三軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)下瀝青混合料的破壞準(zhǔn)則

黃拓，昌振東，楊毅

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三軸拉壓應(yīng)力狀態(tài)下瀝青混合料的破壞準(zhǔn)則

黃拓，昌振東，楊毅

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410004)

為了解拉壓組合復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下瀝青混合料的強(qiáng)度特性，在自主研發(fā)的三軸試驗(yàn)設(shè)備上，通過(guò)單軸拉、單軸壓、平面拉壓/軸向壓縮和平面拉壓/軸向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下共74個(gè)試件的試驗(yàn)，系統(tǒng)研究拉應(yīng)力和壓應(yīng)力共同作用下AC-13C瀝青混合料的三軸強(qiáng)度特性和破壞特征?；诎嗣骟w強(qiáng)度理論，建立多軸拉壓條件下AC-13C瀝青混合料的線性破壞準(zhǔn)則。研究結(jié)果表明：試件分別表現(xiàn)為拉應(yīng)變和拉應(yīng)力破壞特征；三軸拉強(qiáng)度和壓強(qiáng)度均低于單軸拉伸強(qiáng)度和單軸壓縮強(qiáng)度，按現(xiàn)行的最大拉應(yīng)力理論進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于危險(xiǎn)；線性破壞準(zhǔn)則考慮3個(gè)主應(yīng)力對(duì)路面的協(xié)同破壞作用，可較好地描述瀝青路面材料的三軸強(qiáng)度規(guī)律，并且形式簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用。

瀝青混合料；復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)；三軸拉壓；強(qiáng)度試驗(yàn)；破壞準(zhǔn)則

至2015年底，我國(guó)已通車高速公路里程突破12.5萬(wàn)km，國(guó)家高速公路骨干路網(wǎng)基本建成，其中大部分為瀝青路面。在行車荷載和環(huán)境因素共同作用下，路面結(jié)構(gòu)一般不是在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下工作，而是在三維復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下工作[1]。例如柔性基層和組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)路表雙圓荷載作用范圍的邊緣區(qū)域和面層范圍就處在拉壓組合應(yīng)力狀態(tài)[2]，在這種工作條件下，路面材料的抗拉、抗壓強(qiáng)度可能會(huì)低于單軸拉強(qiáng)度和單軸壓強(qiáng)度。若按照規(guī)范中的最大拉應(yīng)力理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，則設(shè)計(jì)結(jié)果偏危險(xiǎn)[3?4]，可能導(dǎo)致路面早期損壞，這就要求在路面設(shè)計(jì)時(shí)考慮實(shí)際應(yīng)力作用下瀝青混合料的強(qiáng)度特性，建立合適的破壞準(zhǔn)則。人們對(duì)多軸應(yīng)力狀態(tài)下巖土材料的強(qiáng)度試驗(yàn)、本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了較多研究[5?8]。瀝青混合料與巖土材料由于膠結(jié)料性質(zhì)和集料所占比例有較大差別，兩者的力學(xué)性能也有明顯差異。由于缺乏合適的三向加載試驗(yàn)設(shè)備，人們對(duì)瀝青混合料三軸拉壓試驗(yàn)研究較少。WANG等[9]開展了三向加載的真三軸試驗(yàn)，通過(guò)模量變化研究了瀝青混合料的各向異性。關(guān)宏信等[10]研發(fā)了簡(jiǎn)易真三軸試驗(yàn)設(shè)備，在低溫條件下對(duì)立方體試件進(jìn)行了多軸壓縮試驗(yàn)，分析了瀝青混合料的中間主應(yīng)力效應(yīng)，探討了雙剪強(qiáng)度理論作為瀝青混合料破壞準(zhǔn)則的適用性，但其試驗(yàn)裝置存在試件從邊角擠出、只能施加壓縮荷載而不能施加拉伸荷載的問(wèn)題，目前不能進(jìn)行多軸拉壓試驗(yàn)。為此，本文作者采用自主研發(fā)的瀝青混合料三軸試驗(yàn)裝置及方法進(jìn)行多軸拉壓試驗(yàn)，建立相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則，以便為瀝青路面結(jié)構(gòu)按三維應(yīng)力狀態(tài)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)及理論參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 三軸試驗(yàn)設(shè)備及方法

瀝青混合料三軸試驗(yàn)設(shè)備主要由軸向加載裝置、氣囊組件、氣壓控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。作為一種剛?cè)釓?fù)合式加載設(shè)備[11?12]，其構(gòu)造原理如圖1所示。內(nèi)半徑為、外半徑為、橫截面積為的中空?qǐng)A柱體試件，上表面受到連接MTS雙球鉸接頭軸向力的作用，內(nèi)、外圓柱表面分別受到內(nèi)氣囊氣壓P和外氣囊氣壓P的作用。在軸對(duì)稱條件下，試件各點(diǎn)受到徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和豎向應(yīng)力的作用。將，和按大小順序排列即為3個(gè)主應(yīng)力，和。

1—加載頭；2—球鉸；3—內(nèi)氣囊；4—試件；5—外氣囊。

(2)

(3)

瀝青混合料三軸試驗(yàn)裝置采用剛?cè)釓?fù)合式加載，體積小、易于操控；氣囊與加載板互不干涉，避免了角隅效應(yīng)；軸向可獨(dú)立地施加拉、壓荷載，克服了傳統(tǒng)三軸儀不能施加拉伸荷載的不足；若拆卸內(nèi)氣囊、采用實(shí)心圓柱體試件進(jìn)行加載，則轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的三軸試驗(yàn)?？傊撛囼?yàn)方法可采用空心及實(shí)心圓柱體試件進(jìn)行測(cè)試，其試驗(yàn)條件不僅涵蓋了傳統(tǒng)的單軸拉壓、圍壓三軸應(yīng)力狀態(tài)，而且能形成三向不等的應(yīng)力狀態(tài)，較好地模擬路面實(shí)際工況，可用于研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下瀝青混合料的破壞準(zhǔn)則[4, 11]。

1.2 原材料設(shè)計(jì)

采用外徑100 mm、內(nèi)徑=20 mm、高=100 mm的細(xì)粒式AC-13C改性瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，中空?qǐng)A柱體試件由旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型后鉆芯取樣得到。膠結(jié)料為東海石油SBS改性瀝青，集料為玄武巖，其力學(xué)指標(biāo)見表1，集料級(jí)配組成見表2。由馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為5.2%，見表3[13]?；旌狭系母黜?xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

表1 玄武巖力學(xué)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表2 AC-13C密級(jí)配瀝青混合料礦料級(jí)配

表3 最佳油石比下馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

注：油石比是指混合料中瀝青和集料的質(zhì)量比。

2 平面拉壓/軸向壓縮試驗(yàn)分析

JTG E20—2011“公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程”[14]中規(guī)定15 ℃為單軸壓縮試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)規(guī)定的測(cè)試溫度，因此，三軸拉壓試驗(yàn)在15 ℃時(shí)進(jìn)行。軸向加載速度為2 mm/min，與規(guī)范中單軸壓縮試驗(yàn)條件相同。試驗(yàn)前，進(jìn)行試件表面處理并采取減小摩擦的措施，防止端部約束影響試驗(yàn)結(jié)果。

柔性基層和組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)路表荷載作用的邊緣區(qū)域和面層范圍內(nèi)處在拉壓組合應(yīng)力狀態(tài)。為了解拉荷載和壓荷載對(duì)路面材料的協(xié)同破壞作用，對(duì)AC-13C瀝青混合料進(jìn)行平面拉壓/軸向壓縮與平面拉壓/軸向拉伸試驗(yàn)。進(jìn)行平面拉壓/軸向壓縮試驗(yàn)時(shí)，先通過(guò)內(nèi)氣囊對(duì)試件內(nèi)圓柱表面施加氣壓，然后用MTS810試驗(yàn)機(jī)軸向加壓，使試件破壞。如圖2所示。應(yīng)力路徑為先施加等比例的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，再施加壓應(yīng)力直至破壞，典型的試驗(yàn)曲線如圖3所示。對(duì)每個(gè)應(yīng)力比進(jìn)行4~5組平行試驗(yàn)，共計(jì)26次試驗(yàn)，剔除少數(shù)離散值后的試驗(yàn)結(jié)果見表4。李建林等[15]采用類似方法測(cè)試了混凝土的三軸強(qiáng)度。平面拉壓/軸向壓縮強(qiáng)度變化規(guī)律見圖4(其中，和分別為單軸拉強(qiáng)度和單軸壓強(qiáng)度，和分別為混合料破壞時(shí)的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力)。

由圖3和圖4可知：平面拉壓/軸向壓縮曲線與單軸壓縮曲線形狀類似，但極限強(qiáng)度隨著側(cè)向拉應(yīng)力的增大而降低，即AC-13C瀝青混合料的平面拉壓/軸向壓縮強(qiáng)度小于單軸抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)樵谳S向壓縮荷載作用下，試件表現(xiàn)為拉應(yīng)變破壞，而側(cè)向拉應(yīng)力的存在使拉應(yīng)變?cè)龃螅瑢?dǎo)致試件更容易發(fā)生破壞。當(dāng)側(cè)向拉應(yīng)力接近抗拉強(qiáng)度時(shí)，混合料的抗壓強(qiáng)度為單軸抗壓強(qiáng)度的67%。也就是說(shuō)，瀝青路面材料的極限抗力有所降低，有可能導(dǎo)致早期損壞。

圖2 平面拉壓/軸向壓縮試驗(yàn)應(yīng)力路徑

1—單軸壓縮曲線；2—內(nèi)氣壓為0.5 MPa；3—內(nèi)氣壓為0.75 MPa。

表4 瀝青混合料平面拉壓/軸向壓縮試驗(yàn)結(jié)果

圖4 平面拉壓/軸向壓縮強(qiáng)度變化規(guī)律

試件破壞后形成腰鼓，內(nèi)、外表面均表現(xiàn)出明顯的拉應(yīng)變破壞特征，見圖5[12]。破壞變形沒(méi)有明顯的規(guī)律，因?yàn)闉r青混合料是一種非均質(zhì)材料，裂紋的發(fā)生和發(fā)展存在隨機(jī)性。

圖5 拉應(yīng)變破壞示意圖

3 平面拉壓/軸向拉伸試驗(yàn)分析

平面拉壓/軸向拉伸試驗(yàn)的測(cè)試溫度為15 ℃，加載速度為2 mm/min，與平面拉壓/軸向壓縮試驗(yàn)條件相同。測(cè)試前，用雙面鋸磨掉試件表面的瀝青層，并用環(huán)氧樹脂粘牢試件表面和加載板，以保證試驗(yàn)過(guò)程中試件發(fā)生破壞而不是在黏膠處被拉斷。進(jìn)行平面拉壓/軸向拉伸試驗(yàn)時(shí)，先通過(guò)內(nèi)氣囊對(duì)試件內(nèi)圓柱表面施加氣壓，然后用MTS810試驗(yàn)機(jī)軸向加拉，使試件破壞。平面拉壓/軸向拉伸試驗(yàn)應(yīng)力路徑如圖6所示。應(yīng)力路徑為先施加等比例的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，再施加拉應(yīng)力直至試件破壞，典型的試驗(yàn)曲線如圖7所示。每個(gè)應(yīng)力比進(jìn)行4~5次平行試驗(yàn)，共計(jì)48次試驗(yàn)，剔除少數(shù)離散值后的試驗(yàn)結(jié)果見表5[4]。

由圖7可知：平面拉壓/軸向拉伸曲線與單軸拉伸曲線形狀類似，但極限強(qiáng)度隨著內(nèi)氣壓的增大而減小，也就是說(shuō)，AC-13C瀝青混合料在平面拉壓/軸向拉伸應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度均小于單軸拉伸強(qiáng)度。這是因?yàn)閮?nèi)氣壓分別會(huì)在2個(gè)方向產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。一方面，環(huán)向拉應(yīng)力的存在使得試件內(nèi)部的微裂縫有所發(fā)展；另一方面，徑向壓應(yīng)力在一定程度上也有利于軸向拉斷。在這2個(gè)因素共同作用下，試件更容易破壞。在兩向等拉狀態(tài)下瀝青混合料的強(qiáng)度比單軸抗拉強(qiáng)度降低26%，表明現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)采用的最大拉應(yīng)力理論偏于不安全。因此，平面拉壓/軸向拉伸受力狀態(tài)是較危險(xiǎn)的情形，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要引起注意，需適當(dāng)提高安全系數(shù)，否則容易導(dǎo)致路面產(chǎn)生開裂。拉應(yīng)力破壞示意圖如圖8所示，試件破壞后從中部拉斷一分為二，接近脆性破壞，表現(xiàn)為拉應(yīng)力破壞特征[12]，材料的破壞變形同樣沒(méi)有明顯的規(guī)律。

圖6 平面拉壓/軸向拉伸試驗(yàn)應(yīng)力路徑

1—單軸拉伸曲線；2—內(nèi)氣壓為0.35 MPa；3—內(nèi)氣壓為0.65 MPa。

表5 瀝青混合料平面拉壓/軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖8 拉應(yīng)力破壞示意圖

4 多軸拉壓條件下的破壞準(zhǔn)則

多軸拉壓試驗(yàn)難度較大，相關(guān)研究較少，已往研究集中在巖土領(lǐng)域[16?19]，多采用八面體破壞準(zhǔn)則作為材料的強(qiáng)度理論。這一方面是因?yàn)榘嗣骟w破壞準(zhǔn)則包含了中間主應(yīng)力因素，能夠反映材料的基本強(qiáng)度特性；另一方面，其數(shù)學(xué)表達(dá)式形式簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，便于工程應(yīng)用。為此，本文探討八面體破壞準(zhǔn)則對(duì)于瀝青混合料的適用性。根據(jù)表3、表4中試驗(yàn)點(diǎn)的應(yīng)力平均值計(jì)算八面體正應(yīng)力和剪應(yīng)力，見圖9(其中，為瀝青混合料的單軸抗壓強(qiáng)度，取正值；和分別為八面體正應(yīng)力和八面體剪應(yīng)力)。經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得到破壞準(zhǔn)則。

圖9 三軸拉壓試驗(yàn)點(diǎn)平均值與破壞準(zhǔn)則的比較

(5)

AC-13C改性瀝青混合料的破壞準(zhǔn)則為

我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)采用的最大拉應(yīng)力理論認(rèn)為路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部任意1點(diǎn)的最大拉應(yīng)力達(dá)到極限值時(shí)發(fā)生開裂破壞。而平面拉壓/軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，試件在3個(gè)主應(yīng)力(0.704，0.704，?0.650) MPa時(shí)便已發(fā)生破壞，在該破壞狀態(tài)下最大拉應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到單軸抗拉強(qiáng)度。這是因?yàn)樽畲罄瓚?yīng)力破壞準(zhǔn)則只考慮了最大拉應(yīng)力這個(gè)單一因素對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成的影響，沒(méi)有考慮拉壓應(yīng)力之間的協(xié)同破壞作用，高估了材料的抗力。本文建立的八面體破壞準(zhǔn)則考慮了3個(gè)主應(yīng)力之間的相互影響，能夠較客觀地描述瀝青混合料的三軸強(qiáng)度規(guī)律，并且形式簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用。

為了預(yù)防多軸拉壓荷載導(dǎo)致的路面開裂，在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可按以下步驟進(jìn)行強(qiáng)度校核：1) 進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)位的主應(yīng)力，和；2) 計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)位的等效應(yīng)力；3) 根據(jù)道路所在地區(qū)的氣候特征選定試驗(yàn)溫度，對(duì)路面各層材料進(jìn)行多軸拉壓試驗(yàn)，分別建立破壞準(zhǔn)則(其中，為路面結(jié)構(gòu)第層的八面體剪應(yīng)力，a和b為回歸系數(shù))；4) 按進(jìn)行強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(其中，為考慮疲勞效應(yīng)等因素的強(qiáng)度折減系數(shù))。理論上，上述校核方法不僅可以有效預(yù)防瀝青路面的開裂病害，而且有助于探究路面結(jié)構(gòu)的破壞源，能夠?yàn)闉r青路面結(jié)構(gòu)按三維應(yīng)力狀態(tài)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)及理論參考。

5 結(jié)論

1) 瀝青混合料在平面拉壓/軸向壓縮應(yīng)力作用下形成腰鼓，表現(xiàn)為拉應(yīng)變破壞特征；在平面拉壓/軸向拉伸應(yīng)力作用下試件從中部拉斷一分為二，表現(xiàn)為拉應(yīng)力破壞特征。

2) 瀝青混合料的三軸拉壓強(qiáng)度均低于單軸拉壓強(qiáng)度，因此，瀝青路面設(shè)計(jì)采用的最大拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則偏于危險(xiǎn)，有可能產(chǎn)生路面結(jié)構(gòu)開裂病害。在實(shí)際工程中，對(duì)于處于多軸拉壓狀態(tài)下的瀝青路面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意并相應(yīng)地提高安全系數(shù)。

3) 在八面體應(yīng)力空間建立了多軸拉壓條件下的線性破壞準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則考慮了各個(gè)因素之間的協(xié)同破壞作用，能客觀地描述瀝青混合料的三軸強(qiáng)度規(guī)律，并且形式簡(jiǎn)單，與試驗(yàn)結(jié)果較吻合。

4) 本文雖然提出了基于多軸拉壓破壞準(zhǔn)則的瀝青路面強(qiáng)度校核方法，為瀝青路面結(jié)構(gòu)按三維應(yīng)力狀態(tài)設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)和理論參考，但沒(méi)有對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層材料進(jìn)行全面的三軸拉壓強(qiáng)度及疲勞試驗(yàn)，這有待于進(jìn)一步研究。

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(編輯 陳燦華)

Failure criterion of asphalt mixture in triaxial tension and compression state

HUANG Tuo, CHANG Zhendong, YANG Yi

(Changsha University of Science & Technology, School of Traffic and Transportation, Changsha 410004, China)

In order to study strength properties of asphalt mixture in multiaxial tension and compression complex stress state, uniaxial tension and compression strength tests, as well as plane tension and compression/axial compression, plane tension and compression/axial tension tests were carried out by self-developed triaxial test machine. Thetriaxial strength properties and failure characteristics of AC-13C asphalt mixture were studied under the combined action of compression and tension stress through the tests of 74 specimens. A linear failure criterion of AC-13C asphalt mixture under multiaxial tension and compression stress condition was established by octahedron stress theory. The results show that the specimens have characteristics of tensile strain and tensile stress failure. Triaxial tension and compression strength is less than uniaxial tension strength and uniaxial compression strength. So, themaximum tensile stress theory which is used as failure criterion in asphalt pavement design in China may be somewhat unsafe. The failure criterion considers the synergistic damage effect among each principal stress, and it can be adequately used to describe the triaxial strength law of asphalt pavement material. It has simple expression form and is convenient for engineering application.

asphalt mixture; complex stress state; triaxial tension and compression; strength test; failure criterion

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.030

U416.217

A

1672?7207(2017)07?1908?07

2016?09?10；

2016?11?26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51608055，51578081)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017JJ3337)；湖南省教育廳項(xiàng)目(16C0051)；交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2015318825120) (Projects(51608055, 51578081) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017JJ3337) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Project(16C0051) supported by the Education Department of Hunan Province; Project(2015318825120) supported by Construction Project of Science and Technology of Ministry of Transportation)

黃拓，博士，講師，從事道路結(jié)構(gòu)與新材料研究；E-mail: huangtuomao@163.com