D4材料的力学性质

1、第四章,材料的力学性能 Mechanical Property of Material,前两章考虑了外部对路基路面的影响，这章将从内部考虑对路基路面的影响。,路基路面材料大致可分外为三类：,1.土和颗粒材料,2.沥青类材料（有机结合料）,3.水硬性材料（无机结合料）-水泥、石灰、粉煤灰,材料的力学特性：,1.强度（破坏）特性：抗剪强度、抗拉强度、疲劳强度,2.刚度（变形）特性：应力-应变关系、变形累积,3.稳定性：,4.1 极限强度,定义：指材料静载一次作用下达到极限状态或出现破坏时所能承受的最大应力。,路基路面结构可能出现的强度破坏常为两种：,1.剪应力过大引起某一滑动面的滑移或相对变位。如

2、路基的坍塌和沥青面层的拥起等。,2.正应力过大引起的断裂。如气温突然下降或轮载过重。,一.抗剪强度：,面层厚度较薄而刚度较低时，传给土基的应力较大，有可能出现土基承载力不足而引起的剪切破坏。对于高等级路面，这种情况一般不会出现。面层较厚但刚度较低（如高温下沥青面层）时，如受到较大的水平力（如紧急制动），就有可能因沥青混合料的抗剪强度不足而出现推移等破坏。,抗剪强度为材料受剪时的极限或最大应力。按摩尔-库伦强度理论，抗剪强度由两部分组成：,一是摩擦阻力部分，同作用在剪切面上的法向应力成正比。 tg,另一是同法向应力无关的粘结力部分。, = tg + c 为内摩擦角， c、是表征材料抗剪强度的两个

3、参数。,c、 可通过直剪试验绘出曲线后按上式确定。也可通过三轴压缩试验绘出摩尔圆和相应的包络线后按上式的直接关系近似确定。由于三轴试验与实际受力状况接近，目前大多数采用这种方法。三轴试验中试件的直径应大于集料中最大粒径的4倍，试件高度和直径之比不应小于2（h/d2)，集料最大粒径小于2.5cm时，目前大多采用10cm试件直径，高为20cm. 对能做抗拉和无侧限抗压试验的材料，还可根据所测的抗压强度c和抗拉强度t来推算c 、 。,土和颗粒材料抗剪强度是由矿质颗粒之间的摩擦、嵌挤以及毛细和吸附等作用形成的。故其 f与颗粒的大小和形状、矿物成分和级配、密实度和含水量、受力条件等因素有关。饱和软粘土在

4、快速加荷时 0；干砂没有粘聚力 c = 0 ，而 2835 ；碎石材料的可达40 60 ；石料等级高，形状接近于立方体，有棱角、尺寸均匀、表面粗糙、压实紧密的， 就大。,沥青混合料的粘结力取决于：,1）沥青的粘度。粘度越高，粘结力也越大。,2）沥青用量。用量过少，不足于充分涂敷在矿质颗粒；用量过多，又将使颗粒被挤开，两种情况都会使粘结力降低。因而存在一最佳沥青用量，使粘结力达最大。,4）混合料中矿质颗粒存在相互滑移和错位阻力，但因有沥青涂敷，其比纯粒料有所下降，沥青含量越高， 值下降越多。而集料级配良好，富有棱角时，有助于提高 。,3）沥青的粘度受温度和应力作用时间（剪切速率）的影响很大，随温

5、度升高而下降，随剪切速率下降而c下降。,二、抗拉强度t ：,1）车辆紧急刹车时，车轮后侧的路面将受到很大的径向力；,t可由直接拉伸试验或间接拉伸试验确定。,2）面层在气温骤降，其收缩受下层摩阻约束时，也会产生较大拉应力。,1.直接拉伸试验：,将混合料做成h/d=2.53倍的圆柱形试件，见P40,其两端用环氧树脂粘于金属帽上，通过安装在试件上的变形传感器测得各级荷载应力下的应变（变形）值，做成-曲线， max为抗拉强度。,2.间接拉伸试验（劈裂试验）：,将材料做成较短的圆柱形试件（hD）,见P40,测试时沿试件的直径方向加压，按一定速率加在垫条上，直到试件开裂破坏，抗拉强度t=2Pmax/(hD

6、)。 试验中垫条对试件的应力分布和极限强度Pmax有显著影响，常取垫条宽a = 1.27cm,由硬质橡胶或金属做成，其一面的弧度与试件相同。若考虑其影响可乘一改正系数0.9838。 路面材料的抗拉强度t主要由粘结力c提供：影响因素为 1）沥青混合料的t，随沥青含量和施荷速率增加而增加，随针入度和温度T增加而下降，而在负温下， t随针入度和温度T降低而下降；增加混合料的密实度， t 上升，密级配混合料的t高于开级配混合料，对密级配混合料，t随粒径dmax减少而增加。 2）水泥混凝土、石灰稳定土、工业废渣等水硬性材料，其t除受集料组成、含量及拌制均匀性、压实程度影响外，而且与龄期有关。,3.抗弯拉

7、强度（抗折强度） b ：,大多通过室内小梁试验测定。试件高h和宽b不小于集料最大粒径的4倍。,整体性材料（水泥混凝土、水泥稳定土或石灰工业废渣稳定土）及常、低温下的沥青混合料具有一定的抗弯拉强度。在超过允许荷载作用下，有可能在结构层底面产生较大的拉应力，而在材料的b 不足时出现断裂破坏。,根据材料情况可做成三种小梁： 采用三分点加荷，材料的抗弯拉强度:,1）5cm5cm24cm,测试支点跨度为15cm，可用于石灰（或水泥）稳定土和沥青砂（细粒式）。,）10cm10cm40cm,测试支点跨度为30cm，用于最大粒径为.cm的稳定类材料和中粒式沥青混合料。,）15cm15cm55cm,测试支点跨度

8、为45cm，用于最大粒径为3.cm的稳定类材料、粗粒式沥青混合料和水泥混凝土。,影响沥青混合料或水硬性材料的 b 与抗拉强度t相同。,l,P,. 疲劳特性,.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。 .研究目的： ）了解影响疲劳特性的因素，以便改进材料的组成，

9、提高其使用寿命。 ）寻求材料的疲劳强度与反复应力作用次数间的定量关系（疲劳方程），以便估计路面的疲劳寿命。 一、沥青混合料的疲劳特性： .试验方法和疲劳方程：室内研究是在简支小梁或梯形悬臂式试件或圆柱体试件（间接拉伸疲劳）上施加脉冲或正弦式反复荷载应力进行的。由于沥青混合料的模量较低，应力反复施加过程中，试件的实际应力状态和应变量会不断发生变化，为此采用控制正应力或正应变试验。,）控制应力的疲劳试验：在试验过程中每次施加的荷载或应力值保持不变。这时由于试件内的微裂纹逐步扩展，材料的劲度不断下降，应变不断增加，最终导致试件破裂。 ）控制应变的疲劳试验：不断调节（减少）所施加的荷载或应力，使试件产

10、生的变形或应变值保持不变。 前一种试验疲劳破坏以试件出现断裂为标志，后一种试验并不出现明显的疲劳破坏现象，只能主观地以劲度下降到加荷200次时的某一百分率（40%或50%)作为疲劳破坏的统一标准。 ）试验表明： 其疲劳寿命Nf 随施加应力 r或应变r 的增大而减小。,a、b、c、d同沥青混合料的组成和试验条件有关的回归系数。,控制应变试验得到的Nf 比控制应力得到的Nf 大得多。二者差别大小与温度有关，高温下差别很大。,提高沥青混合料的密实度、适当增加沥青用量可减轻应力集中现象，使寿命延长。,影响Nf 因素见42表4-1。 两种试验方法得到不同和疲劳性状。原因在于破坏机理的差异。 集中产生微裂

11、隙后，在控制应力试验中：模量E，裂隙迅速扩展；而在应变控制试验中，应力不断减小，裂隙的扩展便延续很长时间。E越小，延续时间越长，于是劲度低的材料，其Nf 越大。,疲劳试验时应选择何种加载方式应视具体情况而定。厚沥青面层，选用控制应力试验，得出Nf 小，偏安全。对薄沥青面层，采用控制应变试验。,室内疲劳试验与路面的野外实际并不一致，所得Nf 比实际小，故常采用室内试验与试验路面相结合定。,二、水硬性材料的疲劳特性：,1、试验方法和疲劳特性：,1）方法：小梁（室内）试验，施加不变反复荷载（控制应力）进行。其Nf 取决于 r/ b 的比值。,2）疲劳方程： r/ b =-tgNf， 、为回归系数，与

12、材料性质和试验条件有关。在 r0.75 b的范围内，反复应力施加的频率对试验的结果影响很小。在一定 下，水硬性材料的疲劳寿命Nf取决于极限强度。故有助于提高材料强度的措施，也有利于Nf的提高。,3）上述疲劳试验是 r在0-最大的变动循环内进行的，但水泥混凝土路面实际受到荷载应力荷和温度应力温共同作用，变动于min（温）和温+荷之间，称为高低应力比R= min/ max。通过对高低应力比的疲劳试验进行回归分析，有：,=0.0724，其中、a、b由可靠度定。见表4-2（P43),室内试验同样与野外实际有出入，但由于野外自然环境对混凝土的不利影响，使室内的疲劳方程反而偏不安全。同样要结合实际进行修正

13、。,三、迈因纳定律：,使用中用单一不变的荷载反复作用，而实际上车辆荷载是轻重不一的，故还须考虑不同级位荷载产生的综合疲劳破坏问题。常用迈因纳定律：即各级荷载级位下材料的疲劳损耗可以采用线性叠加的方法予以累积。,Ni荷载级位i的作用次数，Ni第i级荷载的疲劳寿命。,也可用换算系数,N为标准轴载的疲劳寿命。,4.3 变 形 特 性,一、变形分析：,材料受力后，变形有弹性、粘弹性、粘性和塑性四种变形。,左图表材料在脉冲应力 0作用下 与t的关系曲线，加荷后立即产生弹性应变和塑性应变（ e+ p),仅同 0有关。卸荷后e立即消失，而p保留下来。粘性应变v和粘弹性应变ve在受荷时间内会不断增大，但粘性应

14、变v在卸载后不再变化，而ve在卸载后不断变小，在施加另一脉冲荷载时，还会残存部分ve间歇时间tB越长，则ve越小。 e 、ve属可恢复的，统称为回台弹变形。残余应变有p ，v 和ve逐渐积累。,1.沥青混合料的蠕变试验：在一定温度、荷载下随时间增加应变将增长。当小，t短时，基本处于弹性或粘弹性状态。当大，t长时，处于弹-粘-塑性状态。且沥青的粘滞性同温度关系很大。低温时，属弹性体，高温时属弹-粘性或弹-粘-塑性体。,2.土和颗粒材料：具弹-塑性质，当细料含量和湿度增加时，还会呈粘性性质。,3.水硬性材料：随龄期增加，接近弹性变形体。,二、应力应变关系：E= / ,路基土和路面材料都不是理想弹性

15、体， - 关系为非线性，其E随应力级位的大小和取值而异。1)切线弹性模量Et; 2)割线模量Es; 3)回弹模量Er; 4)弯拉模量Eb.,1.土和颗粒材料：用三轴试验测得Er（回弹模量）随d增大而减小。随侧应力3增大而增大。试验表明，粘性土受3影响可忽略，而砂性土和碎（砾）石材 ，,2.水硬性材料的模量E：同强度一样随龄期增加会不断增大， 与在大范围内呈线性关系，见P46图4-12，弯拉回弹模量与压缩回弹模量值较接近，同一量级。,K1、K2为回归系数，为主应力之和，= 1+ 2+ 3 = d+3 3, Er除受 d、 3影响外，还与材料颗粒形状、密实度、级配、细料有关。,3.沥青混合料的模量

16、Sm：不仅同荷载大小有关，且与时间及温度有关，叫劲度模量。,Sm可通过疲劳试验在控制时间和温度下测得应力和应变的振幅（或最大值）,按两者的比值确定.,Sm可由沥青劲度Sb及集料的体积Vg（%）和沥青体积Vb来予估。（诺谟图）见P47,当温度较高且时间较长时，而沥青Sb10MPa时，沥青作用减弱。混合料的劲度除了受Vg、Vb、Sb影响外，还与集料组成、形状、级配、密实度、压实方法、空隙率侧限条件有关。因为此时混合料的抗变形能力几乎全由骨料承担。,三、泊松比：=-/,对应力、位移计算结果影响小，故取用它们的代表值。,CC：=0.15 ；细粒料：=0.30.5 ；颗粒材料：=0.20.5 ； 沥青混

17、合料：=0.250.5 ；水硬性材料：=0.10.25,四、变形积累：,路面在行车荷载反复作用下，会引起疲劳破坏外，还会因变形累积产生沉陷和车辙。,1.土进行重复加载试验表明， d（重复加载应力水平)/ c(静抗压强度)低时，轴向总应变a(或残余应变)随应力作用次数N的增长在单对数或双对数坐标上呈线性关系,尤其是加载应力较低时,累积应变会因土体被压实而趋稳定.但重复加载应力超过某一临界值后，土体会产生剪切变形而剪裂。此临界值同土体的类型、状态(含水量、密实度)有关。,土相对含水量0.7时,其临界值急剧下降,粘土: 0.09 ; 粉性土: 0.1 ; 砂性土: 0.120.15,回弹模量Er则随

18、回弹应变r值在应力重复过程中波动,且在路基土通常范围(处。m= /r,3.在双轮均布荷载作用下：,其他 点处的弯沉可由叠加而得。,4.刚性圆形承载板加载时：,压板本身不变形,二、路基回弹模量E 0：反映路基土体的弹性性质,试验时，采用钢质的刚性承载板，以逐级加载、卸载法测得各级荷载下回弹变形值，画出荷载-回弹变形曲线。柔性路面设计时，按1.0弯沉值定E 0 .承载板直径大小对测定结果也有影响，规定采用标准轴载（100KN）一侧双轮组轮胎的传压面的当量圆直径，=15.1cm,Er除随压力大小而变外，与路基土本身类型、湿度有关，设计时通过试验实测而得。,路基回弹模量E 0或地基回弹模量E r规定取

19、回弹变形不超过1（0.5）mm的点，用线性归纳法计算。,D=30cm,土基=0.35，层状地基 =0.3,pi为各级荷载的单位压力， li 为对应pi的回弹变形。,1、当用百分表测变形时，回弹变形 等于加载时与卸载时百分表读数之差。,2、当用弯沉仪测变形时，回弹变形 等于加载与卸载读数差再乘以2。P184,3、若在汽车大梁的后部设加劲横梁作为千斤顶加载的反力架时，应待加载结束后取走千斤顶重新记录百分表初读数，再将汽车开出 10m之外，又记录百分表终读数。得汽车后轮对承载板回弹变形的影响值a。此外，各级荷载的回弹变形 应加上该级荷载的影响量，最后得到实际回弹模量。各级荷载下的影响量等于各级荷载下

20、的影响量系数K乘以总影响量a。,书上列出了两种车型K，见P52例题.,4、弯沉测定法：将弯沉仪测头直接放在汽车后轴双轮中间，用前进卸载法测得表面回弹弯沉值，按反推法计算。,在野外还可采用施加震动荷载法测动弹模量。路基动弹模量比回弹模量大30%50%,三、地基反应模量K:,在水泥混凝土路面设计中，采用文克勒（Winker)地基。假定地基（路基）顶面任一点的下沉量l仅同作用于该点的单位压力p 成正比，l=p/k,K(地基反应模量)也用承载板试验测定，用逐级加载法测得p-l曲线，可知K随p而变。考虑到CC路面板下地基（基层）顶面可能达到的下沉量或压力值，常规定l=1.27mm,或p=0.07MPa,由k=p/l确定k值。 k值与承载板直径也有关，D越小，k越大，但当D76cm时，k趋于稳定。见P53图4-22。,综合上述假设的地基好象由许多各不相连的弹簧所组成