路面材料的應(yīng)力——應(yīng)變特性

康艷萍

(黑龍江省呼蘭養(yǎng)路總段)

用于基層和底基層的無(wú)結(jié)合料碎、礫石材料無(wú)法通過(guò)成型試件直接測(cè)試應(yīng)力－應(yīng)變特性，可以由三軸壓縮試驗(yàn)所得到的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線求得表征其應(yīng)力—應(yīng)變特性的回彈模量值Ero。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，它的應(yīng)力—應(yīng)變特性具有明顯的非線性特征，即彈性模量Er隨偏應(yīng)力σd=(σ1－σ3)的增大而減小，隨側(cè)壓力σ3的增大而增大。根據(jù)大量試驗(yàn)，碎、礫石材料的回彈模量值可以用下列形式表示:

式中:θ為三向主應(yīng)力之和，kPa;K1、K2為回歸常數(shù)，同材料性質(zhì)有關(guān)。

由回歸分析得到，一般情況下碎石集料的K1變動(dòng)于7.0～15.7;K2變動(dòng)于0.46～0.64之間。

碎、礫石材料的回彈模量值同材料的級(jí)配、顆粒形狀、密實(shí)度等因素有關(guān)，取值范圍為100～700MPa。通常，密實(shí)度越高，模量值越大;顆粒棱角多，模量高;細(xì)料含量不多時(shí)，含水率的影響很小。

水泥混凝土以及用無(wú)機(jī)結(jié)合料處治的混合料，經(jīng)搗實(shí)成型，并養(yǎng)護(hù)一定期限之后，具有一定的強(qiáng)度，因此研究這一類材料的應(yīng)力－應(yīng)變特性，可以采用規(guī)則試件進(jìn)行測(cè)定。常用的試驗(yàn)方法有三種，即單軸試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)以及小梁試驗(yàn)。

水泥混凝土混合料抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量測(cè)定用的單軸試驗(yàn)150mm×150mm×300mm的直角棱柱體試件。先測(cè)定抗壓強(qiáng)度，然后取同樣的試件施加40%的抗壓強(qiáng)度用于測(cè)定抗壓回彈模量，用傳感器或千分表記錄軸向壓縮變形量?；炷恋目箟簭椥阅Ａ堪词?2)計(jì)算

式中:PA為終荷載，kN;P0為初荷載，kN;▽a為加載P0及PA作用下之變形差，m;L為試件軸向標(biāo)距長(zhǎng)度，m;F為試件橫截面積，m2。

無(wú)機(jī)結(jié)合料混合料早期強(qiáng)度低，后期強(qiáng)度高。在早期，測(cè)定其應(yīng)力－應(yīng)變特性關(guān)系，不宜采用無(wú)側(cè)限單軸試驗(yàn)方法。最理想、最符合路面結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)的試驗(yàn)方法為三軸壓縮試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這一類材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出非線性特征，同土一樣，其彈性模量是三向主應(yīng)力的函數(shù)。然而，在應(yīng)力級(jí)位較低時(shí)(低于極限應(yīng)力50%)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線可近似看作是線性的。按回彈應(yīng)變量確定的回彈模量值，可以近似看作為常數(shù)。

在不具備三軸壓縮試驗(yàn)條件時(shí)，可以采用室內(nèi)承載板法測(cè)定無(wú)機(jī)結(jié)合料混合料早期抗壓回彈模量。用于承載板法試驗(yàn)的試件取直徑×高=150mm×150mm，承載板直徑37.4mm，面積11cm2。試驗(yàn)時(shí)取承載板的單位壓力為200～700kPa，分級(jí)加載，同時(shí)記錄承載板的沉降量，回彈模量值按式(3)計(jì)算

式中:p為承載板單位壓力，kPa;D為承載板直徑，m;l為相應(yīng)于單位壓力p的回彈變形，m;μ為泊松系數(shù)，可取0.25。

水泥混凝土路面與無(wú)機(jī)結(jié)合料處治的混合料基層，在車輪荷載作用下處于彎曲受力狀態(tài)，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，采用相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)抗折彈性模量。測(cè)量抗折彈性模量所用的試件尺寸與測(cè)量抗折強(qiáng)度時(shí)所用的小梁試件相同，加載方法也相同。取抗折強(qiáng)度對(duì)應(yīng)荷載的50%，作為最大荷載，加載時(shí)同時(shí)記錄小梁跨中的撓度。

抗折彈性摸量按式(4)計(jì)算

瀝青混合料應(yīng)力－應(yīng)變特性的測(cè)試方法與以上各種材料所用的方法相類似，在低溫條件下可以用單軸試驗(yàn)或小梁試驗(yàn)，在高溫條件下，由于瀝青材料的溫度敏感性強(qiáng)，用三軸壓縮試驗(yàn)更能符合實(shí)際受力狀態(tài)。

瀝青混合料的應(yīng)力一應(yīng)變特性同上述材料有很明顯的不同。由于混合料中的瀝青材料具有依賴于溫度和加荷時(shí)間的黏一彈性性狀，因此，瀝青混合料在荷載作用之下的應(yīng)力一應(yīng)變也具有隨溫度和荷載作用時(shí)間而變化的特性。

對(duì)瀝青混合料進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，在不變應(yīng)力的作用下，可以得出應(yīng)變同應(yīng)力作用時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖1所示。其中圖1a)為施加應(yīng)力比較小的情況，一部分應(yīng)變?cè)谑┖傻耐瑫r(shí)立即產(chǎn)生，而卸荷后這部分應(yīng)變又立即消失，這是瀝青混合料的彈性應(yīng)變，應(yīng)力同應(yīng)變成正比關(guān)系。另一部分應(yīng)變(ε0)隨加荷時(shí)間延長(zhǎng)而增加，卸荷后隨時(shí)間而逐漸消失，這是瀝青混合料的黏彈性應(yīng)變。這種現(xiàn)象說(shuō)明，當(dāng)瀝青混合料受力較小，且力的作用時(shí)間十分短暫時(shí)，基本上處于彈性狀態(tài)并兼有彈黏性性質(zhì)。圖1b)為施加應(yīng)力較大的情況，這時(shí)，除了瞬時(shí)彈性應(yīng)變及滯后彈性應(yīng)變之外，還存在著隨時(shí)間而發(fā)展的近似直線變化的秸性和塑性流動(dòng)，卸荷后這部分應(yīng)變不再能恢復(fù)而成為塑性應(yīng)變。這說(shuō)明，當(dāng)瀝青混合料受力較大，且力的作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)出彈性，彈－黏性和彈－黏－塑性等不同性狀。

圖1 瀝青混合料壓縮蠕變?cè)囼?yàn)