河北工业大学路基路面工程PPT课件

1 松散颗粒型材料及块料 沥青结合类材料 无机结合料类材料 水泥混凝土材料由于材料 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 第六节路面材料的力学强度特性 1 路面材料的几种类型 2 1 抗剪强度摩尔 库仑强度理论 c tg 其中c和 是表征路面材料抗剪强度的两项参数 c是材料的粘结力 kpa 是材料内摩阻角 对于土 可以通过直剪试验得到 对于松散粒料无法做直接剪切试验 可用三轴压缩试验测定 2 路面材料的几种强度 第六节路面材料的力学强度特性 3 2 路面材料的几种强度2 抗压强度指试样在无侧向压力条件下 抵抗轴向压力的极限应力 材料经过标准成型和养生后通过无侧限抗压试验测定的强度 一般有大试件 中试件和小试件 小试件指 50mm 50mm 中试件指 100mm 100mm 大试件指 150mm 150mm 第六节路面材料的力学强度特性 4 3 抗拉强度气温变化会引起路面材料收缩 湿度变化能产生半刚性材料干缩 当收缩变形受到约束 即在材料内产生拉应力 材料抗拉强度不足即可引起路面结构拉伸断裂 路面材料的抗拉强度主要由混合料中的结合料粘结力提供 可采用直接拉伸或间接拉伸试验测定材料的抗拉强度 4 抗弯拉强度路面材料的实际工作状态是弯曲反复变化的 结构层底首先容易出现局部拉裂 产生弯曲断裂 材料的抗弯拉强度一般采用简支梁三分点加载进行测定 2 路面材料的几种强度 第六节路面材料的力学强度特性 5 3 路面材料的强度试验 1 抗压强度试验一般有大试件 中试件和小试件 小试件指 50mm 50mm 中试件指 100mm 100mm 大试件指 150mm 150mm 第六节路面材料的力学强度特性 6 3 路面材料的强度试验 2 抗拉强度试验 直接拉伸试验和间接拉伸试验 第六节路面材料的力学强度特性 7 图2 30小梁试验加载图式 1 试验梁 2 承压板 3 支点 4 顶杆 5 千分表 3 路面材料的强度试验 3 抗拉强度试验 弯拉试验 4 抗剪强度试验 讨论 第六节路面材料的力学强度特性 8 4 应力应变特性1 无结合料碎 砾石材料采用三轴压缩试验得到应力 应变曲线 求得表征其应力 应变特性的回弹模量值 试验发现 碎 砾石材料的应力 应变特性具有明显的非线性特征 即弹性模量随偏应力的增大而减小 随侧压力的增大而增大 碎 砾石材料的回弹模量值可以用下列形式表示 第六节路面材料的力学强度特性 9 2 无机结合料稳定材料无机结合料混合料早期强度低 后期强度高 最符合路面实际工作状态的试验方法为三轴压缩试验 这类材料的应力 应变关系曲线呈现出非线性特征 不具备三轴压缩试验条件时 可以采用室内承载板法测定早期抗压回弹模量 回弹模量按下式计算 第六节路面材料的力学强度特性 10 3 水泥混凝土常用试验方法有单轴试验 三轴试验以及小梁试验 抗压强度和抗压弹性模量测定用的单轴试验试件为150mm 150mm 300mm的直角棱柱体 先测定抗压强度 然后去同样的试件施加40 的抗压强度用于测定抗压回弹模量 用传感器或者千分表记录轴向压缩变形量 混凝土的抗压弹性模量按下式计算 第六节路面材料的力学强度特性 11 4 沥青混合料沥青混合料在荷载作用下的应力 应变具有随着温度和荷载作用时间而变化的特性 对沥青混合进行三轴压缩试验 在应力不变的情况下 可以得到应变随应力作用时间的关系曲线 考虑到温度与加荷时间对沥青混合料力学特性的影响 用劲度模量St T表征其应力 应变关系 第六节路面材料的力学强度特性 12 第六节路面材料的力学强度特性 4 沥青混合料 沥青劲度随时间和温度的变化曲线 13 第七节路面材料的累积变形与疲劳破坏 1 路面结构破坏的极限状态 1 路面材料处于弹塑性工作状态 重复荷载作用引起塑形变形累积 当累积变形超出一定限度即造成路面使用功能下降至允许限度以下 从而出现破坏极限状态 此为使用极限状态 2 路面材料处于弹性工作状态 重复荷载作用虽不产生塑性变形 但结构内产生微裂缝 当微量损伤累积到一定限度时即致使路面材料出现疲劳断裂 达到破坏极限状态 即结构承载疲劳极限状态 这种重复荷载的大小远小于材料一次性受力破坏时的荷载大小 14 第七节路面材料的累积变形与疲劳破坏 2 路面材料在重复载下破坏类型 水泥混凝土 处于弹性工作状态 呈现疲劳破坏 沥青混合料 低温环境中基本处于弹性工作状态 出现疲劳破坏 高温环境处于弹塑性工作状态 出现累积变形 温度在上述范围内变化时则兼有疲劳破坏和累积变形两种极限状态 无机结合料稳定材料 低龄期时处于低塑性的弹塑性状态 其后基本处于弹性工作状态 因此使用过程中主要为疲劳破坏极限状态 碎 砾 石 属于松散类材料 具有移动变形 可引起结构塑性变形累积 但在其上有结合料类材料时可因支撑不足引起其上材料的疲劳破坏 土 碎石土 细粒土受大气湿度影响 因此路面结构处于弹塑性工作状态 塑性变形累积是主要极限状态形式 15 3 疲劳概念疲劳 路面材料在承受重复荷载作用时会出现比静载一次作用破坏应力值低的材料破坏 这种材料强度降低的现象称为 疲劳破坏 材料由于微结构不均匀诱发应力集中而出现微损伤 在重复应力作用下微量损伤累积扩大而导致的结构破坏称为 疲劳强度 承受规定重复荷载作用所对应的应力 应变 值称为 第七节路面材料的累积变形与疲劳破坏 16 第七节路面材料的累积变形与疲劳破坏 3 疲劳概念疲劳极限 重复作用次数随重复应力 应变 值的减少而随增加 当重复应力 应变 值减少到重复荷载作用次数无限大时的重复应力 应变 值即称为 疲劳寿命 材料从开始加载到破坏所对应的重复荷载作用次数称为 疲劳曲线 将重复弯拉应力 应变 r r 与一次加载破坏的极限弯拉应力 应变 的比值 称为应力比或应变比 作为纵坐标 绘制出 r f或 r f与重复作用次数Nf的关系曲线 即称为 17 第七节路面材料的累积变形与疲劳破坏 4 无机结合料处治的混合料及水泥混凝土的疲劳特性通过小梁试件施加重复应力 应变 来试验 可点绘出不同应力 应变 比水平对应的重复荷载作用次数 从而得到疲劳曲线 并可回归出疲劳方程 r f lgNf 水泥混凝土材料 Nf 107时应力比 r f 0 50 此时不出现疲劳破坏 无机结合料稳定材料的疲劳极限明显低于水泥混凝土 18 第七节路面材料的累积变形与疲劳破坏 5 沥青混合料的疲劳特性沥青混凝土材料疲劳试验有控制应力与控制应变两种试验方法 厚沥青路面宜采用控制应力的方法 薄沥青路面宜采用控制应变的方法 介于两者之间时可采取其中一种方法 目前一般建议采用控制应变的方法 19 第七节路面材料的累积变形与疲劳破坏 6 Miner定律不同车型荷载作用下的材料 其所出现的疲劳损伤可以进行线性叠加 某一级荷载对材料疲劳寿命的影响可表示为ni Nf i 材料的综合损伤为各级荷载重复作用消耗的材料疲劳寿命的总和 即 D ni Nf i i 1 m 20 1 何谓累计当量轴次Ne 怎样确定 它在路面设计中有何用处 2 不同轴载通行次数是按等效原理进行换算的 请说明该 等效原理 的主要依据是什么 3 碎砾石在不同偏应力下抵抗累积变形性能有何不同 4 名词解释 疲劳 疲劳破坏 疲劳极限 疲劳曲线 疲劳寿命 疲劳方程 Miner定律5 不同路面材料的