = 妻p ，一0 3 ) c o s 伊 ( 1 9 ) 盯：昙p 。+ 盯，) 一丢p 。一0 3 ) s i n 伊 ( 1 1 0 ) 式中：卜外荷载作用时，在某一面产生的剪应力； 卜沥青混合料的粘聚力； 卜外荷载产生的正应力； 矽材料的内摩阻角。 沥青混合料的强度随最小主应力的增加而增加。但是，若最小主应力值增大， 而最大主应力值保持不变的情况下，表示二者的差值( o 。0 3 ) 减小，即式中的剪 应力百减少，正应力。增加，沥青混凝土并不破坏。只有在( o r a 3 ) 增大的情况 下，沥青混凝土才可能产生破坏。也就是说，剪应力是引起沥青混合料破坏的重 要因素。显然，m o h r - c o u l o m b 强度理论只考虑了一个主剪应力t 。，而忽略了其 它两个主剪应力对沥青混合料强度的影响。此外，沥青混合料受剪应力滑动破坏 时滑动面上存在正应力的作用，文献【1 1 1 对a c 一1 3 ，a c 2 0 ，a c 2 5 三组沥青混合 料进行了三轴剪切试验研究表明，最大剪应力随着正应力的增加而增大。 4 中间主应力效应 沥青混合料抗压强度测试的受力状态为无侧限单向受力状态，三轴试验虽为 两向受力状态，但围压为o ，而未考虑啦。实际上，沥青路面结构的面层处于三 向应力状态，沥青混合料的受力状态应同时考虑a 。、0 2 、锄。显然，应该考虑中 间主应力对沥青混合料强度的影响。对沥青混合料强度研究而言，沥青混合料的 中间主应力效应不可忽视。目前，未见与此相关的研究报道。 1 2 3 沥青混合料强度测试方法 沥青混合料强度试验结果是沥青路面结构面层厚度设计的重要依据，因此， 国内外提出不少沥青混合料强度的测试方法，主要分为以下几大类： 1 沥青混合料单轴压缩试验 沥青混合料单轴压缩试验有两种类型：一是圆柱体法，二是棱柱体法。 圆柱体法可按规定方法逐级加载卸载，测定1 5 。c 或2 0 沥青混合料的抗压 长安人学博上学位论文 回弹模量以及一次性加载至破坏时抗压强度。关于试验所用圆柱体试件的尺寸及 加载速率，国内外有不同的规定。a s t md 1 0 7 4 及a a s h t ot 1 6 7 规定采用直径 1 0 1 6 m m ，高度1 0 1 6 m m 的圆柱体，我国采用静压成型的直径1 0 0 m m ，高度 1 0 0 m m 的圆柱体。a s t md 1 0 7 4 采用加载速率为5 0 8 m m m i n ，我国规范采用 2 m m m i n 。 棱柱体法主要用于测定沥青混合料在规定温度及加载速率时受压至破坏过 程的力学性质，试件形状尺寸要求明显区别于圆柱体法，但试验方法与圆柱体法 相同，加载速率在沥青及沥青混合料测试中常用的速率为5 0 m m m i n 。 2 。沥青混合料弯曲试验 国内外常选用低温弯曲破坏试验评价沥青混合料低温抗裂性。国外曾在万能 试验机上用跨中单点加载小梁试验确定沥青混合料的抗弯拉强度【7 1 ，小梁试件尺 寸长3 8 1 m m 、宽8 2 5 5 m m 、高8 2 5 5 m m ，试验温度3 7 2 、一2 0 6 。c 、3 9 ，选 择o 5m m m i n 的加载速率来模拟温度应力。我国1 9 8 3 年试验规程采用双点加载 【1 2 】，实践中发现，这种加载方式费时，影响试件温度控制。我国在“七五”国家科 技攻关项目中采用等速加载弯曲试验评价沥青混合料的破坏特性【7 】，选择中点加 载的方式即可以满足测量精度，又可以控制试件的温度，试件采用切带j j 4 , 梁试件 的尺寸长2 5 0 m m 、宽2 5 m m 、高3 0 m m ，加载速率为5 0 m m m i n 、5 m m m i n ，试 验温度2 0 一2 0 。现行的沥青混合料试验规程规定沥青混合料弯曲试验用于 测定沥青混合料在规定温度和加载速率时弯曲破坏的力学性质【1 2 】，跨中施加集中 荷载，试验温度为1 5 ，用于评价沥青混合料低温拉伸性能采用1 0 。c ，加载速 率为5 0 m m m i n 。小梁试件尺寸长2 5 0 m m 、宽3 0 m m 、高3 5 m m ，实践证明，其 均匀性好，试验误差小。 3 沥青混合料直接拉伸试验 从材料受力角度讲，沥青混合料直接拉伸试验适合评价沥青混合料抗拉强 度，但其易产生偏心受力会影响结果准确性，因此这种试验方法的推广应用受到 一定限制。h a a s t 7 】曾用环氧树脂将矩形试件两端粘贴在拉板上，通过试验设备施 加一定拉伸速率，测得一定温度下试件的抗拉强度。文献【7 1 介绍用m t s 试验机 与h a a s 试验系统相结合，测试“八字”形状试件的抗拉强度。文献【8 】对无侧限直 接拉伸试验作了进一步改进，利用环氧树脂把试件粘结在具有球形铰接的拉头 9 第一章绪论 上，并用圆柱形钢筒对心以防止试验过程中出现偏心。 4 沥青混合料劈裂试验 在1 9 8 3 年沥青混合料试验规程中规定沥青混合料劈裂试验目的求取材料 的间接抗拉强度。国外试验规程中，a s t m d 4 1 2 3 是用动载测定劲度模量， a a s h t o 规定以此作为设计用回弹模量，日本道路协会铺装试验法便览规定采 用静载劈裂求取间接抗拉强度，目的在于评价沥青混合料高温抗车辙能力和低温 抗裂性能。英国、澳大利亚采用诺丁汉试验机冲击荷载试验小变形时的劲度模量。 第1 8 届世界道路会议推荐劈裂试验测定沥青混合料抗拉强度。国外使用劈裂试 验的目的有两个：一是采用动载或冲击法求取设计参数回弹模量，二是用静载试 验评价沥青混合料的性质。目前，我国规范用静载劈裂试验测定沥青混合料的间 接抗拉强度，劲度模量，将其作为路面设计参数。 5 沥青混合料三轴压缩试验 三轴压缩试验分为开式和闭式两种，前者仪器设备较为复杂，在国内应用 较少。后者试验设备简单，是我国沥青混合料试验规程采用的方法。三轴压缩试 验的目的是测定沥青混合料的抗剪切参数c 、q ，以评价沥青混合料的高温稳定 性。 6 沥青混合料抗剪试验方法 文酬1 1 1 利用t r i a x i s 三轴试验系统对沥青混合料抗剪性能进行研究。孙立 军等利用单轴贯入试验和无侧限抗压试验对沥青混合料的抗剪性能进行评价，给 出单轴贯入试验的条件和求解抗剪切参数c 、q 的方法【1 3 】。高金歧等通过自行设 计的抗剪模具进行沥青粘结层抗剪强度试验分析【1 4 】。美国公路战略研究计划 ( s h r p ) 开发的剪切试验机s s t ( s u p e r p a v es h e a rt e s t e r ) 能较好评价沥青混合料 的高温抗剪切性能。文献【1 5 1 利用s s t 进行沥青混合料剪切性能研究。刘细军【1 6 1 利用自行研制的直接剪切试验仪对沥青混合料及沥青路面粘结层的抗剪性能进 行研究。 1 2 4 沥青路面力学分析 力学分析目的是确定沥青路面结构在车辆荷载和温度作用下的应力、应变和 位移。路面结构分析主要以弹性层状体系理论或弹性地基板理论为基础，结构分 析时，通常将路面结构模型化为弹性层状体系或弹性地基板，在线弹性范围内采 1 0 长安大学博上学位论文 用解析方法或数值分析方法求解力学响应量。 1 力学分析方法 ( 1 ) 解析法 弹性层状体系理论解析解包括布辛尼斯克对弹性半空间体的经典解答和弹 性多层体系的解析解。求解的过程涉及积分变换和解多元线性方程组，工作量相 对较大。对此，国外一些公司和研究单位推出层状体系分析计算软件。如，c h e v r o n 研究公司开发的c h e v 、壳牌公司的b i s a r 、美国联邦公路管理局的v e s y s 、 加利福尼亚大学b e r k e l e y 开发的e l s y m 5 等，这些软件各有特点。 弹性地基板理论求解首推基于w i n k l e r 地基的w e s t e r g a a r d 解析方法。在路 面结构分析时，通常按弹性地基单层板或双层板计算车辆荷载和温度变化作用下 的应力。地基不同假设和板边界条件使求解难度增大。 ( 2 ) 数值法 当公路的实际结构、材料和作用条件变化时，数值法可以建立较为理想的三 维模型，考虑路面的实际几何形状，结构层次